Въглеродните влакна на основата на полиакрилонитрил (ПАН) са високоефективни материали, широко използвани в космическата промишленост, строителството, спорта, автомобилостроенето и медицината. Тази статия разглежда историята на развитието и текущото състояние на базирани на ПАН въглеродни влакна в страната и в чужбина, тяхната подготовка, структура, свойства и приложения. Той също така обсъжда съответните стандарти и методи за изпитване и предлага бъдеща перспектива.

Въведение в въглеродни влакна на базата на ПАН

Въглеродните влакна са усъвършенстван материал, известен със своите превъзходни механични свойства. Той съчетава присъщите характеристики на въглерода с гъвкавостта и възможността за обработка на текстилните влакна, което го прави основно армиращо влакно. Със специфично тегло по-малко от една четвърт от стоманата и якост на опън, обикновено надвишаваща 3500 MPa, композитите от въглеродни влакна предлагат якост 7-9 пъти по-голяма от стоманата и модул на еластичност, вариращ от 23 000 MPa до 43 000 MPa. Тези свойства правят въглеродните влакна обещаващ материал в инженерните приложения.

Въглеродни влакна на базата на ПАН, получени от полиакрилонитрил, асфалт или вискоза, претърпяват процеси като предварително окисляване, карбонизация и графитизация, което води до влакна с повече от 90% съдържание на въглерод. Тези влакна показват висока якост, висок модул, ниска плътност, устойчивост на висока температура, устойчивост на корозия, устойчивост на триене, проводимост и ниско термично разширение, наред с други свойства. Въглеродните влакна, базирани на ПАН, са най-широко използваните, представляващи над 90% от производството поради простия си производствен процес и отличната цялостна производителност.

1. Статус на развитие на въглеродни влакна на базата на ПАН

1.1 Международно развитие

Разработването на въглеродни влакна на базата на ПАН започва през 1959 г., когато японската компания Акио Шиндо патентова процес за производство на високоефективни въглеродни влакна от полиакрилонитрил. Днес производството на въглеродни влакна на базата на ПАН е доминирано от големи влакна от САЩ и малки влакна от Япония, което представлява около 80% от световното предлагане. Големи производители като Торей, Тохо и Мицубиши в Япония водят пазара, като Торей е най-големият базиран на ПАН производител на въглеродни влакна в световен мащаб.

1.2 Вътрешно развитие

Китай започва да изследва въглеродните влакна през 60-те години, постигайки бавен, но стабилен напредък. Въпреки разработването на продукти, близки до нивото на T-300 на Торей, местният производствен капацитет остава ограничен. През последните години компании като Анхуей Хуаван Въглерод фибри започнаха промишлено производство, но по-голямата част от търсенето на въглеродни влакна в Китай се посреща чрез внос, което значително ограничава свързаните индустрии.

2. Подготовка, структура и производителност на въглеродни влакна на базата на ПАН

2.1 Процес на подготовка

Въглеродните влакна на базата на ПАН са направени от полиакрилонитрилни влакна, хомополимер или съполимер, чрез процеси, включващи полимеризация, предене, предварително окисляване, карбонизация и графитизация. Производството включва превръщането на полиакрилонитрилната смола във влакна, които след това се обработват, за да се подобри тяхната производителност и стабилност.

2.2 Структура

Характеристика на въглеродните влакна a"разстроен"структура от подредени графитни микрокристали по протежение на оста на влакното, влияеща върху тяхната работа. Разстоянието между слоевете и наличието на празнини влияят на свойствата на влакното.

2.3 Експлоатационни характеристики

Въглеродните влакна притежават уникални свойства като висока якост на опън, висок модул, ниска плътност, устойчивост на висока температура и устойчивост на корозия. Те също така показват отлична устойчивост на умора, ниско термично разширение, добра проводимост и биосъвместимост.

3. Приложения на въглеродни влакна на основата на ПАН

3.1 Космонавтика

Поради високото си съотношение на якост към тегло и твърдост, композитите от въглеродни влакна на основата на ПАН са от решаващо значение в аерокосмическите приложения, включително ракети, ракети, сателити и самолети.

3.2 Спортно и медицинско оборудване

Композитите от въглеродни влакна се използват широко в спортно оборудване като стикове за голф, тенис ракети и велосипеди, както и в медицински импланти и устройства.

3.3 Обща индустрия

В автомобилната индустрия въглеродните влакна се използват в автомобилни рамки, бутала и спирачни системи. Те също играят роля във вятърната енергия, електрониката и инфраструктурата, като повишават здравината и издръжливостта на различни компоненти.

4. Стандарти за въглеродни влакна на базата на ПАН

Китай е установил няколко стандарта за производителност на въглеродни влакна и тяхното приложение в композити, като например:

• GB/T 3362-2005: Свойства на опън на мултифиламентни прежди от въглеродни влакна.

• GB 3362-1982: Метод за тестване на броя на влакната в мултифиламентни прежди от въглеродни влакна.

• GB 3364-1982: Методи за изпитване на диаметър и еквивалентен диаметър.

• GB/T 3355-2005: Тестване на съдържанието на смола в пластмаси, подсилени с въглеродни влакна.

Тези стандарти гарантират качеството и последователността на продуктите от въглеродни влакна, улеснявайки тяхното по-широко приемане и приложение.

5. Бъдеща перспектива

Производството на въглеродни влакна е от решаващо значение за съвременните приложения на материали, преминавайки от ерата на стоманата към новата ера на композитните материали. Ролята на въглеродните влакна в напредналите технологии и индустриалните приложения ще продължи да расте, водена от продължаващите изследвания и разработки. За да постигне това, Китай трябва да се съсредоточи върху преодоляването на техническите предизвикателства и подобряването на производствените процеси, за да намали зависимостта от внос и да подобри вътрешния капацитет.