Włókno węglowe to nieorganiczne włókno polimerowe, nowy materiał o zawartości węgla powyżej 95%, charakteryzujący się niską gęstością, wysoką wytrzymałością, odpornością na wysokie temperatury, wysoką stabilnością chemiczną, odpornością na zmęczenie, ścieranie i innymi doskonałymi podstawowymi właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Charakteryzuje się wysokim tłumieniem drgań, dobrą przewodnością cieplną, właściwościami ekranowania elektromagnetycznego, niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej i innymi cechami. Te doskonałe właściwości sprawiają, że włókno węglowe jest szeroko stosowane w przemyśle lotniczym, kolejowym, motoryzacyjnym, zbrojeniowym i sprzętowym, maszynach budowlanych, budownictwie infrastrukturalnym, inżynierii morskiej, inżynierii naftowej, energetyce wiatrowej, sprzęcie sportowym i innych dziedzinach.
W oparciu o krajowe strategiczne potrzeby w zakresie materiałów z włókien węglowych, Chiny wymieniły je jako jedną z kluczowych technologii wschodzących gałęzi przemysłu, na których wsparcie się koncentruje. W krajowym planie naukowo-technologicznym „Dwanaście Pięciu” technologia przygotowania i zastosowania wysokowydajnych włókien węglowych jest jedną z kluczowych technologii wschodzących gałęzi przemysłu wspieranych przez państwo. W maju 2015 roku Rada Państwa oficjalnie opublikowała plan „Made in China 2025”, w którym nowe materiały zostały uznane za jeden z kluczowych obszarów intensywnej promocji i rozwoju, w tym wysokowydajne materiały konstrukcyjne. Zaawansowane kompozyty stanowią główny obszar rozwoju w dziedzinie nowych materiałów. W październiku 2015 roku Ministerstwo Przemysłu i Przemysłu Informacyjnego oficjalnie opublikowało plan „Chińska Mapa Drogowa Technologii dla Kluczowych Obszarów Produkcji 2025”, w którym „wysokowydajne włókna i ich kompozyty” zostały uznane za kluczowy materiał strategiczny. Celem na rok 2020 jest „krajowe kompozyty z włókna węglowego spełniające wymagania techniczne dużych samolotów i innego ważnego sprzętu”. W listopadzie 2016 r. Rada Państwa wydała krajowy strategiczny plan rozwoju wschodzących gałęzi przemysłu „Trzynaście Pięciu”, wyraźnie wskazujący na wzmocnienie współpracy w zakresie upstream i downstream w przemyśle nowych materiałów, w kompozytach z włókien węglowych i innych dziedzinach, w celu przeprowadzenia pilotażowych demonstracji wspólnych zastosowań oraz zbudowania platformy współpracy w zakresie zastosowań. W styczniu 2017 r. Ministerstwo Przemysłu i Rozwoju, Narodowa Komisja Rozwoju i Rozwoju (NDRC), nauka i technologia oraz Ministerstwo Finansów wspólnie opracowały „Przewodnik po rozwoju przemysłu nowych materiałów” i zaproponowały, aby do 2020 r. „w kompozytach z włókien węglowych, wysokiej jakości stalach specjalnych, zaawansowanych materiałach ze stopów lekkich i innych dziedzinach osiągnąć ponad 70 kluczowych uprzemysłowienia i zastosowań nowych materiałów oraz zbudować system wsparcia urządzeń procesowych, który będzie odpowiadał poziomowi rozwoju chińskiego przemysłu nowych materiałów”.
Ponieważ włókno węglowe i jego kompozyty odgrywają ważną rolę w obronie narodowej i utrzymaniu ludzi, wielu ekspertów skupia się na ich rozwoju i analizie trendów badawczych. Dr Zhou Hong dokonał przeglądu naukowego i technologicznego wkładu amerykańskich naukowców na wczesnych etapach rozwoju technologii wysokowydajnego włókna węglowego, a także zeskanował i zgłosił 16 głównych zastosowań i ostatnich postępów technologicznych włókna węglowego, a technologia produkcji, właściwości i zastosowanie włókna węglowego poliakrylonitrylowego oraz jego obecny rozwój technologiczny zostały przejrzane przez dr Wei Xina itp. Przedstawiono również kilka konstruktywnych sugestii dotyczących problemów istniejących w rozwoju włókna węglowego w Chinach. Ponadto wiele osób przeprowadziło badania nad analizą metrologiczną dokumentów i patentów w dziedzinie włókna węglowego i jego kompozytów. Na przykład Ma Xianglin i inni z punktu widzenia metrologii z lat 1998-2017 dystrybucja patentów na włókno węglowe i zastosowanie w dziedzinie analizy; Yang Sisi i inni, opierając się na platformie innograficznej do wyszukiwania globalnych patentów na tkaniny z włókna węglowego i statystyk danych, analizują roczne trendy rozwoju patentów, właścicieli patentów, gorący punkt technologii patentowej i główny patent danej technologii.
Z perspektywy trajektorii badań i rozwoju włókna węglowego, badania w Chinach są niemal zsynchronizowane ze światowymi, ale rozwój jest powolny, skala i jakość produkcji włókna węglowego o wysokiej wydajności w porównaniu z krajami zagranicznymi mają lukę, istnieje pilna potrzeba przyspieszenia procesu badawczo-rozwojowego, udoskonalenia strategicznego układu i wykorzystania przyszłych możliwości rozwoju branży. Dlatego w niniejszym artykule najpierw zbadano układ projektów w dziedzinie badań nad włóknem węglowym w poszczególnych krajach, aby zrozumieć planowanie ścieżek badawczo-rozwojowych w różnych krajach. Po drugie, ponieważ badania podstawowe i badania aplikacyjne włókna węglowego są bardzo ważne dla technicznych badań i rozwoju włókna węglowego, przeprowadzamy analizę metrologiczną wyników badań naukowych – prac SCI – oraz wyników badań stosowanych – patentów – jednocześnie, aby uzyskać kompleksowe zrozumienie postępów badawczo-rozwojowych w dziedzinie włókna węglowego i prześledzić najnowsze osiągnięcia badawcze w tej dziedzinie, aby zapoznać się z postępami w badaniach Peep International Frontier. Na koniec, w oparciu o powyższe wyniki badań, przedstawiono kilka sugestii dotyczących ścieżki badawczo-rozwojowej w dziedzinie włókna węglowego w Chinach.
