Karbon fiber, %95'in üzerinde karbon içeriğine sahip, düşük yoğunluklu, yüksek mukavemetli, yüksek sıcaklık dayanımlı, yüksek kimyasal kararlılığa sahip, yorulmaya dayanıklı, aşınmaya dayanıklı ve diğer mükemmel temel fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip inorganik polimer elyaf yeni bir malzemedir. Yüksek titreşim azaltma, iyi iletken ısıl iletkenlik, elektromanyetik koruma performansı, düşük termal genleşme katsayısı ve diğer özelliklere sahiptir. Bu mükemmel özellikler, karbon fiberin havacılık, demiryolu taşımacılığı, araç üretimi, silah ve ekipman, inşaat makineleri, altyapı inşaatı, deniz mühendisliği, petrol mühendisliği, rüzgar enerjisi, spor malzemeleri ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmasını sağlar.
Çin, karbon fiber malzemelerin ulusal stratejik ihtiyaçlarını göz önünde bulundurarak, bu malzemeyi desteğe odaklanan gelişmekte olan endüstrilerin temel teknolojilerinden biri olarak listelemiştir. Ulusal "Oniki Beş" Bilim ve Teknoloji Planlaması'nda, yüksek performanslı karbon fiberin hazırlanması ve uygulama teknolojisi, devlet tarafından desteklenen stratejik gelişmekte olan endüstrilerin temel teknolojilerinden biridir. Mayıs 2015'te Devlet Konseyi, yeni malzemelerin güçlü bir şekilde tanıtılması ve geliştirilmesinin temel alanlarından biri olarak "Çin Malı 2025"i resmen yayınladı. Bu kapsamda, yüksek performanslı yapı malzemeleri ve gelişmiş kompozitler de dahil olmak üzere yeni malzemeler alanında geliştirme odak noktasıdır. Ekim 2015'te Sanayi ve Enformasyon Bakanlığı, "Çin Üretimi 2025 Temel Alanlar Teknoloji Yol Haritası"nı resmen yayınladı. Bu haritada, "yüksek performanslı fiber ve kompozitleri" temel stratejik malzeme olarak kabul edilirken, 2020 hedefi "büyük uçakların ve diğer önemli ekipmanların teknik gereksinimlerini karşılamak için yerli karbon fiber kompozitler" olarak belirlendi. Kasım 2016'da Devlet Konseyi, yeni malzeme endüstrisinin yukarı ve aşağı akış iş birliği desteğini güçlendirmeyi, karbon fiber kompozitler ve diğer alanlarda iş birliğine dayalı pilot uygulama gösterileri yapmayı ve iş birliğine dayalı bir uygulama platformu oluşturmayı açıkça belirten "On Üç Beş" Ulusal Stratejik Gelişmekte Olan Endüstriler Geliştirme Planı'nı yayınladı. Ocak 2017'de Sanayi ve Kalkınma Bakanlığı, Ulusal Kalkınma ve İşbirliği Teşkilatı (NDRC), Bilim ve Teknoloji Bakanlığı ve Maliye Bakanlığı ortaklaşa "Yeni malzeme endüstrilerinin geliştirilmesine yönelik rehber"i hazırladı ve 2020 itibarıyla "karbon fiber kompozitler, yüksek kaliteli özel çelik, gelişmiş hafif alaşımlı malzemeler ve diğer alanlarda 70'ten fazla temel yeni malzeme endüstrileşmesi ve uygulamasının gerçekleştirilmesi, Çin'in yeni malzeme endüstrisinin gelişim düzeyine uygun bir proses ekipmanı destek sisteminin oluşturulması"nı önerdi.
Karbon fiber ve kompozitleri ulusal savunmada ve halkın geçiminde önemli bir rol oynadığı için birçok uzman bunların geliştirilmesine ve araştırma eğilimlerinin analizine odaklanmaktadır. Dr. Zhou Hong, yüksek performanslı karbon fiber teknolojisinin geliştirilmesinin ilk aşamalarında Amerikalı bilim insanları tarafından yapılan bilimsel ve teknolojik katkıları incelemiş, karbon fiberin 16 ana uygulaması ve son teknolojik gelişmeleri tarayıp raporlamış ve poliakrilonitril karbon fiberin üretim teknolojisi, özellikleri ve uygulaması ile güncel teknolojik gelişimi Dr. Wei Xin vb. tarafından incelenmiştir. Ayrıca Çin'de karbon fiberin geliştirilmesinde var olan sorunlara yönelik bazı yapıcı önerilerde bulunmuştur. Ek olarak, birçok kişi karbon fiber ve kompozitleri alanında makalelerin ve patentlerin metroloji analizi üzerine araştırmalar yürütmüştür. Örneğin, Ma Xianglin ve diğerleri 1998-2017 karbon fiber patent dağıtımı ve analiz alanındaki uygulamasından metroloji açısından; Yang Sisi ve diğerleri, küresel karbon fiber kumaş patent arama ve veri istatistikleri için innography platformuna dayanarak, patentlerin yıllık gelişme trendinden, patent sahiplerinden, patent teknolojisinin odak noktasından ve teknolojinin çekirdek patentinden analiz ediyor.
Karbon fiber araştırma ve geliştirme yörüngesi açısından, Çin'in araştırmaları dünyayla neredeyse senkronize olsa da gelişme yavaştır, yüksek performanslı karbon fiber üretim ölçeği ve kalitesi yabancı ülkelerle karşılaştırıldığında bir boşluk vardır, Ar-Ge sürecini hızlandırmak, stratejik düzeni geliştirmek ve gelecekteki endüstri geliştirme fırsatlarını değerlendirmek için acil ihtiyaç vardır. Bu nedenle, bu makale öncelikle çeşitli ülkelerdeki Ar-Ge rotalarının planlamasını anlamak için karbon fiber araştırma alanındaki ülkelerin proje düzenini incelemektedir ve ikinci olarak, karbon fiberin temel araştırma ve uygulama araştırmaları karbon fiberin teknik araştırma ve geliştirmesi için çok önemlidir. Bu nedenle, karbon fiber alanındaki Ar-Ge ilerlemesini kapsamlı bir şekilde anlamak ve bu alandaki son araştırma gelişmelerini tarayarak Uluslararası Sınır Ar-Ge ilerlemesini izlemek için akademik araştırma sonuçlarından (SCI makaleleri) ve uygulamalı araştırma sonuçlarından (patentler) aynı anda metroloji analizleri yürütüyoruz. Son olarak, yukarıdaki araştırma sonuçlarına dayanarak, Çin'de karbon fiber alanındaki araştırma ve geliştirme rotası için bazı önerilerde bulunuyoruz.
