Углеродное волокно – это новый неорганический полимерный материал с содержанием углерода более 95%, обладающий низкой плотностью, высокой прочностью, высокой термостойкостью, высокой химической стабильностью, устойчивостью к усталости, износостойкостью и другими превосходными физико-химическими свойствами. Он обладает высокой виброизоляцией, хорошей теплопроводностью, электромагнитной защитой, низким коэффициентом теплового расширения и другими характеристиками. Эти превосходные свойства углеродного волокна широко используются в аэрокосмической промышленности, железнодорожном транспорте, автомобилестроении, производстве оружия и оборудования, строительной технике, строительстве инфраструктуры, морском машиностроении, нефтяной промышленности, ветроэнергетике, производстве спортивных товаров и других областях.
Исходя из национальных стратегических потребностей в углеродном волокне, Китай включил его в список основных технологий развивающихся отраслей, которым уделяется особое внимание. В национальном плане развития науки и технологий «Двенадцать пять» технология производства и применения высокопроизводительного углеродного волокна является одной из основных технологий стратегически развивающихся отраслей, поддерживаемых государством. В мае 2015 года Государственный совет официально опубликовал программу «Сделано в Китае 2025», в которой новые материалы рассматриваются как одно из ключевых направлений активного продвижения и развития, включая высокопроизводительные конструкционные материалы, а передовые композиты являются основным направлением развития в области новых материалов. В октябре 2015 года Министерство промышленности и информационной индустрии официально опубликовало «Дорожную карту ключевых технологических направлений производства Китая до 2025 года», в которой «высокопроизводительное волокно и его композиты» рассматриваются как ключевой стратегический материал. Цель на 2020 год — «создание отечественных углеродных композитов, отвечающих техническим требованиям крупногабаритных самолетов и другого важного оборудования». В ноябре 2016 года Государственный совет КНР опубликовал Национальный стратегический план развития новых отраслей промышленности «Тринадцать-пять», в котором четко обозначена необходимость укрепления поддержки сотрудничества в области производства новых материалов на всех этапах, включая пилотные испытания композитов из углеродного волокна и других отраслей, а также создания платформы для совместного применения. В январе 2017 года Министерство промышленности и развития, Национальная комиссия по развитию и реформам, Министерство науки и технологий и Министерство финансов совместно разработали «Руководство по развитию отраслей новых материалов», в котором было предложено к 2020 году «в области производства композитов из углеродного волокна, высококачественной специальной стали, современных легких сплавов и других отраслей достичь индустриализации и применения более 70 ключевых новых материалов, создать систему поддержки технологического оборудования, соответствующую уровню развития китайской индустрии новых материалов».
Поскольку углеродное волокно и его композиты играют важную роль в национальной обороне и жизнеобеспечении народа, многие эксперты сосредоточены на их разработке и анализе тенденций исследований. Доктор Чжоу Хун рассмотрел научный и технологический вклад, внесенный американскими учеными на ранних этапах разработки технологии высокопроизводительного углеродного волокна, а также просмотрел и сообщил о 16 основных применениях и последних технологических достижениях углеродного волокна, а технология производства, свойства и применение полиакрилонитрильного углеродного волокна и его текущее технологическое развитие были рассмотрены доктором Вэй Синь и др. Он также выдвигает некоторые конструктивные предложения по проблемам, существующим в развитии углеродного волокна в Китае. Кроме того, многие люди проводили исследования по метрологическому анализу статей и патентов в области углеродного волокна и его композитов. Например, Ма Сянлинь и другие с точки зрения метрологии из распределения патентов на углеродное волокно 1998-2017 годов и применения области анализа; Ян Сиси и другие на основе инновационной платформы для поиска патентов на ткани из углеродного волокна и статистики данных анализируют ежегодные тенденции развития патентов, патентообладателей, горячие точки патентных технологий и основные патенты на технологии.
С точки зрения траектории исследований и разработок в области углеродного волокна, исследования Китая почти синхронизированы с миром, но развитие идет медленно, масштабы и качество производства высокопроизводительного углеродного волокна по сравнению с зарубежными странами имеют разрыв, существует настоятельная необходимость ускорить процесс НИОКР, продвинуть стратегическую планировку, воспользоваться будущей возможностью развития отрасли. Поэтому в этой статье сначала исследуется планировка проектов стран в области исследований углеродного волокна, чтобы понять планирование маршрутов НИОКР в различных странах, а во-вторых, поскольку фундаментальные исследования и прикладные исследования углеродного волокна очень важны для технических исследований и разработок в области углеродного волокна, поэтому мы проводим метрологический анализ из результатов академических исследований - статей SCI и результатов прикладных исследований - патентов одновременно, чтобы получить всестороннее понимание прогресса НИОКР в области углеродного волокна и сканировать последние научно-исследовательские разработки в этой области, чтобы Peep International Frontier R & D progress. Наконец, на основании вышеизложенных результатов исследования, выдвигаются некоторые предложения по направлению исследований и разработок в области углеродного волокна в Китае.
