Gentian karbon berasaskan Polyacrylonitrile (PAN) ialah bahan berprestasi tinggi yang digunakan secara meluas dalam bidang aeroangkasa, pembinaan, sukan, automotif dan perubatan. Artikel ini mengkaji sejarah pembangunan dan status semasa gentian karbon berasaskan PAN di dalam dan di peringkat antarabangsa, penyediaan, struktur, sifat dan aplikasinya. Ia juga membincangkan piawaian dan kaedah ujian yang berkaitan serta menawarkan pandangan masa depan.

Pengenalan kepada Gentian Karbon Berasaskan PAN

Gentian karbon adalah bahan termaju yang terkenal dengan sifat mekanikalnya yang unggul. Ia menggabungkan ciri-ciri semula jadi karbon dengan fleksibiliti dan kebolehprosesan gentian tekstil, menjadikannya gentian penguat yang penting. Dengan graviti tentu kurang daripada satu perempat keluli dan kekuatan tegangan secara amnya melebihi 3500 MPa, komposit gentian karbon menawarkan kekuatan 7-9 kali ganda daripada keluli dan modulus elastik antara 23,000 MPa hingga 43,000 MPa. Sifat-sifat ini menjadikan gentian karbon sebagai bahan yang menjanjikan dalam aplikasi kejuruteraan.

Gentian karbon berasaskan PAN, yang diperoleh daripada poliakrilonitril, asfalt atau viscose, menjalani proses seperti pra-pengoksidaan, pengkarbonan dan grafit, menghasilkan gentian dengan lebih daripada 90% kandungan karbon. Gentian ini mempamerkan kekuatan tinggi, modulus tinggi, ketumpatan rendah, rintangan suhu tinggi, rintangan kakisan, rintangan geseran, kekonduksian, dan pengembangan haba yang rendah, antara sifat lain. Gentian karbon berasaskan PAN adalah yang paling banyak digunakan, menyumbang lebih daripada 90% pengeluaran kerana proses pembuatannya yang mudah dan prestasi komprehensif yang sangat baik.

1. Status Pembangunan Serat Karbon Berasaskan PAN

1.1 Pembangunan Antarabangsa

Pembangunan gentian karbon berasaskan PAN bermula pada tahun 1959 apabila Akio Shindo Jepun mempatenkan proses untuk menghasilkan gentian karbon berprestasi tinggi daripada polyacrylonitrile. Hari ini, pengeluaran gentian karbon berasaskan PAN didominasi oleh gentian tunda besar dari Amerika Syarikat dan gentian tunda kecil dari Jepun, menyumbang kira-kira 80% daripada bekalan global. Pengeluar utama seperti Toray, Toho dan Mitsubishi di Jepun menerajui pasaran, dengan Toray menjadi pengeluar gentian karbon berasaskan PAN terbesar di dunia.

1.2 Pembangunan Dalam Negeri

China mula menyelidik gentian karbon pada tahun 1960-an, mencapai kemajuan yang perlahan tetapi stabil. Walaupun membangunkan produk hampir dengan tahap T-300 Toray, kapasiti pengeluaran domestik masih terhad. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, syarikat seperti Anhui Huawan Carbon Fiber telah memulakan pengeluaran perindustrian, tetapi kebanyakan permintaan gentian karbon China dipenuhi melalui import, yang secara ketara mengekang industri berkaitan.

2. Penyediaan, Struktur dan Prestasi Gentian Karbon Berasaskan PAN

2.1 Proses Penyediaan

Gentian karbon berasaskan PAN diperbuat daripada gentian poliakrilonitril, sama ada homopolimer atau kopolimer, melalui proses yang melibatkan pempolimeran, pemintalan, pra-pengoksidaan, pengkarbonan, dan grafitisasi. Pengeluaran melibatkan penukaran resin poliakrilonitril kepada gentian, yang kemudiannya dirawat untuk meningkatkan prestasi dan kestabilan mereka.

2.2 Struktur

Ciri gentian karbon a"bercelaru"struktur mikrohablur grafit bertindan di sepanjang paksi gentian, mempengaruhi prestasinya. Jarak antara lapisan dan kehadiran lompang mempengaruhi sifat gentian.

2.3 Ciri-ciri Prestasi

Gentian karbon mempunyai sifat unik seperti kekuatan tegangan tinggi, modulus tinggi, ketumpatan rendah, rintangan suhu tinggi, dan rintangan kakisan. Mereka juga mempamerkan rintangan keletihan yang sangat baik, pengembangan haba yang rendah, kekonduksian yang baik, dan biokompatibiliti.

3. Aplikasi Serat Karbon Berasaskan PAN

3.1 Aeroangkasa

Disebabkan nisbah kekuatan kepada berat dan ketegaran yang tinggi, komposit gentian karbon berasaskan PAN adalah penting dalam aplikasi aeroangkasa, termasuk peluru berpandu, roket, satelit dan pesawat.

3.2 Peralatan Sukan dan Perubatan

Komposit gentian karbon digunakan secara meluas dalam peralatan sukan seperti kayu golf, raket tenis dan basikal, serta dalam implan dan peranti perubatan.

3.3 Industri Am

Dalam industri automotif, gentian karbon digunakan dalam rangka kenderaan, omboh, dan sistem brek. Mereka juga memainkan peranan dalam tenaga angin, elektronik, dan infrastruktur, meningkatkan kekuatan dan ketahanan pelbagai komponen.

4. Piawaian untuk Gentian Karbon Berasaskan PAN

China telah menetapkan beberapa piawaian untuk prestasi gentian karbon dan penggunaannya dalam komposit, seperti:

• GB/T 3362-2005: Sifat tegangan benang berbilang filamen gentian karbon.

• GB 3362-1982: Kaedah untuk menguji bilangan gentian dalam benang berbilang filamen gentian karbon.

• GB 3364-1982: Kaedah ujian diameter dan diameter setara.

• GB/T 3355-2005: Ujian kandungan resin dalam plastik bertetulang gentian karbon.

Piawaian ini memastikan kualiti dan konsistensi produk gentian karbon, memudahkan penggunaan dan penggunaannya yang lebih luas.

5. Tinjauan Masa Depan

Industri gentian karbon adalah penting untuk aplikasi bahan moden, beralih daripada era keluli kepada zaman baharu bahan komposit. Peranan gentian karbon dalam teknologi canggih dan aplikasi perindustrian akan terus berkembang, didorong oleh penyelidikan dan pembangunan yang berterusan. Untuk mencapai matlamat ini, China mesti memberi tumpuan kepada mengatasi cabaran teknikal dan menambah baik proses pengeluaran untuk mengurangkan pergantungan kepada import dan meningkatkan keupayaan domestik.