2.Çkarbon elyafıaraştırma projesi düzenibüyük ülkeler/bölgeler
Karbon fiberin başlıca üretim ülkeleri arasında Japonya, ABD, Güney Kore, bazı Avrupa ülkeleri ve Tayvan ile Çin bulunmaktadır. Karbon fiber teknolojisinin geliştirilmesinin erken aşamalarında ileri teknolojiye sahip ülkeler, bu malzemenin önemini fark etmiş, stratejik planlamalar yapmış ve karbon fiber malzemelerin geliştirilmesini aktif olarak teşvik etmiştir.
2.1 Japonya
Japonya, karbon fiber teknolojisinde en gelişmiş ülkedir. Japonya'daki Toray, Bong ve Mitsubishi Liyang'daki 3 şirket, karbon fiber üretiminin küresel pazar payının yaklaşık %70-80'ini oluşturmaktadır. Bununla birlikte, Japonya bu alandaki güçlü yönlerini, özellikle de yüksek performanslı, karbon bazlı karbon fiberler ile enerji ve çevre dostu teknolojilerin geliştirilmesini, güçlü insan ve finansal destekle ve Temel Enerji Planı, Ekonomik Büyüme Stratejik Planı ve Kyoto Protokolü de dahil olmak üzere bir dizi temel politikayı geliştirmeye büyük önem vermektedir. Bu, ilerletilmesi gereken stratejik bir proje haline gelmiştir. Temel ulusal enerji ve çevre politikasına dayanarak, Japonya Ekonomi, Sanayi ve Emlak Bakanlığı "Enerji Tasarrufu Teknolojileri Araştırma ve Geliştirme Programı"nı ortaya koymuştur. Yukarıdaki politikanın desteğiyle, Japon karbon fiber endüstrisi, kaynakların tüm yönlerini daha etkili bir şekilde merkezileştirebilmiş ve karbon fiber endüstrisindeki ortak sorunların çözümünü teşvik edebilmiştir.
"Yenilikçi yeni yapısal malzemeler gibi teknoloji geliştirme" (2013-2022), Japonya'da "Geleceğin Gelişimi Araştırma Projesi" kapsamında, gerekli yenilikçi yapısal malzeme teknolojisinin geliştirilmesini ve farklı malzemelerin birleştirilmesini önemli ölçüde sağlamayı amaçlayan ve temel hedefi ulaşım araçlarının ağırlığını (araba ağırlığının yarısı) azaltmak olan bir projedir. Ve nihayetinde pratik uygulamasını hayata geçirmektir. 2014 yılında araştırma ve geliştirme projesini devralan Endüstriyel Teknoloji Geliştirme Ajansı (NEDO), "Yenilikçi karbon fiber temel araştırma ve geliştirme" karbon fiber araştırma projesinin genel hedeflerini şu şekilde belirleyen birkaç alt proje geliştirmiştir: yeni karbon fiber öncü bileşikleri geliştirmek; karbonizasyon yapılarının oluşum mekanizmasını açıklamak; ve karbon fiber değerlendirme yöntemlerini geliştirmek ve standartlaştırmak. Tokyo Üniversitesi öncülüğünde ve Endüstriyel Teknoloji Enstitüsü (NEDO), Toray, Teijin, Dongyuan ve Mitsubishi Liyang'ın ortaklaşa katılımıyla yürütülen proje, Ocak 2016'da önemli ilerleme kaydetti ve Japonya'da 1959'da "Kondo modu"nun icadından sonra tava bazlı karbon fiber alanında bir başka büyük atılım oldu.
2.2 Amerika Birleşik Devletleri
ABD Savunma Ön Araştırma Ajansı (DARPA), ülkenin önde gelen bilimsel araştırma gücünü bir araya getirerek karbon fiber bazlı yeni nesil yapısal fiberler geliştirmek amacıyla 2006 yılında Gelişmiş Yapısal Fiber projesini başlattı. Bu proje kapsamında, ABD'deki Georgia Teknoloji Enstitüsü araştırma ekibi, 2015 yılında ham tel hazırlama teknolojisinde çığır açarak elastik modülünü %30 oranında artırdı ve ABD'yi üçüncü nesil karbon fiber geliştirme kapasitesine taşıdı.
2014 yılında, ABD Enerji Bakanlığı (DOE), tarımsal artıkların kullanımını teşvik etmek amacıyla "yenmeyen biyokütle şekerlerinin akrilonitrile dönüştürülmesi için çok adımlı katalitik prosesler" ve "biyokütle üretiminden elde edilen akrilonitrilin araştırılması ve optimizasyonu" üzerine iki proje için 11,3 milyon dolarlık bir sübvansiyon duyurdu. Odunsu biyokütle gibi yenilenebilir gıda dışı hammaddelerin üretimi için maliyet açısından rekabetçi yenilenebilir yüksek performanslı karbon fiber malzemeler üzerine araştırma yapılması ve biyokütle yenilenebilir karbon fiberlerinin üretim maliyetinin 2020 yılına kadar 5$/lb'nin altına düşürülmesi planlanıyor.
ABD Enerji Bakanlığı, Mart 2017'de Batı Amerika Enstitüsü (WRI) liderliğinde, kömür ve biyokütle gibi kaynaklara dayalı düşük maliyetli karbon fiber bileşenlerin geliştirilmesine odaklanan "düşük maliyetli karbon fiber bileşen Ar-Ge projesi" için 3,74 milyon dolarlık bir fon ayırdığını duyurdu.