2.Cwłókno arbonoweukład projektu badawczegogłówne kraje/regiony
Głównymi krajami produkującymi włókno węglowe są Japonia, Stany Zjednoczone, Korea Południowa, niektóre kraje europejskie oraz Tajwan i Chiny. Kraje o zaawansowanych technologiach, będące na wczesnym etapie rozwoju technologii włókna węglowego, doceniły znaczenie tego materiału, opracowały strategiczne rozwiązania i aktywnie promują rozwój materiałów z włókna węglowego.
2.1 Japonia
Japonia jest najbardziej rozwiniętym krajem w dziedzinie technologii włókien węglowych. Trzy japońskie firmy: Toray, Bong i Mitsubishi Liyang, posiadają około 70–80% udział w światowym rynku produkcji włókien węglowych. Niemniej jednak Japonia przywiązuje dużą wagę do utrzymania swojej silnej pozycji w tej dziedzinie, w szczególności rozwoju wysokowydajnych włókien węglowych na bazie panwi oraz technologii energooszczędnych i przyjaznych dla środowiska. Dzięki silnemu wsparciu ludzkiemu i finansowemu, a także szeregowi podstawowych polityk, w tym podstawowemu planowi energetycznemu, strategicznemu zarysowi wzrostu gospodarczego i Protokołu z Kioto, Japonia stała się projektem strategicznym, który należy rozwijać. W oparciu o podstawową krajową politykę energetyczną i środowiskową, Ministerstwo Gospodarki, Przemysłu i Majątku Japonii przedstawiło „Program badań i rozwoju technologii energooszczędnych”. Wspierany przez powyższą politykę, japoński przemysł włókien węglowych był w stanie skuteczniej scentralizować wszystkie aspekty zasobów i promować rozwiązywanie typowych problemów w branży włókien węglowych.
„Rozwój technologii, takich jak innowacyjne materiały konstrukcyjne” (2013–2022) to projekt realizowany w ramach programu badawczego „Future Development” w Japonii, którego celem jest znaczące osiągnięcie rozwoju niezbędnych innowacyjnych technologii materiałów konstrukcyjnych oraz łączenia różnych materiałów, z głównym celem zmniejszenia masy (o połowę masy samochodu) środków transportu. Celem jest również praktyczne zastosowanie tych technologii. Po przejęciu projektu badawczo-rozwojowego w 2014 roku, Agencja Rozwoju Technologii Przemysłowych (NEDO) opracowała kilka podprojektów, w których głównymi celami projektu badawczego dotyczącego włókien węglowych „Badania podstawowe i rozwój innowacyjnych włókien węglowych” były: opracowanie nowych związków prekursorowych włókien węglowych; wyjaśnienie mechanizmu powstawania struktur karbonizacyjnych; oraz opracowanie i standaryzacja metod oceny włókien węglowych. Projekt, prowadzony przez Uniwersytet Tokijski, a wspólnie z nim zaangażowany jest Instytut Technologii Przemysłowej (NEDO), Toray, Teijin, Dongyuan i Mitsubishi Liyang, poczynił znaczne postępy w styczniu 2016 r. i stanowi kolejny przełom w dziedzinie włókien węglowych na bazie panwi po wynalezieniu „trybu Kondo” w Japonii w 1959 r.
2.2 Stany Zjednoczone
Amerykańska Agencja Badań Obronnych (DARPA) uruchomiła projekt Advanced Structural Fiber w 2006 roku, którego celem było połączenie wiodących krajowych ośrodków naukowych w celu opracowania włókien strukturalnych nowej generacji na bazie włókien węglowych. Dzięki wsparciu tego projektu, zespół badawczy Georgia Institute of Technology w Stanach Zjednoczonych dokonał przełomu w technologii przygotowywania surowego drutu w 2015 roku, zwiększając jej moduł sprężystości o 30%, co oznacza, że Stany Zjednoczone stały się twórcą trzeciej generacji włókien węglowych.
W 2014 r. Departament Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) ogłosił dotację w wysokości 11,3 mln dolarów na dwa projekty dotyczące „wieloetapowych procesów katalitycznych do przetwarzania niejadalnych cukrów z biomasy na akrylonitryl” oraz „badań i optymalizacji akrylonitrylu pochodzącego z produkcji biomasy” w celu promowania wykorzystania pozostałości rolniczych, badań nad konkurencyjnymi cenowo odnawialnymi, wysokowydajnymi materiałami z włókien węglowych do produkcji odnawialnych surowców niepochodzących z żywności, takich jak biomasa drzewna, a także planów obniżenia kosztów produkcji odnawialnych włókien węglowych z biomasy do poziomu poniżej 5 USD/funt do 2020 r.
W marcu 2017 r. Departament Energii USA ponownie ogłosił przeznaczenie 3,74 mln dolarów na dofinansowanie „projektu badawczo-rozwojowego w zakresie tanich komponentów z włókna węglowego” pod przewodnictwem Western American Institute (WRI), który koncentruje się na opracowywaniu tanich komponentów z włókna węglowego bazujących na zasobach takich jak węgiel i biomasa.
W lipcu 2017 r. Departament Energii USA ogłosił przyznanie 19,4 mln dolarów na wsparcie badań i rozwoju zaawansowanych, energooszczędnych pojazdów. 6,7 mln dolarów z tej kwoty przeznaczono na przygotowanie tanich włókien węglowych przy użyciu materiałów obliczeniowych, w tym na opracowanie wieloskalowych metod oceny zintegrowanej technologii komputerowej w celu oceny entuzjazmu wobec nowych prekursorów włókien węglowych. Zaawansowana teoria funkcjonału gęstości wspomagana dynamiką molekularną, uczenie maszynowe i inne narzędzia służą do opracowywania najnowocześniejszych narzędzi komputerowych w celu zwiększenia efektywności selekcji tanich surowców z włókien węglowych.
