Kohlefaser ist ein anorganisches Polymerfaser-Neumaterial mit einem Kohlenstoffgehalt von über 95 %, geringer Dichte, hoher Festigkeit, hoher Temperaturbeständigkeit, hoher chemischer Stabilität, Ermüdungsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und anderen hervorragenden physikalischen und chemischen Grundeigenschaften. Kohlefaser hat eine hohe Schwingungsdämpfung, gute Wärmeleitfähigkeit, elektromagnetische Abschirmung und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Diese hervorragenden Eigenschaften machen Kohlefaser zu einem weit verbreiteten Material in der Luft- und Raumfahrt, im Schienenverkehr, im Fahrzeugbau, in der Waffen- und Ausrüstungsindustrie, in Baumaschinen, im Infrastrukturbau, im Schiffsbau, in der Erdöltechnik, in der Windenergie, bei Sportartikeln und anderen Bereichen.
Aufgrund des nationalen strategischen Bedarfs an Kohlefaserwerkstoffen zählt China diese zu den Kerntechnologien aufstrebender Industrien, die besondere Unterstützung erhalten. In der nationalen Wissenschafts- und Technologieplanung „Zwölf Fünf“ ist die Herstellung und Anwendung von Hochleistungskohlenstofffasern eine der Kerntechnologien strategischer aufstrebender Industrien, die vom Staat gefördert werden. Im Mai 2015 veröffentlichte der Staatsrat offiziell „Made in China 2025“. Neue Werkstoffe werden als einer der Schlüsselbereiche intensiv gefördert und entwickelt, darunter Hochleistungsstrukturwerkstoffe und fortschrittliche Verbundwerkstoffe. Im Oktober 2015 veröffentlichte das Ministerium für Industrie und Informationswirtschaft offiziell die „China Manufacturing 2025 Key Areas Technology Roadmap“. Darin werden „Hochleistungsfasern und ihre Verbundwerkstoffe“ als strategische Schlüsselwerkstoffe genannt. Das Ziel für 2020 lautet, „inländische Kohlefaserverbundwerkstoffe den technischen Anforderungen von Großflugzeugen und anderen wichtigen Geräten gerecht zu werden“. Im November 2016 veröffentlichte der Staatsrat den Nationalen Strategischen Entwicklungsplan für aufstrebende Industrien „Dreizehn Fünf“. Darin wird klar darauf hingewiesen, die Zusammenarbeit in der vor- und nachgelagerten Industrie für neue Materialien zu stärken, Pilotprojekte für gemeinsame Anwendungen in Bereichen wie Kohlefaserverbundwerkstoffen und anderen durchzuführen und eine Plattform für gemeinsame Anwendungen aufzubauen. Im Januar 2017 formulierten das Ministerium für Industrie und Entwicklung, die NDRC, Wissenschaft und Technologie sowie das Finanzministerium gemeinsam den „Leitfaden für die Entwicklung der Industrie für neue Materialien“. Darin wird vorgeschlagen, bis 2020 „mehr als 70 wichtige neue Materialien in Bereichen wie Kohlefaserverbundwerkstoffen, hochwertigem Spezialstahl und modernen Leichtmetallen zu industrialisieren und anzuwenden. Außerdem wird ein Unterstützungssystem für Prozessausrüstung aufgebaut, das dem Entwicklungsstand der chinesischen Industrie für neue Materialien entspricht.“
Da Kohlefasern und ihre Verbundwerkstoffe eine wichtige Rolle für die Landesverteidigung und die Lebensgrundlage der Bevölkerung spielen, konzentrieren sich viele Experten auf ihre Entwicklung und die Analyse von Forschungstrends. Dr. Zhou Hong überprüfte die wissenschaftlichen und technologischen Beiträge amerikanischer Wissenschaftler in den frühen Phasen der Entwicklung der Hochleistungs-Kohlefasertechnologie und analysierte und berichtete über 16 Hauptanwendungen und aktuelle technologische Fortschritte von Kohlefasern. Dr. Wei Xin überprüfte die Produktionstechnologie, Eigenschaften und Anwendung von Polyacrylnitril-Kohlefasern und ihre aktuelle technologische Entwicklung und unterbreitete einige konstruktive Vorschläge für die bestehenden Probleme bei der Entwicklung von Kohlefasern in China. Darüber hinaus haben viele Personen Forschungen zur messtechnischen Analyse von Dokumenten und Patenten auf dem Gebiet der Kohlefasern und ihrer Verbundwerkstoffe durchgeführt. Beispielsweise analysierten Ma Xianglin und andere die Verteilung und Anwendung von Kohlefaserpatenten zwischen 1998 und 2017 aus messtechnischer Sicht. Yang Sisi und andere führen auf Grundlage der Innography-Plattform eine globale Patentsuche und Datenstatistik für Kohlenstofffasergewebe durch und analysieren dabei die jährliche Entwicklungstendenz von Patenten, Patentinhabern, den Hotspot der Patenttechnologie und den Kernpatenten der Technologie.
Was die Forschungs- und Entwicklungsentwicklung im Bereich Kohlefasern angeht, ist Chinas Forschung nahezu synchron mit der Welt, doch die Entwicklung verläuft langsam. Im Vergleich zum Ausland weisen Produktionsumfang und -qualität von Hochleistungskohlenstofffasern Lücken auf. Es besteht dringender Bedarf, den Forschungs- und Entwicklungsprozess zu beschleunigen, die strategische Ausrichtung voranzutreiben und zukünftige Entwicklungschancen der Branche zu nutzen. Daher untersucht dieser Artikel erstens die Projektausrichtung der Länder im Bereich der Kohlefaserforschung, um die Planung der Forschungs- und Entwicklungswege in verschiedenen Ländern zu verstehen. Zweitens, da die Grundlagenforschung und Anwendungsforschung im Bereich Kohlefasern für deren technische Forschung und Entwicklung von großer Bedeutung ist, führen wir gleichzeitig messtechnische Analysen von akademischen Forschungsergebnissen (SCI-Artikeln) und angewandten Forschungsergebnissen (Patenten) durch, um ein umfassendes Verständnis des Forschungs- und Entwicklungsfortschritts im Bereich Kohlefasern zu erhalten und die jüngsten Forschungsentwicklungen in diesem Bereich zu analysieren, um einen Einblick in den internationalen Forschungs- und Entwicklungsfortschritt zu erhalten. Abschließend werden auf Grundlage der oben genannten Forschungsergebnisse einige Vorschläge für die Forschungs- und Entwicklungsroute im Bereich Kohlefasern in China unterbreitet.