2. Сволокно arbonмакет исследовательского проектаосновные страны/регионы
Основными странами-производителями углеродного волокна являются Япония, США, Южная Корея, некоторые европейские страны, а также Тайвань и Китай. Страны с передовыми технологиями, находящиеся на раннем этапе развития технологии углеродного волокна, осознали важность этого материала, разработали стратегические планы и активно содействовали развитию углеродных материалов.
2.1 Япония
Япония является наиболее развитой страной в области технологий углеродного волокна. На долю трёх японских компаний Toray, Bong и Mitsubishi Liyang приходится около 70–80% мирового рынка производства углеродного волокна. Тем не менее, Япония придаёт большое значение сохранению своих позиций в этой области, в частности, разработке высокопроизводительных углеродных волокон на основе пан-форм и энергосберегающих и экологически чистых технологий, обладая мощной кадровой и финансовой поддержкой. В ряде основных политических мер, включая Базовый энергетический план, Стратегический план экономического роста и Киотский протокол, этот стратегический проект, требующий дальнейшего развития, был принят Министерством экономики, промышленности и имущества Японии в рамках базовой национальной энергетической и экологической политики. В рамках этой политики Министерство экономики, промышленности и имущества Японии разработало «Программу исследований и разработок в области энергосберегающих технологий». Благодаря этой политике японская индустрия углеродного волокна смогла более эффективно централизовать все аспекты ресурсов и содействовать решению общих проблем в этой отрасли.
«Разработка технологий, таких как инновационные конструкционные материалы» (2013–2022) – это проект, реализуемый в рамках «Исследовательского проекта будущего развития» в Японии для значительного развития необходимой инновационной технологии конструкционных материалов и комбинирования различных материалов с главной целью – снизить вес транспортных средств (в два раза по сравнению с массой автомобиля). И, наконец, реализовать его на практике. После принятия проекта исследований и разработок в 2014 году Агентство развития промышленных технологий (NEDO) разработало несколько подпроектов, в которых основными целями исследовательского проекта «Базовые исследования и разработки инновационных углеродных волокон» были: разработка новых соединений-предшественников углеродных волокон; выяснение механизма образования карбонизированных структур; разработка и стандартизация методов оценки углеродных волокон. Проект, реализуемый под руководством Токийского университета при участии Института промышленных технологий (NEDO), компаний Toray, Teijin, Dongyuan и Mitsubishi Liyang, достиг значительного прогресса в январе 2016 года и стал очередным крупным прорывом в области углеродного волокна на основе пан-пластика после изобретения «режима Кондо» в Японии в 1959 году.
2.2 Соединенные Штаты
Агентство предварительных оборонных исследований США (DARPA) запустило проект «Advanced Structural Fiber» в 2006 году с целью объединения ведущих научно-исследовательских сил страны для разработки структурных волокон нового поколения на основе углеродных волокон. При поддержке этого проекта исследовательская группа Технологического института Джорджии (США) в 2015 году совершила прорыв в технологии подготовки необработанной проволоки, увеличив её модуль упругости на 30%, что ознаменовало начало разработки Соединёнными Штатами углеродного волокна третьего поколения.
В 2014 году Министерство энергетики США (DOE) объявило о выделении субсидии в размере 11,3 млн долларов на два проекта: «Многоступенчатые каталитические процессы преобразования сахаров из непищевой биомассы в акрилонитрил» и «Исследование и оптимизация производства акрилонитрила из биомассы» для стимулирования использования сельскохозяйственных отходов, исследования конкурентоспособных по стоимости возобновляемых высокопроизводительных углеродных волокнистых материалов для производства возобновляемого непищевого сырья, такого как древесная биомасса, и планы по снижению себестоимости производства возобновляемых углеродных волокон из биомассы до менее 5 долларов за фунт к 2020 году.
В марте 2017 года Министерство энергетики США снова объявило о выделении 3,74 млн долларов на финансирование «проекта НИОКР по созданию недорогих компонентов из углеродного волокна», возглавляемого Западноамериканским институтом (WRI), который фокусируется на разработке недорогих компонентов из углеродного волокна на основе таких ресурсов, как уголь и биомасса.
В июле 2017 года Министерство энергетики США объявило о выделении 19,4 млн долларов на поддержку исследований и разработок современных энергоэффективных транспортных средств, 6,7 млн долларов из которых пойдут на финансирование подготовки недорогих углеродных волокон с использованием вычислительных материалов, включая разработку многомасштабных методов оценки для интегрированной компьютерной технологии с целью определения энтузиазма новых прекурсоров углеродного волокна. Усовершенствованная молекулярная динамика с использованием теории функционала плотности, машинное обучение и другие инструменты используются для разработки современных компьютерных инструментов для повышения эффективности выбора недорогих сырьевых материалов для углеродного волокна.
