一種微納膜狀碳纖維的石墨烯增強制備方法與流程
2023-10-08 23:43:34
本發明涉及碳纖維技術，具體為一種微納膜狀碳纖維的石墨烯增強制備方法。
背景技術：
碳纖維(carbon fiber，簡稱CF)，是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由有機纖維經碳化及石墨化處理得到沿纖維軸向方向堆砌而成的微晶石墨材料。
碳纖維兼具碳材料強抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特徵，是一種的力學電學性能優異的新材料。目前量產的碳纖維拉伸強度約為2到7GPa，拉伸模量約為200到700GPa。密度約為1.5到2.0克每立方釐米，一般經過高溫3000℃石墨化處理，密度可達2.0克每立方釐米。比重比鋁還要輕，不到鋼的1/4，比強度可以達到鋼鐵的幾十倍。是具有最高的比強度和比模量高性能纖維之一。同鈦、鋼、鋁等金屬材料相比，碳纖維在物理性能上具有強度大、模量高、密度低、線膨脹係數小等特點，可以稱為新材料之王。碳纖維除了具有一般碳素材料的特性外，其外形有顯著的各向異性柔軟，可加工成各種織物。碳纖維增強環氧樹脂複合材料，其比強度、比模量綜合指標，在現有複合結構材料中是最高的。在不接觸空氣和氧化劑時，碳纖維能夠耐受3000度以上的高溫，具有突出的耐熱性能。另外碳纖維還具有良好的耐低溫性能，如在液氮溫度下也不脆化。碳纖維對一般的有機溶劑、酸、鹼都具有良好的耐腐蝕性，不溶不脹，耐蝕性出類拔萃，完全不存在生鏽的問題。碳纖維還有耐油、抗輻射、抗放射、吸收有毒氣體和減速中子等特性。但其耐衝擊性較差，容易損傷，在強酸作用下發生氧化。
碳纖維按原料來源可分為聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維、黏膠基碳纖維、酚醛基碳纖維、氣相生長碳纖維;按性能可分為通用型、高強型、中模高強型、高模型和超高模型碳纖維;按狀態分為長絲、短纖維和短切纖維;按力學性能分為通用型和高性能型。通用型碳纖維強度為1000兆帕、模量為100G帕左右。高性能型碳纖維又分為高強型(強度2000兆帕、模量250G帕)和高模型(模量300G帕以上)。強度大於4000兆帕的又稱為超高強型;模量大於450G帕的稱為超高模型。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纖維。市場上90%以上碳纖維以PAN基碳纖維為主。
用聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、黏膠絲或酚醛纖維經碳化製造碳纖維的工藝包括纖維紡絲、熱穩定化(預氧化、不熔化)、碳化、石墨化等四個過程。
由於碳纖維的理論抗拉強度高達180GPa，理論模量大於1100GPa，可見提升的潛力非常大。提高碳纖維強度和性價比的技術方法主要有如下幾種：（1）首先，缺陷孔洞最少最小化是提高碳纖維強度的根本措施。（2）原絲高純化、高強化、緻密化以及圓整化。（3）在預氧化過程中，保證均質化的前提下，儘可能縮短預氧化時間以降低生產成本。（4）由於高溫炭化溫度一般在1300到1800℃，石墨化一般在2500到3000℃。所以儘可能採用新一代高溫技術，如在惰性氣體保護、無氧狀態下進行的微波、等離子和感應加熱等技術。
