Углеродное волокно на основе полиакрилонитрила (ПАН) — это высокоэффективный материал, широко используемый в аэрокосмической, строительной, спортивной, автомобильной и медицинской сферах. В данной статье рассматривается история развития и современное состояние углеродного волокна на основе ПАН в стране и за рубежом, его получение, структура, свойства и применение. В нем также обсуждаются соответствующие стандарты и методы тестирования, а также предлагаются перспективы на будущее.

Введение в углеродное волокно на основе ПАН

Углеродное волокно — это современный материал, известный своими превосходными механическими свойствами. Он сочетает в себе присущие углероду характеристики с гибкостью и технологичностью текстильных волокон, что делает его незаменимым армирующим волокном. Композиты из углеродного волокна с удельным весом менее четверти стали и пределом прочности на разрыв, как правило, превышающим 3500 МПа, обладают прочностью, в 7-9 раз превышающей прочность стали, а модуль упругости находится в диапазоне от 23 000 МПа до 43 000 МПа. Эти свойства делают углеродное волокно перспективным материалом для инженерных применений.

Углеродные волокна на основе ПАН, полученные из полиакрилонитрила, асфальта или вискозы, подвергаются таким процессам, как предварительное окисление, карбонизация и графитизация, в результате чего образуются волокна с содержанием углерода более 90%. Эти волокна обладают высокой прочностью, высоким модулем упругости, низкой плотностью, устойчивостью к высоким температурам, коррозионной стойкостью, сопротивлением трению, проводимостью и низким тепловым расширением, а также другими свойствами. Углеродное волокно на основе ПАН является наиболее широко используемым, на его долю приходится более 90% производства благодаря простому производственному процессу и отличным комплексным характеристикам.

1. Состояние разработки углеродного волокна на основе ПАН.

1.1 Международное развитие

Разработка углеродного волокна на основе ПАН началась в 1959 году, когда японская компания Акио Шиндо запатентовала процесс производства высокоэффективных углеродных волокон из полиакрилонитрила. Сегодня в производстве углеродного волокна на основе ПАН преобладают крупные жгуты из США и мелкие жгуты из Японии, на долю которых приходится около 80% мировых поставок. Крупнейшие производители, такие как Торей, Тохо и Мицубиси в Японии, лидируют на рынке, а Торей является крупнейшим в мире производителем углеродного волокна на основе КАСТРЮЛЯ.

1.2 Внутреннее развитие

Китай начал исследования углеродного волокна в 1960-х годах, добившись медленного, но устойчивого прогресса. Несмотря на разработку продукции, близкой к уровню Т-300 компании Торей, внутренние производственные мощности остаются ограниченными. В последние годы такие компании, как Аньхой Хуаван Углерод Волокно, начали промышленное производство, но большая часть спроса Китая на углеродное волокно удовлетворяется за счет импорта, что значительно ограничивает смежные отрасли.

2. Подготовка, структура и характеристики углеродного волокна на основе ПАН.

2.1 Процесс подготовки

Углеродные волокна на основе ПАН изготавливаются из полиакрилонитрильных волокон, гомополимеров или сополимеров, посредством процессов, включающих полимеризацию, прядение, предварительное окисление, карбонизацию и графитизацию. Производство включает в себя переработку полиакрилонитриловой смолы в волокна, которые затем обрабатываются для повышения их характеристик и стабильности.

2.2 Структура

Углеродные волокна имеют"беспорядочный"структура уложенных друг на друга микрокристаллов графита вдоль оси волокна, влияющая на их характеристики. Расстояние между слоями и наличие пустот влияют на свойства волокна.

2.3 Эксплуатационные характеристики

Углеродные волокна обладают уникальными свойствами, такими как высокая прочность на разрыв, высокий модуль упругости, низкая плотность, устойчивость к высоким температурам и коррозионная стойкость. Они также обладают превосходной усталостной прочностью, низким тепловым расширением, хорошей проводимостью и биосовместимостью.

3. Применение углеродного волокна на основе ПАН.

3.1 Аэрокосмическая промышленность

Благодаря высокому соотношению прочности и веса и жесткости композиты из углеродного волокна на основе ПАН имеют решающее значение в аэрокосмической отрасли, включая ракеты, спутники и самолеты.

3.2 Спортивное и медицинское оборудование

Композиты из углеродного волокна широко используются в спортивном оборудовании, таком как клюшки для гольфа, теннисные ракетки и велосипеды, а также в медицинских имплантатах и ​​устройствах.

3.3 Общая промышленность

В автомобильной промышленности углеродные волокна используются в рамах автомобилей, поршнях и тормозных системах. Они также играют роль в ветроэнергетике, электронике и инфраструктуре, повышая прочность и долговечность различных компонентов.

4. Стандарты на углеродное волокно на основе ПАН.

В Китае установлено несколько стандартов характеристик углеродного волокна и его применения в композитах, таких как:

• ГБ/T 3362-2005: Свойства мультифиламентной пряжи из углеродного волокна на растяжение.

• ГБ 3362-1982: Метод определения количества волокон в мультифиламентной пряже из углеродного волокна.

• ГБ 3364-1982: Методы определения диаметра и эквивалентного диаметра.

• ГБ/T 3355-2005: Проверка содержания смол в пластиках, армированных углеродным волокном.

Эти стандарты гарантируют качество и стабильность продуктов из углеродного волокна, способствуя их более широкому внедрению и применению.

5. Перспективы на будущее

Индустрия углеродного волокна имеет решающее значение для применения современных материалов, переходя от эпохи стали к новой эпохе композитных материалов. Роль углеродного волокна в передовых технологиях и промышленном применении будет продолжать расти благодаря постоянным исследованиям и разработкам. Для достижения этой цели Китай должен сосредоточиться на преодолении технических проблем и совершенствовании производственных процессов, чтобы уменьшить зависимость от импорта и расширить внутренние возможности.