Koolstofvesel is 'n anorganiese polimeervesel, 'n nuwe anorganiese materiaal met 'n koolstofinhoud van meer as 95%, met lae digtheid, hoë sterkte, hoë temperatuurweerstand, hoë chemiese stabiliteit, anti-moegheid, slytasie en ander uitstekende basiese fisiese en chemiese eienskappe, en het hoë vibrasiedemping, goeie geleidende termiese geleidingsvermoë, elektromagnetiese afskermingsprestasie en 'n lae termiese uitbreidingskoëffisiënt en ander eienskappe. Hierdie uitstekende eienskappe maak koolstofvesel wyd gebruik in lugvaart, spoorvervoer, voertuigvervaardiging, wapens en toerusting, konstruksiemasjinerie, infrastruktuurkonstruksie, mariene ingenieurswese, petroleumingenieurswese, windenergie, sportgoedere en ander velde.
Gebaseer op die nasionale strategiese behoeftes van koolstofveselmateriale, het China dit gelys as een van die kerntegnologieë van die opkomende nywerhede wat op ondersteuning gefokus is. In die nasionale "Twaalf-Vyf" Wetenskap- en tegnologiebeplanning is die voorbereiding en toepassingstegnologie van hoëprestasie-koolstofvesel een van die kerntegnologieë van strategiese opkomende nywerhede wat deur die staat ondersteun word. In Mei 2015 het die Staatsraad amptelik "Made in China 2025" vrygestel, wat nuwe materiale as een van die sleutelgebiede van die kragtige bevordering en ontwikkeling, insluitend hoëprestasie-strukturele materiale, is gevorderde komposiete die fokus van ontwikkeling op die gebied van nuwe materiale. In Oktober 2015 het die Ministerie van Nywerheid en Inligtingsbedryf amptelik die "China Manufacturing 2025 Key Areas Technology Roadmap" gepubliseer, wat "hoëprestasievesel en sy komposiete" as 'n sleutel strategiese materiaal beskou, met die doelwit vir 2020 om "binnelandse koolstofveselkomposiete te voldoen aan die tegniese vereistes van groot vliegtuie en ander belangrike toerusting." In November 2016 het die Staatsraad die "Dertien-en-Vyf" nasionale strategiese ontwikkelingsplan vir opkomende nywerhede uitgereik, wat duidelik daarop gewys het om die samewerkingsondersteuning vir die nuwe materiaalbedryf stroomop en stroomaf te versterk, in koolstofvesel-saamgestelde materiale en ander velde om gesamentlike toepassingsproefdemonstrasies uit te voer en 'n gesamentlike toepassingsplatform te bou. In Januarie 2017 het die Ministerie van Nywerheid en Ontwikkeling, die NDRC, wetenskap en tegnologie, en die Ministerie van Finansies gesamentlik die "Gids vir die ontwikkeling van nuwe materiaalnywerhede" geformuleer en voorgestel dat vanaf 2020, "in koolstofvesel-saamgestelde materiale, hoëgehalte spesiale staal, gevorderde ligte legeringsmateriale en ander velde om meer as 70 sleutel nuwe materiaalindustrialisering en -toepassing te bereik, 'n prosestoerustingondersteuningstelsel te bou wat ooreenstem met die ontwikkelingsvlak van China se nuwe materiaalbedryf."