2.3 Европа
Европейская промышленность по производству углеродного волокна развивалась в Японии и США в семидесятых или восьмидесятых годах XX века, но из-за технологий и капитала многие компании, производящие только углеродное волокно, не смогли удержаться на плаву в период высокого роста спроса на углеродное волокно после 2000 года и исчезли. Немецкая компания SGL является единственной компанией в Европе, которая занимает большую долю мирового рынка углеродного волокна.
В ноябре 2011 года Европейский союз запустил проект Eucarbon, направленный на модернизацию европейских производственных мощностей по производству углеродного волокна и предварительно пропитанных материалов для аэрокосмической отрасли. Проект длился 4 года, а общий объем инвестиций составил 3,2 миллиона евро. В мае 2017 года была успешно запущена первая в Европе специальная линия по производству углеродного волокна для космических аппаратов, таких как спутники. Это позволило Европе избавиться от импортной зависимости и обеспечить надежность поставок материалов.
Седьмая рамочная программа ЕС предусматривает поддержку проекта «Функциональное углеродное волокно для получения новой системы прекурсоров с экономически эффективными и управляемыми характеристиками» (FIBRALSPEC) (2014–2017 гг.) в размере 6,08 млн евро. Этот четырёхлетний проект, реализуемый под руководством Национального технического университета Афин (Греция) при участии таких многонациональных компаний, как Италия, Великобритания и Украина, направлен на внедрение инноваций и совершенствование процесса непрерывной подготовки углеродных волокон на основе полиакрилонитрила для экспериментального производства непрерывно гибких углеродных волокон. В рамках проекта успешно завершена разработка и внедрение углеродного волокна и усовершенствованной технологии композитов из возобновляемых органических полимерных материалов (таких как суперконденсаторы, быстродействующие аварийные убежища, а также прототипы механических электрических роторных установок для нанесения покрытий и разработка производственной линии нановолокон и т. д.).
Всё большему числу отраслей промышленности, таких как автомобилестроение, ветроэнергетика и судостроение, требуются лёгкие и высокопроизводительные композиты, что представляет собой огромный потенциальный рынок для индустрии углеродных волокон. ЕС инвестирует 5,968 млн евро в запуск проекта Carboprec (2014–2017 гг.), стратегической целью которого является разработка недорогих прекурсоров из возобновляемых материалов, широко представленных в Европе, и расширение производства высокопроизводительных углеродных волокон с использованием углеродных нанотрубок.
Исследовательская программа Европейского союза Cleansky II финансировала проект «Исследования и разработки в области композитных шин» (2017 г.), возглавляемый Институтом Фраунгофера по надежности производства и систем (LBF) в Германии. В рамках проекта планируется разработать компоненты переднего колеса для армированного углеродным волокном композита для самолёта Airbus A320. Цель проекта — снизить вес на 40% по сравнению с традиционными металлическими материалами. Стоимость проекта составляет около 200 000 евро.
2.4 Корея
Исследования и разработки в области углеродного волокна в Южной Корее начались поздно, в 2006 году, а в 2013 году официально вышли на практическую стадию, что позволило полностью изменить ситуацию с импортом в Корее. Южнокорейская компания Xiaoxing Group и Taiguang Business, являющиеся представителями пионеров отрасли и активно занимающиеся разработкой углеродного волокна, добились сильного развития. Кроме того, производственная база углеродного волокна, созданная компанией Toray Japan в Корее, также внесла свой вклад в развитие корейского рынка углеродного волокна.
Правительство Кореи решило сделать Группу «Сяосин» местом встречи инновационных отраслей промышленности углеродного волокна. Целью является формирование кластера производства углеродных материалов и содействие развитию творческой экономической экосистемы во всем Северном регионе. Конечная цель – формирование комплексной производственной цепочки «углеродные материалы → детали → готовый продукт». Создание инкубационного кластера углеродного волокна может быть сопоставимо с Кремниевой долиной в США, выходом на новые рынки и созданием новой добавленной стоимости. Достижение цели в 10 миллиардов долларов США по экспорту продукции из углеродного волокна (что эквивалентно примерно 55,2 миллиарда юаней) к 2020 году.
3. Анализ глобальных исследований и результатов исследований в области углеродного волокна
В этом подразделе приведены статьи SCI, связанные с исследованиями углеродного волокна, и результаты патентования DII с 2010 года, с целью одновременного анализа академических исследований и промышленных исследований и разработок в области технологий углеродного волокна во всем мире, а также для полного понимания прогресса в области исследований и разработок углеродного волокна на международном уровне.
Данные получены из баз данных Scie и Dewent в базе данных Web of Science, опубликованной Clarivate Analytics; временной диапазон извлечения: 2010–2017 гг.; дата извлечения: 1 февраля 2018 г.
