微槽诱导的F-M生长机制：用于增强碳纤维上原位石墨烯沉积的电导性能

《Applied Surface Science》：Microgroove-induced F-M growth mechanism of in-situ graphene deposition on carbon fibres for enhancing electrical conduction

碳纤维表面通过微沟槽诱导的F-M机制原位生长石墨烯，显著提升导电性和机械性能。CF@G织物电阻降低65.4%，200次折叠后性能稳定；CF@G-CFRP复合材料拉伸强度提高101.5%，电导率提升106.9%。该策略为航空航天领域高性能导电材料开发提供新路径。

　　

林云洲|周家鹏|孔静安|杨德宇|侯向辉

中国西北工业大学，固体成形加工国家重点实验室，纤维增强轻质复合材料陕西省重点实验室，西安710072

摘要

航空航天和航空领域的发展对轻质、高强度且耐用的导电材料提出了迫切需求。碳纤维（CFs）在当前柔性导电材料中展现出巨大潜力，具有高强度、轻质和耐腐蚀性。然而，碳纤维本身的结构缺陷限制了其电导率，从而限制了其进一步的应用。本文基于微槽诱导的F-M生长机制，提出了一种通过原位生长石墨烯片层来改性的表面改性策略，成功提升了碳纤维的电导性能。通过微槽的诱导，原位生长的石墨烯可以在原子层面填充碳纤维表面的间隙，为电荷快速传输提供路径，从而提高碳纤维的电导率。借助密度泛函理论（DFT）计算和实验验证，证实了微槽调控的生长路径以及石墨烯（CF@G）的电导率随温度/时间的依赖性。碳纤维的电导率显著提高，同时保持了其良好的机械性能。制备的CF@G织物的片电阻比原始碳纤维织物降低了65.4%，而在200次折叠后电导率仍保持稳定。值得注意的是，与工业上广泛使用的铜基导电复合材料相比，CF@G增强聚合物（CF@G-CFRP）复合材料的抗拉强度提高了101.5%。由于通过微槽诱导的F-M机制实现了石墨烯片层的原位生长，CF@G复合材料在石墨化后的有效电导率提高了106.9%。本研究提出了一种新型的高性能导电材料设计与优化策略，从而促进了航空航天领域对轻量化要求的快速进展。

引言

航空航天和航空工业的快速发展对轻质、高强度、耐用且柔性的导电材料提出了迫切需求[1]、[2]。这种需求在具有复杂曲面的无人机外壳和飞机内部部件中尤为突出[3]、[4]、[5]。碳纤维（CFs）具有独特的性能，包括高抗拉强度、低密度、化学抗性和良好的电导率[6]，在新一代柔性轻质增强材料中展现出巨大潜力[7]、[8]、[9]。然而，碳纤维层状石墨结构的无序特性阻碍了电子传输[10]，导致其电导率不足，从而限制了其作为导电材料的进一步应用[11]、[12]，因此需要提高其电导率。现有的提高碳纤维电导率的方法主要集中在通过高温石墨化处理来改变化学结构[13]。然而，这种方法所实现的导电性能提升仍不够高。此外，这种热处理通常需要较高的温度，这对成本控制和大规模生产非常不利[14]。

由于石墨烯具有优异的电导率[15]、[16]、[17]，已被广泛用于电极材料的制备[18]、[19]、[20]、[21]，因此成为提高碳纤维电导率的竞争性候选材料[22]、[23]、[24]。刘等人使用等离子体处理在碳纤维表面制备了剥离的、富含边缘的石墨烯，有效促进了质量和电子传输[25]。然而，上述方法制备的石墨烯常常存在团聚[25]、[26]、分层[27]和其他结构缺陷，这些缺陷限制了电子传输。周等人采用脉冲等离子体放电方法在碳纤维表面原位生长了缺陷较少的石墨烯[29]，有效提高了碳纤维增强聚合物（CFRP）的抗拉强度。尽管如此，现有的原位石墨烯生长研究对石墨烯/碳纤维的电导率关注较少。

