如何提升石墨烯基碳纖維的力學強度

近年來,石墨烯以其高楊氏模量、高斷裂強度、優異的載流子遷移率等物理化學性能在國際上受到瞭廣泛關註。為瞭將單片石墨烯的優異性能轉移到其宏觀組裝體上(石墨烯纖維、石墨烯薄膜、石墨烯氣凝膠等),科學傢們以石墨烯和氧化石墨烯為原料進行瞭大量的嘗試。其中,具有高強度、高導電導熱性的石墨烯纖維展現瞭其在儲能、阻燃等領域的巨大應用前景。

目前,制備石墨烯纖維主要利用氧化石墨烯水溶液為原料,采用溶液紡絲法以及後續還原過程進行制備。此外,通過調控石墨烯片尺寸、引入離子交聯、與聚合物混合等方式可以有效提高石墨烯纖維力學強度。然而根據格裡菲斯理論,纖維力學強度的增強往往基於犧牲其斷裂伸長率,而過小的斷裂伸長率限制瞭纖維在實際生產中的應用。

如何提升石墨烯基碳纖維的力學強度

利用目前技術所制備的石墨烯纖維在其內部存在大量缺陷,且石墨烯片層間僅存在微弱的范德華力,因此難以達到較高力學性能。北京化工研究院科研團隊改進瞭原有制備方法,在氧化石墨烯纖維中添加酚醛樹脂並高溫碳化使其轉化成無定形碳,新生成的無定形碳位於石墨烯片層之間,可以彌補纖維內部部分缺陷並使纖維致密化,從而增強纖維拉伸強度。同時,無定形碳可在石墨烯片層間引入新生成的C-C化學鍵,增強石墨烯片層間的相互作用,阻止纖維在拉伸力作用下石墨烯片層的相對滑動,從而實現在增強力學強度的同時增加其斷裂伸長率。

利用此種方法所制備的石墨烯基碳纖維拉伸強度可達1.45 GPa,斷裂伸長率達到1.8%,分別較純石墨烯纖維提高113%和38%,其楊氏模量也達到120 GPa。此外,由於缺陷的減少以及新化學鍵的形成,纖維的導電性能也得到有效提高,電導率達到8.4×104 S/m。

該種方法所制備的石墨烯基碳纖維以其高強度、高斷裂伸長率、高電導率等特點,有望廣泛用於可穿戴器件、儲能、輕質導線、太陽能電池材料等領域。瞭解更多,閱讀以下相關文章:

石墨烯產業發展趨勢

富含介孔結構的石墨烯的制備方法

石墨烯和輕度交聯的聚矽樹脂混合成G-putty

相关新闻