2. CKohlenstofffaserForschungsprojektlayout vonwichtige Länder/Regionen
Zu den wichtigsten Produktionsländern für Kohlefaser zählen Japan, die USA, Südkorea, einige europäische Länder sowie Taiwan und China. Hochtechnologieländer haben bereits in der Frühphase der Entwicklung der Kohlefasertechnologie die Bedeutung dieses Materials erkannt, eine strategische Ausrichtung vorgenommen und die Entwicklung von Kohlefasermaterialien energisch vorangetrieben.
2.1 Japan
Japan ist das am weitesten entwickelte Land in der Kohlefasertechnologie. Die drei japanischen Unternehmen Toray, Bong und Mitsubishi Liyang decken weltweit etwa 70–80 % des Kohlefasermarktes ab. Dennoch legt Japan großen Wert darauf, seine Stärken in diesem Bereich zu erhalten, insbesondere die Entwicklung leistungsstarker panbasierter Kohlefasern sowie energie- und umweltfreundlicher Technologien mit starker personeller und finanzieller Unterstützung. Eine Reihe grundlegender politischer Maßnahmen, darunter der Energiegrundplan, die strategischen Leitlinien für Wirtschaftswachstum und das Kyoto-Protokoll, haben dies zu einem strategischen Projekt gemacht, das es voranzutreiben gilt. Auf Grundlage der nationalen Energie- und Umweltpolitik hat das japanische Ministerium für Wirtschaft, Industrie und Eigentum das „Forschungs- und Entwicklungsprogramm für Energiespartechnologien“ aufgelegt. Dank dieser Maßnahmen konnte die japanische Kohlefaserindustrie alle Aspekte ihrer Ressourcen effektiver zentralisieren und die Lösung gängiger Probleme der Kohlefaserindustrie vorantreiben.
„Technologieentwicklung wie innovative neue Strukturmaterialien“ (2013–2022) ist ein Projekt, das im Rahmen des „Forschungsprojekts Zukunftsentwicklung“ in Japan umgesetzt wird. Ziel ist es, die Entwicklung der notwendigen innovativen Strukturmaterialtechnologie und die Kombination verschiedener Materialien deutlich voranzutreiben. Das Hauptziel besteht darin, das Gewicht von Verkehrsmitteln zu reduzieren (um die Hälfte des Fahrzeuggewichts) und schließlich ihre praktische Anwendung zu realisieren. Nach der Übernahme des Forschungs- und Entwicklungsprojekts im Jahr 2014 entwickelte die Industrial Technology Development Agency (NEDO) mehrere Unterprojekte. Die Gesamtziele des Kohlefaser-Forschungsprojekts „Innovative Kohlefaser-Grundlagenforschung und -entwicklung“ waren: Entwicklung neuer Kohlefaser-Vorläuferverbindungen, Aufklärung des Bildungsmechanismus von Karbonisierungsstrukturen und Entwicklung und Standardisierung von Bewertungsmethoden für Kohlefasern. Das von der Universität Tokio geleitete und gemeinsam mit dem Institute of Industrial Technology (NEDO), Toray, Teijin, Dongyuan und Mitsubishi Liyang durchgeführte Projekt hat im Januar 2016 bedeutende Fortschritte erzielt und stellt nach der Erfindung des „Kondo-Modus“ in Japan im Jahr 1959 einen weiteren wichtigen Durchbruch auf dem Gebiet der pfannenbasierten Kohlefaser dar.
2.2 Vereinigte Staaten
Die US-amerikanische Verteidigungsforschungsagentur DARPA startete 2006 das Projekt „Advanced Structural Fiber“ mit dem Ziel, die führende wissenschaftliche Forschungskraft des Landes zu bündeln, um Strukturfasern der nächsten Generation auf Basis von Kohlenstofffasern zu entwickeln. Mithilfe dieses Projekts gelang einem Forschungsteam des Georgia Institute of Technology in den USA im Jahr 2015 ein Durchbruch bei der Rohdrahtaufbereitungstechnologie, wodurch der Elastizitätsmodul um 30 % gesteigert werden konnte. Damit verfügen die USA über die Entwicklungskapazität für die dritte Generation von Kohlenstofffasern.
Im Jahr 2014 kündigte das US-Energieministerium (DOE) eine Subvention in Höhe von 11,3 Millionen Dollar für zwei Projekte zu „mehrstufigen katalytischen Prozessen zur Umwandlung von nicht essbarem Biomassezucker in Acrylnitril“ und „Forschung und Optimierung von Acrylnitril aus der Biomasseproduktion“ an, um die Verwendung landwirtschaftlicher Reststoffe zu fördern, Forschung zu kostengünstigen erneuerbaren Hochleistungskohlenstofffasermaterialien für die Produktion erneuerbarer, nicht auf Lebensmitteln basierender Rohstoffe wie Holzbiomasse und Pläne, die Produktionskosten erneuerbarer Biomassekohlenstofffasern bis 2020 auf unter 5 USD/lb zu senken.
Im März 2017 kündigte das US-Energieministerium erneut eine Finanzierung in Höhe von 3,74 Millionen Dollar für ein vom Western American Institute (WRI) geleitetes „Forschungs- und Entwicklungsprojekt für kostengünstige Kohlefaserkomponenten“ an, dessen Schwerpunkt auf der Entwicklung kostengünstiger Kohlefaserkomponenten auf Basis von Ressourcen wie Kohle und Biomasse liegt.
Im Juli 2017 kündigte das US-Energieministerium die Bereitstellung von 19,4 Millionen Dollar für die Forschung und Entwicklung im Bereich der modernen, energieeffizienten Fahrzeuge an. 6,7 Millionen Dollar davon fließen in die Herstellung kostengünstiger Kohlenstofffasern unter Verwendung computergestützter Materialien. Dazu gehört auch die Entwicklung mehrskaliger Bewertungsmethoden für integrierte Computertechnologie, um die Beliebtheit neuer Kohlenstofffaser-Vorläufer zu bewerten. Mithilfe fortschrittlicher, molekulardynamischer Methoden wie Dichtefunktionaltheorie und maschinellem Lernen werden hochmoderne Computertools entwickelt, um die Auswahleffizienz kostengünstiger Kohlenstofffaser-Rohstoffe zu verbessern.
