Serat karbon adalah serat polimer anorganik, material baru anorganik dengan kandungan karbon di atas 95%, dengan kepadatan rendah, kekuatan tinggi, ketahanan suhu tinggi, stabilitas kimia tinggi, anti-lelah, tahan aus, dan sifat-sifat fisika dan kimia dasar lainnya yang sangat baik. Serat karbon juga memiliki redaman getaran yang tinggi, konduktivitas termal yang baik, kinerja perisai elektromagnetik, koefisien ekspansi termal yang rendah, dan karakteristik lainnya. Keunggulan-keunggulan ini menjadikan serat karbon banyak digunakan di bidang kedirgantaraan, transportasi kereta api, manufaktur kendaraan, persenjataan dan peralatan, mesin konstruksi, konstruksi infrastruktur, teknik kelautan, teknik perminyakan, energi angin, peralatan olahraga, dan bidang lainnya.
Berdasarkan kebutuhan strategis nasional akan material serat karbon, Tiongkok telah memasukkannya sebagai salah satu teknologi inti industri berkembang yang difokuskan pada dukungan. Dalam perencanaan sains dan teknologi "Dua Belas Lima" nasional, teknologi penyiapan dan penerapan serat karbon berkinerja tinggi merupakan salah satu teknologi inti industri strategis yang sedang berkembang yang didukung oleh negara. Pada Mei 2015, Dewan Negara secara resmi merilis "Made in China 2025". Material baru ini menjadi salah satu bidang utama promosi dan pengembangan yang gencar, termasuk material struktural berkinerja tinggi dan komposit canggih yang menjadi fokus pengembangan di bidang material baru. Pada Oktober 2015, Kementerian Perindustrian dan Informasi Industri secara resmi menerbitkan "Peta Jalan Teknologi Bidang Utama Manufaktur Tiongkok 2025". "Serat berkinerja tinggi dan kompositnya" merupakan material strategis utama. Target tahun 2020 adalah "komposit serat karbon domestik dapat memenuhi persyaratan teknis pesawat terbang besar dan peralatan penting lainnya." Pada November 2016, Dewan Negara menerbitkan Rencana Pengembangan Industri Strategis Nasional "Tiga Belas Lima", yang secara gamblang menekankan penguatan kerja sama hulu dan hilir industri material baru, serta pelaksanaan uji coba aplikasi kolaboratif dan pembangunan platform aplikasi kolaboratif di bidang komposit serat karbon dan bidang lainnya. Pada Januari 2017, Kementerian Perindustrian dan Pembangunan, NDRC, Kementerian Sains dan Teknologi, dan Kementerian Keuangan bersama-sama merumuskan "Panduan Pengembangan Industri Material Baru", dan mengusulkan agar pada tahun 2020, "di bidang komposit serat karbon, baja khusus berkualitas tinggi, material paduan ringan canggih, dan bidang lainnya, capailah lebih dari 70 industrialisasi dan aplikasi material baru utama, serta bangun sistem pendukung peralatan proses yang sesuai dengan tingkat perkembangan industri material baru Tiongkok."
Karena serat karbon dan kompositnya memainkan peran penting dalam pertahanan nasional dan mata pencaharian Rakyat, banyak ahli fokus pada pengembangan dan analisis tren penelitian mereka. Dr. Zhou Hong meninjau kontribusi ilmiah dan teknologi yang dibuat oleh ilmuwan Amerika pada tahap awal pengembangan teknologi serat karbon berkinerja tinggi, dan memindai dan melaporkan 16 aplikasi utama dan kemajuan teknologi terbaru dari serat karbon, dan teknologi produksi, sifat dan aplikasi serat karbon poliakrilonitril dan perkembangan teknologi saat ini ditinjau oleh Dr. Wei Xin, dll. Ini juga mengajukan beberapa saran konstruktif untuk masalah yang ada dalam pengembangan serat karbon di Tiongkok. Selain itu, banyak orang telah melakukan penelitian tentang analisis metrologi makalah dan paten di bidang serat karbon dan kompositnya. Misalnya, Ma Xianglin dan lainnya dari sudut pandang metrologi dari distribusi paten serat karbon 1998-2017 dan penerapan bidang analisis; Yang Sisi dan lainnya berdasarkan platform innografi untuk pencarian paten kain serat karbon global dan statistik data, dari tren perkembangan paten tahunan, pemegang paten, hotspot teknologi paten dan paten inti teknologi dianalisis.
Dari perspektif lintasan penelitian dan pengembangan serat karbon, penelitian Tiongkok hampir sinkron dengan dunia, tetapi perkembangannya lambat, skala dan kualitas produksi serat karbon berkinerja tinggi dibandingkan dengan negara-negara asing memiliki kesenjangan, ada kebutuhan mendesak untuk mempercepat proses litbang, memajukan tata letak strategis, memanfaatkan peluang pengembangan industri di masa depan. Oleh karena itu, makalah ini pertama-tama menyelidiki tata letak proyek negara-negara di bidang penelitian serat karbon, untuk memahami perencanaan rute litbang di berbagai negara, dan kedua, karena penelitian dasar dan penelitian aplikasi serat karbon sangat penting untuk penelitian dan pengembangan teknis serat karbon, oleh karena itu, Kami melakukan analisis metrologi dari hasil penelitian akademis-makalah SCI dan hasil penelitian terapan-paten pada saat yang sama untuk mendapatkan pemahaman yang komprehensif tentang kemajuan litbang di bidang serat karbon, dan untuk memindai perkembangan penelitian terbaru di bidang ini untuk Peep International Frontier R&D progress. Akhirnya, berdasarkan hasil penelitian di atas, beberapa saran untuk rute penelitian dan pengembangan di bidang serat karbon di Tiongkok diajukan.