2.3 Europa
Europejski przemysł włókien węglowych rozwinął się w Japonii i Stanach Zjednoczonych w latach siedemdziesiątych i osiemdziesiątych XX wieku, ale ze względu na technologię i kapitał wiele firm produkujących pojedyncze włókna węglowe nie dostosowało się do okresu wysokiego wzrostu popytu na włókno węglowe po 2000 roku i zniknęło. Niemiecka firma SGL jest jedyną firmą w Europie, która ma znaczący udział w światowym rynku włókien węglowych.
W listopadzie 2011 roku Unia Europejska zainicjowała projekt Eucarbon, którego celem jest modernizacja europejskich zdolności produkcyjnych w zakresie włókien węglowych i materiałów preimpregnowanych dla przemysłu lotniczego i kosmicznego. Projekt trwał 4 lata, a łączna wartość inwestycji wyniosła 3,2 miliona euro. W maju 2017 roku z powodzeniem uruchomiono pierwszą w Europie linię produkcyjną specjalistycznych włókien węglowych do zastosowań kosmicznych, takich jak satelity. Umożliwiło to Europie uniezależnienie się od importu i zapewnienie bezpieczeństwa dostaw materiałów.
Siódmy program ramowy UE przewiduje wsparcie projektu „Funkcjonalne włókna węglowe w przygotowaniu nowego systemu prekursorowego o opłacalnej i łatwej w zarządzaniu wydajności” (FIBRALSPEC) (2014-2017) kwotą 6,08 mln euro. Czteroletni projekt, realizowany przez Narodowy Uniwersytet Techniczny w Atenach w Grecji, z udziałem międzynarodowych firm, takich jak Włochy, Wielka Brytania i Ukraina, koncentruje się na innowacjach i udoskonaleniu procesu ciągłego wytwarzania włókien węglowych na bazie poliakrylonitrylu w celu eksperymentalnej produkcji włókien węglowych metodą ciągłą. Projekt z powodzeniem zakończył prace nad rozwojem i zastosowaniem włókien węglowych oraz ulepszonej technologii kompozytów z odnawialnych organicznych źródeł polimerowych (takich jak superkondensatory, schrony szybkiego reagowania, a także prototypy mechanicznych, elektrycznych, obrotowych maszyn do powlekania oraz rozwój linii produkcyjnej nanowłókien itp.).
Coraz więcej sektorów przemysłu, takich jak motoryzacja, energetyka wiatrowa i przemysł stoczniowy, wymaga lekkich, wysokowydajnych kompozytów, co stanowi ogromny potencjał rynkowy dla przemysłu włókien węglowych. UE inwestuje 5,968 mln euro w uruchomienie projektu Carboprec (2014-2017), którego strategicznym celem jest opracowanie tanich prekursorów z materiałów odnawialnych, szeroko rozpowszechnionych w Europie, oraz usprawnienie produkcji wysokowydajnych włókien węglowych poprzez zastosowanie nanorurek węglowych.
Program badawczy Unii Europejskiej Cleansky II sfinansował projekt badawczo-rozwojowy „Opony kompozytowe” (2017), kierowany przez Instytut Fraunhofera ds. Niezawodności Produkcji i Systemów (LBF) w Niemczech. Celem projektu jest opracowanie komponentów przednich kół do samolotów Airbus A320 z kompozytów wzmocnionych włóknem węglowym. Celem jest zmniejszenie masy o 40% w porównaniu z konwencjonalnymi materiałami metalowymi. Projekt jest finansowany kwotą około 200 000 EUR.
2.4 Korea
Prace badawczo-rozwojowe i industrializacja włókna węglowego w Korei Południowej rozpoczęły się późno. Prace badawczo-rozwojowe rozpoczęły się w 2006 roku, a w 2013 roku formalnie weszły w fazę praktyczną, co pozwoliło na całkowite uzależnienie koreańskiego sektora włókien węglowych od importu. Dla południowokoreańskiej grupy Xiaoxing i Taiguang Business, jako przedstawiciela pionierów branży, aktywnie zaangażowanych w rozwój przemysłu włókien węglowych, dynamika rozwoju jest duża. Ponadto, baza produkcyjna włókna węglowego utworzona przez Toray Japan w Korei również przyczyniła się do rozwoju rynku włókien węglowych w tym kraju.
Rząd Korei postanowił uczynić Grupę Xiaoxing miejscem spotkań innowacyjnych branż włókna węglowego. Celem jest utworzenie klastra branżowego materiałów z włókna węglowego, promowanie rozwoju kreatywnego ekosystemu gospodarczego w całym regionie północnym. Docelowo, celem jest stworzenie kompleksowego łańcucha produkcyjnego „materiał z włókna węglowego → części → produkt końcowy”. Utworzenie klastra inkubacyjnego włókien węglowych może dorównać Dolinie Krzemowej w Stanach Zjednoczonych, co pozwoli na dotarcie do nowych rynków i stworzenie nowej wartości dodanej. Osiągnięcie celu w postaci 10 miliardów dolarów eksportu produktów z włókna węglowego (równowartość około 55,2 miliarda juanów) do 2020 roku.
3. Analiza globalnych badań i wyników badań nad włóknem węglowym
W tej podsekcji zliczono artykuły SCI dotyczące badań nad włóknami węglowymi oraz wyniki patentów DII od 2010 r., co umożliwi jednoczesną analizę badań naukowych i badań przemysłowych oraz rozwoju globalnej technologii włókien węglowych, a także pełne zrozumienie postępu badań i rozwoju w dziedzinie włókien węglowych na arenie międzynarodowej.
Dane pochodzą z bazy danych Scie i Dewent w bazie danych Web of Science opublikowanej przez Clarivate Analytics; zakres czasu pobierania: 2010–2017; data pobrania: 1 lutego 2018 r.
Strategia odzyskiwania papieru SCI: Ts = ((włókno węglowe* lub Carbonfiber* lub ("Włókno węglowe*", a nie "Włókno szklane") lub "włókno węglowe*" lub "włókno węglowe*" lub ((poliakrylonitryl lub smoła) i "prekursor*" i włókno*) lub ("włókno grafitowe*")), a nie ("węgiel bambusowy")).