2.3 Europa
Die europäische Kohlefaserindustrie entwickelte sich in den 1970er und 1980er Jahren des 20. Jahrhunderts in Japan und den USA. Aufgrund von Technologie- und Kapitalproblemen konnten jedoch viele einzelne Kohlefaserhersteller nicht mit der Wachstumsphase der Kohlefasernachfrage nach 2000 Jahren Schritt halten und verschwanden. Das deutsche Unternehmen SGL ist das einzige Unternehmen in Europa, das einen bedeutenden Anteil am weltweiten Kohlefasermarkt hat.
Im November 2011 startete die Europäische Union das Eucarbon-Projekt, dessen Ziel es ist, die europäischen Produktionskapazitäten für Kohlefasern und vorimprägnierte Materialien für die Luft- und Raumfahrt zu verbessern. Das Projekt dauerte vier Jahre und umfasste eine Gesamtinvestition von 3,2 Millionen Euro. Im Mai 2017 wurde Europas erste spezielle Kohlefaser-Produktionslinie für Weltraumanwendungen wie Satelliten erfolgreich in Betrieb genommen. Damit konnte Europa seine Importabhängigkeit bei diesem Produkt überwinden und die Sicherheit der Materialversorgung gewährleisten.
Das siebte EU-Rahmenprogramm soll das Projekt „Funktionale Kohlenstofffasern bei der Herstellung eines neuen Vorläufersystems mit kostengünstiger und handhabbarer Leistung“ (FIBRALSPEC) (2014–2017) mit 6,08 Millionen Euro unterstützen. Das auf vier Jahre angelegte Projekt unter der Leitung der Nationalen Technischen Universität Athen (Griechenland) und der Beteiligung multinationaler Unternehmen aus Italien, Großbritannien und der Ukraine konzentriert sich auf die Innovation und Verbesserung des Prozesses der kontinuierlichen Herstellung von Kohlenstofffasern auf Polyacrylnitrilbasis, um eine experimentelle Produktion von kontinuierlich panbasierten Kohlenstofffasern zu erreichen. Das Projekt hat die Entwicklung und Anwendung von Kohlenstofffasern und verbesserter Verbundtechnologie aus erneuerbaren organischen Polymerressourcen (wie Superkondensatoren, Notunterkünfte sowie Prototypen mechanischer elektrischer Rotationsbeschichtungsmaschinen und die Entwicklung einer Produktionslinie für Nanofasern usw.) erfolgreich abgeschlossen.
Immer mehr Industriezweige, wie die Automobilindustrie, die Windkraft und der Schiffbau, benötigen leichte und leistungsstarke Verbundwerkstoffe. Für die Kohlefaserindustrie stellt dies einen riesigen potenziellen Markt dar. Die EU investiert 5,968 Millionen Euro in das Projekt Carboprec (2014–2017). Dessen strategisches Ziel ist die Entwicklung kostengünstiger Vorläufer aus in Europa weit verbreiteten erneuerbaren Materialien und die Verbesserung der Produktion von Hochleistungskohlenstofffasern durch Kohlenstoffnanoröhren.
Das Forschungsprogramm Cleansky II der Europäischen Union förderte 2017 das Projekt „Composite Tire F&E“ unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Produktions- und Systemzuverlässigkeit (LBF) in Deutschland. Ziel ist die Entwicklung von Vorderradkomponenten für kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe für den Airbus A320. Ziel ist eine Gewichtsreduzierung von 40 % im Vergleich zu herkömmlichen Metallwerkstoffen. Das Projekt wird mit rund 200.000 Euro gefördert.
2.4 Korea
Die Forschung und Entwicklung sowie die Industrialisierung von Carbonfasern in Südkorea begannen erst spät. Die Forschung und Entwicklung begann 2006 und trat 2013 offiziell in die Praxis um. Damit hat sich die Abhängigkeit koreanischer Carbonfasern von Importen umgekehrt. Dank der südkoreanischen Xiaoxing Group und Taiguang Business als Branchenpioniere, die sich aktiv im Bereich der Carbonfaserindustrie engagieren, ist die Entwicklung dynamisch. Darüber hinaus hat die von Toray Japan in Korea gegründete Carbonfaserproduktionsbasis auch zum Aufbau des koreanischen Carbonfasermarktes beigetragen.
Die koreanische Regierung hat beschlossen, die Xiaoxing Group zu einem Treffpunkt für innovative Kohlefaserindustrien zu machen. Ziel ist die Bildung eines Kohlefaser-Industrieclusters, um die Entwicklung eines kreativen wirtschaftlichen Ökosystems in der gesamten Region Nordkorea zu fördern. Das ultimative Ziel ist die Schaffung einer zentralen Produktionskette vom Kohlefasermaterial über Teile bis zum fertigen Produkt. Die Gründung eines Kohlefaser-Inkubationsclusters kann mit dem Silicon Valley in den USA mithalten, neue Märkte erschließen und neue Wertschöpfung schaffen. Ziel ist es, bis 2020 Kohlefaserprodukte im Wert von 10 Milliarden US-Dollar (entspricht etwa 55,2 Milliarden Yuan) zu exportieren.
3. Analyse der globalen Kohlefaserforschung und Forschungsergebnisse
In diesem Unterabschnitt werden die SCI-Dokumente zur Kohlefaserforschung und die DII-Patentergebnisse seit 2010 gezählt, um die akademische Forschung und die industrielle Forschung und Entwicklung der globalen Kohlefasertechnologie gleichzeitig zu analysieren und den Fortschritt der Kohlefaserforschung und -entwicklung auf internationaler Ebene vollständig zu verstehen.
Daten stammen aus der Scie-Datenbank und der Dewent-Datenbank in der von Clarivate Analytics veröffentlichten Web of Science-Datenbank; Abrufzeitraum: 2010–2017; Abrufdatum: 1. Februar 2018.