2. Cserat kayutata letak proyek penelitiannegara/wilayah utama
Negara-negara penghasil utama serat karbon antara lain Jepang, Amerika Serikat, Korea Selatan, beberapa negara Eropa, serta Taiwan dan Tiongkok. Negara-negara maju yang berada pada tahap awal pengembangan teknologi serat karbon telah menyadari pentingnya material ini, dan telah melakukan perencanaan strategis untuk secara aktif mempromosikan pengembangan material serat karbon.
2.1 Jepang
Jepang merupakan negara paling maju dalam teknologi serat karbon. Tiga perusahaan Jepang, Toray, Bong, dan Mitsubishi Liyang, menguasai sekitar 70%~80% pangsa pasar serat karbon global. Meskipun demikian, Jepang sangat mementingkan mempertahankan keunggulannya di bidang ini, khususnya pengembangan serat karbon berbasis pan berkinerja tinggi dan teknologi ramah energi serta lingkungan, dengan dukungan sumber daya manusia dan finansial yang kuat. Sejumlah kebijakan dasar, termasuk Rencana Energi Dasar, Kerangka Strategis Pertumbuhan Ekonomi, dan Protokol Kyoto, telah menjadikannya proyek strategis yang perlu dimajukan. Berdasarkan Kebijakan Energi dan Lingkungan Nasional Dasar, Kementerian Ekonomi, Industri, dan Properti Jepang telah mengajukan "Program Penelitian dan Pengembangan Teknologi Hemat Energi". Didukung oleh kebijakan tersebut, industri serat karbon Jepang telah mampu memusatkan seluruh aspek sumber daya secara lebih efektif dan mendorong solusi atas permasalahan umum di industri serat karbon.
"Pengembangan teknologi seperti material struktural baru yang inovatif" (2013-2022) merupakan proyek yang dilaksanakan di bawah "Proyek Penelitian Pengembangan Masa Depan" di Jepang untuk mencapai perkembangan teknologi material struktural inovatif yang dibutuhkan dan kombinasi berbagai material secara signifikan, dengan tujuan utama mengurangi bobot ringan (setengah dari berat mobil) alat transportasi. Dan akhirnya mewujudkan aplikasi praktisnya. Setelah mengambil alih proyek penelitian dan pengembangan pada tahun 2014, Badan Pengembangan Teknologi Industri (NEDO) mengembangkan beberapa subproyek. Tujuan keseluruhan dari proyek penelitian serat karbon "Penelitian dan pengembangan dasar serat karbon yang inovatif" adalah: mengembangkan senyawa prekursor serat karbon baru; menjelaskan mekanisme pembentukan struktur karbonisasi; dan mengembangkan serta menstandardisasi metode penilaian serat karbon. Proyek yang dipimpin oleh Universitas Tokyo dan melibatkan Institut Teknologi Industri (NEDO), Toray, Teijin, Dongyuan, dan Mitsubishi Liyang ini telah mencapai kemajuan signifikan pada Januari 2016 dan merupakan terobosan besar lainnya di bidang serat karbon berbasis panci setelah penemuan "mode Kondo" di Jepang pada tahun 1959.
2.2 Amerika Serikat
Badan Penelitian Pertahanan AS (DARPA) meluncurkan proyek Serat Struktural Lanjutan pada tahun 2006 dengan tujuan menyatukan kekuatan riset ilmiah terkemuka di negara tersebut untuk mengembangkan serat struktural generasi mendatang berbasis serat karbon. Didukung oleh proyek ini, tim peneliti Institut Teknologi Georgia di Amerika Serikat berhasil mengembangkan teknologi persiapan kawat mentah pada tahun 2015, meningkatkan modulus elastisitasnya sebesar 30%, menandai Amerika Serikat sebagai negara dengan kapasitas pengembangan serat karbon generasi ketiga.
Pada tahun 2014, Departemen Energi Amerika Serikat (DOE) mengumumkan subsidi sebesar 11,3 juta dolar untuk dua proyek yang berfokus pada "proses katalitik multi-tahap untuk konversi gula biomassa yang tidak dapat dimakan menjadi akrilonitril" dan "penelitian dan optimalisasi akrilonitril yang berasal dari produksi biomassa" untuk mendorong pemanfaatan limbah pertanian. Proyek ini juga mencakup penelitian tentang material serat karbon terbarukan berkinerja tinggi yang hemat biaya untuk produksi bahan baku terbarukan non-pangan, seperti biomassa kayu, dan rencana untuk mengurangi biaya produksi serat karbon terbarukan biomassa menjadi kurang dari $5/lb pada tahun 2020.
Pada bulan Maret 2017, Departemen Energi AS kembali mengumumkan pendanaan sebesar 3,74 juta dolar untuk "proyek penelitian dan pengembangan komponen serat karbon berbiaya rendah" yang dipimpin oleh Western American Institute (WRI), yang berfokus pada pengembangan komponen serat karbon berbiaya rendah berdasarkan sumber daya seperti batu bara dan biomassa.
Juli 2017, Departemen Energi AS mengumumkan pendanaan sebesar 19,4 juta dolar untuk mendukung penelitian dan pengembangan kendaraan hemat energi canggih, 6,7 juta di antaranya digunakan untuk mendanai persiapan serat karbon berbiaya rendah menggunakan bahan komputasi, termasuk pengembangan metode evaluasi multi-skala untuk teknologi komputer terpadu untuk menilai antusiasme prekursor serat karbon baru, teori fungsi kerapatan berbantuan dinamika molekuler canggih, pembelajaran mesin, dan alat-alat lainnya digunakan untuk mengembangkan alat-alat komputer canggih untuk meningkatkan efisiensi pemilihan bahan baku serat karbon berbiaya rendah.