Strategia wyszukiwania patentów Dewent: Ti = ((włókno węglowe* lub włókno węglowe* lub ("Włókno węglowe*", a nie "włókno szklane") lub "włókno węglowe*" lub "włókno węglowe*" lub ((poliakrylonitryl lub smoła) i "prekursor*" i włókno*) lub ("włókno grafitowe*")) nie ("węgiel bambusowy")) lub TS = ((włókno węglowe* lub włókno węglowe* lub ("Włókno węglowe*", a nie "włókno szklane") lub "włókno węglowe*" lub ((poliakrylonitryl lub smoła) i "prekursor*" i włókno*) lub ("włókno grafitowe*")) nie ("węgiel bambusowy")) i IP = (D01F-009/12 lub D01F-009/127 lub D01F-009/133 lub D01F-009/14 lub D01F-009/145 lub D01F-009/15 lub D01F-009/155 lub D01F-009/16 lub D01F-009/17 lub D01F-009/18 lub D01F-009/20 lub D01F-009/21 lub D01F-009/22 lub D01F-009/24 lub D01F-009/26 lub D01F-09/28 lub D01F-009/30 lub D01F-009/32 lub C08K-007/02 lub C08J-005/04 lub C04B-035/83 lub D06M-014/36 lub D06M-101/40 lub D21H-013/50 lub H01H-001/027 lub H01R-039/24).
3.1 trend
Od 2010 r. na całym świecie opublikowano 16 553 artykułów naukowych na ten temat i złożono 26 390 wniosków patentowych na wynalazki, przy czym liczba ta z roku na rok wykazuje stałą tendencję wzrostową (rysunek 1).
3.2 Dystrybucja według kraju lub regionu
Dziesięć instytucji z największą liczbą publikacji naukowych na temat włókien węglowych na świecie pochodzi z Chin. Wśród nich, w pierwszej piątce znajdują się: Chińska Akademia Nauk, Instytut Technologii w Harbinie, Uniwersytet Technologii Północno-Zachodniej, Uniwersytet Donghua oraz Pekiński Instytut Aeronautyki i Astronautyki. Wśród instytucji zagranicznych, Indyjski Instytut Technologii, Uniwersytet Tokijski, Uniwersytet w Bristolu, Uniwersytet Monash, Uniwersytet w Manchesterze oraz Georgia Institute of Technology plasują się w przedziale 10–20 (rys. 3).
Liczba zgłoszeń patentowych w 30 najlepszych instytucjach, Japonia ma 5, a 3 z nich znajdują się w pierwszej piątce, firma Toray zajęła pierwsze miejsce, a następnie Mitsubishi Liyang (2. miejsce), Teijin (4. miejsce), East State (10. miejsce), Japan Toyo Textile Company (24. miejsce), Chiny mają 21 instytucji, Sinopec Group ma największą liczbę patentów, zajmując trzecie miejsce, na drugim miejscu Harbin Institute of Technology, Henan Ke Letter cable company, Donghua University, China Shanghai Petrochemical, Beijing Chemical Industry itp., Chińska Akademia Nauk Shanxi Coal zgłoszenie wynalazku Patent 66, zajmuje 27. miejsce, instytucje południowokoreańskie mają 2, z których Xiaoxing Co., Ltd. zajęło pierwsze miejsce, zajmując 8. miejsce.
Instytucje wyjściowe, wyniki prac pochodzą głównie z uniwersytetów i placówek naukowo-badawczych, patenty pochodzą głównie z firm; widać, że produkcja włókna węglowego jest branżą wysoko zaawansowaną technologicznie; jako główny podmiot zajmujący się badaniami i rozwojem przemysłu włókien węglowych, firma przywiązuje dużą wagę do ochrony technologii badań i rozwoju włókien węglowych, zwłaszcza 2 największe firmy w Japonii; liczba patentów jest znacznie większa.
3.4 Ogniska badawcze
Prace badawcze dotyczące włókien węglowych obejmują większość tematów badawczych: kompozyty z włókien węglowych (w tym kompozyty wzmacniane włóknem węglowym, kompozyty z matrycą polimerową itp.), badania właściwości mechanicznych, analizę elementów skończonych, nanorurki węglowe, delaminację, zbrojenie, zmęczenie, mikrostrukturę, przędzenie elektrostatyczne, obróbkę powierzchni, adsorpcję itd. Prace dotyczące tych słów kluczowych stanowią 38,8% całkowitej liczby prac.
Patenty na wynalazki z włókna węglowego obejmują większość zagadnień związanych z wytwarzaniem włókna węglowego, urządzeniami produkcyjnymi i materiałami kompozytowymi. Wśród nich japońskie firmy Toray, Mitsubishi Liyang, Teijin i inne w obszarze „kompozytów polimerowych wzmocnionych włóknem węglowym” posiadają istotne znaczenie techniczne. Ponadto Toray i Mitsubishi Liyang w obszarze „produkcji włókien węglowych z poliakrylonitrylem i urządzeń produkcyjnych”, „z nienasyconym nitrylem, takim jak poliakrylonitryl, poliwinylidenocyjanek etylenu do produkcji włókien węglowych” oraz inne technologie posiadają znaczną część patentów, a japońska firma Teijin w obszarze „kompozytów z włókien węglowych i tlenków” posiada większą część patentów.
Grupa China Sinopec, Uniwersytet Chemiczny w Pekinie, Chińskiej Akademii Nauk Ningbo Materials w dziedzinie „produkcji poliakrylonitrylu z włókien węglowych i sprzętu produkcyjnego” mają dużą część patentów; Ponadto Uniwersytet Inżynierii Chemicznej w Pekinie, Chiński Instytut Chemii Węglowej Shanxi i Chińskiej Akademii Nauk Ningbo Materials mają kluczowe patenty na technologię „Wykorzystanie włókien z pierwiastków nieorganicznych jako składników przygotowywania związków polimerowych”. Instytut Technologiczny w Harbinie koncentruje się na technologiach „obróbki włókien węglowych”, „kompozytów z włókien węglowych i związków zawierających tlen” i innych.