Omdat koolstofvesel en die saamgestelde materiale daarvan 'n belangrike rol speel in nasionale verdediging en die lewensonderhoud van die mense, fokus baie kenners op hul ontwikkeling en ontleding van navorsingstendense. Dr. Zhou Hong het die wetenskaplike en tegnologiese bydraes wat deur Amerikaanse wetenskaplikes in die vroeë stadiums van die ontwikkeling van hoëprestasie-koolstofveseltegnologie gelewer is, hersien en 16 hooftoepassings en onlangse tegnologiese vooruitgang van koolstofvesel geskandeer en daaroor verslag gedoen, en die produksietegnologie, eienskappe en toepassing van poliakrilonitriel-koolstofvesel en die huidige tegnologiese ontwikkeling daarvan is deur Dr. Wei Xin, ens. hersien. Dit maak ook 'n paar konstruktiewe voorstelle vir die probleme wat bestaan in die ontwikkeling van koolstofvesel in China. Daarbenewens het baie mense navorsing gedoen oor die metrologie-analise van artikels en patente op die gebied van koolstofvesel en die saamgestelde materiale daarvan. Byvoorbeeld, Ma Xianglin en ander vanuit die oogpunt van metrologie vanaf die 1998-2017 koolstofvesel-patentverspreiding en toepassing van die analiseveld; Yang Sisi en ander gebaseer op die innografie-platform vir die wêreldwye patentsoektog en datastatistieke van koolstofveselstof, van die jaarlikse ontwikkelingstendens van patente, patenthouers, die patenttegnologie-brandpunt en die kernpatent van die tegnologie word geanaliseer.
Vanuit die perspektief van koolstofveselnavorsing en -ontwikkelingstrajek is China se navorsing amper gesinchroniseer met die wêreld, maar die ontwikkeling is stadig. Die hoëprestasie-koolstofveselproduksieskaal en -gehalte in vergelyking met die buiteland het 'n gaping. Daar is 'n dringende behoefte om die O&O-proses te versnel, strategiese uitleg te bevorder en die toekomstige geleenthede vir nywerheidsontwikkeling te benut. Daarom ondersoek hierdie artikel eers die projekuitleg van lande op die gebied van koolstofveselnavorsing om die beplanning van O&O-roetes in verskeie lande te verstaan. Tweedens, omdat die basiese navorsing en toepassingsnavorsing van koolstofvesel baie belangrik is vir die tegniese navorsing en ontwikkeling van koolstofvesel, doen ons dus metrologie-analise uit akademiese navorsingsresultate - SCI-artikels en toegepaste navorsingsresultate - patente om 'n omvattende begrip van O&O-vordering op die gebied van koolstofvesel te verkry, en om onlangse navorsingsontwikkelings op hierdie gebied te skandeer tot Peep International Frontier se O&O-vordering. Laastens, gebaseer op die bogenoemde navorsingsresultate, word 'n paar voorstelle vir die navorsings- en ontwikkelingsroete op die gebied van koolstofvesel in China voorgestel.
2. Ckoolstofveselnavorsingsprojekuitleg vanbelangrike lande/streke
Die belangrikste produksielande van koolstofvesel sluit in Japan, die Verenigde State, Suid-Korea, sommige Europese lande en Taiwan, China. Gevorderde tegnologie-lande in die vroeë stadium van die ontwikkeling van koolstofveseltegnologie het die belangrikheid van hierdie materiaal besef, strategiese uitleg uitgevoer en die ontwikkeling van koolstofveselmateriale kragtig bevorder.
2.1 Japan
Japan is die mees ontwikkelde land vir koolstofveseltegnologie. Die drie maatskappye, Toray, Bong en Mitsubishi Liyang in Japan, is verantwoordelik vir ongeveer 70%~80% van die globale markaandeel van koolstofveselproduksie. Nietemin heg Japan groot waarde aan die handhawing van sy sterk punte in hierdie veld, veral die ontwikkeling van hoëprestasie-pan-gebaseerde koolstofvesels en energie- en omgewingsvriendelike tegnologieë, met sterk menslike en finansiële ondersteuning, en in 'n aantal basiese beleide, insluitend die basiese energieplan, die strategiese uiteensetting vir ekonomiese groei en die Kyoto-protokol, het dit 'n strategiese projek gemaak wat bevorder moet word. Gebaseer op die basiese nasionale energie- en omgewingsbeleid, het die Ministerie van Ekonomie, Nywerheid en Eiendom van Japan die "Energiebesparende tegnologie-navorsing- en ontwikkelingsprogram" voorgestel. Ondersteun deur bogenoemde beleid, kon die Japannese koolstofveselbedryf alle aspekte van hulpbronne meer effektief sentraliseer en die oplossing van algemene probleme in die koolstofveselbedryf bevorder.