Стратегия поиска документов SCI: Ts=((углеродное волокно* или Carbonfiber* или («Углеродное волокно*», а не «углеродное стекловолокно») или «углеродное волокно*» или «углеродная нить*» или ((полиакрилонитрил или пек) и «прекурсор*» andfiber*) или («графитовое волокно*»)) а не («бамбуковый углерод»))。
Стратегия поиска патентов Dewent: Ti=((углеродное волокно* или Углеродное волокно* или ("Углеродное волокно*" а не "углеродное стекловолокно") или "углеродное волокно*" или "углеродная нить*" или ((полиакрилонитрил или пек) и "прекурсор*" и волокно*) или ("графитовое волокно*")) а не ("бамбуковый углерод")) или TS=((углеродное волокно* или Углеродное волокно* или ("Углеродное волокно*" а не "углеродное стекловолокно") или "углеродное волокно*" или "углеродная нить*" или ((полиакрилонитрил или пек) и "прекурсор*" и волокно*) или ("графитовое волокно*")) а не ("бамбуковый углерод")) и IP=(D01F-009/12 или D01F-009/127 или D01F-009/133 или D01F-009/14 или D01F-009/145 или D01F-009/15 или D01F-009/155 или D01F-009/16 или D01F-009/17 или D01F-009/18 илиD01F-009/20 или D01F-009/21 или D01F-009/22 или D01F-009/24 или D01F-009/26 илиD01F-09/28 или D01F-009/30 или D01F-009/32 или C08K-007/02 или C08J-005/04 илиC04B-035/83 или D06M-014/36 или D06M-101/40 или D21H-013/50 или H01H-001/027 илиH01R-039/24)。
3.1 тенденция
С 2010 года по всему миру было опубликовано 16 553 соответствующих статей и подано 26 390 заявок на патенты на изобретения, причем все они демонстрируют устойчивую тенденцию к росту из года в год (рисунок 1).
3.2 Распределение по странам и регионам
Десять ведущих китайских учреждений с наибольшим количеством научных работ по углеродному волокну представлены в Китае. В первую пятерку входят: Китайская академия наук, Харбинский технологический институт, Северо-Западный технологический университет, Университет Дунхуа, Пекинский институт аэронавтики и астронавтики. Среди иностранных учреждений Индийский технологический институт, Токийский университет, Бристольский университет, Университет Монаша, Манчестерский университет и Технологический институт Джорджии занимают 10–20-е места (рис. 3).
Количество патентных заявок в 30 ведущих учреждениях, Япония имеет 5, и 3 из них входят в первую пятерку, компания Toray занимает первое место, за ней следуют Mitsubishi Liyang (2-е место), Teijin (4-е место), East State (10-е место), Japan Toyo Textile Company (24-е место), Китай имеет 21 учреждение, Sinopec Group имеет наибольшее количество патентов, занимая третье место, на втором месте Харбинский технологический институт, кабельная компания Henan Ke Letter, Университет Дунхуа, China Shanghai Petrochemical, Beijing Chemical Industry и т. д., Китайская академия наук Shanxi Coal заявка на изобретение 66, занимая 27-е место, южнокорейские учреждения имеют 2, из которых Xiaoxing Co., Ltd. занимает первое место, занимая 8-е место.
Выходные учреждения, выпуск статей в основном из университетов и научно-исследовательских институтов, выпуск патентов в основном из компаний, можно увидеть, что производство углеродного волокна является высокотехнологичной отраслью, как основной орган развития отрасли НИОКР углеродного волокна, компания придает большое значение защите технологий НИОКР углеродного волокна, особенно 2 крупнейших компании в Японии, количество патентов намного опережает.
3.4. Горячие точки исследований
Научные статьи по углеродному волокну охватывают большинство тем: композиты из углеродного волокна (включая композиты, армированные углеродным волокном, композиты на основе полимерной матрицы и т. д.), исследование механических свойств, конечно-элементный анализ, углеродные нанотрубки, расслоение, армирование, усталость, микроструктура, электростатическое формование, обработка поверхности, адсорбция и т. д. Доля статей, посвященных этим ключевым словам, составляет 38,8% от общего числа статей.
Патенты на изобретения в области углеродного волокна охватывают большинство тем, связанных с получением углеродного волокна, производственным оборудованием и композитными материалами. Среди них японские компании Toray, Mitsubishi Liyang, Teijin и другие, специализирующиеся на «полимерных соединениях, армированных углеродным волокном», в области важных технических разработок. Кроме того, Toray и Mitsubishi Liyang имеют значительную долю патентных разработок в области «Производство углеродного волокна из полиакрилонитрила и производственного оборудования», «Производство углеродного волокна с использованием ненасыщенных нитрилов, таких как полиакрилонитрил, поливинилиденцианид этилена» и других технологий, а японская компания Teijin имеет большую долю патентных разработок в области «Композиты на основе углеродного волокна и кислородных соединений».