Ponadto, w rocznych statystykach rozkładu statystycznego globalnych patentów stwierdzono, że w ciągu ostatnich trzech lat zaczęło pojawiać się wiele nowych gorących punktów, takich jak: „Kompozycje poliamidów uzyskane w wyniku reakcji tworzenia wiązań karboksylanowych w łańcuchu głównym”, „kompozycje poliestrowe z utworzenia wiązań estrów kwasu 1-karboksylowego w łańcuchu głównym”, „materiał kompozytowy na bazie materiałów syntetycznych”, „cykliczne związki zawierające tlen kwasu karboksylowego jako składniki kompozytów z włókien węglowych”, „w trójwymiarowej formie zestalania lub obróbki materiałów tekstylnych”, „nienasycony eter, acetal, semiacetal, keton lub aldehyd tylko poprzez reakcję nienasyconego wiązania węgiel-węgiel do produkcji związków polimerowych”, „adiabatyczna rura lub kabel z materiału”, „Kompozyty z włókna węglowego z estrami fosforanowymi jako składnikami” i tak dalej.
W ostatnich latach nastąpił dynamiczny rozwój badań i rozwoju w sektorze włókien węglowych, a większość przełomowych odkryć pochodzi ze Stanów Zjednoczonych i Japonii. Najnowsze technologie koncentrują się nie tylko na technologii produkcji i przygotowania włókien węglowych, ale także na zastosowaniach w szerszej gamie materiałów motoryzacyjnych, takich jak materiały lekkie, materiały do druku 3D i materiały energetyczne. Ponadto recykling i recykling materiałów z włókien węglowych, wytwarzanie ligniny drzewnej i inne osiągnięcia charakteryzują się wysoką skutecznością. Poniżej opisano reprezentatywne wyniki:
1) Amerykański Instytut Technologiczny w Georgii przełamuje bariery technologii włókien węglowych trzeciej generacji
W lipcu 2015 r., dzięki dotacjom DARPA, Georgia Institute of Technology, dzięki swojej innowacyjnej technice przędzenia żelu z włókna węglowego, znacząco zwiększył moduł sprężystości, przewyższając włókno Hershey IM7 Carbon, które jest obecnie szeroko stosowane w samolotach wojskowych. Dzięki temu stał się drugim krajem na świecie, po Japonii, który opanował trzecią generację technologii włókien węglowych.
Wytrzymałość na rozciąganie włókna węglowego z przędzenia żelowego firmy Kumarz sięga 5,5–5,8 Gpa, a moduł sprężystości przy rozciąganiu mieści się w przedziale 354–375 Gpa. „To ciągłe włókno, o którym donoszono, że charakteryzuje się najwyższą wytrzymałością i modułem sprężystości w zakresie wydajności kompleksowej. W wiązce krótkich włókien wytrzymałość na rozciąganie sięga 12,1 Gpa, co jest najwyższą wartością wśród włókien węglowych poliakrylonitrylowych”.
2) Technologia ogrzewania falami elektromagnetycznymi
W 2014 roku firma Nedo opracowała technologię nagrzewania falami elektromagnetycznymi. Technologia karbonizacji falami elektromagnetycznymi polega na wykorzystaniu technologii nagrzewania falami elektromagnetycznymi do karbonizacji włókna pod ciśnieniem atmosferycznym. Uzyskane właściwości włókna węglowego są zasadniczo takie same, jak włókna węglowego wytwarzanego metodą nagrzewania w wysokiej temperaturze. Moduł sprężystości może osiągnąć ponad 240 GPA, a wydłużenie przy zerwaniu przekracza 1,5%, co jest pierwszym osiągnięciem na świecie.
Włóknistopodobny materiał jest karbonizowany falą elektromagnetyczną, dzięki czemu nie jest potrzebny piec karbonizacyjny do nagrzewania w wysokiej temperaturze. Proces ten nie tylko skraca czas karbonizacji, ale także zmniejsza zużycie energii i emisję CO2.
3) precyzyjna kontrola procesu karbonizacji
W marcu 2014 roku firma Toray ogłosiła pomyślne opracowanie włókna węglowego t1100g. Toray wykorzystuje tradycyjną technologię przędzenia w kąpieli olejowej do precyzyjnej kontroli procesu karbonizacji, poprawy mikrostruktury włókna węglowego w skali nano, kontroli orientacji mikrokrystalicznej grafitu, rozmiaru mikrokrystalicznego, defektów itp. we włóknie po karbonizacji, co pozwala na znaczną poprawę wytrzymałości i modułu sprężystości. Wytrzymałość na rozciąganie włókna t1100g wynosi 6,6 GPa, czyli o 12% więcej niż włókna T800, a moduł sprężystości wynosi 324 GPa i jest wyższy o 10%, co oznacza, że włókno to wchodzi w fazę industrializacji.
4) Technologia obróbki powierzchni
Firma Teijin East State z powodzeniem opracowała technologię plazmowej obróbki powierzchni, która pozwala kontrolować wygląd włókna węglowego w zaledwie kilka sekund. Ta nowa technologia znacznie upraszcza cały proces produkcyjny i zmniejsza zużycie energii o 50% w porównaniu z istniejącą technologią obróbki powierzchniowej wodnych roztworów elektrolitu. Ponadto, po obróbce plazmowej stwierdzono również poprawę przyczepności włókna do matrycy żywicznej.
5) badanie wskaźnika utrzymania wytrzymałości na rozciąganie włókien węglowych w środowisku grafitu o wysokiej temperaturze
Firma Ningbo Materials przeprowadziła z powodzeniem szczegółowe badanie dotyczące analizy procesów, badań strukturalnych i optymalizacji wydajności krajowych włókien węglowych o wysokiej wytrzymałości i wysokich trybach, w szczególności prace badawcze dotyczące współczynnika retencji wytrzymałości na rozciąganie włókien węglowych w środowisku grafitu o wysokiej temperaturze oraz niedawne pomyślne przygotowanie włókna węglowego o wysokiej wytrzymałości i wyższym module sprężystości o wytrzymałości na rozciąganie 5,24 GPa i module sprężystości 593 GPa. W dalszym ciągu ma ono przewagę pod względem wytrzymałości na rozciąganie w porównaniu z japońskim włóknem węglowym o wysokiej wytrzymałości Toray m60j, wysoce formowanym (wytrzymałość na rozciąganie 3,92 GPa, moduł sprężystości 588 GPa).