通过化学气相沉积（CVD）原位生长石墨烯是制备高质量石墨烯的最有前景的方法之一[24]。吴等人通过CVD利用Frank-van der Merwe（F-M）机制在Cu-Ni合金基底上实现了大尺寸单晶石墨烯的快速生长[30]、[31]。此外，前驱体中的C-O自由基可以显著降低CVD制备的石墨烯片层的缺陷密度[32]，从而便于在无催化剂的非金属表面上原位生长石墨烯。王等人提出了一种多物种共吸附诱导机制，利用玻璃纤维（GFs）的高温熔化特性，通过CVD在GFs表面快速合成石墨烯层[33]。对于碳纤维，赵等人[34]通过CVD方法在碳纤维表面制备了垂直生长的石墨烯，但对电导率的提升贡献有限。考虑到石墨烯的惰性和粗糙表面形态，目前尚缺乏明确的生长模型来支持CVD在碳纤维表面上原位生长石墨烯片层的过程。理论上的不足严重阻碍了碳纤维作为柔性电极材料的发展。

在本研究中，提出了一种基于微槽诱导的F-M机制的碳纤维上原位生长石墨烯的方法。通过DFT计算揭示了前驱体在基底表面的吸附路径和吸附复合物中间体的断裂路径，成功制备出了高质量、低电阻、高强度的柔性碳纤维-石墨烯（CF@G）织物。通过透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）等手段验证了CVD沉积模型的可靠性。性能测试表明CF@G材料具有优异的电导率和机械性能。CF@G材料结合了碳纤维的高强度和石墨烯的高电导率，成为一种新型的、柔性的、高导电性的材料，有望在众多工程领域替代传统金属作为导电组件。

章节片段

DFT计算细节

DFT的第一性原理计算是在Gaussian 09W软件包的电子结构程序中进行的[35]。采用M06-2X/def2-TZVP级别的DFT来分析物种和反应。选择M06-2X是因为其在包含热化学性质、动力学参数、键长、振动频率和振动零点能量等数据集上的广泛验证[36]。这种验证确立了其在相关应用中的可靠性

控制石墨烯生长的F-M机制的理论分析

已在Ir(1 1 1) [45]、Cu(1 1 1) [46]和Cu–Ni合金[31]等金属基底上通过CVD实现了单晶石墨烯的生长。在Ir(1 1 1)表面上，石墨烯优先在Ir的台阶边缘成核，促进了岛屿的合并和连贯生长，如图1a所示。研究表明，在边缘区域，吸附过程的反应能垒和成核能垒降低[45]。除了基底表面的作用外

结论

总结来说，通过提出微槽诱导的F-M机制，通过非催化CVD过程在碳纤维上原位生长石墨烯，开发出了导电材料（CF@G）。通过DFT计算和实验研究，研究了石墨烯结构的温度依赖性，发现1240℃的沉积温度可以获得最有序的石墨烯结构。通过微槽诱导的F-M机制原位生长的石墨烯结构提高了

作者贡献

该项目由侯向辉和杨德宇构思和监督。林云洲和孔静安负责CF@G的设计和DFT计算。周家鹏负责CF@G的制备和表征。最初的稿件由林云洲起草。所有作者都对结果进行了讨论，并对最终稿件进行了评论。

未引用参考文献

[67]、[68]、[69]。

CRediT作者贡献声明

林云洲：撰写 – 原始草稿，可视化，软件处理。周家鹏：方法论。孔静安：软件处理，实验研究。杨德宇：撰写 – 审稿与编辑，资金筹集。侯向辉：撰写 – 审稿与编辑，资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（52573307、52402158）、中国博士后科学基金（2025T181161、2024M764245）、中国空气动力研究中心结冰与防/除冰重点实验室（2301IADL20230412）以及宁波材料技术与工程研究院先进海洋材料国家重点实验室（重大项目：2025Z02）的资助。