Les fibres de carbone renforcées de graphène peuvent ouvrir la voie à des composites plus solides et moins chers

Tel que publié par le Graphene Council, des chercheurs d'Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Oak Ridge, Tenn., US), University of Virginia (UVA, Charlottesville, Va., US) et Pennsylvania State University (Penn State, University Park, Pennsylvanie) ., US) ont publié des recherches dans le numéro d'avril 2020 de Science Advances , évaluant l'utilisation de graphène vierge comme additif à une solution de polyacrylonitrile (PAN) pour les fibres précurseurs de fibre de carbone sur la base de recherches antérieures utilisant des nanotubes de carbone (CNT) et du liquide d'oxyde de graphène (GO).

Les auteurs expliquent comment l'ajout de NTC peut non seulement optimiser la dope de filage PAN et les paramètres de coagulation, mais aussi servir à la fois de modèle pour l'alignement et l'orientation des chaînes polymères et d'agent de nucléation pour la cristallisation du polymère. Ils citent les recherches de Chae et al . qui a signalé une augmentation de 49 % du module de fibre de carbone et une augmentation de 64 % de la résistance avec l'ajout de 1,0 % en poids de nanotubes de carbone. Il a également été démontré que l'ajout de NTC abaisse la température de carbonisation, ce qui peut réduire considérablement la consommation d'énergie lors de la fabrication de la fibre de carbone (CF).

En tant qu'allotrope de carbone bidimensionnel monocouche, le graphène présente des propriétés supérieures aux NTC, notamment une plus grande surface, une mobilité électronique supérieure, une résistance à la traction plus élevée et un module de Young. Cependant, des expériences récentes utilisant des cristaux liquides d'oxyde de graphène (GO) dans la fabrication de fibres de carbone ont abouti à des fibres avec une résistance à la traction inférieure à la normale en raison de leur mauvais alignement intrinsèque et de leur cristallinité.

Théorisant que le graphène vierge peut être un meilleur additif que les CNT et GO pour les fibres de carbone à base de PAN, les chercheurs de l'ORNL, de l'UVA et de Penn State ont ajouté une petite quantité de graphène vierge exfolié par cisaillement (0,01 à 1,0 %) à un PAN/diméthyl solution de sulfoxyde (PAN/DMSO) pour affiner les propriétés de la solution de filage PAN. Les résultats ont montré que les fibres de carbone à base de PAN/graphène avec 0,075 % en poids de graphène présentaient une résistance à la traction de 1916 MPa et un module de Young de 233 GPa - une augmentation de 225 % de la résistance et de 184 % du module par rapport aux fibres de carbone PAN sans graphène.

De plus, les résultats de simulation de dynamique moléculaire à grande échelle montrent que l'ajout de graphène introduit une chimie de bord favorable, favorise la teneur en carbone, améliore l'alignement de la chaîne polymère et augmente la cristallinité.

Les auteurs affirment que ces résultats élargissent non seulement la compréhension de la production de fibres de carbone à base de PAN, mais fournissent également une base pour le développement de fibres précurseurs alternatives à faible coût améliorées par le graphène, qui peuvent produire des fibres de carbone offrant des performances supérieures et un coût inférieur au PAN actuel. produits à base.