Китайская корпорация Sinopec, Пекинский химический университет, Китайская академия наук Ningbo Materials имеют большую долю патентных разработок в области «Производство полиакрилонитрильного углеродного волокна и технологического оборудования». Кроме того, Пекинский университет химической инженерии, Шаньсийский углехимический институт Китайской академии наук и Харбинский технологический институт специализируются на разработке разработок в области «Использование волокон неорганических элементов в качестве ингредиентов для приготовления полимерных соединений», а также на разработке разработок в области «Обработка углеродного волокна», «Композиты из углеродного волокна и кислородсодержащих соединений» и других технологий.
Кроме того, из ежегодной статистической статистики распределения мировых патентов следует, что за последние три года начал появляться ряд новых горячих точек, таких как: «Композиции полиамидов, полученных в результате реакции образования карбоксилатных связей в основной цепи», «полиэфирные композиции в результате образования связей 1 карбоновой кислоты в основной цепи», «композитный материал на основе синтетических материалов», «циклические карбоновые кислоты, содержащие кислородсодержащие соединения, в качестве ингредиентов композитов на основе углеродного волокна», «в трехмерной форме затвердевания или обработки текстильных материалов», «ненасыщенный эфир, ацеталь, полуацеталь, кетон или альдегид только через реакцию ненасыщенной связи углерод-углерод для получения полимерных соединений», «адиабатический материал трубы или кабеля», «Композиты на основе углеродного волокна с фосфатными эфирами в качестве ингредиентов» и т. д.
В последние годы активно развиваются исследования и разработки в области углеродного волокна, причём большинство прорывов было достигнуто в США и Японии. Передовые технологии сосредоточены не только на производстве и подготовке углеродного волокна, но и на его применении в более широком спектре автомобильных материалов, таких как лёгкие материалы, материалы для 3D-печати и материалы для генерации энергии. Кроме того, вторичная переработка и переработка углеродного волокна, производство древесно-лигнинового углеродного волокна и другие достижения демонстрируют впечатляющие результаты. Ниже представлены репрезентативные результаты:
1) Технологический институт Джорджии (США) совершает прорыв в области технологий углеродного волокна третьего поколения.
В июле 2015 года при финансировании DARPA Технологический институт Джорджии с помощью своей инновационной технологии гель-прядения углеродного волокна на основе пан-формы значительно увеличил его модуль, превзойдя углеродное волокно Hershey IM7, которое в настоящее время широко используется в военных самолетах, став второй страной в мире после Японии, освоившей технологию углеродного волокна третьего поколения.
Прочность на разрыв гелевого прядильного углеродного волокна, производимого компанией Kumarz, достигает 5,5–5,8 ГПа, а модуль упругости при растяжении — 354–375 ГПа. «Это непрерывное волокно, обладающее наивысшей прочностью и модулем упругости. В коротковолокнистом пучке прочность на разрыв достигает 12,1 ГПа, что является самым высоким показателем для полиакрилонитрильного углеродного волокна».
2) Технология нагрева электромагнитными волнами
В 2014 году компания Nedo разработала технологию нагрева электромагнитными волнами. Технология карбонизации электромагнитными волнами подразумевает использование электромагнитного нагрева для карбонизации волокна при атмосферном давлении. Характеристики полученного углеродного волокна практически идентичны характеристикам волокна, полученного при высокотемпературном нагреве: модуль упругости может достигать более 240 ГПа, а относительное удлинение при разрыве — более 1,5%, что является первым в мире достижением.
Волокнистый материал обугливается под действием электромагнитных волн, что исключает необходимость использования высокотемпературного нагревательного оборудования для обугливания. Этот процесс не только сокращает время обугливания, но и снижает потребление энергии и выбросы CO2.
3) точный контроль процесса карбонизации
В марте 2014 года компания Toray объявила об успешной разработке углеродного волокна t1100g. Toray использует традиционную технологию формования из раствора для точного управления процессом карбонизации, улучшает микроструктуру углеродного волокна в наномасштабе, контролирует ориентацию микрокристаллов графита, их размер, дефекты и другие характеристики волокна после карбонизации, что позволяет значительно повысить прочность и модуль упругости. Прочность на разрыв t1100g составляет 6,6 ГПа, что на 12% выше, чем у T800, а модуль упругости — 324 ГПа, что на 10% выше, что соответствует этапу промышленного внедрения.
4) Технология обработки поверхности
Компания Teijin East State успешно разработала технологию плазменной обработки поверхности, позволяющую контролировать внешний вид углеродного волокна всего за несколько секунд. Эта новая технология значительно упрощает весь производственный процесс и снижает энергопотребление на 50% по сравнению с существующей технологией обработки поверхности в водных растворах электролитов. Более того, после плазменной обработки было обнаружено улучшение адгезии волокна к матрице смолы.
