Kohlenstofffasern auf Polyacrylnitrilbasis (PAN) sind ein Hochleistungsmaterial, das in der Luft- und Raumfahrt, im Bauwesen, im Sport, in der Automobilindustrie und in der Medizin weit verbreitet ist. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Entwicklungsgeschichte und den aktuellen Status von Kohlenstofffasern auf PAN-Basis im In- und Ausland sowie über ihre Herstellung, Struktur, Eigenschaften und Anwendungen. Er erörtert außerdem relevante Normen und Testmethoden und bietet einen Ausblick in die Zukunft.

Einführung in PAN-basierte Kohlenstofffasern

Kohlenstofffaser ist ein modernes Material, das für seine hervorragenden mechanischen Eigenschaften bekannt ist. Sie vereint die inhärenten Eigenschaften von Kohlenstoff mit der Flexibilität und Verarbeitbarkeit von Textilfasern und ist somit eine unverzichtbare Verstärkungsfaser. Mit einer Dichte von weniger als einem Viertel der von Stahl und einer Zugfestigkeit von im Allgemeinen über 3500 MPa bieten Kohlenstofffaserverbundstoffe eine 7- bis 9-mal höhere Festigkeit als Stahl und einen Elastizitätsmodul von 23.000 MPa bis 43.000 MPa. Diese Eigenschaften machen Kohlenstofffaser zu einem vielversprechenden Material für technische Anwendungen.

PAN-basierte Kohlenstofffasern, die aus Polyacrylnitril, Asphalt oder Viskose gewonnen werden, durchlaufen Prozesse wie Voroxidation, Karbonisierung und Graphitierung, wodurch Fasern mit einem Kohlenstoffgehalt von über 90 % entstehen. Diese Fasern weisen unter anderem hohe Festigkeit, einen hohen Elastizitätsmodul, eine geringe Dichte, hohe Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Reibungsfestigkeit, Leitfähigkeit und geringe Wärmeausdehnung auf. PAN-basierte Kohlenstofffasern werden am häufigsten verwendet und machen aufgrund ihres einfachen Herstellungsprozesses und ihrer hervorragenden Gesamtleistung über 90 % der Produktion aus.

1. Entwicklungsstand von PAN-basierten Kohlenstofffasern

1.1 Internationale Entwicklung

Die Entwicklung von PAN-basierten Kohlenstofffasern begann 1959, als der Japaner Akio Shindo ein Verfahren zur Herstellung von Hochleistungskohlenstofffasern aus Polyacrylnitril patentieren ließ. Heute wird die Produktion von PAN-basierten Kohlenstofffasern von großen Faserbündeln aus den USA und kleinen Faserbündeln aus Japan dominiert, die etwa 80 % des weltweiten Angebots ausmachen. Große Hersteller wie Toray, Toho und Mitsubishi in Japan führen den Markt an, wobei Toray der weltweit größte Hersteller von PAN-basierten Kohlenstofffasern ist.

1.2 Inländische Entwicklung

China begann in den 1960er Jahren mit der Erforschung von Kohlenstofffasern und erzielte dabei langsame, aber stetige Fortschritte. Obwohl Produkte entwickelt wurden, die dem T-300-Niveau von Toray nahe kommen, ist die inländische Produktionskapazität nach wie vor begrenzt. In den letzten Jahren haben Unternehmen wie Anhui Huawan Carbon Fiber mit der industriellen Produktion begonnen, doch der Großteil des chinesischen Bedarfs an Kohlenstofffasern wird durch Importe gedeckt, was die damit verbundenen Industrien erheblich einschränkt.

2. Herstellung, Struktur und Leistung von PAN-basierten Kohlenstofffasern

2.1 Vorbereitungsprozess

PAN-basierte Kohlenstofffasern werden aus Polyacrylnitrilfasern, entweder Homopolymer oder Copolymer, durch Prozesse hergestellt, die Polymerisation, Spinnen, Voroxidation, Karbonisierung und Graphitierung umfassen. Bei der Herstellung wird Polyacrylnitrilharz in Fasern umgewandelt, die dann behandelt werden, um ihre Leistung und Stabilität zu verbessern.

2.2 Struktur

Kohlenstofffasern zeichnen sich durch eine"ungeordnet"Struktur gestapelter Graphitmikrokristalle entlang der Faserachse, was ihre Leistung beeinflusst. Der Abstand zwischen den Schichten und das Vorhandensein von Hohlräumen wirken sich auf die Eigenschaften der Faser aus.

2.3 Leistungsmerkmale

Kohlenstofffasern besitzen einzigartige Eigenschaften wie hohe Zugfestigkeit, hohen Elastizitätsmodul, geringe Dichte, hohe Temperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Sie weisen außerdem eine ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit, geringe Wärmeausdehnung, gute Leitfähigkeit und Biokompatibilität auf.

3. Anwendungen von PAN-basierten Kohlenstofffasern

3.1 Luft- und Raumfahrt

Aufgrund ihres hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses und ihrer Steifigkeit sind PAN-basierte Kohlefaserverbundstoffe für die Luft- und Raumfahrt von entscheidender Bedeutung, beispielsweise für Flugkörper, Raketen, Satelliten und Flugzeuge.

3.2 Sport- und Medizingeräte

Kohlefaserverbundstoffe werden häufig in Sportgeräten wie Golfschlägern, Tennisschlägern und Fahrrädern sowie in medizinischen Implantaten und Geräten verwendet.

3.3 Allgemeine Industrie

In der Automobilindustrie werden Kohlenstofffasern in Fahrzeugrahmen, Kolben und Bremssystemen verwendet. Sie spielen auch in der Windenergie, Elektronik und Infrastruktur eine Rolle, da sie die Festigkeit und Haltbarkeit verschiedener Komponenten verbessern.

4. Normen für PAN-basierte Carbonfasern

China hat mehrere Standards für die Leistungsfähigkeit von Kohlefasern und deren Anwendung in Verbundwerkstoffen festgelegt, darunter:

• GB/T 3362-2005: Zugfestigkeitseigenschaften von Multifilamentgarnen aus Kohlenstofffasern.

• GB 3362-1982: Verfahren zum Prüfen der Faseranzahl in Kohlenstofffaser-Multifilamentgarnen.

• GB 3364-1982: Prüfverfahren für Durchmesser und Äquivalentdurchmesser.

• GB/T 3355-2005: Prüfung des Harzgehalts in kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen.

Diese Normen gewährleisten die Qualität und Konsistenz von Kohlefaserprodukten und ermöglichen deren breitere Einführung und Anwendung.

5. Zukunftsaussichten

Die Kohlefaserindustrie ist für moderne Materialanwendungen von entscheidender Bedeutung und ebnet den Weg vom Stahlzeitalter in ein neues Zeitalter der Verbundwerkstoffe. Die Rolle der Kohlefaser in fortschrittlichen Technologien und industriellen Anwendungen wird dank kontinuierlicher Forschung und Entwicklung weiter zunehmen. Um dies zu erreichen, muss sich China auf die Überwindung technischer Herausforderungen und die Verbesserung der Produktionsprozesse konzentrieren, um die Abhängigkeit von Importen zu verringern und die inländischen Kapazitäten zu verbessern.