Temmuz 2017'de ABD Enerji Bakanlığı, gelişmiş enerji tasarruflu araçların araştırma ve geliştirilmesini desteklemek için 19,4 milyon dolarlık bir fon sağladığını duyurdu; bunun 6,7 milyonu, hesaplamalı malzemeler kullanılarak düşük maliyetli karbon fiberlerin hazırlanmasını finanse etmek için kullanıldı. Bu finansman, yeni karbon fiber öncüllerinin coşkusunu değerlendirmek için entegre bilgisayar teknolojisi için çok ölçekli değerlendirme yöntemlerinin geliştirilmesini de kapsıyor. Gelişmiş moleküler dinamik destekli yoğunluk fonksiyonel teorisi, makine öğrenimi ve diğer araçlar, düşük maliyetli karbon fiber hammaddelerinin seçim verimliliğini artırmak için son teknoloji bilgisayar araçları geliştirmek için kullanılıyor.
2.3 Avrupa
Avrupa karbon fiber endüstrisi 20. yüzyılın yetmişli veya seksenli yıllarında Japonya ve ABD'de gelişti, ancak teknoloji ve sermaye nedeniyle birçok tek karbon fiber üreten şirket 2000'li yıllardan sonraki karbon fiber talebinin yüksek büyüme dönemine uymadı ve ortadan kayboldu. Alman şirketi SGL, dünya karbon fiber pazarında önemli bir paya sahip olan Avrupa'daki tek şirkettir.
Avrupa Birliği, Kasım 2011'de havacılık ve uzay alanında karbon fiber ve önceden emdirilmiş malzemelerde Avrupa üretim kapasitesini geliştirmeyi amaçlayan Eucarbon Projesi'ni başlattı. 4 yıl süren ve toplam 3,2 milyon avro yatırım yapılan proje, Mayıs 2017'de uydular gibi uzay uygulamaları için Avrupa'nın ilk özel karbon fiber üretim hattını başarıyla kurarak, Avrupa'nın ürün ithalatına olan bağımlılığını ortadan kaldırmasını ve malzeme tedarik güvenliğini sağlamasını mümkün kıldı.
AB Yedinci Çerçeve Programı, "Maliyet etkin ve yönetilebilir performansa sahip yeni bir öncü sistemin hazırlanmasında fonksiyonel karbon fiber" (FIBRALSPEC) projesini (2014-2017) 6,08 milyon avro ile desteklemeyi planlıyor. Yunanistan, Atina Ulusal Teknik Üniversitesi liderliğinde, İtalya, Birleşik Krallık ve Ukrayna gibi çok uluslu şirketlerin katılımıyla yürütülen 4 yıllık proje, poliakrilonitril bazlı karbon fiberlerin sürekli üretim sürecini yenileyerek ve iyileştirerek sürekli tavlanmış karbon fiberlerin deneysel üretimini gerçekleştirmeye odaklanıyor. Proje, yenilenebilir organik polimer kaynaklarından (süper kapasitörler, acil durum sığınakları, prototip mekanik elektrikli döner kaplama makineleri ve nanofiber üretim hattı geliştirme vb.) karbon fiber ve geliştirilmiş kompozit teknolojisinin geliştirilmesini ve uygulanmasını başarıyla tamamlamıştır.
Otomotiv, rüzgar enerjisi ve gemi inşası gibi giderek artan sayıda endüstriyel sektör, karbon fiber endüstrisi için büyük bir potansiyel pazar olan hafif ve yüksek performanslı kompozitlere ihtiyaç duymaktadır. AB, stratejik hedefi Avrupa'da yaygın olarak bulunan yenilenebilir malzemelerden düşük maliyetli öncüller geliştirmek ve karbon nanotüpler aracılığıyla yüksek performanslı karbon fiber üretimini artırmak olan Carboprec projesini (2014-2017) başlatmak için 5,968 milyon avro yatırım yapmaktadır.
Avrupa Birliği'nin Cleansky II araştırma programı, Almanya'daki Fraunhofer Üretim ve Sistem Güvenilirliği Enstitüsü (LBF) liderliğinde yürütülen ve Airbus A320 için karbon fiber takviyeli kompozit uçak ön tekerlek bileşenleri geliştirmeyi planlayan "Kompozit Lastik Ar-Ge" projesini (2017) finanse etti. Amaç, geleneksel metal malzemelere kıyasla ağırlığı %40 oranında azaltmak. Proje yaklaşık 200.000 Avro ile finanse ediliyor.
2.4 Kore
Güney Kore'nin karbon fiber Ar-Ge ve sanayileşme çalışmaları geç başladı. Ar-Ge çalışmaları 2006'da başladı ve 2013'te resmen uygulamaya geçmeye başladı. Bu durum, Kore karbon fiberinin ithalata bağımlı hale gelmesini tersine çevirdi. Güney Kore'nin yerel Xiaoxing Grubu ve karbon fiber sektöründe öncü bir firma olarak aktif olarak faaliyet gösteren Taiguang Business, güçlü bir ivmeyle gelişmeye devam ediyor. Ayrıca, Toray Japan tarafından Kore'de kurulan karbon fiber üretim üssü, Kore'deki karbon fiber pazarına da katkıda bulundu.
Kore hükümeti, Xiaoxing Grubu'nu yenilikçi karbon fiber endüstrileri için bir buluşma noktası haline getirmeyi seçti. Amaç, karbon fiber malzeme endüstrisi kümesi oluşturmak ve tüm Kuzey bölgesinde yaratıcı bir ekonomik ekosistemin gelişimini desteklemektir. Nihai hedef, karbon fiber malzeme → parça → mamul ürün tek elden üretim zinciri oluşturmaktır. Karbon fiber kuluçka kümesinin kurulması, ABD'deki Silikon Vadisi ile eşleştirilebilir, yeni pazarlara açılabilir ve yeni katma değer yaratılabilir. 2020 yılına kadar karbon fiberle ilgili ürünlerin 10 milyar dolarlık ihracat hedefine (yaklaşık 55,2 milyar yuan) ulaşılması hedeflenmektedir.
3. küresel karbon fiber araştırma ve araştırma çıktılarının analizi
Bu alt bölümde, küresel karbon fiber teknolojisinin akademik ve endüstriyel araştırma ve geliştirme faaliyetlerini aynı anda analiz etmek ve uluslararası alanda karbon fiber araştırma ve geliştirme alanındaki ilerlemeyi tam olarak anlamak amacıyla, 2010 yılından bu yana karbon fiber araştırmalarıyla ilgili SCI makaleleri ve DII patent sonuçları sayılmaktadır.