但現有技術無法將碳纖維原絲，中間體及製成品製備到微納米的尺度，因此在如下四個方面遇到了難以克服的技術障礙：
1、碳纖維原絲直徑難以減小到微米及微米以下，碳纖維最終產品本質上會存在大量的缺陷和孔洞，缺陷和孔洞又是影響碳纖維性能的主要瓶頸。
因為在紡絲、熱穩定化(預氧化)和碳化等三個工藝階段均存在擴散和「雙擴散」通道，這些通道最終構成了碳纖維製成品缺陷和孔洞，減少、減小缺陷就是要努力減少「雙擴散」通道數量，長度和大小。計算表明，擴散通道的數量和長度高度相關於薄膜厚度(相當於纖維的細度)次方冪，，「細旦化」是最有效的方法。目前實驗室中最高強度的碳纖維（強度9G）直徑是3μｍ，只有規模化生產的碳纖維直徑7μｍ的一半（對應強度7G）。但是傳統的紡絲技術很難將單絲直徑按照碳纖維原絲的要求制到小於2μｍ，且過細的纖維給機械拉伸等工藝帶來很大的困難。不能足夠的「細旦化」，缺陷孔洞的減少減小就難以實現，因此近年來碳纖維強度的提高出現了停滯。
2、碳纖維原絲直徑難以減小到微米及微米以下，碳纖維「皮芯結構」就難以避免。
紡絲、熱穩定化(預氧化)和碳化等階段的擴散和「雙擴散」時溫度梯度沿徑向是由外而內減小的，其緻密化、玻璃化和環化熱收縮也是由外而內，必然造成緻密的皮層和疏鬆的芯部，並且需要始終由外而內保留擴散和「雙擴散」通道而無法封閉。碳纖維原絲直徑較大也造成了擴散物質沿徑向濃度梯度變化較大，同樣加劇了「皮芯結構」的形成。
3、碳纖維原絲直徑難以減小到微米及微米以下，為使擴散和「雙擴散」通道不至於增多和擴大，工藝過程緩慢複雜，導致工藝流程長，生產效率低。
4、碳纖維直徑較大，難以採用電感應等先進加熱方法。傳統加熱方法熱效率低，工藝時間長，原料損耗大，造成碳纖維成本居高不下。
5，如果採用在基材上塗覆微納米厚度的聚合物塗層並紡成微納米厚度的絲膜後熱穩定化（預氧化、不熔化和熱處理），碳化，石墨化，形成微納膜狀碳纖維，固然可以實現碳纖維「細旦化」，但基材上的金屬會在工藝的高溫過程中與碳纖維形成碳化物，造成缺陷，影響碳纖維性能的提高。
技術實現要素：
本發明的目的是針對上述碳纖維工藝方法和結構缺陷，提供一種可提高碳纖維性能，改善碳纖維結構，提高生產效率和降低製造成本的微納膜狀碳纖維的製備方法。
本發明的技術方案是：一種微納膜狀碳纖維的石墨烯增強制備方法，其特徵在於，以金屬細絲或中空金屬薄壁管為襯底CVD法生長石墨烯作為石墨烯增強基材，將配製的紡絲原液經過聚合後均勻塗覆在上述石墨烯增強基材上形成微納米厚度的聚合物塗層；紡絲成微納米厚度的絲膜；然後以電感應加熱輔之以輔助加熱的方式使之熱穩定化和碳化形成碳膜，碳膜與基材形成複合微納膜狀石墨烯增強碳纖維；將基材脫除，形成單純微納膜狀石墨烯增強碳纖維；以上述單純微納膜狀碳纖維為基材，按照上述工藝方法反覆進行可以製備疊層微納膜狀石墨烯增強碳纖維。