SCI-Papierabrufstrategie: Ts=((Kohlenstofffaser* oder Carbonfaser* oder („Kohlenstofffaser*“ nicht „Kohlenstoff-Glasfaser“) oder „Kohlenstofffaser*“ oder „Kohlenstofffilament*“ oder ((Polyacrylnitril oder Pech) und „Vorläufer*“ und Faser*) oder („Graphitfaser*“)) nicht („Bambuskohlenstoff“))。
Dewent Patentsuchstrategie: Ti=((Kohlefaser* oder Kohlefaser* oder ("Kohlefaser*" nicht "Kohlefaser-Glasfaser") oder "Kohlefaser*" oder "Kohlefilament*" oder ((Polyacrylnitril oder Pech) und "Vorläufer*" und Faser*) oder ("Graphitfaser*")) nicht ("Bambuskohlenstoff")) oder TS=((Kohlefaser* oder Kohlefaser* oder ("Kohlefaser*" nicht "Kohlefaser-Glasfaser") oder "Kohlefaser*" oder "Kohlefilament*" oder ((Polyacrylnitril oder Pech) und "Vorläufer*" und Faser*) oder ("Graphitfaser*")) nicht ("Bambuskohlenstoff")) und IP=(D01F-009/12 oder D01F-009/127 oder D01F-009/133 oder D01F-009/14 oder D01F-009/145 oder D01F-009/15 oder D01F-009/155 oder D01F-009/16 oder D01F-009/17 oder D01F-009/18 oder D01F-009/20 oder D01F-009/21 oder D01F-009/22 oder D01F-009/24 oder D01F-009/26 oder D01F-09/28 oder D01F-009/30 oder D01F-009/32 oder C08K-007/02 oder C08J-005/04 oder C04B-035/83 oder D06M-014/36 oder D06M-101/40 oder D21H-013/50 oder H01H-001/027 oder H01R-039/24)。
3.1 Trend
Seit 2010 wurden weltweit 16.553 relevante Arbeiten veröffentlicht und 26.390 Erfindungspatente angemeldet. Dabei ist von Jahr zu Jahr ein stetiger Aufwärtstrend zu verzeichnen (Abbildung 1).
3.2 Länder- oder Regionenverteilung
Die zehn Institutionen mit den meisten weltweiten Forschungsarbeiten zu Kohlenstofffasern stammen aus China. Die fünf führenden Institutionen sind: die Chinesische Akademie der Wissenschaften, das Harbin Institute of Technology, die Northwestern University of Technology, die Donghua University und das Beijing Institute of Aeronautics and Astronautics. Unter den ausländischen Institutionen belegen das Indian Institute of Technology, die Universität Tokio, die Universität Bristol, die Monash University, die Universität Manchester und das Georgia Institute of Technology die Plätze 10 bis 20 (Abb. 3).
Die Anzahl der Patentanmeldungen in den Top 30 Institutionen: Japan hat 5, und 3 davon sind in den Top 5, Toray Company steht an erster Stelle, gefolgt von Mitsubishi Liyang (2.), Teijin (4.), East State (10.), Japan Toyo Textile Company (24.), China hat 21 Institutionen, Sinopec Group hat die größte Anzahl an Patenten und steht an dritter Stelle. An zweiter Stelle folgen Harbin Institute of Technology, Henan Ke Letter Cable Company, Donghua University, China Shanghai Petrochemical, Beijing Chemical Industry usw. Die Chinese Academy of Sciences Shanxi Coal Application Invention Patent 66, Platz 27, Südkorea hat 2 Institutionen, von denen Xiaoxing Co., Ltd. an erster Stelle steht und Platz 8 belegt.
Die Veröffentlichungen stammen hauptsächlich von Universitäten und wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen, die Patente hauptsächlich von den Unternehmen. Daraus lässt sich erkennen, dass die Herstellung von Kohlefasern eine Hightech-Industrie ist. Als Hauptbestandteil der Entwicklung der Kohlefaser-Forschungs- und Entwicklungsindustrie legt das Unternehmen großen Wert auf den Schutz der Kohlefaser-Forschungs- und Entwicklungstechnologie. Insbesondere die beiden größten Unternehmen in Japan liegen bei der Anzahl der Patente weit vorn.
3.4 Forschungsschwerpunkte
Forschungsarbeiten zu Kohlefasern decken die meisten Forschungsthemen ab: Kohlefaserverbundwerkstoffe (einschließlich kohlenstofffaserverstärkter Verbundwerkstoffe, Polymermatrixverbundwerkstoffe usw.), Forschung zu mechanischen Eigenschaften, Finite-Elemente-Analyse, Kohlenstoffnanoröhren, Delamination, Verstärkung, Ermüdung, Mikrostruktur, elektrostatisches Spinnen, Oberflächenbehandlung, Adsorption usw. Arbeiten, die sich mit diesen Schlüsselwörtern befassen, machen 38,8 % aller Arbeiten aus.
Die Patente für Erfindungen im Bereich Kohlefasern decken die meisten Themen im Zusammenhang mit der Herstellung von Kohlefasern, Produktionsanlagen und Verbundwerkstoffen ab. Unter ihnen haben die japanischen Unternehmen Toray, Mitsubishi Liyang und Teijin wichtige technische Layouts im Bereich „kohlenstofffaserverstärkte Polymerverbindungen“ entworfen. Darüber hinaus haben Toray und Mitsubishi Liyang einen großen Anteil an Patentlayouts in den Bereichen „Herstellung von Kohlefasern und Produktionsanlagen aus Polyacrylnitril“, „Herstellung von Kohlefasern mit ungesättigten Nitrilen wie Polyacrylnitril und Polyvinylidencyanidethylen“ und anderen Technologien, und das japanische Unternehmen Teijin hat einen größeren Anteil an Patentlayouts im Bereich „Kohlenstofffasern und Sauerstoffverbindungsverbundwerkstoffe“.
Die China Sinopec Group, die Beijing Chemical University und die Chinese Academy of Sciences Ningbo Materials verfügen über einen großen Anteil an Patentlayouts im Bereich „Produktion von Kohlenstofffasern und Produktionsanlagen aus Polyacrylnitril“. Darüber hinaus haben die Beijing University of Chemical Engineering, das Shanxi Coal Chemical Institute der Chinese Academy of Sciences und die Chinese Academy of Sciences Ningbo Materials einen Schwerpunkt auf die Technologie „Verwendung anorganischer Elementfasern als Bestandteile zur Herstellung von Polymerverbindungen“. Das Harbin Institute of Technology konzentriert sich auf die Layouts für „Kohlenstofffaserbehandlung“, „Kohlenstofffasern und sauerstoffhaltige Verbundwerkstoffe“ und andere Technologien.
