La fibra de carbono a base de poliacrilonitrilo (PAN) es un material de alto rendimiento ampliamente utilizado en los campos aeroespacial, de construcción, deportivo, automotriz y médico. Este artículo revisa la historia del desarrollo y el estado actual de la fibra de carbono a base de PAN a nivel nacional e internacional, su preparación, estructura, propiedades y aplicaciones. También analiza las normas y métodos de prueba relevantes y ofrece una perspectiva de futuro.

Introducción a la fibra de carbono basada en PAN

La fibra de carbono es un material avanzado conocido por sus propiedades mecánicas superiores. Combina las características inherentes del carbono con la flexibilidad y procesabilidad de las fibras textiles, lo que la convierte en una fibra de refuerzo esencial. Con una gravedad específica de menos de una cuarta parte del acero y una resistencia a la tracción que generalmente excede los 3500 MPa, los compuestos de fibra de carbono ofrecen una resistencia entre 7 y 9 veces mayor que la del acero y un módulo elástico que oscila entre 23 000 MPa y 43 000 MPa. Estas propiedades hacen de la fibra de carbono un material prometedor en aplicaciones de ingeniería.

Las fibras de carbono a base de PAN, derivadas del poliacrilonitrilo, asfalto o viscosa, se someten a procesos como preoxidación, carbonización y grafitización, lo que da como resultado fibras con más del 90% de contenido de carbono. Estas fibras exhiben alta resistencia, alto módulo, baja densidad, resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión, resistencia a la fricción, conductividad y baja expansión térmica, entre otras propiedades. La fibra de carbono a base de PAN es la más utilizada y representa más del 90% de la producción debido a su sencillo proceso de fabricación y su excelente rendimiento integral.

1. Estado de desarrollo de la fibra de carbono a base de PAN

1.1 Desarrollo internacional

El desarrollo de la fibra de carbono a base de PAN comenzó en 1959, cuando el japonés Akio Shindo patentó un proceso para producir fibras de carbono de alto rendimiento a partir de poliacrilonitrilo. Hoy en día, la producción de fibra de carbono a base de PAN está dominada por fibras de remolque grandes de EE. UU. y fibras de remolque pequeñas de Japón, que representan aproximadamente el 80% del suministro mundial. Los principales productores como Toray, Toho y Mitsubishi en Japón lideran el mercado, siendo Toray el mayor fabricante de fibra de carbono basado en PAN a nivel mundial.

1.2 Desarrollo interno

China comenzó a investigar la fibra de carbono en la década de 1960, logrando un progreso lento pero constante. A pesar de desarrollar productos cercanos al nivel del T-300 de Toray, la capacidad de producción nacional sigue siendo limitada. En los últimos años, empresas como Anhui Huawan Carbon Fiber han iniciado la producción industrial, pero la mayor parte de la demanda de fibra de carbono de China se satisface mediante importaciones, lo que limita significativamente las industrias relacionadas.

2. Preparación, estructura y rendimiento de la fibra de carbono a base de PAN

2.1 Proceso de preparación

Las fibras de carbono a base de PAN se fabrican a partir de fibras de poliacrilonitrilo, ya sea homopolímero o copolímero, mediante procesos que implican polimerización, hilado, preoxidación, carbonización y grafitización. La producción implica convertir la resina de poliacrilonitrilo en fibras, que luego se tratan para mejorar su rendimiento y estabilidad.

2.2 Estructura

Las fibras de carbono presentan un"desordenado"Estructura de microcristales de grafito apilados a lo largo del eje de la fibra, lo que influye en su rendimiento. El espacio entre capas y la presencia de huecos afectan las propiedades de la fibra.

2.3 Características de desempeño

Las fibras de carbono poseen propiedades únicas como alta resistencia a la tracción, alto módulo, baja densidad, resistencia a altas temperaturas y resistencia a la corrosión. También exhiben una excelente resistencia a la fatiga, baja expansión térmica, buena conductividad y biocompatibilidad.

3. Aplicaciones de la fibra de carbono a base de PAN

3.1 Aeroespacial

Debido a su alta relación resistencia-peso y rigidez, los compuestos de fibra de carbono a base de PAN son cruciales en aplicaciones aeroespaciales, incluidos misiles, cohetes, satélites y aviones.

3.2 Equipo médico y deportivo

Los compuestos de fibra de carbono se utilizan ampliamente en equipos deportivos como palos de golf, raquetas de tenis y bicicletas, así como en implantes y dispositivos médicos.

3.3 Industria general

En la industria automotriz, las fibras de carbono se utilizan en bastidores, pistones y sistemas de frenos de vehículos. También desempeñan un papel en la energía eólica, la electrónica y la infraestructura, mejorando la resistencia y durabilidad de varios componentes.

4. Estándares para fibra de carbono a base de PAN

China ha establecido varios estándares para el rendimiento de la fibra de carbono y su aplicación en compuestos, tales como:

• GB/T 3362-2005: Propiedades de tracción de hilos multifilamento de fibra de carbono.

• GB 3362-1982: Método para probar el número de fibras en hilos multifilamento de fibra de carbono.

• GB 3364-1982: Métodos de prueba de diámetro y diámetro equivalente.

• GB/T 3355-2005: Pruebas de contenido de resina en plásticos reforzados con fibra de carbono.

Estos estándares garantizan la calidad y consistencia de los productos de fibra de carbono, facilitando su adopción y aplicación más amplia.

5. Perspectivas futuras

La industria de la fibra de carbono es crucial para las aplicaciones de materiales modernos, en la transición de la era del acero a una nueva era de materiales compuestos. El papel de la fibra de carbono en tecnologías avanzadas y aplicaciones industriales seguirá creciendo, impulsado por la investigación y el desarrollo continuos. Para lograrlo, China debe centrarse en superar los desafíos técnicos y mejorar los procesos de producción para reducir la dependencia de las importaciones y mejorar las capacidades internas.