石墨烯增强的碳纤维可能会带来价格实惠、强度更高的汽车材料
目前市场中大多数的碳纤维都由非常昂贵的聚丙烯腈（PAN）制成，而生产PAN的能耗非常大：首先，必须将PAN原丝加热到200～300℃以使其氧化；接着，必须将它们加热到1200～1600℃以使原子变成碳；最后，必须将它们加热到2100℃以确保分子正确排列。
如果不经过这一系列的步骤，获得的材料将缺乏其所需的强度和刚性。因此，PAN的价格大约占碳纤维生产成本的50%。
由来自美国橡树岭国家实验室、宾夕法尼亚州立大学和弗吉尼亚大学的研究人员组成的一个研究小组，介绍了一种制备碳纤维的新方法，该方法可能会在某一天引发利用这些轻质高强材料来提高汽车的安全性并降低汽车的生产成本。
采用计算机模拟和实验室试验相结合的方法，该小组发现，在生产过程中添加少量的2D石墨烯，可以降低生产成本并增强纤维的强度。
目前，碳纤维的售价大约是每磅15 美元，该小组与行业合作伙伴索尔维和Oshkosh合作，希望通过改变复杂的生产流程，将价格降低到每磅5美元。较低的生产成本将有助于增强碳纤维的应用潜力。
此外，该小组的研究成果还可以降低生产其他类型碳纤维的成本，其中的一些当前的售价高达每磅900美元。
PAN/石墨烯复合碳纤维的湿法纺丝工艺、微结构和力学性能说明图（图片来自《Science Advances》杂志刊登的“石墨烯增强的碳纤维”一文）
在2020年4月出版的《Science Advances》杂志上，该研究小组发表了一篇论文，该论文基于先前使用碳纳米管和氧化石墨烯液体的研究，评估了将原始石墨烯作为添加剂添加到碳纤维原丝用聚丙烯腈（PAN）溶液中的用途。
作者们解释说，添加碳纳米管不仅能优化PAN纺丝浆料和凝固参数，而且还可用作高分子链排列与取向的模板以及聚合物结晶的成核剂。
他们引用了Chae等人的研究结论：添加1.0wt %的碳纳米管，碳纤维的模量提高了49%，强度提高了64%。
此外，添加碳纳米管还显示出碳化温度的降低，这能显著降低碳纤维制造过程中的能耗。
作为单层二维碳同素异形体，石墨烯的性能优于碳纳米管，包括拥有更大的表面积、更优的电子迁移率、更高的拉伸强度和杨氏模量。
然而，在碳纤维制造中应用氧化石墨烯液晶的最新试验表明，获得的纤维拥有低于标准水平的拉伸强度，这是因为它们的内在排列和结晶性较差。
从理论上推测，原始石墨烯可能是比碳纳米管和氧化石墨烯更好的适用于PAN基碳纤维的添加剂。
美国橡树岭国家实验室、弗吉尼亚大学和宾夕法尼亚州立大学的研究人员们将少量剪切剥离的原始石墨烯（0.01～1.0wt%）添加到聚丙烯腈/二甲基亚砜（PAN/DMSO）溶液中，以精细调整PAN纺丝浆料的性能。
结果，在生产流程的第一阶段添加仅0.075wt%的微量石墨烯，就使得PAN/石墨烯基碳纤维展现出了1916 MPa 的拉伸强度和233 GPa的杨氏模量，相比未添加石墨烯的PAN基碳纤维，强度提高了225%，模量提高了184%。
此外，大规模分子动力学模拟结果表明，添加石墨烯能引入有利的边缘化学，增加碳含量，改善聚合物链的排列和结晶度。
石墨烯的扁平结构有助于使PAN分子在整个纤维中正确排列。
此外，在高温下，石墨烯的边缘具有天然的催化性能，这使得PAN的其余部分能围绕这些边缘凝结。
作者们声称，这些结果不仅有利于扩大对PAN基碳纤维生产的认识，而且为开发低成本的由石墨烯增强的替代前体原丝奠定了基础，从而可生产出性能优越且能降低当前PAN基产品成本的碳纤维。
凭借从这项研究中获得的新知识，该团队正在探索在采用更便宜的前体的生产过程中进一步应用石墨烯的方法，目的是切断一个或多个生产步骤，以进一步降低成本。
美国能源部和美国国家科学基金会对此项研究提供了支持。