Poliakrilonitril (PAN) bazlı karbon fiber, havacılık, inşaat, spor, otomotiv ve tıp alanlarında yaygın olarak kullanılan yüksek performanslı bir malzemedir. Bu makale, PAN bazlı karbon elyafın yurt içi ve yurt dışındaki gelişim tarihini ve mevcut durumunu, hazırlanışını, yapısını, özelliklerini ve uygulamalarını gözden geçirmektedir. Ayrıca ilgili standartları ve test yöntemlerini tartışır ve geleceğe yönelik bir bakış açısı sunar.

PAN Tabanlı Karbon Fibere Giriş

Karbon fiber, üstün mekanik özellikleriyle bilinen gelişmiş bir malzemedir. Karbonun doğal özelliklerini tekstil elyaflarının esnekliği ve işlenebilirliği ile birleştirerek onu önemli bir takviye elyafı haline getiriyor. Çeliğin dörtte birinden daha az bir özgül ağırlığa ve genellikle 3500 MPa'yı aşan bir çekme mukavemetine sahip olan karbon fiber kompozitler, çeliğe göre 7-9 kat daha fazla mukavemet ve 23.000 MPa ila 43.000 MPa arasında değişen bir elastik modül sunar. Bu özellikler karbon fiberi mühendislik uygulamalarında umut verici bir malzeme haline getirmektedir.

Poliakrilonitril, asfalt veya viskozdan türetilen PAN bazlı karbon fiberler, ön oksidasyon, karbonizasyon ve grafitizasyon gibi işlemlere tabi tutularak %90'dan fazla karbon içeriğine sahip fiberler elde edilir. Bu fiberler diğer özelliklerinin yanı sıra yüksek mukavemet, yüksek modül, düşük yoğunluk, yüksek sıcaklık direnci, korozyon direnci, sürtünme direnci, iletkenlik ve düşük termal genleşme sergiler. PAN bazlı karbon fiber, basit üretim süreci ve mükemmel kapsamlı performansı nedeniyle üretimin %90'ından fazlasını oluşturan en yaygın kullanılanıdır.

1. PAN Bazlı Karbon Elyafın Gelişim Durumu

1.1 Uluslararası Kalkınma

PAN bazlı karbon fiberin gelişimi, 1959 yılında Japon Akio Shindo'nun poliakrilonitrilden yüksek performanslı karbon fiber üretmeye yönelik bir prosesin patentini almasıyla başladı. Bugün, PAN bazlı karbon elyaf üretimine, ABD'den gelen büyük çekme elyafları ve Japonya'dan gelen küçük çekme elyafları hakim olup, küresel arzın yaklaşık %80'ini oluşturmaktadır. Japonya'daki Toray, Toho ve Mitsubishi gibi büyük üreticiler pazara liderlik ederken, Toray dünya çapında en büyük PAN bazlı karbon elyaf üreticisidir.

1.2 Yurt İçi Kalkınma

Çin, 1960'larda karbon elyafı araştırmaya başladı ve yavaş ama istikrarlı bir ilerleme kaydetti. Toray'ın T-300 seviyesine yakın ürünler geliştirmesine rağmen yerli üretim kapasitesi sınırlı kalıyor. Son yıllarda Anhui Huawan Carbon Fiber gibi şirketler endüstriyel üretime başladı, ancak Çin'in karbon elyaf talebinin çoğu ithalat yoluyla karşılanıyor ve bu da ilgili endüstrileri önemli ölçüde kısıtlıyor.

2. PAN Tabanlı Karbon Fiberin Hazırlanması, Yapısı ve Performansı

2.1 Hazırlık Süreci

PAN bazlı karbon fiberler, polimerizasyon, eğirme, ön oksidasyon, karbonizasyon ve grafitizasyon içeren işlemler yoluyla homopolimer veya kopolimer olan poliakrilonitril fiberlerden yapılır. Üretim, poliakrilonitril reçinesinin elyaflara dönüştürülmesini ve daha sonra performans ve stabilitelerinin arttırılması için işleme tabi tutulmasını içeriyor.

2.2 Yapı

Karbon fiberlerin özelliği"düzensiz"Fiber ekseni boyunca yığılmış grafit mikro kristallerinin yapısı, performanslarını etkiler. Katmanlar arasındaki boşluk ve boşlukların varlığı elyafın özelliklerini etkiler.

2.3 Performans Özellikleri

Karbon fiberler, yüksek çekme mukavemeti, yüksek modül, düşük yoğunluk, yüksek sıcaklık direnci ve korozyon direnci gibi benzersiz özelliklere sahiptir. Ayrıca mükemmel yorulma direnci, düşük termal genleşme, iyi iletkenlik ve biyouyumluluk sergilerler.

3. PAN Bazlı Karbon Fiber Uygulamaları

3.1 Havacılık

PAN bazlı karbon fiber kompozitler, yüksek mukavemet-ağırlık oranı ve sertliği nedeniyle füzeler, roketler, uydular ve uçaklar dahil olmak üzere havacılık uygulamalarında çok önemlidir.

3.2 Spor ve Tıbbi Ekipmanlar

Karbon fiber kompozitler golf sopaları, tenis raketleri ve bisikletler gibi spor ekipmanlarının yanı sıra tıbbi implant ve cihazlarda da yaygın olarak kullanılmaktadır.

3.3 Genel Endüstri

Otomotiv endüstrisinde araç şasilerinde, pistonlarda ve fren sistemlerinde karbon elyaflar kullanılmaktadır. Ayrıca rüzgar enerjisi, elektronik ve altyapıda da rol oynayarak çeşitli bileşenlerin gücünü ve dayanıklılığını artırırlar.

4. PAN Tabanlı Karbon Fiber Standartları

Çin, karbon fiber performansı ve kompozitlerdeki uygulaması için çeşitli standartlar oluşturmuştur; örneğin:

• GB/T 3362-2005: Karbon fiber multifilament ipliklerin gerilme özellikleri.

• GB 3362-1982: Karbon fiber çok filamentli ipliklerdeki fiber sayısını test etmeye yönelik yöntem.

• GB 3364-1982: Çap ve eşdeğer çap test yöntemleri.

• GB/T 3355-2005: Karbon fiber takviyeli plastiklerde reçine içeriği testi.

Bu standartlar, karbon fiber ürünlerinin kalitesini ve tutarlılığını garanti ederek, bunların daha geniş çapta benimsenmesini ve uygulanmasını kolaylaştırır.

5. Geleceğe Bakış

Karbon fiber endüstrisi, çelik çağından yeni bir kompozit malzeme çağına geçişte modern malzeme uygulamaları için çok önemlidir. Karbon elyafın ileri teknolojiler ve endüstriyel uygulamalardaki rolü, devam eden araştırma ve geliştirmelerin etkisiyle büyümeye devam edecek. Bunu başarmak için Çin'in teknik zorlukların üstesinden gelmeye ve ithalata bağımlılığı azaltmak ve yerel yetenekleri geliştirmek için üretim süreçlerini iyileştirmeye odaklanması gerekiyor.