2.3 Eropa
Industri serat karbon Eropa berkembang di Jepang dan Amerika Serikat pada tahun tujuh puluhan atau delapan puluhan abad ke-20, tetapi karena teknologi dan modal, banyak perusahaan penghasil serat karbon tunggal tidak mematuhi periode pertumbuhan tinggi permintaan serat karbon setelah 2000 tahun dan menghilang. Perusahaan Jerman SGL adalah satu-satunya perusahaan di Eropa yang memiliki pangsa utama pasar serat karbon dunia.
Pada November 2011, Uni Eropa meluncurkan Proyek Eucarbon, yang bertujuan untuk meningkatkan kemampuan manufaktur Eropa dalam serat karbon dan material pra-impregnasi untuk kedirgantaraan. Proyek ini berlangsung selama 4 tahun, dengan total investasi sebesar 3,2 juta euro, dan pada Mei 2017 berhasil membangun lini produksi serat karbon khusus pertama di Eropa untuk aplikasi luar angkasa seperti satelit, sehingga memungkinkan Eropa untuk beralih dari ketergantungan impor pada produk tersebut dan memastikan keamanan pasokan material.
Kerangka Kerja Ketujuh Uni Eropa berencana untuk mendukung proyek "serat karbon fungsional dalam persiapan sistem prekursor baru dengan kinerja yang hemat biaya dan terkelola" (FIBRALSPEC) (2014-2017) senilai 6,08 juta euro. Proyek 4 tahun ini, yang dipimpin oleh Universitas Teknik Nasional Athena, Yunani, dengan partisipasi perusahaan multinasional seperti Italia, Inggris, dan Ukraina, berfokus pada inovasi dan peningkatan proses persiapan berkelanjutan serat karbon berbasis poliakrilonitril untuk mencapai produksi eksperimental serat karbon berbasis pan berkelanjutan. Proyek ini telah berhasil menyelesaikan pengembangan dan penerapan serat karbon dan teknologi komposit yang disempurnakan dari sumber daya polimer organik terbarukan (seperti superkapasitor, tempat penampungan darurat cepat, serta prototipe mesin pelapis putar mekanis elektrik dan pengembangan lini produksi nanofiber, dll.).
Semakin banyak sektor industri, seperti otomotif, tenaga angin, dan pembuatan kapal, membutuhkan komposit ringan dan berkinerja tinggi, yang merupakan pasar potensial yang sangat besar bagi industri serat karbon. Uni Eropa menginvestasikan 5,968 juta euro untuk meluncurkan proyek Carboprec (2014-2017), yang tujuan strategisnya adalah mengembangkan prekursor berbiaya rendah dari material terbarukan yang banyak terdapat di Eropa dan meningkatkan produksi serat karbon berkinerja tinggi melalui nanotube karbon.
Program penelitian Cleansky II Uni Eropa mendanai proyek "Litbang Ban Komposit" (2017), yang dipimpin oleh Institut Fraunhofer untuk Produksi dan Keandalan Sistem (LBF) di Jerman. Proyek ini berencana mengembangkan komponen roda depan untuk pesawat komposit yang diperkuat serat karbon untuk Airbus A320. Tujuannya adalah mengurangi bobot hingga 40% dibandingkan dengan material logam konvensional. Proyek ini didanai sekitar EUR 200.000.
2.4 Korea
Litbang dan industrialisasi serat karbon Korea Selatan dimulai terlambat. Litbang dimulai pada tahun 2006, dan pada tahun 2013 secara resmi memasuki tahap praktis, membalikkan ketergantungan serat karbon Korea pada impor. Sebagai perwakilan pelopor industri yang aktif terlibat dalam tata letak industri serat karbon, Xiaoxing Group dan Taiguang Business di Korea Selatan, momentum perkembangannya sangat kuat. Selain itu, basis produksi serat karbon yang didirikan oleh Toray Jepang di Korea juga telah berkontribusi pada pasar serat karbon di Korea sendiri.
Pemerintah Korea telah memilih Grup Xiaoxing sebagai tempat berkumpulnya industri inovatif serat karbon. Tujuannya adalah membentuk klaster industri material serat karbon, mendorong pengembangan ekosistem ekonomi kreatif di seluruh wilayah Korea Utara. Tujuan akhirnya adalah membentuk rantai produksi terpadu antara material serat karbon → suku cadang → produk jadi. Pembentukan klaster inkubasi serat karbon ini dapat disejajarkan dengan Silicon Valley di Amerika Serikat, merambah pasar baru, menciptakan nilai tambah baru, dan mencapai target ekspor produk terkait serat karbon senilai $10 miliar (setara dengan sekitar 55,2 miliar yuan) pada tahun 2020.
3. Analisis penelitian serat karbon global dan hasil penelitian
Subbagian ini menghitung makalah SCI yang terkait dengan penelitian serat karbon dan hasil paten DII sejak 2010, untuk menganalisis penelitian akademis dan penelitian serta pengembangan industri teknologi serat karbon global secara bersamaan, dan memahami sepenuhnya kemajuan penelitian dan pengembangan serat karbon secara internasional.
Data berasal dari basis data Scie dan basis data Dewent dalam basis data web of Science yang diterbitkan oleh Clarivate Analytics; rentang waktu pengambilan: 2010-2017; tanggal pengambilan: 1 Februari 2018.