Darüber hinaus geht aus der jährlichen statistischen Verteilungsstatistik globaler Patente hervor, dass in den letzten drei Jahren eine Reihe neuer Brennpunkte entstanden sind, wie etwa: „Zusammensetzungen aus Polyamiden, die durch die Bildung einer Carboxylat-Bindungsreaktion in der Hauptkette erhalten werden“, „Polyesterzusammensetzungen aus der Bildung von 1-Carbonsäureester-Bindungen in der Hauptkette“, „Verbundwerkstoffe auf Basis synthetischer Materialien“, „zyklische Carbonsäuren, die Sauerstoffverbindungen als Bestandteile von Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen enthalten“, „Verfestigung oder Behandlung von Textilmaterialien in dreidimensionaler Form“, „Herstellung von Polymerverbindungen aus ungesättigten Ethern, Acetalen, Halbacetalen, Ketonen oder Aldehyden ausschließlich durch die Reaktion ungesättigter Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen“, „Rohre oder Kabel aus adiabatischem Material“, „Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe mit Phosphatestern als Bestandteile“ und so weiter.
In den letzten Jahren hat die Forschung und Entwicklung im Bereich Kohlefasern stark zugenommen, wobei die meisten Durchbrüche in den USA und Japan erzielt wurden. Die neuesten Spitzentechnologien konzentrieren sich nicht nur auf die Herstellung und Aufbereitung von Kohlefasern, sondern auch auf Anwendungen in einem breiteren Spektrum von Automobilmaterialien, wie z. B. Leichtbau, 3D-Druck und Materialien zur Energieerzeugung. Darüber hinaus sind das Recycling und die Wiederverwertung von Kohlefasermaterialien, die Aufbereitung von Holzlignin-Kohlefasern und andere Errungenschaften herausragende Leistungen. Die repräsentativen Ergebnisse werden im Folgenden beschrieben:
1) Das US-amerikanische Georgia Institute of Technology erzielt Durchbruch bei der Kohlefasertechnologie der dritten Generation
Im Juli 2015 gelang es dem Georgia Institute of Technology mit DARPA-Finanzierung, mit seiner innovativen, panbasierten Gel-Spinntechnik für Kohlefasern den Modul deutlich zu steigern und die Hershey IM7-Kohlefaser zu übertreffen, die heute in großem Umfang in Militärflugzeugen eingesetzt wird. Damit ist das Georgia Institute of Technology nach Japan das zweite Land der Welt, das die dritte Generation der Kohlefasertechnologie beherrscht.
Die Zugfestigkeit der von Kumarz hergestellten Gel-Spinn-Kohlefaser beträgt 5,5 bis 5,8 GPa, der Zugmodul liegt zwischen 354 und 375 GPa. „Dies ist die Endlosfaser mit der höchsten Festigkeit und dem höchsten Modul in Bezug auf die Gesamtleistung. Im Kurzfilamentbündel beträgt die Zugfestigkeit bis zu 12,1 GPa, was der höchsten Polyacrylnitril-Kohlefaser entspricht.“
2) Elektromagnetische Wellenheiztechnologie
Im Jahr 2014 entwickelte Nedo eine elektromagnetische Wellenheiztechnologie. Bei der elektromagnetischen Wellenkarbonisierungstechnologie wird die Faser mittels elektromagnetischer Wellenheiztechnologie bei atmosphärischem Druck karbonisiert. Die erzielte Leistung der Kohlefaser entspricht im Wesentlichen der Leistung der durch Hochtemperaturerhitzung hergestellten Kohlefaser. Der Elastizitätsmodul kann über 240 GPA liegen und die Bruchdehnung beträgt über 1,5 % – ein weltweit einmaliger Erfolg.
Das faserartige Material wird durch elektromagnetische Wellen karbonisiert, sodass die für die Hochtemperaturerhitzung verwendete Karbonisierungsofenanlage nicht benötigt wird. Dieser Prozess verkürzt nicht nur die für die Karbonisierung benötigte Zeit, sondern senkt auch den Energieverbrauch und die CO2-Emissionen.
3) Feinsteuerung des Karbonisierungsprozesses
Im März 2014 gab Toray die erfolgreiche Entwicklung der T1100G-Kohlefaser bekannt. Toray nutzt die traditionelle Pfannenspinntechnologie, um den Karbonisierungsprozess präzise zu steuern, die Mikrostruktur der Kohlefaser im Nanomaßstab zu verbessern und die mikrokristalline Ausrichtung und Größe der Graphitmikrokristalle sowie Defekte in der Faser nach der Karbonisierung zu kontrollieren. Dadurch können Festigkeit und Elastizitätsmodul deutlich verbessert werden. Die Zugfestigkeit der T1100G beträgt 6,6 GPa und ist damit 12 % höher als die der T800. Der Elastizitätsmodul beträgt 324 GPa und ist damit um 10 % höher. Damit ist die Faser nun industriell einsetzbar.
4) Oberflächenbehandlungstechnologie
Teijin East State hat erfolgreich eine Plasma-Oberflächenbehandlungstechnologie entwickelt, mit der sich das Erscheinungsbild von Kohlefasern in nur wenigen Sekunden steuern lässt. Diese neue Technologie vereinfacht den gesamten Produktionsprozess erheblich und reduziert den Energieverbrauch im Vergleich zur bestehenden Oberflächenbehandlungstechnologie mit wässrigen Elektrolytlösungen um 50 %. Darüber hinaus wurde durch die Plasmabehandlung auch die Haftung von Fasern und Harzmatrix verbessert.
5) Untersuchung der Retentionsrate der Zugfestigkeit von Kohlenstofffasern in einer Graphitumgebung mit hohen Temperaturen
Ningbo Materials hat eine detaillierte Studie zur Prozessanalyse, Strukturforschung und Leistungsoptimierung von hochfesten und hochmoduligen Kohlefasern aus dem Inland erfolgreich durchgeführt. Dabei wurde insbesondere die Retentionsrate der Zugfestigkeit von Kohlefasern in einer Hochtemperatur-Graphitumgebung erforscht. Vor kurzem ist es gelungen, hochfeste und hochmodulige Kohlefasern mit einer Zugfestigkeit von 5,24 GPa und einem Zugmodulvolumen von 593 GPa herzustellen. Im Vergleich zu den hochfesten, hochgeformten Kohlefasern Toray m60j aus Japan (Zugfestigkeit 3,92 GPa, Zugmodul 588 GPa) weist diese Faser weiterhin einen Vorteil hinsichtlich der Zugfestigkeit auf.