"Tegnologie-ontwikkeling soos innoverende nuwe strukturele materiale" (2013-2022) is 'n projek wat onder die "Toekomstige Ontwikkelingsnavorsingsprojek" in Japan geïmplementeer word om die ontwikkeling van die nodige innoverende strukturele materiaaltegnologie en die kombinasie van verskillende materiale beduidend te bereik, met die hoofdoel om die liggewig (helfte van die motorgewig) van die vervoermiddel te verminder. En uiteindelik die praktiese toepassing daarvan te verwesenlik. Nadat die Industriële Tegnologie-ontwikkelingsagentskap (NEDO) die navorsings- en ontwikkelingsprojek in 2014 oorgeneem het, het dit verskeie subprojekte ontwikkel waarin die algehele doelwitte van die koolstofveselnavorsingsprojek "Innoverende koolstofvesel basiese navorsing en ontwikkeling" was: om nuwe koolstofveselvoorloperverbindings te ontwikkel; om die vormingsmeganisme van karboniseringsstrukture te verduidelik; en om koolstofvesel-assesseringsmetodes te ontwikkel en te standaardiseer. Die projek, gelei deur die Universiteit van Tokio en waarby die Instituut vir Industriële Tegnologie (NEDO), Toray, Teijin, Dongyuan en Mitsubishi Liyang gesamentlik betrokke is, het in Januarie 2016 beduidende vordering gemaak en is nog 'n groot deurbraak op die gebied van pan-gebaseerde koolstofvesel na die uitvinding van die "Kondo-modus" in Japan in 1959.
2.2 Verenigde State
Die Amerikaanse verdedigingsvoornavorsingsagentskap (DARPA) het die Advanced Structural Fiber-projek in 2006 van stapel gestuur met die doel om die land se dominante wetenskaplike navorsingsmag bymekaar te bring om die volgende generasie strukturele vesels gebaseer op koolstofvesels te ontwikkel. Met die ondersteuning van hierdie projek het die navorsingspan van die Georgia Institute of Technology in die Verenigde State in 2015 deur die rou draadvoorbereidingstegnologie gebreek, wat die elastisiteitsmodulus met 30% verhoog het, wat die Verenigde State die ontwikkelingskapasiteit van die derde generasie koolstofvesel gegee het.
In 2014 het die Verenigde State se Departement van Energie (DOE) 'n subsidie van 11,3 miljoen dollar aangekondig vir twee projekte oor "meerstap-katalitiese prosesse vir die omskakeling van nie-eetbare biomassasuikers in akrilonitriel" en "navorsing en optimalisering van akrilonitriel afgelei van biomassaproduksie" om die gebruik van landboureste te bevorder, navorsing oor koste-mededingende hernubare hoëprestasie-koolstofveselmateriale vir die produksie van hernubare nie-voedselgebaseerde grondstowwe, soos houtagtige biomassa, en planne om die produksiekoste van biomassa-hernubare koolstofvesels teen 2020 tot minder as $5/lb te verminder.
In Maart 2017 het die Amerikaanse Departement van Energie weer 3,74 miljoen dollar aangekondig vir die befondsing van 'n "laekoste-koolstofveselkomponent-O&O-projek" gelei deur die Western American Institute (WRI), wat fokus op die ontwikkeling van laekoste-koolstofveselkomponente gebaseer op hulpbronne soos steenkool en biomassa.
In Julie 2017 het die Amerikaanse Departement van Energie die befondsing van 19,4 miljoen dollar aangekondig om navorsing en ontwikkeling van gevorderde energie-doeltreffende voertuie te ondersteun, waarvan 6,7 miljoen gebruik word om die voorbereiding van laekoste-koolstofvesels met behulp van berekeningsmateriale te finansier, insluitend die ontwikkeling van multiskaal-evalueringsmetodes vir geïntegreerde rekenaartegnologie om die entoesiasme van nuwe koolstofveselvoorlopers te bepaal. Gevorderde molekulêre dinamika-ondersteunde digtheidsfunksionaalteorie, masjienleer en ander gereedskap word gebruik om die nuutste rekenaargereedskap te ontwikkel om die seleksie-effektiwiteit van laekoste-koolstofvesel-grondstowwe te verbeter.
