Formación de una red ondulada similar al grafeno durante la pirólisis del poliacrilonitrilo en fibra de carbono

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• Nanotecnología
• Ingeniería Química

Sus antecedentes:

• La fibra de carbono a base de poliacrilonitrilo (PAN-CF) ofrece propiedades mecánicas superiores en comparación con los metales y la fibra de carbono a base de brea (pb-CF).
• La estructura atómica y el mecanismo de formación de PAN-CF durante la pirólisis siguen siendo poco conocidos.
• La alta resistencia a la tracción (7 GPa) en PAN-CF se atribuye a su estructura única, en contraste con la naturaleza frágil de pb-CF.

Objetivo del estudio:

• Elucidar la estructura atómica y el proceso de formación de PAN-CF durante la pirólisis.
• Investigar la relación entre la estructura del material y sus excepcionales propiedades mecánicas.
• Comparar las características estructurales de PAN-CF con las de pb-CF.

Principales métodos:

• Pirólisis de un acrilonitrilo 9-mer dentro de un nanotubo de carbono.
• Monitoreo in situ mediante microscopía electrónica de resolución atómica y espectroscopia Raman.
• Análisis picográfico microscópico para determinar la estructura de los anillos y la morfología del material.

Principales resultados:

• Formación de una red ondulada térmicamente reactiva similar al grafeno (WGN) a 1200-1400 °C durante la grafitización lenta (900-1800 °C).
• La estructura WGN comprende anillos de 5, 6 y más miembros, lo que resulta en una morfología no plana y ondulada.
• El apilamiento jerárquico de capas de WGN forma una fase no cristalina interdigitada, mejorando la resistencia a la fractura y la resistencia a la tracción.

Conclusiones:

• La estructura única de red ondulada similar al grafeno (WGN) es responsable de la alta resistencia a la tracción y la resistencia a la fractura de PAN-CF.
• La estructura no cristalina y interdigitada de PAN-CF se asemeja a los materiales de alta entropía, lo que contribuye a su rendimiento superior.
• Los hallazgos proporcionan información crítica sobre la fabricación de PAN-CF y su potencial para aplicaciones avanzadas.