Veriler Clarivate Analytics tarafından yayımlanan Web of Science veri tabanındaki Scie veri tabanı ve Dewent veri tabanından elde edilmiştir; erişim zaman aralığı: 2010-2017; erişim tarihi: 1 Şubat 2018.
SCI Kağıt Alma Stratejisi: Ts=((karbonfiber* veya Karbonfiber* veya ("Karbon fiber*" değil "karbon Fiberglas") veya "karbon fiber*" veya "karbonfilament*" veya ((poliakrilonitril veya zift) ve "öncül*" ve elyaf*) veya ("grafit fiber*")) değil ("bambu karbon"))。
Dewent Patent Arama Stratejisi: Ti=((karbonfiber* veya Karbonfiber* veya ("Karbon fiber*", "karbon Fiberglas" değil)") veya "karbon fiber*" veya "karbonfilament*" veya ((poliakrilonitril veya zift) ve "öncül*" ve fiber*) veya ("grafit fiber*")) değil ("bambu karbon")) veyaTS=((karbonfiber* veya Karbonfiber* veya ("Karbon fiber*", "karbon Fiberglas" değil) veya "karbon fiber*" veya "karbonfilament*" veya ((poliakrilonitril veya zift) ve "öncül*" ve fiber*) veya ("grafit fiber*")) değil ("bambu karbon")) ve IP=(D01F-009/12 veya D01F-009/127 veya D01F-009/133 veya D01F-009/14 veya D01F-009/145 veya D01F-009/15 veya D01F-009/155 veya D01F-009/16 veya D01F-009/17 veya D01F-009/18 veyaD01F-009/20 veya D01F-009/21 veya D01F-009/22 veya D01F-009/24 veya D01F-009/26 veyaD01F-09/28 veya D01F-009/30 veya D01F-009/32 veya C08K-007/02 veya C08J-005/04 veya C04B-035/83 veya D06M-014/36 veya D06M-101/40 veya D21H-013/50 veya H01H-001/027 veya H01R-039/24)。
3.1 trend
2010 yılından bu yana dünya çapında 16.553 adet konuyla ilgili makale yayınlanmış ve 26390 adet buluş patenti başvurusu yapılmış olup, bunların tümü her yıl istikrarlı bir artış eğilimi göstermektedir (Şekil 1).
3.2 Ülke veya bölge dağılımı
Küresel karbon fiber araştırma makalesi çıktısı en yüksek ilk 10 kurum Çin'den olup, ilk 5'i şu şekildedir: Çin Bilimler Akademisi, Harbin Teknoloji Enstitüsü, Kuzeybatı Teknoloji Üniversitesi, Donghua Üniversitesi, Pekin Havacılık ve Uzay Bilimleri Enstitüsü. Yabancı kurumlar arasında ise Hindistan Teknoloji Enstitüsü, Tokyo Üniversitesi, Bristol Üniversitesi, Monash Üniversitesi, Manchester Üniversitesi ve Georgia Teknoloji Enstitüsü 10 ila 20. sıralar arasında yer almaktadır (Şekil 3).
İlk 30 kurumda patent başvuru sayısı, Japonya'nın 5'i var ve bunlardan 3'ü ilk beşte, Toray şirketi ilk sırada, ardından Mitsubishi Liyang (2.), Teijin (4.), Doğu Devleti (10.), Japonya Toyo Tekstil Şirketi (24.), Çin'in 21 kurumu var, Sinopec Grubu en fazla patente sahip, üçüncü sırada, İkinci olarak, Harbin Teknoloji Enstitüsü, Henan Ke Mektup kablosu şirketi, Donghua Üniversitesi, Çin Şanghay Petrokimya, Pekin Kimya Endüstrisi, vb., Çin Bilimler Akademisi Shanxi Kömür uygulama buluşu patenti 66, 27. sırada, Güney Koreli kurumların 2'si var, bunlardan Xiaoxing Co., Ltd. ilk sırada, 8. sırada yer alıyor.
Çıktı kurumları, makale çıktısı ağırlıklı olarak üniversiteler ve bilimsel araştırma kurumlarından, patent çıktısı ağırlıklı olarak şirketten, karbon fiber üretiminin yüksek teknoloji endüstrisi olduğu görülebilir, karbon fiber Ar-Ge Endüstrisi Geliştirme'nin ana gövdesi olarak, şirket karbon fiber Ar-Ge teknolojisinin korunmasına büyük önem vermektedir, özellikle Japonya'daki 2 büyük şirket, patent sayısı çok ileridedir.
3.4 Araştırma Merkezleri
Karbon fiber araştırma makaleleri en çok araştırma konusunu kapsamaktadır: Karbon fiber kompozitler (karbon fiber takviyeli kompozitler, polimer matrisli kompozitler vb. dahil), mekanik özellik araştırması, sonlu elemanlar analizi, karbon nanotüpler, delaminasyon, takviye, yorulma, mikro yapı, elektrostatik eğirme, yüzey işleme, adsorpsiyon vb. Bu anahtar kelimelerle ilgili makaleler toplam makale sayısının %38,8'ini oluşturmaktadır.
Karbon fiber buluş patentleri, karbon fiberin hazırlanması, üretim ekipmanları ve kompozit malzemelerle ilgili konuların çoğunu kapsamaktadır. Bunlar arasında, Japon Toray, Mitsubishi Liyang, Teijin ve "karbon fiber takviyeli polimer bileşikleri" alanında önemli teknik düzenlemeler yapan diğer şirketler yer alırken, Toray ve Mitsubishi Liyang "poliakrilonitril karbon fiber üretimi ve üretim ekipmanları", "doymamış nitril, poliakrilonitril, poliviniliden siyanür etilen gibi karbon fiber üretimi" ve diğer teknolojiler alanında büyük bir patent düzenlemesine sahiptir. Japon Teijin şirketi ise "karbon fiber ve oksijen bileşikli kompozitler" alanında büyük bir patent düzenlemesine sahiptir.
Çin Sinopec Grubu, Pekin Kimya Üniversitesi, Çin Bilimler Akademisi Ningbo Materials'ın "karbon fiber ve üretim ekipmanlarının poliakrilonitril üretimi" patent düzenlemesinin büyük bir kısmına sahiptir; ayrıca, Pekin Kimya Mühendisliği Üniversitesi, Çin Bilimler Akademisi Shanxi Kömür Kimya Enstitüsü ve Çin Bilimler Akademisi Ningbo Materials'ın "polimer bileşik hazırlamada bileşen olarak inorganik element elyafı kullanma" teknolojisinin ana düzenlemesi Harbin Teknoloji Enstitüsü'nün "karbon fiber işleme", "karbon fiber ve oksijen içeren bileşik kompozitler" ve diğer teknolojilerin düzenine odaklanmıştır.