5) исследование степени сохранения прочности на растяжение углеродного волокна в среде высокотемпературного графита
Компания Ningbo Materials успешно провела детальное исследование по анализу процесса, исследованию структуры и оптимизации характеристик отечественного высокопрочного и высокомодульного углеродного волокна, в частности, по исследованию коэффициента сохранения прочности на растяжение углеродного волокна в высокотемпературной графитовой среде, а также недавно успешно подготовила высокопрочное и высокомодульное углеродное волокно с прочностью на растяжение 5,24 ГПа и объемным модулем упругости при растяжении 593 ГПа. Оно по-прежнему имеет преимущество по прочности на растяжение по сравнению с японским высокопрочным формованным углеродным волокном Toray M60j (прочность на растяжение 3,92 ГПа, модуль упругости при растяжении 588 ГПа).
6) Микроволновый графит
Компания Yongda Advanced Materials успешно разработала эксклюзивную запатентованную в США технологию получения сверхвысокотемпературного графита, позволяющую производить углеродные волокна среднего и высшего порядка. Компания успешно преодолела три узких места в разработке углеродных волокон высокого порядка: высокую стоимость оборудования для производства графита, находящегося под международным контролем, сложности химической технологии производства шёлка-сырца, низкую и высокую производительность производства. На сегодняшний день Yongda разработала три вида углеродных волокон, каждый из которых поднял прочность и модуль упругости исходного низкосортного углеродного волокна на новый уровень.
7) Новый процесс формования расплавленной необработанной проволоки из углеродного волокна на основе ковша от компании Fraunhofer, Германия
Институт прикладных полимеров Фраунгофера (Institute of Applied Polymers, IAP) недавно объявил о том, что представит новейшую технологию Comcarbon на Берлинском авиасалоне IIa, который состоится 25–29 апреля 2018 года. Эта технология значительно снижает себестоимость массового производства углеродного волокна.
Рис. 4 Плавление сырой проволоки методом прядения.
Хорошо известно, что при традиционных процессах половина себестоимости углеродного волокна на основе пан-формы потребляется в процессе производства сырой проволоки. В связи с невозможностью плавления сырой проволоки, её производство осуществляется с помощью дорогостоящего процесса прядения из раствора (Solution Spinning). «С этой целью мы разработали новый процесс производства сырого шёлка на основе пан-формы, который позволяет снизить себестоимость сырой проволоки на 60%. Это экономичный и технологичный процесс прядения из расплава с использованием специально разработанного плавленого сополимера на основе пан-формы», — пояснил д-р Йоханнес Ганстер, министр биологических полимеров Института Фраунгофера IAP.
8) Технология плазменного оксидирования
Компания 4M Carbon Fibre объявила, что сделает использование технологии плазменного оксидирования стратегическим направлением для производства и продажи высококачественного и недорогого углеродного волокна, а не просто лицензирования этой технологии. 4M утверждает, что технология плазменного оксидирования в три раза быстрее традиционной технологии оксидирования, а её энергопотребление составляет менее трети от показателя традиционной технологии. Эти заявления были подтверждены многими международными производителями углеродного волокна, которые консультируются с рядом крупнейших мировых производителей углеродного волокна и автопроизводителей, чтобы стать инициаторами производства недорогого углеродного волокна.
9) Целлюлозное нановолокно
Киотский университет (Япония) совместно с несколькими крупными поставщиками компонентов, такими как электромонтажная компания (крупнейший поставщик Toyota) и Daikyonishikawa Corp., работает над разработкой пластиковых материалов, содержащих целлюлозные нановолокна. Этот материал изготавливается путём дробления древесной массы на несколько микрон (1 на тысячу мм). Вес нового материала составляет всего одну пятую веса стали, но его прочность в пять раз выше.
10) передний корпус из углеродного волокна из полиолефинового и лигнинового сырья
Национальная лаборатория Оук-Ридж в США занимается исследованиями в области недорогих углеродных волокон с 2007 года. В лаборатории были разработаны передние части кузовов из углеродного волокна для полиолефинового и лигнинового сырья, а также передовые технологии предварительного плазменного окисления и микроволновой карбонизации.
11) Новый полимер (полимер-предшественник) был разработан путем удаления огнеупорной обработки.
В методе производства, разработанном Токийским университетом, был разработан новый полимер (полимер-прекурсор) для удаления огнеупорной обработки. Суть заключается в том, что после формования полимера в шелк он не проводит первоначальную огнеупорную обработку, а вызывает его окисление в растворителе. Затем микроволновое нагревательное устройство нагревается до более чем 1000 ℃ для карбонизации. Время нагрева занимает всего 2-3 минуты. После карбонизации плазменная обработка также используется для проведения поверхностной обработки, что позволяет производить углеродное волокно. Плазменная обработка занимает менее 2 минут. Таким образом, первоначальное время спекания 30-60 минут может быть сокращено примерно до 5 минут. В новом методе производства плазменная обработка проводится для улучшения связи между углеродным волокном и термопластичной смолой в качестве базового материала CFRP. Модуль упругости при растяжении углеродного волокна, изготовленного по новому методу производства, составляет 240 ГПа, прочность на разрыв — 3,5 ГПа, а относительное удлинение достигает 1,5%. Эти значения соответствуют показателям универсального углеродного волокна Toray класса T300, используемого для спортивных товаров и т. д.