上述進一步的技術方案是將碳化後單純微納膜狀石墨烯增強碳纖維以電感應加熱輔之以輔助加熱的方式石墨化，與基材形成複合微納膜狀石墨烯增強石墨纖維，將基材脫除，形成單純微納膜狀石墨烯增強石墨纖維，以上述單純微納膜狀石墨烯增強石墨纖維為基材，按照上述工藝方法重複進行，製備疊層微納膜狀石墨烯增強石墨纖維。
上述金屬襯底材料指銅、鎳、鉑、銀、銥、鈷金屬及其合金。優選銅、鎳。
上述金屬細絲和中空金屬薄壁管分圓形和非圓形。優選為圓形。其中，圓形的直徑為1μm～30mm,優選為3μm～10μm和 3mm～10mm。非圓形的面積1μm2～1000mm2 , 優選為10μm2～100μm2和10mm2～100mm2。
上述CVD法生長石墨烯是指在高溫下保護氣氛中向金屬細絲表面提供碳原料，碳原料裂解並在金屬細絲表面生長1～10層的石墨烯。
上述單純微納膜狀碳纖維的碳膜厚度為1nm～1.5μm，優選10nm～300nm，上述紡絲聚合物塗層的厚度是上述碳膜厚度的1～5倍。
上述配製的紡絲原液可以是聚丙烯腈基、瀝青基、黏膠基、酚醛基。
上述紡絲原液在基材上的塗覆方法有浸塗，噴塗。
上述紡絲採用幹法和溼法。
上述主要以電感應加熱方式的熱穩定化、碳化和石墨化工藝的電感應加熱先從較低電磁頻率開始，隨著工藝延伸，逐步採用高頻，直至射頻。輔助加熱方式包括電熱，紅外加熱和等離子加熱。
上述基材脫除至少是金屬熱融化脫除，金屬酸化學腐蝕脫除，金屬電化學腐蝕脫除中的一種。金屬酸化學腐蝕脫除，電化學腐蝕脫除時可以在複合微納膜狀碳纖維和複合微納膜狀石墨纖維塗覆防腐保護層。
進一步的，可以對上述微納膜狀碳纖維和微納膜狀石墨纖維進行CVD增強。上述CVD增強的碳源採用甲烷、丙烯、丙烷和乙炔。
本發明微納膜狀碳纖維的製備方法有如下顯著的優點：
1，真正實現了纖維「細旦化」，大大減少缺陷和孔洞，本質上提升碳纖維的強度和性能。
本發明在基材上塗覆極薄的紡絲聚合物溶液（熔體），厚度在微納米數量級，最小可以實現幾個納米，既實現了細旦化，又能夠較好的牽引拉伸纖維。由於幹法紡絲存在溶劑向外擴散過程；溼法紡絲存在溶劑向外擴散同時凝固劑向內擴散的所謂「雙擴散」過程；熱穩定化和碳化均存在擴散和「雙擴散」過程，上述擴散過程都需要擴散通道。如果擴散通道數量多長度長，勢必造成缺陷孔洞又多又大又長，而碳纖維的強度和其他性能主要取決於這些缺陷和孔洞，碳纖維的強度和性能就難以提高。本發明採用薄膜法後，薄膜厚度(相當於纖維的細度)可達到微納米尺度，因此與現有的碳纖維相比，缺陷和孔洞可減少（減小）2～3個數量級。特別是，由於基材的存在，纖維絲能夠承受較大的牽引拉伸力，從而使得纖維絲可以具有良好的軸向擇優取向。由於表面張力的存在，使得纖維絲的圓整度也得到保證。
2，本發明的絲膜和碳膜達到了微納米尺度，真正實現纖維「細旦化」後，預氧化、碳化和石墨化的擴散和「雙擴散」路徑大大縮短，可以避免芯部疏鬆的「皮芯結構」的出現。同時，本發明在預氧化、碳化和石墨化時均用電感應加熱技術。在預氧化時，通常的工藝採用由外而內的加熱方式，纖維熱縮和玻璃化形成堅硬外皮後，缺陷和孔洞大而且不可修復，還會出現嚴重影響碳纖維強度和模量的貫通性孔洞和表面孔洞。由於纖維原絲是非導體，採用電感應加熱，加熱是先加熱基材後熱量由內而外沿徑向傳遞加熱纖維絲，使之玻璃化和緻密化，徑向溫度梯度更為合理，擴散通道也可以修復。碳化前期纖維還是非導體，採用電感應加熱，加熱仍然是先加熱基材後熱量由內而外沿徑向傳遞加熱纖維絲，使之熱縮，環化和緻密化，徑向溫度梯度更為合理，「雙擴散」也可以修復。
