폴리아크릴로니트릴(팬) 기반 탄소섬유는 항공우주, 건설, 스포츠, 자동차, 의료 분야에서 널리 사용되는 고성능 소재이다. 본 논문에서는 국내외 PAN계 탄소섬유의 개발 이력과 현황, 제조방법, 구조, 특성, 응용 등에 대해 검토한다. 또한 관련 표준 및 테스트 방법에 대해 논의하고 향후 전망을 제시합니다.

팬 기반 탄소섬유 소개

탄소섬유는 우수한 기계적 특성으로 알려진 고급 소재입니다. 카본 고유의 특성과 섬유섬유의 유연성, 가공성을 결합한 필수 강화섬유입니다. 비중이 강철의 1/4 미만이고 일반적으로 인장 강도가 3,500MPa를 초과하는 탄소 섬유 복합재는 강철의 7~9배에 달하는 강도와 23,000MPa~43,000MPa 범위의 탄성 계수를 제공합니다. 이러한 특성으로 인해 탄소 섬유는 엔지니어링 응용 분야에서 유망한 재료가 되었습니다.

폴리아크릴로니트릴, 아스팔트 또는 비스코스에서 파생된 팬 기반 탄소 섬유는 사전 산화, 탄화 및 흑연화와 같은 공정을 거쳐 탄소 함량이 90% 이상인 섬유를 만듭니다. 이러한 섬유는 무엇보다도 높은 강도, 높은 모듈러스, 낮은 밀도, 고온 저항, 내식성, 마찰 저항, 전도성 및 낮은 열팽창을 나타냅니다. 팬 기반의 탄소섬유는 제조공정이 간단하고 종합적인 성능이 우수하여 생산량의 90% 이상을 차지할 정도로 가장 널리 사용됩니다.

1. 팬 기반 탄소섬유 개발 현황

1.1 국제 개발

팬 기반 탄소섬유의 개발은 1959년 일본의 신도 아키오(아키오 신도)가 폴리아크릴로니트릴로부터 고성능 탄소섬유를 생산하는 공정에 대한 특허를 취득하면서 시작되었습니다. 오늘날 팬 기반 탄소섬유의 생산은 미국의 대형 토우 섬유와 일본의 소형 토우 섬유가 주도하며 전 세계 공급량의 약 80%를 차지합니다. 일본의 도레이, 토호, Mitsubishi와 같은 주요 생산업체가 시장을 주도하고 있으며 Toray는 전 세계적으로 가장 큰 팬 기반 탄소 섬유 제조업체입니다.

1.2 국내 개발

중국은 1960년대부터 탄소섬유 연구를 시작하여 느리지만 꾸준한 발전을 이루었습니다. Toray의 T-300 수준에 가까운 제품을 개발하고 있음에도 불구하고 국내 생산 능력은 여전히 ​​제한적입니다. 최근 몇 년 동안 안휘화완탄소섬유(안후이 화완 탄소 섬유)와 같은 기업들이 산업생산을 시작했지만 중국 탄소섬유 수요의 대부분은 수입을 통해 충족되어 관련 산업을 크게 제약하고 있다.

2. 팬 기반 탄소섬유의 제조, 구조 및 성능

2.1 준비과정

팬 기반 탄소 섬유는 중합, 방사, 사전 산화, 탄화 및 흑연화와 관련된 공정을 통해 단일중합체 또는 공중합체인 폴리아크릴로니트릴 섬유로 만들어집니다. 생산에는 폴리아크릴로니트릴 수지를 섬유로 변환한 다음 성능과 안정성을 향상시키기 위해 처리하는 작업이 포함됩니다.

2.2 구조

탄소섬유의 특징은"무질서한"섬유 축을 따라 쌓인 흑연 미세 결정의 구조가 성능에 영향을 미칩니다. 층 사이의 간격과 공극의 존재는 섬유의 특성에 영향을 미칩니다.

2.3 성능 특성

탄소 섬유는 높은 인장 강도, 높은 모듈러스, 낮은 밀도, 고온 저항 및 내식성과 같은 독특한 특성을 가지고 있습니다. 또한 우수한 피로 저항성, 낮은 열팽창성, 우수한 전도성 및 생체 적합성을 나타냅니다.

3. 팬 기반 탄소섬유의 응용

3.1 항공우주

높은 강도 대 중량 비율과 강성으로 인해 팬 기반 탄소 섬유 복합재는 미사일, 로켓, 위성 및 항공기를 포함한 항공우주 응용 분야에서 매우 중요합니다.

3.2 스포츠 및 의료 장비

탄소 섬유 복합재는 골프 클럽, 테니스 라켓, 자전거 등의 스포츠 장비는 물론 의료용 임플란트 및 장치에도 광범위하게 사용됩니다.

3.3 일반산업

자동차 산업에서는 탄소섬유가 차량 프레임, 피스톤, 브레이크 시스템에 사용됩니다. 또한 풍력 에너지, 전자 및 인프라에서 역할을 수행하여 다양한 구성 요소의 강도와 내구성을 향상시킵니다.

4. 팬 기반 탄소섬유 규격

중국은 다음과 같은 탄소 섬유 성능 및 복합재 적용에 대한 여러 표준을 확립했습니다.

• GB/T 3362-2005: 탄소 섬유 멀티필라멘트사의 인장 특성.

• GB 3362-1982: 탄소 섬유 멀티필라멘트사의 섬유 수를 테스트하는 방법.

• GB 3364-1982: 직경 및 등가 직경 테스트 방법.

• GB/T 3355-2005: 탄소 섬유 강화 플라스틱의 수지 함량 테스트.

이러한 표준은 탄소 섬유 제품의 품질과 일관성을 보장하여 보다 광범위한 채택과 적용을 촉진합니다.

5. 향후 전망

탄소 섬유 산업은 철강 시대에서 복합 재료의 새로운 시대로 전환하는 현대 소재 응용 분야에 매우 중요합니다. 첨단 기술 및 산업 응용 분야에서 탄소 섬유의 역할은 지속적인 연구 개발을 통해 계속해서 커질 것입니다. 이를 달성하기 위해 중국은 기술적 과제를 극복하고 생산 프로세스를 개선하여 수입 의존도를 줄이고 국내 역량을 강화하는 데 중점을 두어야 합니다.