6) Grafit mikrofalowy
Firma Yongda Advanced Materials z powodzeniem opracowała opatentowaną w Stanach Zjednoczonych technologię grafitu ultrawysokotemperaturowego, umożliwiającą produkcję włókien węglowych średniego i wyższego rzędu, a także skutecznie przełamała trzy wąskie gardła w rozwoju włókien węglowych wysokiego rzędu: drogi sprzęt do produkcji grafitu, będący pod kontrolą międzynarodową, trudności w technologii chemicznej surowego jedwabiu oraz niskie i wysokie koszty produkcji. Do tej pory firma Yongda opracowała 3 rodzaje włókien węglowych, z których wszystkie podniosły wytrzymałość i moduł sprężystości pierwotnego, stosunkowo niskiej jakości włókna węglowego do niespotykanego dotąd poziomu.
7) Nowa metoda topienia drutu z włókien węglowych na bazie patelni opracowana przez Fraunhofer, Niemcy
Instytut Fraunhofera ds. Polimerów Stosowanych (IAP) ogłosił niedawno, że zaprezentuje najnowszą technologię Comcarbon podczas targów lotniczych Berlin Air Show Ila, które odbędą się 25 i 29 kwietnia 2018 roku. Technologia ta znacznie obniża koszty produkcji włókna węglowego produkowanego masowo.
Rys. 4 Wytapianie surowego drutu metodą przędzenia.
Powszechnie wiadomo, że w tradycyjnych procesach połowa kosztów produkcji włókna węglowego na bazie panwi jest pochłaniana w procesie produkcji drutu surowego. Ze względu na brak możliwości stopienia drutu surowego, musi on być wytwarzany w drodze kosztownego procesu przędzenia z roztworu (Solution Spinning). „W tym celu opracowaliśmy nowy proces produkcji surowego jedwabiu na bazie panwi, który może obniżyć koszty produkcji drutu surowego o 60%. Jest to ekonomiczny i wykonalny proces przędzenia z topienia, wykorzystujący specjalnie opracowany stopiony kopolimer na bazie panwi” – wyjaśnił dr Johannes Ganster, minister ds. polimerów biologicznych w Instytucie Fraunhofera IAP.
8) Technologia utleniania plazmowego
Firma 4M Carbon Fiber ogłosiła, że wykorzystanie technologii utleniania plazmowego do produkcji i sprzedaży wysokiej jakości, taniego włókna węglowego będzie jej strategicznym celem, a nie tylko licencjonowaniem tej technologii. 4M twierdzi, że technologia utleniania plazmowego jest trzy razy szybsza niż konwencjonalna technologia utleniania, a zużycie energii jest niższe o jedną trzecią w porównaniu z technologią tradycyjną. Deklaracje te zostały potwierdzone przez wielu międzynarodowych producentów włókna węglowego, którzy konsultują się z wieloma największymi na świecie producentami włókna węglowego i producentami samochodów, aby włączyć się w inicjatywę produkcji taniego włókna węglowego.
9) Włókno celulozowe nano
Uniwersytet w Kioto w Japonii, wraz z kilkoma głównymi dostawcami komponentów, takimi jak firma instalacyjna (największy dostawca Toyoty) i Daikyonishikawa Corp., pracuje nad rozwojem tworzyw sztucznych łączących nanowłókna celulozowe. Materiał ten powstaje w wyniku rozdrobnienia masy celulozowej drewna na kilka mikronów (1 na tysiąc milimetrów). Waga nowego materiału stanowi zaledwie jedną piątą wagi stali, ale jego wytrzymałość jest pięciokrotnie wyższa.
10) przednia część nadwozia z włókna węglowego z dodatkiem surowców poliolefinowych i ligniny
Oak Ridge National Laboratory w Stanach Zjednoczonych zajmuje się badaniami nad tanimi włóknami węglowymi od 2007 r. i opracowało przednie korpusy z włókna węglowego do produkcji surowców poliolefinowych i ligninowych, a także zaawansowane technologie wstępnego utleniania plazmowego i karbonizacji mikrofalowej.
11) Nowy polimer (prekursor polimeru) został opracowany poprzez usunięcie obróbki ogniotrwałej
W metodzie produkcji opracowanej przez Uniwersytet Tokijski opracowano nowy polimer (prekursor polimeru) w celu wyeliminowania obróbki ogniotrwałej. Głównym założeniem jest to, że po przekształceniu polimeru w jedwab nie jest on poddawany pierwotnej obróbce ogniotrwałej, lecz utleniany w rozpuszczalniku. Urządzenie mikrofalowe jest następnie podgrzewane do temperatury ponad 1000°C w celu karbonizacji. Czas nagrzewania wynosi zaledwie 2-3 minuty. Po karbonizacji, plazma jest również wykorzystywana do obróbki powierzchni, co pozwala na wytworzenie włókna węglowego. Obróbka plazmowa trwa mniej niż 2 minuty. W ten sposób pierwotny czas spiekania, wynoszący 30-60 minut, można skrócić do około 5 minut. W nowej metodzie produkcji, obróbka plazmowa ma na celu poprawę wiązania między włóknem węglowym a żywicą termoplastyczną, stanowiącą materiał bazowy CFRP. Moduł sprężystości przy rozciąganiu włókna węglowego wytwarzanego nową metodą wynosi 240 GPa, wytrzymałość na rozciąganie 3,5 GPa, a wydłużenie sięga 1,5%. Wartości te odpowiadają poziomowi włókna węglowego Toray Universal T300 stosowanego w sprzęcie sportowym itp.