2.3 Europa
Die Europese koolstofveselbedryf het in die sewentiger- of tagtigerjare van die 20ste eeu in Japan en die Verenigde State ontwikkel, maar as gevolg van tegnologie en kapitaal het baie enkel-koolstofveselproduserende maatskappye nie by die hoë groeitydperk van koolstofveselvraag na 2000 jaar gehou nie en verdwyn. Die Duitse maatskappy SGL is die enigste maatskappy in Europa wat 'n groot aandeel van die wêreld se koolstofveselmark het.
In November 2011 het die Europese Unie die Eucarbon-projek van stapel gestuur, wat daarop gemik is om Europese vervaardigingsvermoëns in koolstofvesel en vooraf-geïmpregneerde materiale vir lugvaart op te gradeer. Die projek het 4 jaar geduur, met 'n totale belegging van 3,2 miljoen euro, en in Mei 2017 is Europa se eerste spesiale koolstofvesel-produksielyn vir ruimtetoepassings soos satelliete suksesvol gevestig, wat Europa in staat gestel het om weg te beweeg van sy invoerafhanklikheid van die produk en die veiligheid van die voorsiening van materiale te verseker.
Die EU Sewende Raamwerk beplan om die "funksionele koolstofvesel in die voorbereiding van 'n nuwe voorloperstelsel met koste-effektiewe en hanteerbare werkverrigting" (FIBRALSPEC) projek (2014-2017) te ondersteun in euro 6.08 miljoen. Die 4-jaar projek, gelei deur die Nasionale Tegniese Universiteit van Athene, Griekeland, met die deelname van multinasionale maatskappye soos Italië, die Verenigde Koninkryk en Oekraïne, fokus op die innovering en verbetering van die proses van deurlopende voorbereiding van poliakrilonitriel-gebaseerde koolstofvesels om eksperimentele produksie van deurlopende pan-gebaseerde koolstofvesels te bewerkstellig. Die projek het die ontwikkeling en toepassing van koolstofvesel en verbeterde saamgestelde tegnologie van hernubare organiese polimeerbronne (soos superkapasitors, vinnige noodskuilings, sowel as prototipe meganiese elektriese roterende bedekkingsmasjiene en produksielynontwikkeling van nanovesels, ens.) suksesvol voltooi.
'n Groeiende aantal industriële sektore, soos die motorbedryf, windkrag en skeepsbou, benodig liggewig, hoëprestasie-komposiete, wat 'n enorme potensiële mark vir die koolstofveselbedryf is. Die EU belê 5,968 miljoen euro om die Carboprec-projek (2014-2017) te loods, waarvan die strategiese doel is om laekoste-voorlopers van hernubare materiale wat wyd in Europa voorkom, te ontwikkel en die produksie van hoëprestasie-koolstofvesels deur koolstofnanobuise te verbeter.
Die Europese Unie se Cleansky II-navorsingsprogram het 'n "Saamgestelde band O & D"-projek (2017) befonds, onder leiding van die Fraunhofer Instituut vir Produksie en Stelselbetroubaarheid (LBF) in Duitsland, wat beplan om voorwielkomponente vir koolstofveselversterkte saamgestelde vliegtuie vir Airbus A320 te ontwikkel. Die doel is om gewig met 40% te verminder in vergelyking met konvensionele metaalmateriale. Die projek word met ongeveer EUR 200,000 befonds.
2.4 Korea
Suid-Korea se koolstofvesel-O&O en industrialisering het laat begin, O&O het in 2006 begin en in 2013 formeel die praktiese stadium begin betree, wat die Koreaanse koolstofvesel-afhanklikheid van invoere omkeer. Vir Suid-Korea se plaaslike xiaoxing-groep en Taiguang Business as die verteenwoordiger van die bedryfspionier wat aktief betrokke is by die uitleg van die koolstofveselbedryf, is die momentumontwikkeling sterk. Daarbenewens het die koolstofveselproduksiebasis wat deur Toray Japan in Korea gevestig is, ook bygedra tot die koolstofveselmark in Korea self.