Strategi Pengambilan Kertas SCI: Ts=((serat karbon* atau Serat karbon* atau ("Serat karbon*" bukan "Fiberglass karbon") atau "serat karbon*" atau "filamen karbon*" atau ((poliakrilonitril atau pitch) dan "prekursor*" dan serat*) atau ("serat grafit*")) bukan ("karbon bambu"))。
Strategi Pencarian Paten Dewent: Ti=((serat karbon* atau serat karbon* atau ("serat karbon*" bukan "karbon fiberglass") atau "serat karbon*" atau "filamen karbon*" atau ((poliakrilonitril atau pitch) dan "prekursor*" dan serat*) atau ("serat grafit*")) bukan ("karbon bambu")) atau TS=((serat karbon* atau serat karbon* atau ("serat karbon*" bukan "karbon fiberglass") atau "serat karbon*" atau "filamen karbon*" atau ((poliakrilonitril atau pitch) dan "prekursor*" dan serat*) atau ("serat grafit*")) bukan ("karbon bambu")) dan IP=(D01F-009/12 atau D01F-009/127 atau D01F-009/133 atau D01F-009/14 atau D01F-009/145 atau D01F-009/15 atau D01F-009/155 atau D01F-009/16 atau D01F-009/17 atau D01F-009/18 atau D01F-009/20 atau D01F-009/21 atau D01F-009/22 atau D01F-009/24 atau D01F-009/26 atau D01F-09/28 atau D01F-009/30 atau D01F-009/32 atau C08K-007/02 atau C08J-005/04 atau C04B-035/83 atau D06M-014/36 atau D06M-101/40 atau D21H-013/50 atau H01H-001/027 atauH01R-039/24)。
Tren 3.1
Sejak 2010, 16.553 makalah relevan telah diterbitkan di seluruh dunia, dan 26.390 paten penemuan telah diajukan, semuanya menunjukkan tren peningkatan yang stabil dari tahun ke tahun (Gambar 1).
3.2 Distribusi negara atau wilayah
Sepuluh institusi teratas dengan output penelitian serat karbon global terbesar berasal dari Tiongkok. Lima teratas di antaranya adalah: Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, Institut Teknologi Harbin, Universitas Teknologi Northwestern, Universitas Donghua, dan Institut Aeronautika dan Astronautika Beijing. Di antara institusi asing tersebut, Institut Teknologi India, Universitas Tokyo, Universitas Bristol, Universitas Monash, Universitas Manchester, dan Institut Teknologi Georgia berada di peringkat 10-20 (Gbr. 3).
Jumlah aplikasi paten di 30 institusi teratas, Jepang memiliki 5, dan 3 di antaranya berada di lima teratas, perusahaan Toray berada di peringkat pertama, diikuti oleh Mitsubishi Liyang (ke-2), Teijin (ke-4), East State (ke-10), Japan Toyo Textile Company (ke-24), China memiliki 21 institusi, Sinopec Group memiliki jumlah paten terbesar, peringkat ketiga, Kedua, Institut Teknologi Harbin, perusahaan kabel Henan Ke Letter, Universitas Donghua, China Shanghai Petrochemical, Beijing Chemical Industry, dll., Akademi Ilmu Pengetahuan China Shanxi Coal aplikasi penemuan Paten 66, peringkat ke-27, institusi Korea Selatan memiliki 2, di antaranya Xiaoxing Co., Ltd. peringkat pertama, peringkat ke-8.
Lembaga keluaran, keluaran kertas terutama dari universitas dan lembaga penelitian ilmiah, keluaran paten terutama dari perusahaan, dapat dilihat bahwa manufaktur serat karbon adalah industri berteknologi tinggi, sebagai badan utama pengembangan industri R & d serat karbon, perusahaan sangat mementingkan perlindungan teknologi R & d serat karbon, terutama 2 perusahaan besar di Jepang, Jumlah paten jauh di depan.
3.4 Titik Panas Penelitian
Makalah penelitian serat karbon mencakup topik penelitian terbanyak: Komposit serat karbon (termasuk komposit yang diperkuat serat karbon, komposit matriks polimer, dll.), penelitian sifat mekanik, analisis elemen hingga, nanotube karbon, delaminasi, penguatan, fatik, struktur mikro, pemintalan elektrostatik, perlakuan permukaan, adsorpsi, dan sebagainya. Makalah yang membahas kata kunci ini mencakup 38,8% dari total jumlah makalah.
Paten penemuan serat karbon mencakup sebagian besar topik terkait penyiapan serat karbon, peralatan produksi, dan material komposit. Di antaranya, Toray, Mitsubishi Liyang, dan Teijin dari Jepang, serta perusahaan-perusahaan lain di bidang "senyawa polimer yang diperkuat serat karbon", memiliki tata letak teknis yang penting. Selain itu, Toray dan Mitsubishi Liyang di bidang "Produksi poliakrilonitril serat karbon dan peralatan produksi", "Produksi serat karbon dengan nitril tak jenuh, seperti poliakrilonitril, polivinilidena sianida etilena", dan teknologi lainnya memiliki proporsi tata letak paten yang besar. Sementara itu, perusahaan Teijin dari Jepang di bidang "komposit serat karbon dan senyawa oksigen" juga memiliki proporsi tata letak paten yang lebih besar.
China Sinopec Group, Universitas Kimia Beijing, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, Ningbo Materials, memiliki proporsi tata letak paten yang besar dalam "produksi serat karbon poliakrilonitril dan peralatan produksinya"; Selain itu, Universitas Teknik Kimia Beijing, Institut Kimia Batubara Shanxi Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, dan Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, Ningbo Materials, memiliki tata letak utama "Penggunaan serat unsur anorganik sebagai bahan baku pembuatan senyawa polimer" yang berfokus pada tata letak "perlakuan serat karbon", "komposit serat karbon dan senyawa yang mengandung oksigen", dan teknologi lainnya.