12) переработка и утилизация углеродных волокнистых материалов с использованием процесса псевдоожижения
Менгран Мэн, первый автор исследования, отметил: «Восстановление углеродного волокна снижает воздействие на окружающую среду по сравнению с производством сырого углеродного волокна, но существует ограниченное понимание потенциальных технологий переработки и экономической целесообразности использования вторичного углеродного волокна. Переработка состоит из двух этапов: сначала волокна необходимо извлечь из углеродных композитов и подвергнуть термическому разложению с помощью механического измельчения материалов, пиролиза или процессов в псевдоожиженном слое. Эти методы удаляют пластиковую часть композитного материала, оставляя углеродное волокно, которое затем можно преобразовать в спутанные волокнистые маты с использованием технологии мокрого бумагоделательного производства или реорганизовать в направленные волокна».
Исследователи подсчитали, что углеродное волокно можно извлечь из отходов углеродного композита методом кипящего слоя, затратив всего 5 долларов/кг и менее 10% энергии, необходимой для производства первичного углеродного волокна. Вторичные углеродные волокна, полученные методом кипящего слоя, практически не теряют модуль упругости, а предел прочности на разрыв снижается на 18–50% по сравнению с первичными углеродными волокнами, что делает их пригодными для применений, требующих высокой жесткости, а не прочности. «Вторичные углеродные волокна могут быть пригодны для неконструкционных применений, требующих легкости, например, в автомобильной, строительной, ветроэнергетической и спортивной отраслях», — сказал Мэн.
13) В США разработана новая технология переработки углеродного волокна.
В июне 2016 года исследователи из Технологического института Джорджии в США пропитали углеродное волокно растворителем, содержащим спирт, чтобы растворить эпоксидную смолу. Отделенные волокна и эпоксидные смолы можно использовать повторно, что является успешной реализацией процесса восстановления углеродного волокна.
В июле 2017 года в Университете штата Вашингтон также была разработана технология восстановления углеродного волокна с использованием слабой кислоты в качестве катализатора и применением жидкого этанола при относительно низких температурах для разложения термореактивных материалов; разложенное углеродное волокно и смола сохраняются отдельно и могут быть запущены в воспроизведение.
14) Разработка технологии 3D-печати чернилами из углеродного волокна в лаборатории LLNL, США
В марте 2017 года Национальная лаборатория имени Лоуренса Ливмора (LLNL) в США разработала первые высокопроизводительные композиты из углеродного волокна, изготовленные методом 3D-печати, предназначенные для авиационного применения. Они использовали метод прямой печати чернил (DIW) для создания сложных трёхмерных структур, что значительно повысило скорость обработки для использования в автомобильной, аэрокосмической, оборонной промышленности, а также в мотоциклетных соревнованиях и сёрфинге.
15) США, Корея и Китай сотрудничают в разработке углеродного волокна для производства электроэнергии.
В августе 2017 года кампус Техасского университета в Далласе, Университет Ханьянг (Корея), Нанькайский университет (Китай) и другие учреждения совместно разработали материал на основе углеродного волокна для производства электроэнергии. Сначала нить пропитывают растворами электролитов, например, рассолом, что позволяет ионам электролита прикрепляться к поверхности углеродных нанотрубок, которые затем преобразуются в электрическую энергию при натяжении или растяжении нити. Этот материал может использоваться в любом месте с надежным источником кинетической энергии и подходит для питания датчиков Интернета вещей.
16) Новый прогресс в исследовании углеродного волокна из древесного лигнина получен китайскими и американскими учеными соответственно.
В марте 2017 года группа специалистов по волокнам Нинбоского института материаловедения и инженерии разработала сополимер лигнина и акрилонитрила с хорошей прядомостью и термостабильностью, используя двухступенчатую технологию этерификации и свободнорадикальной сополимеризации. В результате процесса сополимеризации и мокрого прядения были получены высококачественные непрерывные нити, а после термостабилизации и карбонизации – компактное углеродное волокно.
В августе 2017 года исследовательская группа Биргитте Ахринг из Вашингтонского университета (США) смешала лигнин и полиакрилонитрил в различных пропорциях, а затем, используя технологию формования из расплава, преобразовала смешанные полимеры в углеродные волокна. Исследование показало, что добавление лигнина в количестве 20–30% не повлияло на прочность углеродного волокна и, как ожидается, будет использоваться для производства более дешевых углеродных материалов для автомобильных и авиационных деталей.
В конце 2017 года Национальная лаборатория возобновляемой энергии (NREL) опубликовала исследование по производству акрилонитрила из отходов растений, таких как кукурузная и пшеничная солома. Растительное сырье сначала расщепляется до сахара, затем преобразуется в кислоты и в сочетании с дешевыми катализаторами производит целевые продукты.