Die Koreaanse regering het gekies om die xiaoxing-groep 'n bymekaarkomplek vir die innoverende nywerhede van koolstofvesel te maak. Die doel is om 'n koolstofveselmateriaalbedryfskluster te vorm, die ontwikkeling van 'n kreatiewe ekonomiese ekosisteem in die hele Noordelike streek te bevorder, die uiteindelike doel is om 'n eenstop-produksieketting van koolstofveselmateriaal → onderdele → klaarproduk te vorm, die vestiging van 'n koolstofvesel-inkubasiekluster kan geëwenaar word met Silicon Valley in die Verenigde State, nuwe markte ontgin, nuwe toegevoegde waarde skep, en die teiken van $10 miljard in uitvoere van koolstofveselverwante produkte (gelykstaande aan ongeveer 55,2 miljard yuan) teen 2020 bereik.
3. ontleding van globale koolstofveselnavorsing en navorsingsuitsette
Hierdie subafdeling tel die SCI-artikels wat verband hou met koolstofveselnavorsing en die DII-patentresultate sedert 2010, om terselfdertyd die akademiese navorsing en industriële navorsing en ontwikkeling van globale koolstofveseltegnologie te analiseer, en die vordering van koolstofveselnavorsing en -ontwikkeling internasionaal ten volle te verstaan.
Data verkry van die Scie-databasis en Dewent-databasis in die Web of Science-databasis gepubliseer deur Clarivate Analytics; herwinningstydperk: 2010-2017; herwinningsdatum: 1 Februarie 2018.
SCI Papierherwinningstrategie: Ts=((koolstofvesel* of Koolstofvesel* of ("Koolstofvesel*" nie "koolstofveselglas") of "koolstofvesel*" of "koolstoffilament*" of ((poliakrilonitriel of pik) en "voorloper*" envesel*) of ("grafietvesel*")) nie ("bamboeskoolstof")).
Dewent Patent Soekstrategie: Ti=((koolstofvesel* of Koolstofvesel* of ("Koolstofvesel*" nie"koolstofveselglas") of "koolstofvesel*" of "koolstoffilament*" of ((poliakrilonitriel of pik) en "voorloper*" envesel*) of ("grafietvesel*")) nie ("bamboeskoolstof")) of TS=((koolstofvesel* of Koolstofvesel* of ("Koolstofvesel*" nie"koolstofveselglas") of "koolstofvesel*" of "koolstoffilament*" of ((poliakrilonitriel of pik) en "voorloper*" envesel*) of ("grafietvesel*")) nie ("bamboeskoolstof")) enIP=(D01F-009/12 of D01F-009/127 of D01F-009/133 of D01F-009/14 of D01F-009/145 of D01F-009/15 of D01F-009/155 of D01F-009/16 of D01F-009/17 of D01F-009/18 of D01F-009/20 of D01F-009/21 of D01F-009/22 of D01F-009/24 of D01F-009/26 of D01F-09/28 of D01F-009/30 of D01F-009/32 of C08K-007/02 of C08J-005/04 of C04B-035/83 of D06M-014/36 of D06M-101/40 of D21H-013/50 of H01H-001/027 of H01R-039/24).
3.1 tendens
Sedert 2010 is 16 553 relevante artikels wêreldwyd gepubliseer, en 26 390 uitvindingspatente is aangevra, wat almal 'n bestendige opwaartse tendens jaar na jaar toon (Figuur 1).
3.2 Land- of streekverspreiding
Die top 10 instellings met die grootste uitset van die wêreldwye koolstofvesel-navorsingsartikel is van China, waarvan die top 5 is: Chinese Akademie vir Wetenskappe, Harbin Instituut vir Tegnologie, Noordwes-Universiteit van Tegnologie, Donghua Universiteit, Beijing Instituut vir Lugvaartkunde en Ruimtevaart. Onder die buitelandse instellings val die Indiese Instituut vir Tegnologie, die Universiteit van Tokio, die Universiteit van Bristol, Monash Universiteit, die Universiteit van Manchester en die Georgia Instituut vir Tegnologie tussen die 10~20 (Fig. 3).