6) Mikrowellengraphit
Yongda Advanced Materials hat erfolgreich eine in den USA patentierte Ultrahochtemperatur-Graphittechnologie entwickelt und damit die Produktion von mittel- und höherwertigen Kohlenstofffasern ermöglicht. Damit wurden drei Engpässe bei der Entwicklung hochwertiger Kohlenstofffasern überwunden: Die Herstellung von Graphitanlagen ist teuer und unterliegt internationaler Kontrolle, die Rohseidenchemie ist schwierig und die Produktionsausbeute ist niedrig und die Kosten hoch. Bisher hat Yongda drei Arten von Kohlenstofffasern entwickelt, die alle die Festigkeit und den Elastizitätsmodul der ursprünglichen, relativ minderwertigen Kohlenstofffasern auf ein neues Niveau gehoben haben.
7) Neues Verfahren zum Schmelzspinnen von panbasiertem Kohlenstofffaser-Rohdraht durch Fraunhofer, Deutschland
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymere (IAP) gab kürzlich bekannt, dass es auf der Berliner Luftfahrtausstellung (ILA) am 25. und 29. April 2018 die neueste Comcarbon-Technologie vorstellen wird. Diese Technologie reduziert die Produktionskosten für in Massenproduktion hergestellte Kohlefasern erheblich.
Abb. 4 Rohdrahtschmelzspinnen.
Bekanntlich entfällt bei herkömmlichen Verfahren die Hälfte der Produktionskosten für pfannenbasierte Kohlenstofffasern auf die Rohdrahtherstellung. Da der Rohdraht nicht schmelzbar ist, muss er in einem teuren Lösungsspinnverfahren (Solution Spinning) hergestellt werden. „Wir haben daher ein neues Verfahren zur Herstellung von pfannenbasierter Rohfaser entwickelt, das die Produktionskosten für Rohdraht um 60 % senken kann. Dabei handelt es sich um ein wirtschaftliches und praktikables Schmelzspinnverfahren unter Verwendung eines speziell entwickelten pfannenbasierten Schmelzcopolymers“, erklärt Dr. Johannes Ganster, Leiter der Abteilung Biopolymere am Fraunhofer IAP.
8) Plasmaoxidationstechnologie
4M Carbon Fiber gab bekannt, dass das Unternehmen den Einsatz der Plasmaoxidationstechnologie zur Herstellung und zum Vertrieb hochwertiger, kostengünstiger Carbonfasern strategisch in den Fokus rücken und nicht nur Lizenzen für die Technologie vergeben wird. 4M gibt an, dass die Plasmaoxidationstechnologie dreimal schneller als herkömmliche Oxidationstechnologien ist und dabei weniger als ein Drittel der Energie verbraucht. Diese Aussagen werden von vielen internationalen Carbonfaserherstellern bestätigt, die sich mit einigen der weltweit größten Carbonfaserhersteller und Automobilhersteller beraten, um die Produktion kostengünstiger Carbonfasern voranzutreiben.
9) Zellulose-Nanofaser
Die japanische Universität Kyoto arbeitet gemeinsam mit mehreren großen Zulieferern wie dem Elektroinstallationsunternehmen (Toyotas größtem Zulieferer) und der Daikyonishikawa Corp. an der Entwicklung von Kunststoffen, die Zellulose-Nanofasern enthalten. Dieses Material wird durch Zerkleinern von Holzzellstoff in wenige Mikrometer (1 pro tausend Millimeter) hergestellt. Das Gewicht des neuen Materials beträgt nur ein Fünftel des Gewichts von Stahl, seine Festigkeit ist jedoch fünfmal so hoch wie die von Stahl.
10) Carbonfaser-Frontkörper aus Polyolefin- und Lignin-Rohstoffen
Das Oak Ridge National Laboratory in den USA arbeitet seit 2007 an der kostengünstigen Kohlefaserforschung und hat Kohlefaser-Frontkörper für Polyolefin- und Lignin-Rohstoffe sowie fortschrittliche Technologien zur Plasma-Voroxidation und Mikrowellenkarbonisierung entwickelt.
11) Das neue Polymer (Vorläuferpolymer) wurde durch Entfernen der feuerfesten Behandlung entwickelt
Bei einem von der Universität Tokio geleiteten Herstellungsverfahren wurde ein neues Polymer (Vorläuferpolymer) entwickelt, bei dem keine Feuerfestbehandlung erforderlich ist. Der springende Punkt ist, dass das Polymer nach dem Spinnen zu Seide nicht der ursprünglichen Feuerfestbehandlung unterzogen wird, sondern im Lösungsmittel oxidiert. Zur Karbonisierung wird es dann in einem Mikrowellengerät auf über 1000 °C erhitzt. Die Aufheizzeit beträgt nur 2–3 Minuten. Nach der Karbonisierungsbehandlung wird Plasma auch zur Oberflächenbehandlung verwendet, sodass Kohlenstofffasern hergestellt werden können. Die Plasmabehandlung dauert weniger als 2 Minuten. Auf diese Weise kann die ursprüngliche Sinterzeit von 30–60 Minuten auf etwa 5 Minuten reduziert werden. Bei dem neuen Herstellungsverfahren wird eine Plasmabehandlung durchgeführt, um die Bindung zwischen Kohlenstofffasern und thermoplastischem Harz als CFK-Basismaterial zu verbessern. Der Zugelastizitätsmodul der mit dem neuen Herstellungsverfahren hergestellten Kohlenstofffasern beträgt 240 GPa, die Zugfestigkeit 3,5 GPa und die Dehnung erreicht 1,5 %. Diese Werte liegen auf dem gleichen Niveau wie bei der für Sportartikel etc. verwendeten Toray Universal Grade Carbonfaser T300.
