美國研究員用氧化石墨烯片“紡出”強韌碳纖維
2013-07-17 來源：中國聚合物網
近日，美國萊斯大學的研究人員用大塊的氧化石墨烯薄片為基本原材料，“紡織”出了強韌的碳纖維，當承受拉力時，其打結處與纖維的其他部分一樣不易被拉斷，輕型飛機、防彈衣面料等都可以用這種碳纖維來制造以增加強度。該研究成果8日發表在《先進材料》雜志網絡版上。
大部分纖維在受到拉力時，打結的地方極有可能出現斷裂，但新型碳纖維的獨特之處就在于結頭也非常強韌，用研究人員的話說就是，展示出了“100%的結子效率”。“看到這一點非常奇怪，”萊斯大學化學家詹姆斯·圖爾說，“結頭和纖維的其他部分一樣強韌，這種情況以前從未在碳纖維或者聚合物纖維上出現過。”
這要多虧萊斯大學幾年前申請的一項專利：利用環境友好工藝制造具有獨特性能的氧化石墨烯片。它們的平均直徑為22微米，相當于人類發絲寬度的四分之一，但與目前用于制造碳纖維的石油基瀝青微粒相比，卻算得上龐然大物。“瀝青微粒只有2納米大小，我們的氧化石墨烯片要大上約1萬倍。”研究論文的第一作者、萊斯大學研究生項長勝(音譯)說。
與瀝青微粒一樣，這些石墨烯片靠弱的范德華力聚攏在一起；但不同的是，只有原子厚的石墨烯片擁有極大的表面積，被拉成纖維后，彼此依附排列，如同魚身上的鱗片一樣。項長勝說，結頭處的強度取決于纖維的彎曲系數，“由于氧化石墨烯的彎曲系數非常低，好似結頭根本不存在”。
圖爾說，工業碳纖維這種強度類似鋼的超輕材料應用范圍十分廣泛，從棒球棍到自行車再到轟炸機，不一而足，但幾十年來其性能卻沒有多大改善，原因在于其中應用到的化學條件已經接近極限。而這種新型碳纖維是在室溫條件下“紡織”而成的，并且表現出了令人驚嘆的抗張強度和彎曲系數，在經過高溫退火處理后有可能變得更強韌。
項長勝說，按照制造碳纖維的行業標準將新型纖維置于2100攝氏度的高溫下煅燒，有可能會消除打結強度，但應該可以極大地提高材料的抗張強度，這對于制造新型復合材料非常適合。
該團隊還用尺度更小的9微米氧化石墨烯薄片紡成了另一種纖維。由于制造工藝使薄片的排列更加優化，即使在室溫條件下，所得到的纖維的強度也非常接近商業產品。
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（責任編輯：徐）
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