Aantal patentaansoeke in die top 30 instellings, Japan het 5, en 3 daarvan is in die top vyf, Toray-maatskappy is eerste geplaas, gevolg deur Mitsubishi Liyang (2de), Teijin (4de), East State (10de), Japan Toyo Textile Company (24ste), China het 21 instellings, Sinopec Group het die grootste aantal patente, derde geplaas, Tweedens, Harbin Institute of Technology, Henan Ke Letter kabelmaatskappy, Donghua Universiteit, China Shanghai Petrochemical, Beijing Chemical Industry, ens., die Chinese Academy of Sciences Shanxi Steenkool aansoek uitvinding Patent 66, 27ste geplaas, Suid-Koreaanse instellings het 2, waarvan Xiaoxing Co., Ltd. eerste geplaas is, 8ste geplaas.
Uitsetinstellings, die uitset van die artikel hoofsaaklik van universiteite en wetenskaplike navorsingsinstellings, patentuitset hoofsaaklik van die maatskappy, kan gesien word dat koolstofveselvervaardiging 'n hoëtegnologie-industrie is, as die hoofliggaam van koolstofvesel O & O Nywerheidsontwikkeling, heg die maatskappy groot waarde aan die beskerming van koolstofvesel O & O-tegnologie, veral die 2 groot maatskappye in Japan, Die aantal patente is ver vooruit.
3.4 Navorsingsbrandpunte
Koolstofvesel-navorsingsartikels dek die meeste navorsingsonderwerpe: Koolstofvesel-komposiete (insluitend koolstofveselversterkte komposiete, polimeermatriks-komposiete, ens.), navorsing oor meganiese eienskappe, eindige elementanalise, koolstofnanobuise, delaminasie, versterking, moegheid, mikrostruktuur, elektrostatiese spin, oppervlakbehandeling, adsorpsie en so aan. Artikels wat met hierdie sleutelwoorde handel, maak 38.8% van die totale aantal artikels uit.
Koolstofvesel-uitvindingspatente dek die meeste onderwerpe wat verband hou met die voorbereiding van koolstofvesel, produksietoerusting en saamgestelde materiale. Onder hulle is Japan Toray, Mitsubishi Liyang, Teijin en ander maatskappye in die "koolstofveselversterkte polimeerverbindings" op die gebied van belangrike tegniese uitleg, benewens Toray en Mitsubishi Liyang in "Poliakrilonitrielproduksie van koolstofvesel en produksietoerusting", "met onversadigde nitriel, soos poliakrilonitriel, polivinilideen-sianied-etileenproduksie van koolstofvesel" en ander tegnologieë het 'n groot deel van die patentuitleg, en die Japannese Teijin-maatskappy in die "koolstofvesel- en suurstofverbindings" het 'n groter deel van die patentuitleg.
China Sinopec Groep, Beijing Chemiese Universiteit, Chinese Akademie vir Wetenskappe Ningbo Materials in die "poliakrilonitrielproduksie van koolstofvesel en produksietoerusting" het 'n groot deel van die patentuitleg; Daarbenewens het die Beijing Universiteit van Chemiese Ingenieurswese, die Chinese Akademie vir Wetenskappe Shanxi Steenkool Chemiese Instituut en die Chinese Akademie vir Wetenskappe Ningbo materiale sleuteluitleg "Gebruik van anorganiese elementvesel as die bestanddele van polimeerverbindingvoorbereiding" tegnologie het Harbin Instituut vir Tegnologie gefokus op die uitleg van "koolstofveselbehandeling", "koolstofvesel en suurstofbevattende verbindings" en ander tegnologieë.
