Οι ίνες άνθρακα με βάση το πολυακρυλονιτρίλιο (ΤΗΓΑΝΙ) είναι ένα υλικό υψηλής απόδοσης που χρησιμοποιείται ευρέως στην αεροδιαστημική, στις κατασκευές, στον αθλητισμό, στην αυτοκινητοβιομηχανία και στην ιατρική. Αυτό το άρθρο εξετάζει το ιστορικό ανάπτυξης και την τρέχουσα κατάσταση των ινών άνθρακα με βάση το ΤΗΓΑΝΙ σε εγχώριο και διεθνές επίπεδο, την προετοιμασία, τη δομή, τις ιδιότητες και τις εφαρμογές τους. Συζητά επίσης σχετικά πρότυπα και μεθόδους δοκιμών και προσφέρει μια μελλοντική προοπτική.

Εισαγωγή στις ίνες άνθρακα με βάση το ΤΗΓΑΝΙ

Το ανθρακονήματα είναι ένα προηγμένο υλικό γνωστό για τις ανώτερες μηχανικές του ιδιότητες. Συνδυάζει τα εγγενή χαρακτηριστικά του άνθρακα με την ευελιξία και τη δυνατότητα επεξεργασίας των υφαντικών ινών, καθιστώντας το μια απαραίτητη ενισχυτική ίνα. Με ειδικό βάρος μικρότερο από το ένα τέταρτο του χάλυβα και αντοχή εφελκυσμού που υπερβαίνει γενικά τα 3500 MPa, τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα προσφέρουν αντοχή 7-9 φορές μεγαλύτερη από αυτή του χάλυβα και μέτρο ελαστικότητας που κυμαίνεται από 23.000 MPa έως 43.000 MPa. Αυτές οι ιδιότητες καθιστούν τις ίνες άνθρακα ένα πολλά υποσχόμενο υλικό σε εφαρμογές μηχανικής.

Οι ίνες άνθρακα με βάση το ΤΗΓΑΝΙ, που προέρχονται από πολυακρυλονιτρίλιο, άσφαλτο ή βισκόζη, υφίστανται διεργασίες όπως η προοξείδωση, η ενανθράκωση και η γραφιτοποίηση, με αποτέλεσμα ίνες με περιεκτικότητα σε άνθρακα περισσότερο από 90%. Αυτές οι ίνες παρουσιάζουν υψηλή αντοχή, υψηλό συντελεστή, χαμηλή πυκνότητα, αντίσταση σε υψηλή θερμοκρασία, αντίσταση διάβρωσης, αντίσταση τριβής, αγωγιμότητα και χαμηλή θερμική διαστολή, μεταξύ άλλων ιδιοτήτων. Οι ίνες άνθρακα με βάση το ΤΗΓΑΝΙ είναι οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες, αντιπροσωπεύοντας πάνω από το 90% της παραγωγής λόγω της απλής διαδικασίας κατασκευής και της εξαιρετικής συνολικής απόδοσης.

1. Κατάσταση ανάπτυξης ινών άνθρακα με βάση το ΤΗΓΑΝΙ

1.1 Διεθνής Ανάπτυξη

Η ανάπτυξη ινών άνθρακα με βάση το ΤΗΓΑΝΙ ξεκίνησε το 1959 όταν η Ιαπωνική Akio Σίντο κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας μια διαδικασία παραγωγής ινών άνθρακα υψηλής απόδοσης από πολυακρυλονιτρίλιο. Σήμερα, η παραγωγή ινών άνθρακα με βάση το ΤΗΓΑΝΙ κυριαρχείται από μεγάλες ίνες ρυμούλκησης από τις ΗΠΑ και μικρές ίνες ρυμούλκησης από την Ιαπωνία, που αντιπροσωπεύουν περίπου το 80% της παγκόσμιας προσφοράς. Μεγάλοι παραγωγοί όπως η Toray, η Toho και η Mitsubishi στην Ιαπωνία ηγούνται της αγοράς, με την Toray να είναι ο μεγαλύτερος κατασκευαστής ανθρακονημάτων με βάση το ΤΗΓΑΝΙ παγκοσμίως.

1.2 Εγχώρια Ανάπτυξη

Η Κίνα άρχισε να ερευνά τις ίνες άνθρακα στη δεκαετία του 1960, επιτυγχάνοντας αργή αλλά σταθερή πρόοδο. Παρά την ανάπτυξη προϊόντων κοντά στο επίπεδο T-300 της Toray, η εγχώρια παραγωγική ικανότητα παραμένει περιορισμένη. Τα τελευταία χρόνια, εταιρείες όπως η Anhui Χουαουάν Ανθρακας Ινα έχουν ξεκινήσει βιομηχανική παραγωγή, αλλά το μεγαλύτερο μέρος της ζήτησης ανθρακονημάτων της Κίνας καλύπτεται μέσω εισαγωγών, περιορίζοντας σημαντικά τις σχετικές βιομηχανίες.