Ayrıca, küresel patentlerin yıllık istatistiksel dağılım istatistiklerinden, son üç yılda bir dizi yeni sıcak noktanın ortaya çıkmaya başladığı görülmektedir: "Ana zincirde karboksilat bağlanma reaksiyonunun oluşumuyla elde edilen poliamid kompozisyonları", "Ana zincirde 1 karboksilik asit ester bağının oluşumuyla elde edilen polyester kompozisyonları", "Sentetik malzemelere dayalı kompozit malzeme", "Karbon fiber kompozitlerin bileşenleri olarak oksijen bileşikleri içeren siklik karboksilik asit", "Tekstil malzemelerinin üç boyutlu katılaştırma veya işleme formunda", "Yalnızca karbon-karbon doymamış bağlanma reaksiyonu yoluyla doymamış eter, asetal, yarı-asetal, keton veya aldehitten polimer bileşiklerin üretimi", "Adiabatik malzeme boru veya kablo", "Bileşen olarak fosfat esterleri içeren karbon fiber kompozitler" vb.
Son yıllarda, karbon fiber sektöründe Ar-Ge çalışmaları ortaya çıkmış ve atılımların çoğu Amerika Birleşik Devletleri ve Japonya'dan gelmiştir. En son teknolojiler yalnızca karbon fiber üretim ve hazırlama teknolojisine değil, aynı zamanda hafiflik, 3D baskı ve enerji üretim malzemeleri gibi daha geniş bir yelpazedeki otomotiv malzemelerindeki uygulamalara da odaklanmaktadır. Ayrıca, karbon fiber malzemelerin geri dönüşümü ve geri dönüşümü, odun lignini karbon fiberinin hazırlanması ve diğer başarılar da göz kamaştırıcı bir performans sergilemektedir. Temsili sonuçlar aşağıda açıklanmıştır:
1) ABD Georgia Teknoloji Enstitüsü üçüncü nesil karbon fiber teknolojilerinde çığır açıyor
Temmuz 2015'te DARPA fonlamasıyla Georgia Teknoloji Enstitüsü, yenilikçi tava bazlı karbon fiber jel eğirme tekniğiyle modülünü önemli ölçüde artırarak, askeri uçaklarda yaygın olarak kullanılan Hershey IM7 Karbon fiberini geride bıraktı ve Japonya'dan sonra üçüncü nesil karbon fiber teknolojisinde uzmanlaşan dünyadaki ikinci ülke oldu.
Kumarz tarafından üretilen jel eğirme karbon fiberinin çekme dayanımı 5,5 ila 5,8 Gpa'ya ulaşırken, çekme modülü 354-375 Gpa arasındadır. "Bu, kapsamlı performansta en yüksek mukavemet ve modüle sahip olduğu bildirilen sürekli fiberdir. Kısa filament demetinde, çekme dayanımı 12,1 Gpa'ya kadar çıkan, aynı zamanda en yüksek poliakrilonitril karbon fiberdir."
2) Elektromanyetik dalga ısıtma teknolojisi
Nedo, 2014 yılında elektromanyetik dalga ısıtma teknolojisini geliştirdi. Elektromanyetik dalga karbonizasyon teknolojisi, elyafın atmosfer basıncında karbonizasyonu için elektromanyetik dalga ısıtma teknolojisinin kullanılmasını ifade eder. Elde edilen karbon fiber performansı, yüksek sıcaklıkta ısıtma ile üretilen karbon fiber ile temelde aynıdır; elastikiyet modülü 240 GPA'nın üzerine çıkabilir ve kopma uzaması %1,5'in üzerindedir; bu da dünyada bir ilktir.
Lif benzeri malzeme, elektromanyetik dalga ile karbonize edilir, böylece yüksek sıcaklıkta ısıtma için kullanılan karbonizasyon fırını ekipmanına gerek kalmaz. Bu işlem, karbonizasyon için gereken süreyi kısaltmanın yanı sıra enerji tüketimini ve CO2 emisyonlarını da azaltır.
3) karbonizasyon sürecinin hassas kontrolü
Mart 2014'te Toray, t1100g karbon fiberin başarılı bir şekilde geliştirildiğini duyurdu. Toray, karbonizasyon sürecini hassas bir şekilde kontrol etmek, karbon fiberin mikro yapısını nanometre ölçeğinde iyileştirmek, karbonizasyon sonrası fiberdeki grafit mikrokristalin yönelimini, mikrokristalin boyutunu, kusurlarını vb. kontrol etmek için geleneksel tava çözeltisi eğirme teknolojisini kullanarak mukavemet ve elastikiyet modülünü büyük ölçüde iyileştirebilir. t1100g'nin çekme mukavemeti 6,6 GPa olup, T800'den %12 daha yüksektir ve elastikiyet modülü 324 GPa olup, endüstriyel üretim aşamasına girmektedir.
4) Yüzey İşlem Teknolojisi
Teijin East State, karbon fiberin görünümünü sadece birkaç saniye içinde kontrol edebilen plazma yüzey işleme teknolojisini başarıyla geliştirdi. Bu yeni teknoloji, tüm üretim sürecini önemli ölçüde basitleştiriyor ve elektrolit sulu çözeltiler için mevcut yüzey işleme teknolojisine kıyasla enerji tüketimini %50 oranında azaltıyor. Ayrıca, plazma işleminden sonra fiber ve reçine matrisinin yapışmasının da iyileştiği görüldü.
5) Yüksek sıcaklık grafit ortamında karbon fiber çekme dayanımının tutulma oranı üzerine bir çalışma
Ningbo Materials, özellikle yüksek sıcaklık grafit ortamında karbon fiber çekme dayanımının tutulma oranı üzerine araştırma çalışmaları olmak üzere, yerli yüksek mukavemetli ve uzun modlu karbon fiberin proses analizi, yapı araştırması ve performans optimizasyonu üzerine detaylı bir çalışma başarıyla gerçekleştirmiştir ve yakın zamanda çekme dayanımı 5.24GPa ve çekme modülü hacmi 593GPa olan yüksek mukavemetli ve daha yüksek modüllü karbon fiberin başarılı bir şekilde hazırlanması, Japonya'nın Toray m60j yüksek mukavemetli yüksek kalıplanmış karbon fiberine (çekme dayanımı 3.92GPa, çekme modülü 588GPa) kıyasla çekme dayanımı avantajına sahip olmaya devam etmektedir.