12) Recycling und Nutzung von Kohlenstofffasermaterialien im Wirbelschichtverfahren
Mengran Meng, der Erstautor der Studie, sagte: „Die Rückgewinnung von Kohlenstofffasern reduziert die Auswirkungen auf die Umwelt im Vergleich zur Rohproduktion von Kohlenstofffasern, aber das Bewusstsein für potenzielle Recyclingtechnologien und die wirtschaftliche Machbarkeit der Nutzung von recycelten Kohlenstofffasern ist begrenzt.“ „Das Recycling erfolgt in zwei Schritten: Die Fasern müssen zunächst aus den Kohlenstofffaserverbundstoffen gewonnen und durch mechanische Mahlmaterialien oder durch Pyrolyse- oder Wirbelschichtverfahren thermisch zersetzt werden. Diese Methoden entfernen den Kunststoffanteil des Verbundmaterials und hinterlassen Kohlenstofffasern, die dann mithilfe der Nasspapierherstellungstechnologie in verworrene Fasermatten umgewandelt oder in gerichtete Fasern neu angeordnet werden können.
Die Forscher berechneten, dass Kohlenstofffasern aus Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffabfällen mithilfe eines Wirbelschichtverfahrens zurückgewonnen werden könnten. Dies erfordere lediglich 5 Dollar pro Kilogramm und weniger als 10 % der Energie, die zur Herstellung der primären Kohlenstofffasern benötigt werde. Recycelte Kohlenstofffasern, die im Wirbelschichtverfahren hergestellt werden, weisen kaum einen geringeren Modul auf, und die Zugfestigkeit ist im Vergleich zu primären Kohlenstofffasern um 18 bis 50 % geringer. Dadurch eignen sie sich für Anwendungen, die eher hohe Steifigkeit als Festigkeit erfordern. „Recycelte Kohlenstofffasern könnten für nicht-strukturelle Anwendungen geeignet sein, bei denen ein geringes Gewicht erforderlich ist, wie etwa in der Automobil-, Bau-, Wind- und Sportindustrie“, sagte Meng.
13) Neue Technologie zum Recycling von Kohlenstofffasern in den USA entwickelt
Im Juni 2016 tränkten Forscher am Georgia Institute of Technology in den USA Kohlenstofffasern in einem alkoholhaltigen Lösungsmittel, um das Epoxidharz aufzulösen. Die getrennten Fasern und Epoxidharze können wiederverwendet werden. Damit war die Rückgewinnung von Kohlenstofffasern erfolgreich.
Im Juli 2017 entwickelte die Washington State University außerdem eine Technologie zur Rückgewinnung von Kohlenstofffasern. Dabei wird eine schwache Säure als Katalysator verwendet und flüssiger Ethanol bei relativ niedrigen Temperaturen zur Zersetzung duroplastischer Materialien verwendet. Zersetzte Kohlenstofffasern und Harz werden getrennt aufbewahrt und können einer Reproduktion zugeführt werden.
14) Entwicklung der 3D-Drucktechnologie für Kohlefasertinte im LLNL-Labor, USA
Im März 2017 entwickelte das Lawrence Livemore National Laboratory (LLNL) in den USA die ersten 3D-gedruckten Hochleistungs-Carbonfaserverbundwerkstoffe in Luftfahrtqualität. Sie nutzten ein 3D-Druckverfahren mit direkter Tintenübertragung (DIW), um komplexe dreidimensionale Strukturen zu erstellen, die die Verarbeitungsgeschwindigkeit für den Einsatz in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Verteidigungs-, Motorrad- und Surfbranche deutlich verbesserten.
15) Die Vereinigten Staaten, Korea und China kooperieren bei der Entwicklung von Kohlefasern für die Stromerzeugung
Im August 2017 arbeiteten der Dallas Campus der University of Texas, die Hanyang University in Korea, die Nankai University in China und weitere Institutionen gemeinsam an der Entwicklung eines Carbonfasergarns zur Stromerzeugung. Das Garn wird zunächst in Elektrolytlösungen wie Salzlake getränkt, wodurch sich die Ionen im Elektrolyt an der Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhren anlagern und beim Spannen oder Dehnen des Garns in elektrische Energie umgewandelt werden können. Das Material kann überall dort eingesetzt werden, wo es zuverlässig kinetische Energie liefert, und eignet sich zur Stromversorgung von IoT-Sensoren.
16) Neue Fortschritte in der Forschung zu Holzlignin-Kohlefasern, die von Chinesen und Amerikanern erzielt wurden
Im März 2017 stellte das Spezialfaserteam des Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering mithilfe der zweistufigen Modifizierungstechnologie aus Veresterung und radikalischer Copolymerisation ein Lignin-Acrylnitril-Copolymer mit guter Spinnbarkeit und thermischer Stabilität her. Durch das Copolymer- und Nassspinnverfahren wurden hochwertige Endlosfilamente hergestellt, und nach thermischer Stabilisierung und Karbonisierung wurde die kompakte Kohlenstofffaser erhalten.
Im August 2017 mischte das Forschungsteam von Birgitte Ahring an der University of Washington in den USA Lignin und Polyacrylnitril in unterschiedlichen Anteilen und wandelte die gemischten Polymere anschließend mithilfe der Schmelzspinntechnologie in Kohlenstofffasern um. Die Studie ergab, dass das zugesetzte Lignin in einem Anteil von 20–30 % keinen Einfluss auf die Festigkeit der Kohlenstofffaser hatte und voraussichtlich zur Herstellung kostengünstigerer Kohlenstofffasermaterialien für Automobil- oder Flugzeugteile verwendet werden könnte.
Ende 2017 veröffentlichte das National Renewable Energy Laboratory (NREL) Forschungsergebnisse zur Herstellung von Acrylnitril aus Pflanzenresten wie Mais- und Weizenstroh. Dabei werden die Pflanzenstoffe zunächst in Zucker zerlegt, anschließend in Säuren umgewandelt und mit kostengünstigen Katalysatoren kombiniert, um die gewünschten Produkte herzustellen.