17) Япония разработала первое автомобильное шасси из термопластичного композита, армированного углеродным волокном.
В октябре 2017 года Японское агентство по комплексным исследованиям и разработкам в области новых технологий в энергетической отрасли и Национальный исследовательский центр композитных материалов при Нагойском университете успешно разработали первое в мире автомобильное шасси из термопластичного композита, армированного углеродным волокном. Они использовали автоматизированный процесс прямого формования длинноволокнистых термопластичных композитов, непрерывное смешивание углеродного волокна и частиц термопластичной смолы, изготовление армированных волокном композитов, а затем, посредством нагрева и плавления, успешно изготовили автомобильное шасси из термопластичного углепластика.
5. Предложения по НИОКР в области технологий углеродного волокна в Китае
5.1. Перспективная планировка, целеустремленность, фокус на прорыве в технологии углеродного волокна третьего поколения.
Технология углеродного волокна второго поколения в Китае пока не является всеобъемлющим прорывом, наша страна должна попытаться создать перспективную структуру, которая объединит наши соответствующие научно-исследовательские институты, сосредоточившись на захвате ключевых технологий, сосредоточив внимание на исследованиях и разработках третьего поколения высокопроизводительных технологий подготовки углеродного волокна (например, применимых к аэрокосмической высокопрочной, высокомодульной технологии углеродного волокна), а также разработанных технологий углеродных композитных материалов, в том числе для автомобильной, строительной и ремонтной отраслей и других легких, недорогих крупногабаритных жгутов углеродного волокна, технологии аддитивного производства углеродных композитных материалов, технологии переработки и технологии быстрого прототипирования.
5.2 Координирующая организация, усиление поддержки, создание крупных технических проектов для постоянной поддержки совместных исследований
В настоящее время в Китае существует множество организаций, занимающихся исследованиями в области углеродного волокна, но их полномочия рассредоточены, отсутствует единый механизм организации НИОКР и сильная финансовая поддержка для эффективной координации. Исходя из опыта развития передовых стран, организация и планирование крупных проектов играют большую роль в содействии развитию этой технической области. Мы должны сосредоточиться на преимуществах НИОКР-сил Китая, учитывая прорывные НИОКР-технологии Китая в области углеродного волокна, чтобы начать крупные проекты, укреплять совместные технологические инновации и постоянно повышать уровень исследований и технологий в области углеродного волокна в Китае, конкурентоспособность на международном рынке углеродного волокна и композитных материалов.
5.3 Совершенствование механизма оценки эффективности применения технических достижений
С точки зрения эконометрического анализа статей SCI, углеродное волокно Китая, как высокопрочный материал, используется в различных областях исследований, но в области технологий производства и подготовки углеродного волокна особое внимание уделяется снижению затрат и повышению эффективности производства при меньших затратах на исследования. Процесс производства углеродного волокна длительный, технологические ключевые моменты, высокие производственные барьеры, междисциплинарная и многотехнологическая интеграция, необходимо преодолеть технические препятствия и эффективно продвигать исследования и разработки в области подготовки сердечников «низкая стоимость, высокая производительность». С одной стороны, необходимо увеличить инвестиции в исследования, с другой стороны, необходимо ослабить оценку эффективности научных исследований, усилить руководство по оценке эффективности применения технических достижений и перейти от «количественной» оценки, которая обращает внимание на публикацию статьи, к «качественной» оценке ценности результатов.
5.4 Усиление развития талантов в области передовых технологий
Высокотехнологичный характер технологии углеродного волокна обуславливает важность специализированных талантов, наличие у них передового технического персонала напрямую определяет уровень НИОКР учреждения.
В связи с развитием связей в области НИОКР в области углеродных волокон, необходимо уделять особое внимание подготовке специалистов для обеспечения координации и развития всех звеньев. Кроме того, история развития исследований в области углеродных волокон в Китае показывает, что приток ключевых специалистов в области технологий часто является ключевым фактором, влияющим на уровень НИОКР научно-исследовательского учреждения. Поддержание приверженности ключевых специалистов и научно-исследовательских групп к производственным процессам, композитным материалам и основным продуктам важно для непрерывной модернизации технологий.
Мы должны продолжать усиливать подготовку и использование специализированных высокотехнологичных кадров в этой области, совершенствовать политику оценки и обращения в отношении талантов в области технологических исследований и разработок, усиливать взращивание молодых талантов, активно поддерживать сотрудничество и обмены с передовыми зарубежными научно-исследовательскими учреждениями, а также энергично внедрять зарубежные передовые таланты и т. д. Это сыграет большую роль в содействии развитию исследований в области углеродного волокна в Китае.
Цитируется из-
Анализ развития мировой технологии углеродного волокна и её внедрение в Китай. Тянь Яцзюань, Чжан Чжицян, Тао Чэн, Ян Мин, Ба Цзинь, Чэнь Юньвэй.Мировые научно-технические исследования и разработки.2018
Время публикации: 04 декабря 2018 г.