6) Mikrodalga Grafit
Yongda Advanced Materials, Amerika Birleşik Devletleri'ne özel patentli ultra yüksek sıcaklık grafit teknolojisini başarıyla geliştirmiş, orta ve yüksek dereceli karbon fiber üretimi gerçekleştirmiş ve yüksek dereceli karbon fiber geliştirmedeki üç darboğazı başarıyla aşmıştır. Grafit ekipmanları pahalı ve uluslararası kontrol altındadır, ham ipek kimyasal teknolojisi zordur, üretim verimi düşüktür ve maliyeti yüksektir. Yongda şimdiye kadar 3 çeşit karbon fiber geliştirmiştir ve bunların hepsi, orijinal nispeten düşük dereceli karbon fiberin mukavemetini ve modülünü yeni bir seviyeye taşımıştır.
7) Almanya'daki Fraunhofer tarafından geliştirilen tava bazlı karbon fiber ham telin eritilerek eğrilmesine yönelik yeni bir süreç
Fraunhofer Uygulamalı Polimerler Enstitüsü (Uygulamalı Polimer Araştırmaları, IAP), 25-29 Nisan 2018 tarihlerinde Berlin Ila Hava Gösterisi'nde en yeni Comcarbon teknolojisini sergileyeceğini duyurdu. Bu teknoloji, seri üretim karbon fiberin üretim maliyetini önemli ölçüde azaltıyor.
Şekil 4 Ham tel eritme eğirme.
Geleneksel proseslerde, pan bazlı karbon fiber üretim maliyetinin yarısının ham tel üretim sürecinde tüketildiği bilinmektedir. Ham telin erime kabiliyeti olmadığı için, pahalı bir çözelti eğirme prosesi (Çözelti Eğirme) kullanılarak üretilmesi gerekmektedir. "Bu amaçla, ham tel üretim maliyetini %60 oranında azaltabilen pan bazlı ham ipek üretimi için yeni bir proses geliştirdik. Bu, özel olarak geliştirilmiş eritilmiş pan bazlı bir kopolimer kullanılarak yapılan ekonomik ve uygulanabilir bir eritme eğirme prosesidir." diye açıkladı Fraunhofer IAP Enstitüsü Biyolojik Polimerler Bakanı Dr. Johannes Ganster.
8) Plazma oksidasyon teknolojisi
4M Karbon Fiber, plazma oksidasyon teknolojisini yalnızca teknolojiyi lisanslamak için değil, yüksek kaliteli ve düşük maliyetli karbon fiber üretmek ve satmak için stratejik bir odak noktası olarak kullanacağını duyurdu. 4M, plazma oksidasyon teknolojisinin geleneksel oksidasyon teknolojisinden 3 kat daha hızlı olduğunu ve enerji kullanımının geleneksel teknolojinin üçte birinden daha az olduğunu iddia ediyor. Bu iddialar, düşük maliyetli karbon fiber üretiminin öncüsü olmak için dünyanın en büyük karbon fiber üreticileri ve otomobil üreticileriyle görüşen birçok uluslararası karbon fiber üreticisi tarafından da doğrulandı.
9) Selüloz Nano fiber
Japonya Kyoto Üniversitesi, elektrik tesisat şirketi (Toyota'nın en büyük tedarikçisi) ve Daikyonishikawa Corp. gibi çeşitli büyük bileşen tedarikçileriyle birlikte, selüloz nanofiberleri birleştiren plastik malzemeler geliştirmek için çalışıyor. Bu malzeme, odun hamurunun birkaç mikrona (bin milimetrede 1) parçalanmasıyla elde ediliyor. Yeni malzemenin ağırlığı çeliğin ağırlığının yalnızca beşte biri kadar, ancak dayanıklılığı çeliğin beş katı.
10) Poliolefin ve lignin hammaddelerinden karbon fiber ön gövde
ABD'deki Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı, 2007 yılından bu yana düşük maliyetli karbon fiber araştırmaları üzerinde çalışıyor ve poliolefin ve lignin hammaddeleri için karbon fiber ön gövdeler ile ileri plazma ön oksidasyon ve mikrodalga karbonizasyon teknolojileri geliştiriyor.
11) Yeni polimer (öncül polimer), refrakter işlemin kaldırılmasıyla geliştirildi
Tokyo Üniversitesi öncülüğünde geliştirilen üretim yönteminde, refrakter işlemi ortadan kaldıran yeni bir polimer (öncül polimer) geliştirilmiştir. Buradaki temel nokta, polimerin ipeğe dönüştürüldükten sonra orijinal refrakter işlemi gerçekleştirmemesi, bunun yerine çözücü içinde oksitlenmesidir. Daha sonra mikrodalga ısıtma cihazı karbonizasyon için 1000 ℃'nin üzerine ısıtılır. Isıtma süresi yalnızca 2-3 dakika sürer. Karbonizasyon işleminden sonra, yüzey işlemi için plazma da kullanılır, böylece karbon fiber elde edilebilir. Plazma işlemi 2 dakikadan az sürer. Bu şekilde, orijinal 30-60 dakikalık sinterleme süresi yaklaşık 5 dakikaya düşürülebilir. Yeni üretim yönteminde, CFRP taban malzemesi olarak karbon fiber ile termoplastik reçine arasındaki bağı iyileştirmek için plazma işlemi gerçekleştirilir. Yeni üretim yöntemiyle üretilen karbon fiberin çekme elastikiyet modülü 240 GPa, çekme dayanımı 3,5 GPa ve uzaması %1,5'e ulaşır. Bu değerler spor malzemeleri vb. için kullanılan Toray Universal sınıfı karbon fiber T300 ile aynı seviyededir.