3，本發明的絲膜和碳膜達到了微納米尺度，擴散和「雙擴散」時間短，過程迅速，工藝複雜性大大降低，生產效率高。
4，因為薄膜厚度只有微納米尺度，可採用先進的電感應加熱技術，熱效率高，工藝時間短，原料損耗小，碳纖維成本低。
在預氧化後期，碳化和石墨化時，對微納米厚度的薄膜，採用感應加熱、微波和等離子等技術能夠提高加熱效率，縮短加熱時間，並通過調節加熱部位和感應頻率控制纖維軸向和徑向溫度梯度，實現預氧化，碳化和石墨化的精確工藝控制。
特別是，
5，金屬細絲上生長的石墨烯層阻隔了金屬與碳纖維中間體及製成品，防止碳纖維中間體及製成品與金屬生成金屬碳化物，而造成碳纖維缺陷、影響碳纖維性能。進一步，石墨烯提供了碳化、石墨化過程中石墨晶體結晶生長的優良的基底，使得結晶質量提高，結晶速度加快。
同時，本方法還有如下優點：
6，可以通過疊層，將微納膜狀碳纖維和微納膜狀石墨纖維增厚至需要的厚度。
7，基材脫除後，疊層微納膜狀碳纖維和微納膜狀石墨纖維呈中空狀，其比強度和比模量更高，且抗衝擊剪切能力和抗彎曲能力更強。同時高頻導電性能更優越。
綜上所述，採用本發明方法生產的碳纖維缺陷和孔洞大大減少（減小），從而根本上提高了碳纖維的強度和性能，加熱時徑向和軸向溫度梯度更為合理可控，加熱方法先進，熱效率高，工藝時間短（即使通過疊層達到通常碳纖維的尺度也是如此）。以碳纖維有效截面積比較，碳纖維的抗拉強度最高可達40GPa以上，模量可達1000GPa，高頻導電性可以與銀相當，而且在實現上述性能的同時，工藝成本低。本方法兼具碳纖維低成本碳化和石墨烯高性能的優點，低成本高性能的碳纖維及其複合材料作為結構材料可以廣泛使用於航天、航空、汽車、高鐵和軌道交通、建築等領域，還可以用於電纜、電線、電機等電力、電子和通訊領域。
具體實施方式
下面結合具體實施方式對本發明做進一步的詳細描述。在不脫離本發明上述思想情況下，根據本領域普通技術知識和慣用手段做出的各種替換或變更，均包含在本發明範圍內。
由於傳統的紡絲技術難以將單絲無限拉細，同時過細的纖維難以施加較大的牽拉力從而無法獲得良好的取向，本發明的改進思路是在基材上塗覆極薄的紡絲聚合物溶液（熔體），厚度在微納米數量級，優選２0nm～２μm 範圍，既實現了細旦化，又能夠較好的牽引拉伸纖維。
紡絲原液的選擇和配方皆為常規，無新可陳。聚丙烯腈基、黏膠基溶液主要通過溶液濃度調控粘稠度，將基材浸沒於溶液熔體後提拉牽引，並與提拉牽引的速度相配合以得到希望的液膜厚度和取向，瀝青基、酚醛基熔體主要通過溫度調控粘稠度，將基材浸沒於溶液熔體後提拉牽引，並與提拉牽引的速度相配合以得到希望的液膜厚度和取向。
CVD法生長石墨烯為常規方法，無新可陳。
金屬細絲的選擇主要考慮是否生長石墨烯的優質襯底和可拉絲性。
基材的形狀主要考慮便於牽引拉伸，以及表面張力對成膜的影響。優選為圓形纖維。同時過粗會影響碳纖維的有效強度，過細會增加制絲難度和使得牽引力過小。優選為圓形的直徑3μm～10μm和 3mm～10mm。