Selain itu, dari statistik distribusi paten global tahunan, ditemukan bahwa sejumlah topik baru mulai bermunculan dalam tiga tahun terakhir, seperti: "Komposisi poliamida yang diperoleh dari reaksi pembentukan ikatan karboksilat pada rantai utama", "komposisi poliester dari pembentukan ikatan ester asam karboksilat-1 pada rantai utama", "material komposit berbasis material sintetis", "senyawa asam karboksilat siklik yang mengandung oksigen sebagai bahan komposit serat karbon", "bahan tekstil dalam bentuk padat atau perlakuan tiga dimensi", "eter tak jenuh, asetal, semi-asetal, keton, atau aldehida hanya melalui reaksi ikatan tak jenuh karbon-karbon untuk menghasilkan senyawa polimer", "pipa atau kabel material adiabatik", "komposit serat karbon dengan ester fosfat sebagai bahan", dan sebagainya.
Dalam beberapa tahun terakhir, penelitian dan pengembangan di sektor serat karbon telah berkembang pesat, dengan sebagian besar terobosan berasal dari Amerika Serikat dan Jepang. Teknologi mutakhir terbaru tidak hanya berfokus pada teknologi produksi dan persiapan serat karbon, tetapi juga pada aplikasi di berbagai material otomotif, seperti material ringan, pencetakan 3D, dan pembangkit listrik. Selain itu, daur ulang dan daur ulang material serat karbon, persiapan serat karbon lignin kayu, dan pencapaian lainnya menunjukkan hasil yang cemerlang. Hasil representatif dijelaskan di bawah ini:
1) Institut Teknologi Georgia AS menerobos teknologi serat karbon generasi ketiga
Pada bulan Juli 2015, dengan pendanaan DARPA, Institut Teknologi Georgia, dengan teknik pemintalan gel serat karbon berbasis panci yang inovatif, secara signifikan meningkatkan modulusnya, melampaui serat karbon Hershey IM7, yang sekarang banyak digunakan dalam pesawat militer, menandai negara kedua di dunia yang menguasai teknologi serat karbon generasi ketiga setelah Jepang.
Kekuatan tarik serat karbon gel spinning buatan Kumarz mencapai 5,5 hingga 5,8 Gpa, dan modulus tariknya antara 354-375 Gpa. "Ini adalah serat kontinu yang telah dilaporkan memiliki kekuatan dan modulus kinerja komprehensif tertinggi. Pada bundel filamen pendek, kekuatan tariknya mencapai 12,1 Gpa, yang merupakan serat karbon poliakrilonitril tertinggi."
2) Teknologi pemanas gelombang elektromagnetik
Pada tahun 2014, Nedo mengembangkan teknologi pemanasan gelombang elektromagnetik. Teknologi karbonisasi gelombang elektromagnetik mengacu pada penggunaan teknologi pemanasan gelombang elektromagnetik untuk mengkarbonisasi serat pada tekanan atmosfer. Kinerja serat karbon yang dihasilkan pada dasarnya sama dengan serat karbon yang dihasilkan melalui pemanasan suhu tinggi, modulus elastisitasnya dapat mencapai lebih dari 240 GPA, dan perpanjangan putusnya lebih dari 1,5%, yang merupakan keberhasilan pertama di dunia.
Material yang menyerupai serat ini dikarbonisasi oleh gelombang elektromagnetik, sehingga peralatan tungku karbonisasi yang digunakan untuk pemanasan suhu tinggi tidak diperlukan. Proses ini tidak hanya mengurangi waktu yang dibutuhkan untuk karbonisasi, tetapi juga mengurangi konsumsi energi dan emisi CO2.
3) kontrol halus proses karbonisasi
Pada Maret 2014, Toray mengumumkan keberhasilan pengembangan serat karbon T1100G. Toray menggunakan teknologi pemintalan larutan pan tradisional untuk mengontrol proses karbonisasi secara halus, memperbaiki struktur mikro serat karbon pada skala nano, mengontrol orientasi mikrokristalin grafit, ukuran mikrokristalin, cacat, dan sebagainya pada serat setelah karbonisasi, sehingga kekuatan dan modulus elastisitasnya dapat ditingkatkan secara signifikan. Kekuatan tarik T1100G adalah 6,6GPa, 12% lebih tinggi daripada T800, dan modulus elastisitasnya adalah 324GPa, meningkat 10%, yang berarti memasuki tahap industrialisasi.
4) Teknologi Perawatan Permukaan
Negara Bagian Timur Teijin telah berhasil mengembangkan teknologi perawatan permukaan plasma yang dapat mengontrol tampilan serat karbon hanya dalam hitungan detik. Teknologi baru ini secara signifikan menyederhanakan seluruh proses produksi dan mengurangi konsumsi energi hingga 50% dibandingkan dengan teknologi perawatan permukaan yang ada untuk larutan elektrolit. Selain itu, setelah perawatan plasma, ditemukan bahwa daya rekat serat dan matriks resin juga meningkat.
5) Studi tentang tingkat retensi kekuatan tarik serat karbon dalam lingkungan grafit suhu tinggi
Ningbo Materials berhasil melaksanakan studi terperinci terhadap analisis proses, penelitian struktur dan optimalisasi kinerja serat karbon mode tinggi dan berkekuatan tinggi dalam negeri, khususnya penelitian tentang tingkat retensi kekuatan tarik serat karbon dalam lingkungan grafit bersuhu tinggi, dan persiapan serat karbon berkekuatan tinggi dan modulus lebih tinggi yang baru-baru ini berhasil dengan kekuatan tarik 5,24GPa dan volume modulus tarik 593GPa. Serat ini terus memiliki keunggulan kekuatan tarik dibandingkan dengan serat karbon cetakan tinggi Toray m60j Jepang yang berkekuatan tinggi (kekuatan tarik 3,92GPa, modulus tarik 588GPa).