12) Akışkan yatak prosesi kullanılarak karbon fiber malzemelerin geri dönüşümü ve kullanımı
Çalışmanın başyazarı Mengran Meng şunları söyledi: "Karbon fiber geri kazanımı, ham karbon fiber üretimine kıyasla çevre üzerindeki etkiyi azaltır, ancak potansiyel geri dönüşüm teknolojileri ve karbon fiber geri dönüşümünün ekonomik uygulanabilirliği konusunda farkındalık sınırlıdır. Geri dönüşüm iki aşamadan oluşur: Lifler önce karbon fiber kompozitlerden geri kazanılmalı ve mekanik öğütme malzemeleri veya piroliz ya da akışkan yatak prosesleri kullanılarak termal olarak ayrıştırılmalıdır. Bu yöntemler, kompozit malzemenin plastik kısmını çıkararak geriye karbon fiber bırakır. Karbon fiber daha sonra ıslak kağıt yapım teknolojisi kullanılarak karışık fiber paspaslara dönüştürülebilir veya yönlendirilmiş fiberler halinde yeniden düzenlenebilir.
Araştırmacılar, karbon fiber kompozit atıktan, akışkan yatak prosesi kullanılarak karbon fiber geri kazanılabileceğini, bunun için kg başına yalnızca 5 dolar ve birincil karbon fiberin üretimi için gereken enerjinin %10'undan daha azını gerektireceğini hesapladılar. Akışkan yatak prosesleriyle üretilen geri dönüştürülmüş karbon fiberler, modülü neredeyse hiç azaltmaz ve çekme dayanımı birincil karbon fiberlere göre %18 ila %50 oranında azalır, bu da onları mukavemetten ziyade yüksek sertlik gerektiren uygulamalar için uygun hale getirir. Meng, "Geri dönüştürülmüş karbon fiberler, otomotiv, inşaat, rüzgar ve spor endüstrileri gibi hafiflik gerektiren yapısal olmayan uygulamalar için uygun olabilir," dedi.
13) ABD'de karbon fiber geri dönüşümünde yeni bir teknoloji geliştirildi
Haziran 2016'da ABD'deki Georgia Teknoloji Enstitüsü'ndeki araştırmacılar, karbon fiberi alkol içeren bir çözücüye batırarak epoksi reçinesini çözdüler, ayrılan lifler ve epoksi reçineleri yeniden kullanılabiliyor, karbon fiber geri kazanımı başarılı bir şekilde gerçekleştiriliyor.
Temmuz 2017'de Washington Eyalet Üniversitesi, zayıf asidi katalizör olarak kullanarak, termoset malzemeleri ayrıştırmak için nispeten düşük sıcaklıklarda sıvı etanol kullanarak, ayrışan karbon fiber ve reçineyi ayrı ayrı koruyarak yeniden üretilebilen bir karbon fiber geri kazanım teknolojisi geliştirdi.
14) ABD'deki LLNL laboratuvarında 3 boyutlu baskı karbon fiber mürekkep teknolojisinin geliştirilmesi
Mart 2017'de, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Lawrence Livemore Ulusal Laboratuvarı (LLNL), havacılık sınıfı karbon fiber kompozitleri 3 boyutlu olarak basılmış ilk yüksek performanslı kompozitleri geliştirdi. Doğrudan mürekkep iletimli (DIW) 3 boyutlu baskı yöntemini kullanarak, otomotiv, havacılık, savunma, motosiklet ve sörf yarışmalarında kullanılmak üzere işleme hızını önemli ölçüde artıran karmaşık üç boyutlu yapılar oluşturdular.
15) ABD, Kore ve Çin, enerji üretimi için karbon fiberin geliştirilmesinde işbirliği yapıyor
Ağustos 2017'de, Teksas Üniversitesi'nin Dallas kampüsü, Kore'deki Hanyang Üniversitesi, Çin'deki Nankai Üniversitesi ve diğer kurumlar, güç üretimi için bir karbon fiber iplik malzemesi geliştirmek üzere iş birliği yaptı. İplik önce tuzlu su gibi elektrolit çözeltilerine batırılır ve bu sayede elektrolitteki iyonlar karbon nanotüplerin yüzeyine tutunur. Bu iyonlar, iplik gerildiğinde veya çekildiğinde elektrik enerjisine dönüştürülebilir. Malzeme, güvenilir kinetik enerjiye sahip her yerde kullanılabilir ve Nesnelerin İnterneti (IoT) sensörlerine güç sağlamak için uygundur.
16) Çin ve ABD'den elde edilen odun lignin karbon elyafı araştırmalarında yeni gelişmeler
Mart 2017'de, Ningbo Malzeme Teknolojisi ve Mühendislik Enstitüsü'nün özel elyaf ekibi, esterifikasyon ve serbest radikal kopolimerizasyon iki aşamalı modifikasyon teknolojisini kullanarak iyi eğrilebilirlik ve termal stabiliteye sahip bir lignin-akrilonitril kopolimeri hazırladı. Kopolimer ve ıslak eğirme işlemi kullanılarak yüksek kaliteli sürekli filamentler elde edildi ve kompakt karbon elyaf, termal stabilizasyon ve karbonizasyon işleminden sonra elde edildi.
Ağustos 2017'de, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Washington Üniversitesi'ndeki Birgitte Ahring araştırma ekibi, lignin ve poliakrilonitril'i farklı oranlarda karıştırdı ve ardından eriyik eğirme teknolojisini kullanarak karışık polimerleri karbon fiberlere dönüştürdü. Çalışma, %20-%30 oranında eklenen ligninin karbon fiberin mukavemetini etkilemediğini ve otomotiv veya uçak parçaları için daha düşük maliyetli karbon fiber malzemelerin üretiminde kullanılmasının beklendiğini ortaya koydu.
Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı (NREL), 2017 yılı sonunda mısır samanı ve buğday samanı gibi bitki atıklarını kullanarak akrilonitril üretimi üzerine bir araştırma yayınladı. Bu laboratuvarlar, önce bitki materyallerini şekere, ardından aside dönüştürüyor ve ucuz katalizörlerle birleştirerek hedef ürünler üretiyor.