紡絲原液在基材上的浸塗，噴塗皆為常規，無新可陳。
紡絲除無噴絲過程外為常規的幹法和溼法，無新可陳。
熱穩定化工藝，碳化工藝和石墨化工藝溫度和流程皆為常規，無新可陳。主要以電感應加熱方式進行。進一步的，電感應加熱先從較低頻率開始，隨著工藝延伸，逐步採用高頻。輔助加熱方式包括電熱，紅外加熱和等離子加熱。因為薄膜厚度只有微納米尺度，採用感應加熱、微波和等離子等技術能夠提高加熱效率，縮短加熱時間，並通過調節加熱部位和感應頻率控制纖維軸向溫度梯度，實現預氧化，碳化和石墨化的精確工藝控制。
基材脫除至少是金屬熱融化脫除，金屬酸化學腐蝕脫除，金屬電化學腐蝕脫除中的一種。優選金屬酸化學腐蝕脫除。
按照上述工藝方法反覆進行可以製備疊層微納膜狀碳纖維和石墨纖維，能夠達到需要的厚度。
對上述微納膜狀碳纖維和微納膜狀石墨纖維進行CVD增強，為常規的增強方法，無新可陳。
基材脫除後，疊層微納膜狀碳纖維和微納膜狀石墨纖維呈中空狀，其比強度和比模量更高，且抗剪切能力和抗彎曲能力更強。同時高頻導電性能優越。
單純微納膜狀碳纖維和單純石墨纖維薄膜可以沿纖維軸向切割形成片帶使用。
下面給出具體的實施例：
實施例1
（1）紡絲原液配製：
聚丙烯腈基紡絲原液：單體丙烯腈（AN）、第二單體衣康酸（ITA）、第三單體丙烯酸甲酯(MAA)、引發劑偶氮二異丁腈(AIBN)按照96:1:3:0.2比例配方後聚合脫單形成三元共聚物（PAN）溶液，再與溶劑二甲亞碸（DMSO）按照1:9比例配製成紡絲原液。
（2）CVD法生長石墨烯基材：10μｍ直徑的鎳金屬絲，在氫氣和氮氣保護氣氛中，以甲烷為碳原料，以950～1000℃的生長溫度生長出1～10層的石墨烯，冷卻後作為石墨烯增強基材。
（3）紡絲成膜工藝：上述基材經牽引浸入裝盛紡絲原液的槽內，然後以10m/s速度均勻拉出，形成0.3～0.5μm的PAN液膜，再引入加熱室通過對基材電感應加熱，同時通入過飽和蒸汽使得溶劑揮發或溶解揮發，施加一定的牽伸力，PAN液膜凝固成絲膜。在上述過程中，由於加熱自內而外，溶劑蒸發動力學為毛細孔蒸發原理，孔隙自內而外塌陷，孔壁融並，緻密化的同時實施蒸汽牽伸提高高分子鏈的取向和結晶度。
（4）預氧化工藝：將所得覆有PAN絲膜的纖維引入碳化爐中，進行預氧化處理，加熱以電感應加熱基材為主，並通入熱風，溫度從40℃升到240℃。除了採用電感應加熱和將加熱工藝時間縮短至原有工藝時間的10%外，與常規方法一致，無新可陳。
（5）碳化工藝：在預氧化工藝後，通高純氮氣，繼續升溫至1500℃，降至室溫後，取出纖維，即得到單層微納膜狀碳纖維。除了採用電感應加熱和將加熱工藝時間縮短至原有工藝時間的20%外，與常規方法一致，無新可陳。
（6）CVD修復增強：將上述單層微納膜狀碳纖維引入CVD爐中使用丙烯為碳源進行CVD增強。
（7）疊層微納膜狀碳纖維工藝：以上述製成的微納膜狀碳纖維為基材，按照上述（3）～（6）的步驟進行N次（N=10～100），即可得到1～10μｍ膜厚的複合微納膜狀碳纖維。在纖維外壁塗覆塑料保護膜後，將纖維浸入稀硫酸溶液中電解腐蝕掉內壁的金屬，得到內徑為10μｍ，膜厚為1～10μｍ的疊層微納膜狀碳纖維。按有效截面積計算，抗拉強度為40GPa，拉伸模量為290GPa。