6) Grafit Gelombang Mikro
Yongda Advanced Materials telah berhasil mengembangkan teknologi grafit suhu ultra-tinggi yang dipatenkan secara eksklusif di Amerika Serikat, untuk memproduksi serat karbon tingkat menengah dan tinggi. Teknologi ini berhasil menembus tiga hambatan dalam pengembangan serat karbon tingkat tinggi. Peralatan grafit mahal dan berada di bawah kendali internasional, serta kesulitan dalam teknologi kimia sutra mentah, sehingga hasil produksi rendah dan berbiaya tinggi. Sejauh ini, Yongda telah mengembangkan 3 jenis serat karbon, yang semuanya telah meningkatkan kekuatan dan modulus serat karbon asli yang relatif rendah ke tingkat yang lebih tinggi.
7) Proses baru peleburan pemintalan kawat serat karbon mentah berbasis panci oleh Fraunhofer, Jerman
Institut Polimer Terapan Fraunhofer (Applied Polymer Research, IAP) baru-baru ini mengumumkan akan memamerkan teknologi Comcarbon terbaru di Berlin Air Show pada 25-29 April 2018. Teknologi ini secara signifikan mengurangi biaya produksi serat karbon yang diproduksi secara massal.
Gbr. 4 Peleburan kawat mentah dan pemintalan.
Sudah diketahui umum bahwa dalam proses tradisional, setengah dari biaya produksi serat karbon berbasis wajan dikonsumsi dalam proses produksi kawat mentah. Mengingat ketidakmampuan kawat mentah untuk meleleh, kawat tersebut harus diproduksi menggunakan proses pemintalan larutan yang mahal (Solution Spinning). "Untuk tujuan ini, kami telah mengembangkan proses baru untuk produksi sutra mentah berbasis wajan, yang dapat mengurangi biaya produksi kawat mentah hingga 60%. Ini adalah proses pemintalan leleh yang ekonomis dan layak, menggunakan kopolimer berbasis wajan yang dilebur secara khusus," jelas Dr. Johannes Ganster, Menteri Polimer Biologi di Fraunhofer IAP Institute.
8) Teknologi oksidasi plasma
4M Carbon Fiber mengumumkan bahwa mereka akan menjadikan penggunaan teknologi oksidasi plasma untuk memproduksi dan menjual serat karbon berkualitas tinggi dan berbiaya rendah sebagai fokus strategis, bukan hanya untuk melisensikan teknologi tersebut. 4M mengklaim bahwa teknologi oksidasi plasma 3 kali lebih cepat daripada teknologi oksidasi konvensional, sementara penggunaan energinya kurang dari sepertiga teknologi tradisional. Pernyataan ini telah divalidasi oleh banyak produsen serat karbon internasional, yang berkonsultasi dengan sejumlah produsen serat karbon dan produsen mobil terbesar di dunia untuk berpartisipasi sebagai pemrakarsa produksi serat karbon berbiaya rendah.
9) Serat Nano Selulosa
Universitas Kyoto Jepang, bersama beberapa pemasok komponen utama seperti perusahaan instalasi listrik (pemasok terbesar Toyota) dan Daikyonishikawa Corp., sedang mengembangkan material plastik yang menggabungkan nanofiber selulosa. Material ini dibuat dengan memecah pulp kayu menjadi beberapa mikron (1 per seribu mm). Berat material baru ini hanya seperlima dari berat baja, tetapi kekuatannya lima kali lipat baja.
10) bodi depan serat karbon dari bahan baku poliolefin dan lignin
Laboratorium Nasional Oak Ridge di Amerika Serikat telah meneliti serat karbon berbiaya rendah sejak tahun 2007, dan mereka telah mengembangkan badan depan serat karbon untuk bahan baku poliolefin dan lignin, serta teknologi pra-oksidasi plasma dan karbonisasi gelombang mikro yang canggih.
11) Polimer baru (polimer prekursor) dikembangkan dengan menghilangkan perlakuan refraktori
Dalam metode manufaktur yang dipimpin oleh Universitas Tokyo, polimer baru (polimer prekursor) telah dikembangkan untuk menghilangkan perlakuan refraktori. Poin utamanya adalah bahwa setelah memintal polimer menjadi sutra, ia tidak melakukan perlakuan refraktori asli, tetapi menyebabkannya teroksidasi dalam pelarut. Perangkat pemanas microwave kemudian dipanaskan hingga lebih dari 1000 ℃ untuk karbonisasi. Waktu pemanasan hanya membutuhkan waktu 2-3 menit. Setelah perlakuan karbonisasi, plasma juga digunakan untuk melakukan perlakuan permukaan, sehingga serat karbon dapat dibuat. Perlakuan plasma membutuhkan waktu kurang dari 2 menit. Dengan cara ini, waktu sintering asli 30-60 menit dapat dikurangi menjadi sekitar 5 menit. Dalam metode manufaktur baru, perlakuan plasma dilakukan untuk meningkatkan ikatan antara serat karbon dan resin termoplastik sebagai bahan dasar CFRP. Modulus elastisitas tarik serat karbon yang diproduksi dengan metode manufaktur baru adalah 240GPa, kekuatan tarik 3,5GPa dan perpanjangan mencapai 1,5%. Nilai-nilai ini berada pada level yang sama dengan serat karbon kelas Universal Toray T300 yang digunakan untuk peralatan olahraga, dll.