12) recykling i wykorzystanie materiałów z włókna węglowego przy użyciu procesu fluidalnego
Mengran Meng, pierwszy autor badania, powiedział: „Odzysk włókien węglowych zmniejsza wpływ na środowisko w porównaniu z produkcją surowego włókna węglowego, ale świadomość potencjalnych technologii recyklingu i opłacalności ekonomicznej recyklingu włókien węglowych jest ograniczona. Recykling przebiega dwuetapowo: włókna muszą zostać najpierw odzyskane z kompozytów z włókien węglowych i rozłożone termicznie poprzez mechaniczne rozdrabnianie materiałów lub za pomocą pirolizy lub procesów w złożu fluidalnym. Metody te usuwają plastikową część materiału kompozytowego, pozostawiając włókno węglowe, które następnie można przekształcić w maty z włókien splątanych za pomocą technologii mokrego papieru lub zreorganizować we włókna kierunkowe.
Naukowcy obliczyli, że włókno węglowe można odzyskać z odpadów kompozytowych z włókna węglowego za pomocą procesu fluidalnego, co wymaga zaledwie 5 dolarów/kg i mniej niż 10% energii potrzebnej do wytworzenia pierwotnego włókna węglowego. Włókna węglowe z recyklingu, produkowane w procesie fluidalnym, praktycznie nie powodują zmniejszenia modułu sprężystości, a wytrzymałość na rozciąganie jest niższa o 18% do 50% w porównaniu z pierwotnymi włóknami węglowymi, co czyni je odpowiednimi do zastosowań wymagających dużej sztywności, a nie wytrzymałości. „Włókna węglowe z recyklingu mogą być odpowiednie do zastosowań niekonstrukcyjnych, wymagających małej masy, takich jak przemysł motoryzacyjny, budowlany, wiatrowy i sportowy” – powiedział Meng.
13) Nowa technologia recyklingu włókna węglowego opracowana w Stanach Zjednoczonych
W czerwcu 2016 r. naukowcy z Georgia Institute of Technology w Stanach Zjednoczonych zanurzyli włókno węglowe w rozpuszczalniku zawierającym alkohol, aby rozpuścić żywicę epoksydową; oddzielone włókna i żywice epoksydowe można było ponownie wykorzystać; jest to udana realizacja procesu odzyskiwania włókien węglowych.
W lipcu 2017 r. Uniwersytet Stanowy Waszyngtonu opracował również technologię odzyskiwania włókien węglowych, wykorzystującą słaby kwas jako katalizator, a następnie ciekły etanol w stosunkowo niskich temperaturach do rozkładu materiałów termoutwardzalnych. Rozłożone włókno węglowe i żywica są konserwowane oddzielnie i mogą być ponownie wykorzystane.
14) Rozwój technologii druku 3D z wykorzystaniem tuszu z włókna węglowego w laboratorium LLNL w USA
W marcu 2017 roku, w Lawrence Livemore National Laboratory (LLNL) w Stanach Zjednoczonych opracowano pierwsze, drukowane w technologii 3D, wysokowydajne kompozyty z włókna węglowego klasy lotniczej. Wykorzystano metodę druku 3D z bezpośrednim nanoszeniem tuszu (DIW) do stworzenia złożonych struktur trójwymiarowych, które znacznie zwiększyły szybkość przetwarzania, co znalazło zastosowanie w motoryzacji, lotnictwie, obronności, zawodach motocyklowych i surfingu.
15) Stany Zjednoczone, Korea i Chiny współpracują przy rozwoju włókna węglowego do wytwarzania energii
W sierpniu 2017 roku kampus Uniwersytetu Teksańskiego w Dallas, Uniwersytet Hanyang w Korei, Uniwersytet Nankai w Chinach i inne instytucje współpracowały nad opracowaniem materiału z przędzy z włókien węglowych do wytwarzania energii. Przędza jest najpierw zanurzana w roztworach elektrolitu, takich jak solanka, co pozwala jonom elektrolitu na przyłączenie się do powierzchni nanorurek węglowych, które następnie, gdy przędza jest napinana lub rozciągana, mogą być przekształcane w energię elektryczną. Materiał może być stosowany w dowolnym miejscu, w którym występuje niezawodna energia kinetyczna, i nadaje się do zasilania czujników Internetu Rzeczy (IoT).
16) Nowe postępy w badaniach nad włóknami węglowymi ligniny drzewnej uzyskane odpowiednio przez Chińczyków i Amerykanów
W marcu 2017 roku zespół ds. włókien specjalnych z Instytutu Technologii i Inżynierii Materiałowej w Ningbo opracował kopolimer ligniny i akrylonitrylu o dobrej przędzalności i stabilności termicznej, wykorzystując dwuetapową technologię modyfikacji estryfikacji i kopolimeryzacji wolnorodnikowej. Wysokiej jakości włókna ciągłe uzyskano dzięki zastosowaniu kopolimeru i procesu przędzenia na mokro, a kompaktowe włókno węglowe uzyskano po stabilizacji termicznej i karbonizacji.
W sierpniu 2017 roku zespół badawczy Birgitte Ahring z Uniwersytetu Waszyngtońskiego w Stanach Zjednoczonych zmieszał ligninę i poliakrylonitryl w różnych proporcjach, a następnie wykorzystał technologię przędzenia ze stopu do przekształcenia mieszanych polimerów we włókna węglowe. Badanie wykazało, że lignina dodana do 20–30% nie wpłynęła na wytrzymałość włókna węglowego i można było się spodziewać jej wykorzystania w produkcji tańszych materiałów z włókna węglowego do części samochodowych i lotniczych.
Pod koniec 2017 roku Narodowe Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL) opublikowało wyniki badań nad produkcją akrylonitrylu z wykorzystaniem odpadów roślinnych, takich jak słoma kukurydziana i pszenna. Najpierw rozkładają one materiały roślinne na cukry, a następnie przetwarzają je w kwasy, które następnie łączą z tanimi katalizatorami, aby uzyskać produkty docelowe.
