近期，海南大学皮米电镜中心联合湖南大学伍翠兰教授团队、国防科技大学苟燕子教授团队，在Materials Characterization上发表了题为“Formation mechanism of graphite or graphene fibers with core-shell structure from nearly stoichiometric polycrystalline SiC fibers”的论文，报道了具有核壳结构的石墨/石墨烯纤维的形成机制。实验结果表明，石墨/石墨烯纤维由致密的石墨外壳和具有多孔三维网络结构的石墨烯核心组成，其拉伸强度约为254 MPa。最外层的石墨外壳呈现取向排列，{0001}_Graphite晶面由于较大的间距几乎垂直于纤维表面，这种结构有利于气体释放。在早期成核阶段，石墨与β-SiC之间保持特殊的取向关系：<1-100>_Graphite // <1-10>_β-SiC 和 {0001}_Graphite // {111}_β-SiC。随着碳化硅纤维的进一步分解，石墨发生生长和弯曲，其与β-SiC之间的取向关系逐渐消失。此时，{0001}_Graphite晶面垂直于非{111}_β-SiC界面的石墨表现出更快的生长速率、更高的质量和更少的缺陷。显微组织的定量三维成像技术表明，多孔三维网络结构的石墨烯核心中，孔隙体积分数超过55%，在某些情况下甚至达到86%。这一特性不仅降低了纤维的重量，还显著提升了纤维的潜在吸附能力。本研究阐明了碳化硅纤维在高温条件下分解形成石墨/石墨烯纤维的机制，为高性能碳化硅纤维或多孔石墨/石墨烯纤维的研发提供了重要的理论依据和实践参考。

图文解析

图1. (a) 拉伸强度和弹性模量；(b) 直径；(c) KD-SA纤维在真空条件下不同温度下退火1小时后的X射线衍射图谱。

图2. KD-SA纤维纵向截面的微观结构。(a) HAADF图像；(b) 外层HAADF图像；(c)STEM-EDS图谱；(d) 核心区域的HAADF图像，插图展示了β-SiC的原子STEM图像，“TB”表示孪晶边界；(e) 外层HRTEM图像；(f) 核心区域的HRTEM图像。插图(f)是对应HRTEM图像的快速傅里叶变换（FFT）图像，展示了β-SiC颗粒和石墨/石墨烯的随机分布；(g) β-SiC颗粒尺寸分布；(h) 孔隙/自由碳尺寸分布。

图3. KD-SA纤维在真空条件下1700℃退火1小时后的纵向截面微观结构。(a-c) HAADF图像；(b) 外层；(c) 核心；(d) β-SiC颗粒尺寸分布；(e)孔隙/自由碳尺寸分布。

图4. (a) KD-SA纤维在真空条件下1700℃加热1小时后纵向截面的透射电镜（TEM）图像；(b) (a)中黄色框区域的高分辨率透射电镜（HRTEM）图像；(c-d) β-SiC与石墨界面的HRTEM图像；(e-f) β-SiC与石墨界面的低倍数TEM图像。

图5.展示了KD- SA纤维在真空条件下1700摄氏度退火1小时后的横截面微观结构。具体子图如下：(a) 纤维外层的TEM图像；(b) 母β-SiC与新形成的石墨界面的HRTEM图像；(c) 核心区域的HRTEM图像；(d) 非{111}β-SiC界面的HAADF原子图像，其中插图是对应HAADF图像的FFT图像；(e) {111}β-SiC界面的HAADF原子图像；(f) ABF图像及其对应的EDS。

图6. 展示了KD- SA纤维在真空条件下1800℃退火1小时后的横截面TEM/HAADF显微结构。(a) 低倍数HAADF图像；(b-c) 对(a)中区域的高倍数放大图像；(d) STEM-EDS图谱；(e-f) β-碳化硅和石墨界面的HRTEM图像；(g) 纤维外层和核心区域中β-SiC颗粒以及孔隙/自由碳的平均尺寸。

图7. KD-SA纤维分别在真空条件下1900℃（a-e）和2000℃（f, g）退火后的微观结构。(a) 低倍数HAADF图像；(b) 外层区域的高分辨率透射电镜（HRTEM）图像；(c) 核心区域的HRTEM图像；(d) α = 0°处的HAADF图像；(e) 对应于(e)在α = 0°处的3DET图像；(f) 低倍数TEM图像；(g) HRTEM图像。

图8. 纤维在外层和核心区域经过不同温度真空退火1小时后的β-SiC颗粒及孔隙/自由碳尺寸分布。图8(a)显示纤维核心区域在1700℃退火后β-SiC颗粒尺寸减小可能是由于统计量有限导致的误差。

图9. 从碳化硅到石墨的分解过程示意图，对应的取向关系是<1-100>_Graphite // <1-10>_β-SiC 和 {0001}_Graphite // {111}_β-SiC。

图10. 外层石墨取向关系(a)及碳化硅纤维向石墨/石墨烯纤维分解过程(b)的示意图。