Daarbenewens word uit die jaarlikse statistiese verspreidingstatistieke van globale patente gevind dat 'n aantal nuwe brandpunte in die afgelope drie jaar begin ontstaan het, soos: "Samestellings van poliamiede verkry uit die vorming van karboksilaatbindingsreaksie in die hoofketting", "poliëstersamestellings uit die vorming van 1 karboksielsuuresterbindings in die hoofketting", "saamgestelde materiaal gebaseer op sintetiese materiale", "sikliese karboksielsuurbevattende suurstofverbindings as bestanddele van koolstofveselkomposiete", "in driedimensionele vorm van stolling of behandeling van tekstielmateriale", "onversadigde eter, asetaal, semi-asetaal, ketoon of aldehied deur slegs die koolstof-koolstof onversadigde bindingsreaksie tot die produksie van polimeerverbindings", "adiabatiese materiaalpyp of -kabel", "Koolstofveselkomposiete met fosfaatesters as bestanddele" en so aan.
In onlangse jare het navorsing en ontwikkeling in die koolstofveselsektor na vore gekom, met die meeste deurbrake wat uit die Verenigde State en Japan kom. Die nuutste tegnologieë fokus nie net op koolstofveselproduksie en -voorbereidingstegnologie nie, maar ook op toepassings in 'n wyer reeks motormateriale, soos liggewig-, 3D-drukwerk- en kragopwekkingsmateriale. Daarbenewens het die herwinning en herwinning van koolstofveselmateriale, die voorbereiding van houtlignien-koolstofvesel en ander prestasies blink oogprestasie getoon. Die verteenwoordigende resultate word hieronder beskryf:
1) Die Amerikaanse Georgia Instituut vir Tegnologie breek deur derde generasie koolstofveseltegnologieë
In Julie 2015, met DARPA-befondsing, het die Georgia Institute of Technology, met sy innoverende pan-gebaseerde koolstofvesel-gelspintegniek, sy modulus aansienlik verhoog en die Hershey IM7-koolstofvesel, wat nou wyd in militêre vliegtuie gebruik word, oortref. Dit was die tweede land ter wêreld wat die derde generasie koolstofveseltegnologie na Japan bemeester het.
Die treksterkte van die gel-spin koolstofvesel wat deur Kumarz vervaardig word, bereik 5.5 tot 5.8 Gpa, en die trekmodulus is tussen 354-375 gpa. "Dit is die deurlopende vesel wat gerapporteer is met die hoogste sterkte en modulus van omvattende werkverrigting. In die kort filamentbundel, die treksterkte tot 12.1 Gpa, is dieselfde die hoogste poliakrilonitriel koolstofvesel."
2) Elektromagnetiese golfverhittingstegnologie
In 2014 het Nedo elektromagnetiese golfverhittingstegnologie ontwikkel. Elektromagnetiese golfkarboniseringstegnologie verwys na die gebruik van elektromagnetiese golfverhittingstegnologie om die vesel by atmosferiese druk te karboniseer. Die verkrygde koolstofveselprestasie is basies dieselfde as die koolstofvesel wat deur hoëtemperatuurverhitting geproduseer word, die elastiese modulus kan meer as 240 GPA bereik, en die verlenging by breek is meer as 1.5%, wat die eerste sukses ter wêreld is.
Die veselagtige materiaal word deur elektromagnetiese golwe gekarboniseer, sodat die karboniseringsoondtoerusting wat vir hoëtemperatuurverhitting gebruik word, nie nodig is nie. Hierdie proses verminder nie net die tyd wat benodig word vir karbonisering nie, maar verminder ook energieverbruik en CO2-uitlatings.
3) fyn beheer van die karboniseringsproses
In Maart 2014 het Toray die suksesvolle ontwikkeling van die t1100g koolstofvesel aangekondig. Toray gebruik die tradisionele panoplossingspintegnologie om die karboniseringsproses fyn te beheer, die mikrostruktuur van koolstofvesel op die nanoskaal te verbeter, die grafietmikrokristallyne oriëntasie, mikrokristallyne grootte, defekte en so aan in die vesel na karbonisering te beheer, sodat die sterkte en elastisiteitsmodulus aansienlik verbeter kan word. Die treksterkte van t1100g is 6.6GPa, wat 12% hoër is as dié van T800, en die elastisiteitsmodulus is 324GPa en 'n toename van 10%, wat die industrialiseringsfase betree.