17) Japonia opracowuje pierwsze podwozie samochodu wykonane z kompozytu termoplastycznego wzmocnionego włóknem węglowym
W październiku 2017 roku japońska Agencja Badań i Rozwoju (R&D) oraz Narodowe Centrum Badań Kompozytów Uniwersytetu Nagoi (National Composites Research Center) opracowały pierwsze na świecie podwozie samochodowe z kompozytu termoplastycznego wzmocnionego włóknem węglowym. Wykorzystują one automatyczny proces formowania bezpośredniego on-line kompozytów termoplastycznych wzmocnionych długimi włóknami, ciągłe mieszanie włókien węglowych i cząstek żywicy termoplastycznej, produkcję kompozytów wzmocnionych włóknem, a następnie, poprzez podgrzewanie i topienie, udaną produkcję podwozi samochodowych z termoplastycznego CFRP.
5. Sugestie dotyczące badań i rozwoju technologii włókna węglowego w Chinach
5.1 Przyszłościowy układ, zorientowany na cel, skupiony na przełamaniu trzeciej generacji technologii włókna węglowego
Chińska technologia włókien węglowych drugiej generacji nie jest jeszcze całkowitym przełomem, nasz kraj powinien starać się o przyszłościowe rozwiązanie, które połączy nasze odpowiednie instytucje badawcze, skupi się na przejęciu kluczowych technologii, skupieniu się na badaniach i rozwoju technologii przygotowywania włókien węglowych o wysokiej wydajności trzeciej generacji (tj. mającej zastosowanie w przemyśle lotniczym, technologii włókien węglowych o wysokim module sprężystości i wytrzymałości) oraz opracowaniu technologii materiałów kompozytowych z włókna węglowego, w tym dla motoryzacji, budownictwa, napraw i innych lekkich, tanich dużych holowanych konstrukcji z włókna węglowego, technologii wytwarzania addytywnego materiałów kompozytowych z włókna węglowego, technologii recyklingu i technologii szybkiego prototypowania.
5.2 Koordynacja organizacji, wzmocnienie wsparcia, utworzenie dużych projektów technicznych w celu ciągłego wspierania badań prowadzonych we współpracy
Obecnie w Chinach istnieje wiele instytucji prowadzących badania nad włóknami węglowymi, ale ich potencjał jest rozproszony, a brak jednolitego mechanizmu organizacji badań i rozwoju oraz silnego wsparcia finansowego dla efektywnej koordynacji. Sądząc po doświadczeniach rozwojowych krajów rozwiniętych, organizacja i struktura dużych projektów odgrywają istotną rolę w promowaniu rozwoju tej dziedziny techniki. Powinniśmy skupić się na chińskiej przewadze w dziedzinie badań i rozwoju, mając na uwadze przełomowe chińskie technologie badań i rozwoju w dziedzinie włókien węglowych, aby rozpocząć duże projekty, wzmocnić współpracę w zakresie innowacji technologicznych i stale promować chiński poziom technologii badań nad włóknami węglowymi, a także konkurencję na rynku międzynarodowym w zakresie włókien węglowych i kompozytów.
5.3 Doskonalenie mechanizmu oceny zorientowania na efekty aplikacyjne osiągnięć technicznych
Z punktu widzenia analizy ekonometrycznej prac SCI, chińskie włókno węglowe jest materiałem o wysokiej wytrzymałości i wydajności, wykorzystywanym w różnych dziedzinach badań, ale w przypadku technologii produkcji i przygotowania włókien węglowych, nacisk kładziony jest szczególnie na redukcję kosztów i poprawę wydajności produkcji przy mniejszej liczbie badań. Proces produkcji włókien węglowych jest długi, kluczowe punkty technologiczne, wysokie bariery produkcyjne, integracja multidyscyplinarna i wielotechnologiczna, wymagająca przełamania barier technicznych, aby skutecznie promować badania i rozwój technologii przygotowania rdzeni o „niskich kosztach i wysokiej wydajności”. Z jednej strony, konieczne jest zwiększenie inwestycji w badania, z drugiej strony, osłabienie oceny wydajności badań naukowych, wzmocnienie wytycznych dotyczących oceny wpływu zastosowań osiągnięć technicznych oraz przejście od oceny „ilościowej”, która koncentruje się na publikacji, do oceny „jakościowej” wartości wyników.
5.4 Wzmocnienie rozwoju talentów w zakresie najnowocześniejszych technologii
Zaawansowany technologicznie charakter technologii włókna węglowego decyduje o znaczeniu wyspecjalizowanych talentów, a to, czy dysponują oni najnowocześniejszym personelem technicznym, bezpośrednio determinuje poziom prac badawczo-rozwojowych danej instytucji.
W związku z rozwojem powiązań badawczo-rozwojowych w dziedzinie włókien węglowych, powinniśmy zwrócić uwagę na szkolenie personelu, aby zapewnić koordynację i rozwój wszystkich ogniw. Ponadto, biorąc pod uwagę historię rozwoju badań nad włóknami węglowymi w Chinach, przepływ kluczowych ekspertów technologicznych jest często kluczowym czynnikiem wpływającym na poziom badań i rozwoju instytucji badawczej. Utrzymanie stałych kontaktów kluczowych ekspertów i zespołów badawczo-rozwojowych w procesach produkcyjnych, kompozytach i głównych produktach jest istotne dla ciągłego rozwoju technologii.
Powinniśmy nadal wzmacniać szkolenie i wykorzystanie wyspecjalizowanego personelu high-tech w tej dziedzinie, udoskonalać politykę oceny i traktowania talentów w dziedzinie badań i rozwoju technologicznego, wzmacniać rozwój młodych talentów, aktywnie wspierać współpracę i wymianę z zagranicznymi instytucjami badawczo-rozwojowymi oraz energicznie wprowadzać zagraniczne talenty zaawansowane itp. Będzie to odgrywać ogromną rolę w promowaniu rozwoju badań nad włóknem węglowym w Chinach.
Cytat z-
Analiza rozwoju globalnej technologii włókien węglowych i jej popularyzacji w Chinach. Tian Yajuan, Zhang Zhiqiang, Tao Cheng, Yang Ming, Ba Jin, Chen Yunwei.Światowe badania i rozwój naukowo-techniczny.2018
Czas publikacji: 04-12-2018