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科技前沿

高强度、高断裂伸长率石墨烯基碳纤维
来源:X-MOL  2017-01-04 16:05:29
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原文:http://chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=4252       近年来,石墨烯以其高杨氏模量、高断裂强度、优异的载流子迁移率等物理化学性能在国际上受到了广泛关注。为了将单片石墨烯的优异性能转移到其宏观组装体上(石墨烯纤维、石墨烯薄膜、石墨烯气凝胶等),科学家们以石墨烯和氧化石墨烯为原料进行了大量的尝试。其中,具有高强度、高导电导热性的石墨烯纤维展现了其在储能、阻燃等领域的巨大应用前景。目前,制备石墨烯纤维主要利用氧化石墨烯水溶液为原料,采用溶液纺丝法以及后续还原过程进行制备。此外,通过调控石墨烯片尺寸、引入离子交联、与聚合物混合等方式可以有效提高石墨烯纤维力学强度。然而根据格里菲斯理论,纤维力学强度的增强往往基于牺牲其断裂伸长率,而过小的断裂伸长率限制了纤维在实际生产中的应用。

       北京化工研究院塑料加工中心团队开发的高强度、高断裂伸长率石墨烯基碳纤维很好的弥补了上述缺憾。根据研究,石墨烯纤维的力学强度主要受其内部缺陷的分布、大小、位置所控制;另一方面,其断裂机制可用“拉伸-剪切”模型进行描述,即石墨烯纤维断裂主要由其内部石墨烯片层的相对滑动引起。利用目前技术所制备的石墨烯纤维在其内部存在大量缺陷,且石墨烯片层间仅存在微弱的范德华力,因此难以达到较高力学性能。北京化工研究院科研团队改进了原有制备方法,在氧化石墨烯纤维中添加酚醛树脂并高温碳化使其转化成无定形碳,新生成的无定形碳位于石墨烯片层之间,可以弥补纤维内部部分缺陷并使纤维致密化,从而增强纤维拉伸强度。同时,无定形碳可在石墨烯片层间引入新生成的C-C化学键,增强石墨烯片层间的相互作用,阻止纤维在拉伸力作用下石墨烯片层的相对滑动,从而实现在增强力学强度的同时增加其断裂伸长率。利用此种方法所制备的石墨烯基碳纤维拉伸强度可达1.45 GPa,断裂伸长率达到1.8 %,分别较纯石墨烯纤维提高113 %和38 %,其杨氏模量也达到120 GPa。此外,由于缺陷的减少以及新化学键的形成,纤维的导电性能也得到有效提高,电导率达到8.4×104 S/m。
       
       该种方法所制备的石墨烯基碳纤维以其高强度、高断裂伸长率、高电导率等特点,有望广泛用于可穿戴器件、储能、轻质导线、太阳能电池材料等领域。
文章来源:http://chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=4252