17) Japonya ilk karbon fiber takviyeli termoplastik kompozit otomobil şasisini geliştirdi
Ekim 2017'de, Japonya'nın yeni enerji endüstrisi entegre Ar-Ge Ajansı ve Nagoya Üniversitesi Ulusal Kompozit Araştırma Merkezi, dünyanın ilk karbon fiber takviyeli termoplastik kompozit otomobil şasisini başarıyla geliştirdi. Otomatik uzun fiber takviyeli termoplastik kompozitlerin doğrudan çevrimiçi kalıplama işlemini, sürekli karbon fiber ve termoplastik reçine parçacıklarının karıştırılmasını, fiber takviyeli kompozitlerin üretilmesini ve ardından ısıtma ve eritme bağlantısı yoluyla termoplastik CFRP otomobil şasisinin başarılı bir şekilde üretilmesini sağladılar.
5. Çin'de karbon fiber teknolojisinin Ar-Ge'sine ilişkin öneriler
5.1 İleriye dönük düzen, hedef odaklı, üçüncü nesil karbon fiber teknolojisinde çığır açmaya odaklı
Çin'in ikinci nesil karbon fiber teknolojisi henüz kapsamlı bir atılım değil, ülkemiz ilgili araştırma kurumlarımızı bir araya getirecek, temel teknolojilerin yakalanmasına odaklanacak, üçüncü nesil yüksek performanslı karbon fiber hazırlama teknolojisi araştırma ve geliştirmesine (yani havacılıkta yüksek mukavemetli, yüksek modüllü karbon fiber teknolojisine uygulanabilir) ve otomotiv, inşaat ve onarım ve diğer hafif, düşük maliyetli büyük çekme karbon fiber hazırlama, katkı üretim teknolojisi karbon fiber kompozit malzeme, geri dönüşüm teknolojisi ve hızlı prototipleme teknolojileri dahil olmak üzere geliştirilen karbon fiber kompozit malzeme teknolojisine odaklanacak ileriye dönük bir düzen olmaya çalışmalıdır.
5.2 Organizasyonu koordine etmek, desteği güçlendirmek, işbirlikçi araştırmayı sürekli olarak desteklemek için büyük teknik projeler kurmak
Şu anda Çin'de karbon fiber araştırması yürütecek birçok kurum olmasına rağmen, güç dağınık ve etkili koordinasyon için birleşik bir Ar-Ge organizasyon mekanizması ve güçlü bir fon desteği bulunmuyor. Gelişmiş ülkelerin kalkınma deneyimlerine bakıldığında, büyük projelerin organizasyonu ve düzeni, bu teknik alanın gelişimini desteklemede büyük rol oynuyor. Çin'in karbon fiber alanındaki çığır açan Ar-Ge teknolojisi göz önüne alındığında, büyük projeler başlatmak, iş birliğine dayalı teknolojik inovasyonu güçlendirmek ve Çin'in karbon fiber araştırma teknolojisi seviyesini ve uluslararası karbon fiber ve kompozit alanındaki rekabet gücünü sürekli olarak geliştirmek için Çin'in Avantaj Ar-Ge Gücüne odaklanmalıyız.
5.3 Teknik başarıların uygulama etkisine yönelik değerlendirme mekanizmasının iyileştirilmesi
SCI makalelerinin ekonometrik analizi açısından bakıldığında, Çin'in karbon fiberi yüksek mukavemetli performans malzemeleri olarak çeşitli araştırma alanlarında kullanılmaktadır. Ancak karbon fiber üretim ve hazırlama teknolojisi, özellikle maliyetleri düşürmeye ve üretim verimliliğini artırmaya odaklanmaktadır. Karbon fiber üretim süreci uzundur, teknoloji kilit noktaları yüksektir, yüksek üretim engelleri vardır, çok disiplinli ve çok teknolojili bir entegrasyona sahiptir. Teknik engellerin aşılması, "düşük maliyetli, yüksek performanslı" temel hazırlama teknolojisi araştırma ve geliştirmesinin etkili bir şekilde teşvik edilmesi, bir yandan araştırma yatırımlarının güçlendirilmesi, diğer yandan bilimsel araştırma performans değerlendirme alanının zayıflatılması, teknik başarıların uygulama etkisi değerlendirmesinin rehberliğinin güçlendirilmesi ve makalenin yayınlanmasına odaklanan "nicel" değerlendirmeden, sonuçların değerinin "nitelikli" değerlendirmesine geçilmesi gerekmektedir.
5.4 Son teknoloji bileşik yeteneklerinin yetiştirilmesinin güçlendirilmesi
Karbon fiber teknolojisinin ileri teknoloji niteliği, uzmanlaşmış yeteneklerin önemini belirlerken, bu yeteneklerin ileri teknolojiye sahip çekirdek teknik personele sahip olup olmaması, bir kurumun Ar-Ge düzeyini doğrudan belirlemektedir.
Karbon fiber teknolojisi Ar-Ge bağlantıları sayesinde, tüm bağlantıların koordinasyonunu ve gelişimini sağlamak için bileşik personelinin eğitimine önem vermeliyiz. Ayrıca, Çin'deki karbon fiber araştırmalarının gelişim geçmişine bakıldığında, teknoloji çekirdek uzmanlarının akışı genellikle bir araştırma kurumunun Ar-Ge seviyesini etkileyen önemli bir faktördür. Çekirdek uzmanların ve Ar-Ge ekiplerinin üretim süreçlerinde, kompozitlerde ve ana ürünlerde sabitliğini korumak, sürekli teknoloji güncellemeleri için önemlidir.
Bu alanda uzmanlaşmış ileri teknoloji personelinin eğitimini ve kullanımını güçlendirmeye devam etmeli, Teknoloji Ar-Ge yetenekleri için değerlendirme ve tedavi politikasını iyileştirmeli, genç yeteneklerin yetiştirilmesini güçlendirmeli, yabancı ileri Ar-Ge kurumlarıyla işbirliğini ve değişimleri aktif olarak desteklemeli ve yabancı ileri yetenekleri aktif olarak tanıtmalıyız, vb. Bu, Çin'de karbon fiber araştırmalarının geliştirilmesini teşvik etmede büyük rol oynayacaktır.
Alıntı yapılan-
Küresel karbon fiber teknolojisinin gelişimi ve Çin'e yansıması üzerine analiz. Tian Yajuan, Zhang Zhiqiang, Tao Cheng, Yang Ming, Ba Jin, Chen Yunwei.Dünya Bilim-Teknoloji Ar-Ge.2018
Gönderi zamanı: 04-12-2018