12) Daur ulang dan pemanfaatan bahan serat karbon menggunakan proses fluidized bed
Mengran Meng, penulis utama studi ini, mengatakan: "Pemulihan serat karbon mengurangi dampak terhadap lingkungan dibandingkan dengan produksi serat karbon mentah, tetapi pemahaman tentang potensi teknologi daur ulang dan kelayakan ekonomi pemanfaatan serat karbon daur ulang masih terbatas. Daur ulang berlangsung dalam dua tahap: serat harus terlebih dahulu didaur ulang dari komposit serat karbon dan didekomposisi secara termal dengan penggilingan mekanis material atau dengan menggunakan proses pirolisis atau unggun terfluidisasi. Metode ini menghilangkan bagian plastik dari material komposit, menyisakan serat karbon, yang kemudian dapat diubah menjadi tikar serat kusut menggunakan teknologi pembuatan kertas basah, atau ditata ulang menjadi serat terarah.
Para peneliti menghitung bahwa serat karbon dapat didaur ulang dari limbah komposit serat karbon menggunakan proses unggun terfluidisasi, hanya membutuhkan 5 dolar/kg dan kurang dari 10% energi yang dibutuhkan untuk memproduksi serat karbon primer. Serat karbon daur ulang yang diproduksi melalui proses unggun terfluidisasi hampir tidak mengurangi modulus, dan kekuatan tariknya berkurang 18% hingga 50% dibandingkan serat karbon primer, sehingga cocok untuk aplikasi yang membutuhkan kekakuan tinggi, alih-alih kekuatan. "Serat karbon daur ulang mungkin cocok untuk aplikasi non-struktural yang membutuhkan bobot ringan, seperti industri otomotif, konstruksi, pembangkit listrik tenaga angin, dan olahraga," ujar Meng.
13) Teknologi baru daur ulang serat karbon dikembangkan di Amerika Serikat
Juni 2016, para peneliti di Institut Teknologi Georgia di Amerika Serikat merendam serat karbon dalam pelarut yang mengandung alkohol untuk melarutkan resin epoksi, serat dan resin epoksi yang terpisah dapat digunakan kembali, realisasi keberhasilan pemulihan serat karbon.
Juli 2017, Universitas Negeri Washington juga mengembangkan teknologi pemulihan serat karbon, menggunakan asam lemah sebagai katalis, penggunaan etanol cair pada suhu yang relatif rendah untuk menguraikan bahan termoset, serat karbon dan resin yang terurai diawetkan secara terpisah, dan dapat digunakan untuk reproduksi.
14) Pengembangan teknologi tinta serat karbon cetak 3D di laboratorium LLNL, AS
Pada Maret 2017, Laboratorium Nasional Lawrence Livemore (LLNL) di Amerika Serikat mengembangkan komposit serat karbon kelas penerbangan berperforma tinggi pertama yang dicetak 3D. Mereka menggunakan metode pencetakan 3D transmisi tinta langsung (DIW) untuk menciptakan struktur tiga dimensi kompleks yang sangat meningkatkan kecepatan pemrosesan untuk digunakan dalam kompetisi otomotif, kedirgantaraan, pertahanan, sepeda motor, dan selancar.
15) Amerika Serikat, Korea dan Tiongkok bekerja sama dalam pengembangan serat karbon untuk pembangkit listrik
Pada Agustus 2017, kampus Dallas University of Texas, Hanyang University di Korea, Nankai University di Tiongkok, dan berbagai institusi lainnya berkolaborasi dalam pengembangan material benang serat karbon untuk pembangkit listrik. Benang tersebut pertama-tama direndam dalam larutan elektrolit seperti air garam, sehingga ion-ion dalam elektrolit dapat menempel pada permukaan nanotube karbon, yang kemudian dapat diubah menjadi energi listrik ketika benang dikencangkan atau diregangkan. Material ini dapat digunakan di mana saja dengan energi kinetik yang andal dan cocok untuk memasok daya ke sensor IoT.
16) Kemajuan baru dalam penelitian serat karbon lignin kayu yang diperoleh masing-masing oleh Cina dan Amerika
Pada bulan Maret 2017, tim serat khusus Institut Teknologi dan Rekayasa Material Ningbo berhasil mengembangkan kopolimer lignin-akrilonitril dengan kemampuan putar dan stabilitas termal yang baik menggunakan teknologi modifikasi dua tahap esterifikasi dan kopolimerisasi radikal bebas. Filamen kontinu berkualitas tinggi diperoleh melalui proses kopolimer dan pemintalan basah, sementara serat karbon kompak diperoleh setelah stabilisasi termal dan perlakuan karbonisasi.
Pada bulan Agustus 2017, tim peneliti Birgitte ahring di Universitas Washington, Amerika Serikat, mencampur lignin dan poliakrilonitril dalam berbagai proporsi, kemudian menggunakan teknologi melt spinning untuk mengubah polimer campuran tersebut menjadi serat karbon. Studi ini menemukan bahwa penambahan lignin pada 20% hingga 30% tidak memengaruhi kekuatan serat karbon dan diharapkan dapat digunakan dalam produksi material serat karbon berbiaya rendah untuk suku cadang otomotif atau pesawat terbang.
Pada akhir tahun 2017, Laboratorium Energi Terbarukan Nasional (NREL) merilis penelitian tentang pembuatan akrilonitril menggunakan limbah tanaman, seperti jerami jagung dan jerami gandum. Mereka pertama-tama memecah bahan tanaman menjadi gula, kemudian mengubahnya menjadi asam, dan menggabungkannya dengan katalis murah untuk menghasilkan produk target.