實施例2
（1）紡絲原液配製：
聚丙烯腈基紡絲原液：單體丙烯腈（AN）、第二單體衣康酸（ITA）、第三單體丙烯酸甲酯(MAA)、引發劑偶氮二異丁腈(AIBN)按照96:1:3:0.2比例配方後聚合脫單形成三元共聚物（PAN）溶液，再與溶劑二甲亞碸（DMSO）按照1:9比例配製成紡絲原液。
（2）CVD法生長石墨烯基材：10μｍ直徑的鎳金屬絲，在氫氣和氮氣保護氣氛中，以甲烷為碳原料，以950～1000℃的生長溫度生長出1～10層的石墨烯，冷卻後作為石墨烯增強基材。
（3）紡絲成膜工藝：上述基材經牽引浸入裝盛紡絲原液的槽內，然後以10m/s速度均勻拉出，形成0.3～0.5μm的PAN液膜，再引入加熱室通過對基材電感應加熱，同時通入過飽和蒸汽使得溶劑揮發或溶解揮發，施加一定的牽伸力，PAN液膜凝固成絲膜。在上述過程中，由於加熱自內而外，溶劑蒸發動力學為毛細孔蒸發原理，孔隙自內而外塌陷，孔壁融並，緻密化的同時實施蒸汽牽伸提高高分子鏈的取向和結晶度。
（4）預氧化工藝：將所得覆有PAN絲膜的纖維引入碳化爐中，進行預氧化處理，加熱以電感應加熱基材為主，並通入熱風，溫度從40℃升到240℃。除了採用電感應加熱和將加熱工藝時間縮短至原有工藝時間的10～30%外，與常規方法一致，無新可陳。
（5）碳化工藝：在預氧化工藝後，通高純氮氣，繼續升溫至1500℃，降至室溫後，取出纖維，即得到單層微納膜狀碳纖維。除了採用電感應加熱和將加熱工藝時間縮短至原有工藝時間的10～20%外，與常規方法一致，無新可陳。
（6）石墨化工藝：將得到的微納膜狀碳纖維引入石墨化爐，採用氬氣保護，以高頻電感應方式加熱升溫至3000℃後，取出纖維，即得到單層微納膜狀石墨纖維。除了採用電感應加熱外，與常規方法一致，無新可陳。
（7）CVD修復增強：將上述單層微納膜狀石墨纖維引入CVD爐中使用甲烷為碳源進行CVD增強。
（8）疊層微納膜狀石墨纖維工藝：以上述製成的微納膜狀石墨纖維為基材，按照上述（3）～（7）的步驟進行N次（N=10～100），即可得到1～10μｍ膜厚的複合微納膜狀石墨纖維。在纖維外壁塗覆塑料保護膜後，將纖維浸入稀硫酸溶液中電解腐蝕掉內壁的金屬，得到內徑為30μｍ，膜厚為1～10μｍ的疊層微納膜狀石墨纖維。按有效截面積計算，抗拉強度為15GPa，拉伸模量為900GPa。
實施例3
（1）紡絲原液配製：
瀝青基紡絲原液：由中間相瀝青熔體製成紡絲原液。
（2）CVD法生長石墨烯基材：以內徑為3ｍｍ，厚度30μｍ的中空精煉銅管，在氫氣和氮氣保護氣氛中，以甲烷為碳原料，以950～1000℃的生長溫度生長出1～10層的石墨烯，冷卻後作為石墨烯增強基材。
（3）紡絲成膜工藝：將上述基材經牽引浸入裝盛紡絲原液的槽內，然後以20m/s速度均勻拉出，形成0.3～0.5μm的中間相瀝青液膜，採取高倍牽伸，液膜在空氣中冷卻凝固成絲膜的同時獲得良好的取向。
