DOI: 10.1016/j.compositesa.2023.107632

碳纳米纤维的机械性能一直受到其无序晶体结构的限制。本文利用两种典型的六方晶片状材料，纳米级片状石墨（NG）和六方氮化硼（BN）作为纳米填料，优化了CNFs的晶域，提高了纤维的强度、模量和韧性。为此，开发了原位聚合技术，用于将纳米填料与CNFs的聚丙烯腈（PAN）前体快速均匀混合。在这个过程中，纳米填料被剥离并用PAN包裹，以防止潜在的团聚。所获得的核壳纳米复合材料可以通过静电纺丝、稳定化和碳化制备成复合CNFs。基于吸引效应，在初纺纳米纤维中，分散的纳米填料可以将PAN分子链组织成定向结晶原纤维，并加速其在稳定的纳米纤维中向趋于梯形结构的转变。在此基础上，NG被证明可以作为模板和成核剂，促进CNFs中石墨平面的形成、生长和紧密堆积。BN还提高了纤维的结晶度，而其有限的模板作用导致了更松散和更精细的晶域。因此，NG掺杂CNFs具有显著提高的强度和模量，而BN掺杂CNFs同时具有增强的强度和韧性。

图1.NG和BN增强CNFs的生产工艺示意图。

图2.NG（a）、BN（b）、PAN（c）、PAN/NG（d,e）和PAN/BN（g,h）的SEM图像。PAN/NG（f）和PAN/BN（i）的元素映射光谱。

图3.PAN（a-c）、PAN/NG（d-f）和PAN/BN（g-i）的TEM图像。

图4.（a,b）聚合物样品的FTIR光谱。（c）纳米填料和聚合物样品的XRD图谱。（d）计算聚合物样品的结晶度和Lc。（e）纳米填料对PAN链段排列的影响示意图。

图5.纳米纤维的SEM图像：aPAN（a1）、aP+NG（b1）、aP/NG（c1）、aP+BN（d1）和aP/BN（e1）初纺纳米纤维；sPAN（a2）、sP+NG（b2）、sP/NG（c2）、sP+BN（d2）和sP/BN（e2）稳定的纳米纤维；cPAN（a3）、cP+NG（b3）、cP/NG（c3）、cP+BN（d3）和cP/BN（e3）碳化纳米纤维。

图6.（a）初纺纳米纤维样品的FTIR光谱。（b）初纺纳米纤维样品的XRD图谱和计算的结晶度。短时间蚀刻的aPAN（c）、aP/NG（d）、aP/BN（e）以及长时间蚀刻的aPAN（f）、aP/NG（g）、aPC/BN（h）的SEM图像。

图7.初纺纳米纤维的低倍率SEM图像和计算的原纤维对齐因子：aPAN（a）、aP+NG（b）、aP/NG（c）、aP+BN（d）和aP/BN（e）。初纺纳米纤维的2D-XRD图案：aPAN（f）、aP+NG（g）、aP/NG（h）、aP+BN（i）和aP/BN（j）。

图8.（a）稳定反应示意图。稳定的纳米纤维的FTIR光谱（b）和计算的EOR（c）。sPAN（d）、sP+NG（e）、sP/NG（f）、sP+BN（g）和sP/BN（h）的DSC图谱。（i）稳定纳米纤维的Kissinger曲线。

图9.（a）CNFs的XRD图谱。（b）计算CNFs的结晶度和石墨化程度。CNFs的拉曼光谱（c）、计算的ID/IG和La（d）。CNFs中石墨平面的形成（e）和结晶过程（f）的示意图。

图10.稳定的纳米纤维的低倍率SEM图像和计算的原纤维对齐因子：sPAN（a）、sP+NG（b）、sP/NG（c）、sP+BN（d）和sP/BN（e）。稳定的纳米纤维的2D-XRD图案：sPAN（f）、sP+NG（g）、sP/NG（h）、sP+BN（i）和sP/BN（j）。

图11.碳化纳米纤维的低倍率SEM图像和计算的原纤维对齐因子：cPAN（a）、cP+NG（b）、cP/NG（c）、cP+BN（d）和cP/BN（e）。碳化纳米纤维的2D-XRD图谱：cPAN（f）、cP+NG（g）、cP/NG（h）、cP+BN（i）和cP/BN（j）。

图12.cPAN（a,b）、cP/NG（c-f）和cP/BN（g,h）的TEM图像。

图13.CNF带的应力-应变曲线（a）、抗拉强度（b）、杨氏模量（c）和断裂伸长率（d）。

图14.CNFs的横截面SEM图像：cPAN（a）、cP+NG（b,c）、cP/NG（d）、cP+BN（e）和cP/BN（f）。