2. Προετοιμασία, δομή και απόδοση ινών άνθρακα με βάση το ΤΗΓΑΝΙ

2.1 Διαδικασία προετοιμασίας

Οι ίνες άνθρακα με βάση το ΤΗΓΑΝΙ κατασκευάζονται από ίνες πολυακρυλονιτριλίου, είτε ομοπολυμερές είτε συμπολυμερές, μέσω διεργασιών που περιλαμβάνουν πολυμερισμό, κλώση, προοξείδωση, ανθρακοποίηση και γραφιτοποίηση. Η παραγωγή περιλαμβάνει τη μετατροπή της ρητίνης πολυακρυλονιτριλίου σε ίνες, οι οποίες στη συνέχεια υποβάλλονται σε επεξεργασία για να ενισχυθεί η απόδοση και η σταθερότητά τους.

2.2 Δομή

Οι ίνες άνθρακα διαθέτουν α"διαταραγμένος"δομή στοιβαγμένων μικροκρυστάλλων γραφίτη κατά μήκος του άξονα των ινών, που επηρεάζει την απόδοσή τους. Η απόσταση μεταξύ των στρωμάτων και η παρουσία κενών επηρεάζουν τις ιδιότητες της ίνας.

2.3 Χαρακτηριστικά απόδοσης

Οι ίνες άνθρακα διαθέτουν μοναδικές ιδιότητες όπως υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό, υψηλό μέτρο συντελεστή, χαμηλή πυκνότητα, αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και αντοχή στη διάβρωση. Παρουσιάζουν επίσης εξαιρετική αντοχή στην κόπωση, χαμηλή θερμική διαστολή, καλή αγωγιμότητα και βιοσυμβατότητα.

3. Εφαρμογές ινών άνθρακα με βάση το ΤΗΓΑΝΙ

3.1 Αεροδιαστημική

Λόγω της υψηλής αναλογίας αντοχής προς βάρος και της ακαμψίας τους, τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα με βάση το ΤΗΓΑΝΙ είναι ζωτικής σημασίας σε αεροδιαστημικές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων πυραύλων, πυραύλων, δορυφόρων και αεροσκαφών.

3.2 Αθλητισμός και ιατρικός εξοπλισμός

Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα χρησιμοποιούνται ευρέως σε αθλητικό εξοπλισμό όπως μπαστούνια γκολφ, ρακέτες τένις και ποδήλατα, καθώς και σε ιατρικά εμφυτεύματα και συσκευές.

3.3 Γενική Βιομηχανία

Στην αυτοκινητοβιομηχανία, οι ίνες άνθρακα χρησιμοποιούνται σε πλαίσια οχημάτων, έμβολα και συστήματα πέδησης. Παίζουν επίσης ρόλο στην αιολική ενέργεια, τα ηλεκτρονικά και τις υποδομές, ενισχύοντας την αντοχή και την ανθεκτικότητα διαφόρων εξαρτημάτων.

4. Πρότυπα για ίνες άνθρακα με βάση το ΤΗΓΑΝΙ

Η Κίνα έχει καθιερώσει πολλά πρότυπα για την απόδοση των ανθρακονημάτων και την εφαρμογή τους σε σύνθετα υλικά, όπως:

• γιγαμπάιτ/T 3362-2005: Ιδιότητες εφελκυσμού νημάτων πολλαπλών νημάτων από ανθρακονήματα.

• γιγαμπάιτ 3362-1982: Μέθοδος δοκιμής του αριθμού των ινών σε νήματα πολλαπλών νημάτων από ανθρακονήματα.

• γιγαμπάιτ 3364-1982: Μέθοδοι δοκιμής διαμέτρου και ισοδύναμης διαμέτρου.

• γιγαμπάιτ/T 3355-2005: Δοκιμή περιεκτικότητας σε ρητίνη σε πλαστικά ενισχυμένα με ίνες άνθρακα.

Αυτά τα πρότυπα διασφαλίζουν την ποιότητα και τη συνέπεια των προϊόντων από ανθρακονήματα, διευκολύνοντας την ευρύτερη υιοθέτηση και εφαρμογή τους.

5. Μελλοντικές προοπτικές

Η βιομηχανία ανθρακονημάτων είναι ζωτικής σημασίας για τις σύγχρονες εφαρμογές υλικών, μετά τη μετάβαση από την εποχή του χάλυβα σε μια νέα εποχή των σύνθετων υλικών. Ο ρόλος των ανθρακονημάτων σε προηγμένες τεχνολογίες και βιομηχανικές εφαρμογές θα συνεχίσει να αυξάνεται, καθοδηγούμενος από τη συνεχή έρευνα και ανάπτυξη. Για να επιτευχθεί αυτό, η Κίνα πρέπει να επικεντρωθεί στην υπέρβαση των τεχνικών προκλήσεων και στη βελτίωση των διαδικασιών παραγωγής για να μειώσει την εξάρτηση από τις εισαγωγές και να ενισχύσει τις εγχώριες δυνατότητες.