（3）不熔化工藝：將所得覆有瀝青絲膜的纖維引入不熔化爐中，進行不熔化處理，加熱以電感應加熱基材為主，並通入熱風，溫度從40℃升到300℃。除了採用電感應加熱和將加熱工藝時間縮短至原有工藝時間的10%外，與常規方法一致，無新可陳。
（4）碳化工藝：在預氧化工藝後，通高純氮氣，繼續升溫至1500℃，降至室溫後，取出纖維，即得到單層微納膜狀碳纖維。除了採用電感應加熱和將加熱工藝時間縮短至原有工藝時間的20%外，與常規方法一致，無新可陳。
（5）石墨化工藝：將得到的微納膜狀碳纖維引入石墨化爐，採用氬氣保護，以高頻電感應方式加熱升溫至3000℃後，取出纖維，即得到單層微納膜狀石墨纖維。除了採用電感應加熱外，與常規方法一致，無新可陳。
（6）CVD增強：將上述單層微納膜狀石墨纖維引入CVD爐中使用丙烯為碳源進行CVD增強。
（7）疊層微納膜狀石墨纖維工藝：按照上述（1）～（6）的步驟進行N次（N=10～100），即可得到1～10μｍ膜厚的複合微納膜狀石墨纖維。在纖維外壁塗覆塑料保護膜後，將纖維浸入稀硫酸溶液中電解腐蝕掉內壁的金屬，得到內徑為3ｍｍ，膜厚為1～10μｍ的疊層微納膜狀石墨纖維。按有效截面積計算，抗拉強度為12GPa，拉伸模量為1000GPa。
實施例4
（1）紡絲原液配製：
瀝青基紡絲原液：由中間相瀝青熔體製成紡絲原液。
（2）CVD法生長石墨烯基材：以內徑為3ｍｍ，厚度30μｍ的中空精煉銅管，在氫氣和氮氣保護氣氛中，以甲烷為碳原料，以950～1000℃的生長溫度生長出1～10層的石墨烯，冷卻後作為石墨烯增強基材。
（3）紡絲成膜工藝：將上述基材經牽引浸入裝盛紡絲原液的槽內，然後以20m/s速度均勻拉出，形成0.3～0.5μm的中間相瀝青液膜，採取高倍牽伸，液膜在空氣中冷卻凝固成絲膜的同時獲得良好的取向。
（3）不熔化工藝：將所得覆有瀝青絲膜的纖維引入不熔化爐中，進行不熔化處理，加熱以電感應加熱基材為主，並通入熱風，溫度從40℃升到300℃。除了採用電感應加熱和將加熱工藝時間縮短至原有工藝時間的10～30%外，與常規方法一致，無新可陳。
（4）碳化工藝：在預氧化工藝後，通高純氮氣，繼續升溫至1500℃，降至室溫後，取出纖維，即得到單層微納膜狀碳纖維。除了採用電感應加熱和將加熱工藝時間縮短至原有工藝時間的10～20%外，與常規方法一致，無新可陳。
（5）石墨化工藝：將得到的微納膜狀碳纖維引入石墨化爐，採用氬氣保護，以高頻電感應方式加熱升溫至3000℃後，取出纖維，即得到單層微納膜狀石墨纖維。除了採用電感應加熱外，與常規方法一致，無新可陳。
（6）CVD增強：將上述單層微納膜狀石墨纖維引入CVD爐中使用丙烯為碳源進行CVD增強。
（7）疊層微納膜狀石墨纖維工藝：按照上述（1）～（6）的步驟進行N次（N=100），即可得到10μｍ膜厚的複合微納膜狀石墨纖維。在纖維外壁塗覆塑料保護膜後，將纖維浸入稀硫酸溶液中電解腐蝕掉內壁的金屬，得到內徑為3ｍｍ，膜厚為10μｍ的疊層微納膜狀石墨纖維。按有效截面積計算，抗拉強度為12GPa，拉伸模量為1000GPa。
（8）軸向切割工藝：將上述疊層微納膜狀石墨纖維沿纖維軸向切割形成片帶，得到抗拉強度為12GPa，拉伸模量為1000GPa，帶寬為3πｍｍ，厚度為10μｍ石墨纖維帶。