PAN/石墨烯復合碳纖維的濕法紡絲工藝、微觀結構和力學性能圖示。

正如石墨烯委員會發表的，橡樹嶺國家實驗室 （ORNL，美國田納西州橡樹嶺）、弗吉尼亞大學 （UVA，美國弗吉尼亞州夏洛茨維爾）和賓夕法尼亞州立大學（賓夕法尼亞州立大學，賓夕法尼亞州帕克，美國）的研究人員在2020年的《科學進展》雜志上發表了一項研究，根據之前的研究評估了原始石墨烯作為碳纖維前體纖維聚丙烯腈 （PAN） 解決方案添加劑的使用使用碳納米管（CNT- carbon nanotube）和氧化石墨烯（GO- graphene oxide）液體。 

作者解釋了添加碳納米管不僅可以優化PAN紡絲原液和凝固參數，還可以作為聚合物鏈取向和取向的模板以及聚合物結晶的成核劑。他們引用了Chae等人的研究。其中報告稱，添加49.64wt%碳納米管后，碳 纖維模量增加了1%，強度提高了0%。碳納米管的添加也被證明可以降低碳化溫度，這可以顯著降低碳纖維（CF）制造過程中的能耗。 

作為一種單層二維碳同素異形體，石墨烯表現出優于碳納米管的性能，包括更大的表面積、卓越的電子遷移率、更高的拉伸強度和楊氏模量。然而，最近在制造碳纖維時使用氧化石墨烯（GO）液晶的實驗導致纖維的抗拉強度低于標準，因為它們的固有排列和結晶度較差。

ORNL，UVA和賓夕法尼亞州立大學的研究人員從理論上認為，原始石墨烯可能是比CNT和GO更好的添加劑，ORNL，UVA和賓夕法尼亞州立大學的研 究人員在PAN/二甲基亞砜（PAN/DMSO）溶液中添加了少量剪切剝落的原始石墨烯（0.01至1.0wt%）， 以微調PAN紡絲涂料的性能。結果表明，與不含石墨烯的PAN碳纖維相比，石墨烯含量為0.075wt%的PAN/石墨烯基碳纖維的拉伸強度為1916MPa，楊氏模量為233GPa，強度提高了225%，模量提高了184%。此外，大規模分子動力學模擬結果表明，添加石墨烯可引入有利的邊緣化學，促進碳含量，增強聚合物鏈排列并提高結晶度。作者聲稱，這些結果不僅擴大了對PAN基碳纖維生產的理解，而且還為開發由石墨烯增強的低成本替代前體纖維提供了基礎，這可能產生具有卓越性能和低成本的碳纖維。 

注：原文，《Graphene-reinforced carbon fibers may offer path to stronger, cheaper composites》 2020.4.29.