17) Japan entwickelt das erste kohlenstofffaserverstärkte thermoplastische Verbundchassis
Im Oktober 2017 haben die japanische Agentur für integrierte Forschung und Entwicklung für neue Energiebranche und das National Composites Research Center der Universität Nagoya erfolgreich das weltweit erste Fahrzeugchassis aus kohlenstofffaserverstärktem thermoplastischem Verbundwerkstoff entwickelt. Sie verwenden einen automatischen Direktformprozess für langfaserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe, bei dem Kohlefasern und thermoplastische Harzpartikel kontinuierlich gemischt werden, um faserverstärkten Verbundwerkstoff herzustellen. Anschließend wird durch Erhitzen und Schmelzen ein Fahrzeugchassis aus thermoplastischem CFK erfolgreich hergestellt.
5. Vorschläge zur Forschung und Entwicklung der Kohlefasertechnologie in China
5.1 Zukunftsorientiertes Layout, zielorientiert, Fokus auf den Durchbruch der dritten Generation der Kohlefasertechnologie
Chinas zweite Generation der Kohlefasertechnologie hat noch keinen umfassenden Durchbruch erzielt. Unser Land sollte versuchen, eine zukunftsorientierte Strategie zu entwickeln, indem es seine entsprechenden Forschungseinrichtungen zusammenbringt und sich auf die Erfassung von Schlüsseltechnologien konzentriert. Der Schwerpunkt liegt auf der Forschung und Entwicklung von Technologien zur Herstellung von Hochleistungskohlenstofffasern der dritten Generation (d. h. auf hochfeste, hochmodulige Kohlefasertechnologie für die Luft- und Raumfahrt anwendbar) und der Entwicklung von Technologien für Kohlefaserverbundwerkstoffe, darunter die Herstellung von leichten, kostengünstigen Kohlefasern für große Mengen in den Bereichen Automobil, Bau und Reparatur, additive Fertigungstechnologien für Kohlefaserverbundwerkstoffe, Recyclingtechnologien und Rapid-Prototyping-Technologien.
5.2 Koordinierung der Organisation, Stärkung der Unterstützung, Einrichtung großer technischer Projekte zur kontinuierlichen Unterstützung der gemeinsamen Forschung
Derzeit gibt es in China zahlreiche Institutionen, die sich mit der Forschung im Bereich Kohlefasern befassen. Die Kräfte sind jedoch verstreut, und es fehlt an einem einheitlichen Organisationsmechanismus für Forschung und Entwicklung sowie an einer starken Finanzierung für eine wirksame Koordinierung. Ausgehend von den Entwicklungserfahrungen hochentwickelter Länder spielen die Organisation und Gestaltung von Großprojekten eine wichtige Rolle für die Entwicklung dieses technischen Bereichs. Wir sollten uns auf Chinas führende Forschungs- und Entwicklungskräfte konzentrieren, angesichts der bahnbrechenden chinesischen Forschungs- und Entwicklungstechnologie für Kohlefasern Großprojekte starten, die gemeinsame technologische Innovation stärken und das technologische Niveau der chinesischen Kohlefaserforschung kontinuierlich steigern, um den internationalen Wettbewerb im Bereich Kohlefasern und Verbundwerkstoffe zu fördern.
5.3 Verbesserung des Bewertungsmechanismus der Anwendungseffektorientierung technischer Leistungen
Aus der Sicht der ökonometrischen Analyse der SCI-Papiere werden chinesische Kohlenstofffasern als hochfestes Hochleistungsmaterial in verschiedenen Forschungsbereichen eingesetzt. Bei der Herstellung und Aufbereitung von Kohlenstofffasern liegt der Schwerpunkt jedoch auf der Kostensenkung und der Verbesserung der Produktionseffizienz, wobei weniger Forschung betrieben wird. Der Herstellungsprozess von Kohlenstofffasern ist langwierig, die wichtigsten Technologiepunkte, die Produktionsbarrieren sind hoch und es handelt sich um eine multidisziplinäre, multitechnologische Integration. Die technischen Hindernisse müssen durchbrochen werden, um die Forschung und Entwicklung im Bereich der Kernaufbereitungstechnologie „kostengünstig und leistungsstark“ effektiv voranzutreiben. Einerseits müssen die Forschungsinvestitionen verstärkt werden, andererseits muss die Leistungsbewertung wissenschaftlicher Forschung abgeschwächt und die Anleitung zur Bewertung der Anwendungseffekte technischer Errungenschaften verstärkt werden. Von der „quantitativen“ Bewertung, die sich auf die Veröffentlichung des Papiers konzentriert, zu einer „qualitativen“ Bewertung des Werts der Ergebnisse übergegangen werden.
5.4 Stärkung der Ausbildung von Spitzentechnologie-Talenten
Die Hightech-Eigenschaft der Kohlefasertechnologie bestimmt die Bedeutung spezialisierter Talente, und ob sie über hochmodernes technisches Kernpersonal verfügen, bestimmt direkt das Niveau der Forschung und Entwicklung einer Institution.
Aufgrund der F&E-Verbindungen in der Kohlefasertechnologie sollten wir der Schulung des Verbundpersonals besondere Aufmerksamkeit schenken, um die Koordination und Entwicklung aller Verbindungen sicherzustellen. Darüber hinaus ist aus der Entwicklungsgeschichte der Kohlefaserforschung in China ersichtlich, dass der Zustrom von Technologieexperten oft ein Schlüsselfaktor für das F&E-Niveau einer Forschungseinrichtung ist. Die Aufrechterhaltung der Bindung von Kernexperten und F&E-Teams an Produktionsprozesse, Verbundwerkstoffe und Hauptprodukte ist für eine kontinuierliche Technologieverbesserung wichtig.
Wir sollten die Ausbildung und den Einsatz von spezialisiertem Hightech-Personal in diesem Bereich weiter intensivieren, die Bewertungs- und Behandlungsrichtlinien für Talente im Bereich Technologieforschung und -entwicklung verbessern, die Ausbildung junger Talente intensivieren, die Zusammenarbeit und den Austausch mit ausländischen Spitzenforschungseinrichtungen aktiv unterstützen und ausländische Spitzentalente energisch einführen usw. Dies wird einen großen Beitrag zur Förderung der Entwicklung der Kohlenstofffaserforschung in China leisten.
Zitat von-
Analyse der Entwicklung der globalen Kohlefasertechnologie und ihrer Bedeutung für China. Tian Yajuan, Zhang Zhiqiang, Tao Cheng, Yang Ming, Ba Jin, Chen Yunwei.Weltweite wissenschaftlich-technische Forschung und Entwicklung.2018
Beitragszeit: 04.12.2018