17) Jepang mengembangkan sasis mobil komposit termoplastik yang diperkuat serat karbon pertama
Pada Oktober 2017, Badan Litbang Teknologi Industri Energi Baru Jepang dan Pusat Penelitian Komposit Nasional Universitas Nagoya berhasil mengembangkan sasis mobil komposit termoplastik bertulang serat karbon pertama di dunia. Mereka menggunakan proses pencetakan langsung on-line komposit termoplastik bertulang serat panjang otomatis, pencampuran partikel resin termoplastik dan serat karbon secara kontinu, pembuatan komposit bertulang serat, dan kemudian melalui pemanasan dan peleburan, berhasil memproduksi sasis mobil CFRP termoplastik.
5. Saran tentang penelitian dan pengembangan teknologi serat karbon di Tiongkok
5.1 Tata letak berwawasan ke depan, berorientasi pada tujuan, fokus pada terobosan teknologi serat karbon generasi ketiga
Teknologi serat karbon generasi kedua Tiongkok belum merupakan terobosan yang menyeluruh. Negara kita harus berupaya untuk membuat tata letak yang berwawasan ke depan, yang akan menyatukan berbagai lembaga penelitian terkait, dengan fokus pada penguasaan teknologi-teknologi utama, fokus pada penelitian dan pengembangan teknologi penyiapan serat karbon generasi ketiga yang berkinerja tinggi (yaitu, berlaku untuk teknologi serat karbon modulus tinggi dan berkekuatan tinggi dirgantara), dan teknologi material komposit serat karbon yang dikembangkan, termasuk untuk persiapan serat karbon ringan dan berbiaya rendah untuk derek besar di bidang otomotif, konstruksi dan perbaikan, serta teknologi pembuatan aditif material komposit serat karbon, teknologi daur ulang, dan teknologi pembuatan prototipe cepat.
5.2 Mengkoordinasikan organisasi, memperkuat dukungan, menyiapkan proyek teknis utama untuk terus mendukung penelitian kolaboratif
Saat ini, terdapat banyak lembaga yang melakukan penelitian serat karbon di Tiongkok, tetapi kekuatannya tersebar, dan belum ada mekanisme organisasi litbang yang terpadu serta dukungan pendanaan yang kuat untuk koordinasi yang efektif. Berdasarkan pengalaman pembangunan negara-negara maju, organisasi dan tata letak proyek-proyek besar memainkan peran penting dalam mendorong perkembangan bidang teknis ini. Kita harus fokus pada keunggulan litbang Tiongkok, mengingat terobosan teknologi litbang serat karbon Tiongkok, untuk memulai proyek-proyek besar, memperkuat inovasi teknologi kolaboratif, dan terus mempromosikan tingkat teknologi penelitian serat karbon Tiongkok, serta persaingan untuk serat karbon dan komposit internasional.
5.3 Peningkatan mekanisme evaluasi orientasi efek penerapan capaian teknis
Dari sudut pandang analisis ekonometrik makalah SCI, serat karbon Tiongkok merupakan material berkinerja tinggi yang digunakan di berbagai bidang penelitian. Namun, untuk teknologi produksi dan persiapan serat karbon, fokusnya adalah pada pengurangan biaya dan peningkatan efisiensi produksi dengan sedikit penelitian. Proses produksi serat karbon panjang, dengan poin-poin kunci teknologi dan hambatan produksi yang tinggi. Proses ini merupakan integrasi multidisiplin dan multiteknologi. Hambatan teknis perlu diatasi untuk secara efektif mendorong penelitian dan pengembangan teknologi inti persiapan "biaya rendah, berkinerja tinggi". Di satu sisi, investasi penelitian perlu diperkuat. Di sisi lain, evaluasi kinerja penelitian ilmiah perlu diperlemah, dan panduan evaluasi efektivitas penerapan pencapaian teknis perlu diperkuat. Evaluasi "kuantitatif" yang berfokus pada publikasi makalah perlu dialihkan ke evaluasi "kualitas" yang berfokus pada nilai hasil.
5.4 Memperkuat pengembangan talenta gabungan teknologi mutakhir
Atribut teknologi tinggi dari teknologi serat karbon menentukan pentingnya bakat khusus, apakah mereka memiliki personel teknis inti yang mutakhir secara langsung menentukan tingkat R&D suatu institusi.
Sebagai hasil dari hubungan litbang teknologi serat karbon, kita perlu memperhatikan pelatihan personel gabungan untuk memastikan koordinasi dan pengembangan semua hubungan. Selain itu, berdasarkan sejarah perkembangan penelitian serat karbon di Tiongkok, arus pakar inti teknologi seringkali menjadi faktor kunci yang memengaruhi tingkat litbang suatu lembaga penelitian. Mempertahankan fokus para pakar inti dan tim litbang dalam proses produksi, komposit, dan produk utama sangat penting untuk peningkatan teknologi yang berkelanjutan.
Kita harus terus memperkuat pelatihan dan penggunaan personel berteknologi tinggi khusus di bidang ini, meningkatkan kebijakan evaluasi dan penanganan talenta litbang teknologi, memperkuat pembinaan talenta muda, secara aktif mendukung kerja sama dan pertukaran dengan lembaga litbang maju di luar negeri, serta secara aktif memperkenalkan talenta maju dari luar negeri, dan sebagainya. Hal ini akan memainkan peran penting dalam mendorong perkembangan penelitian serat karbon di Tiongkok.
Dikutip dari-
Analisis perkembangan teknologi serat karbon global dan pencerahannya bagi Tiongkok. Tian Yajuan, Zhang Zhiqiang, Tao Cheng, Yang Ming, Ba Jin, Chen Yunwei.Penelitian dan Pengembangan Sains dan Teknologi Dunia.Tahun 2018
Waktu posting: 04-Des-2018