碳纤维（CFs）的最高级强度-重量比可以大大减轻车辆重量并提高能源效率。但是，大多数CFs均来自昂贵的聚丙烯腈（PAN），这限制了它们在汽车工业中的广泛应用。从低成本的替代前体材料生产CFs的大量努力未能产生商业上可行的产品。在这里，我们再次访问PAN，以研究其转化化学和微观结构演变，这可能为低成本CFs的设计提供线索。我们证明了少量的石墨烯可以使孔隙率/缺陷最小化并增强基于PAN的CFs。我们的实验结果表明，与PAN CFs相比，0.075 wt.％的石墨烯在强度上增强了PAN/石墨烯复合CFs的225％，杨氏模量提高了184％。原子ReaxFF和大规模分子动力学模拟共同阐明了石墨烯通过促进有利的边缘化学作用和聚合物链排列来修饰微观结构的能力。
 
Figure 1. (A) PAN/石墨烯复合纤维制备过程；(B)-(G)分别是石墨烯含量为0、0.01wt%、0.025wt%、0.05wt%、0.075wt%和0.1wt% CF/石墨烯复合碳纤维断面SEM图；(H)和(I)分别是不同石墨烯含量CF/石墨烯复合碳纤维的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率结果
 

Figure 2. 不同石墨烯含量复合碳纤维的纳米X射线断层图像；注：图中橙色部分表示的是纤维的轴向裂纹，圆圈圈住的区域表示的是纤维的纵向纳米缺陷
 

Figure 3. 氧化处理阶段对PAN纤维(蓝色)和PAN/石墨烯复合纤维(橙色)的仿真模拟。(A)~(C)分别是两种纤维N₂、H₂和H₂O的产生量随时间的变化；(D)~(F)分别是两种纤维中5、6、7元环含量随时间的变化；(G) 两种纤维碳含量随时间的变化；(H)和(I)表示的是含有石墨烯的纤维中形成的5、6、7元环结构示意图
 
     相关研究成果于2020年由弗吉尼亚大学Xiaodong Li和Leonid V. Zhigilei课题组以及宾夕法尼亚州立大学Adri C. T. van Duin课题组，发表在Science Advances（DOI: 10.1126/sciadv.aaz4191）上。原文：Graphene reinforced carbon fibers。