4) Oppervlakbehandelingstegnologie
Teijin East State het suksesvol plasma-oppervlakbehandelingstegnologie ontwikkel wat die voorkoms van koolstofvesel binne net 'n paar sekondes kan beheer. Hierdie nuwe tegnologie vereenvoudig die hele produksieproses aansienlik en verminder energieverbruik met 50% in vergelyking met die bestaande oppervlakbehandelingstegnologie vir waterige elektrolietoplossings. Boonop is daar na plasmabehandeling gevind dat die adhesie van vesel en harsmatriks ook verbeter is.
5) studie oor die retensietempo van koolstofvesel-treksterkte in 'n hoëtemperatuurgrafietomgewing
Ningbo Materials het suksesvol 'n gedetailleerde studie uitgevoer oor die prosesanalise, struktuurnavorsing en prestasie-optimalisering van huishoudelike hoësterkte- en langmodus-koolstofvesel, veral die navorsingswerk oor die retensietempo van koolstofvesel-treksterkte in hoëtemperatuurgrafitoomgewings, en die onlangse suksesvolle voorbereiding van hoësterkte- en hoërmodulus-koolstofvesel met treksterkte van 5.24GPa en trekmodulusvolume van 593GPa. Dit het steeds die voordeel van treksterkte in vergelyking met Japan se Toray m60j hoësterkte-hooggevormde koolstofvesel (treksterkte 3.92GPa, trekmodulus 588GPa).
6) Mikrogolfgrafiet
Yongda Advanced Materials het die eksklusiewe patent vir ultrahoë temperatuur grafiettegnologie van die Verenigde State suksesvol ontwikkel, vir die produksie van medium- en hoër-orde koolstofvesel, en het suksesvol deur die drie knelpunte in die ontwikkeling van hoë-orde koolstofvesel gebreek. Grafiettoerusting is duur en onder internasionale beheer, rou sy chemiese tegnologie probleme, produksie-opbrengs laag en hoë koste. Tot dusver het Yongda drie soorte koolstofvesels ontwikkel, wat almal die sterkte en modulus van die oorspronklike relatief laegraadse koolstofvesel tot 'n nuwe hoogte verhoog het.
7) Nuwe proses vir die smelt van pan-gebaseerde koolstofvesel rou draad deur Fraunhofer, Duitsland
Die Fraunhofer Instituut vir Toegepaste Polimere (Toegepaste Polimeernavorsing, IAP) het onlangs aangekondig dat hulle die nuutste Comcarbon-tegnologie by die Berlynse Lugskou Ila op 25 April 2018 sal vertoon. Hierdie tegnologie verminder die produksiekoste van massa-geproduseerde koolstofvesel aansienlik.
Fig. 4 Rou draad smelt spin.
Dit is welbekend dat in tradisionele prosesse die helfte van die produksiekoste van pan-gebaseerde koolstofvesel in die proses van rou draadproduksie verbruik word. In die lig van die onvermoë van die rou draad om te smelt, moet dit vervaardig word met behulp van 'n duur oplossingspinproses (Solution Spinning). "Vir hierdie doel het ons 'n nuwe proses ontwikkel vir die produksie van pan-gebaseerde rou sy, wat die produksiekoste van rou draad met 60% kan verminder. Dit is 'n ekonomiese en haalbare smeltspinproses, wat 'n spesiaal ontwikkelde gesmelte pan-gebaseerde kopolimeer gebruik," het dr. Johannes Ganster, Minister van Biologiese Polimere by die Fraunhofer IAP Instituut, verduidelik.
8) Plasma-oksidasietegnologie
4M Koolstofvesel het aangekondig dat hulle die gebruik van plasma-oksidasietegnologie sal maak om hoëgehalte, laekoste koolstofvesel te vervaardig en te verkoop as 'n strategiese fokus, nie net om die tegnologie te lisensieer nie. 4M beweer dat plasma-oksidasietegnologie drie keer vinniger is as konvensionele oksidasietegnologie, terwyl die energieverbruik minder as een derde van tradisionele tegnologie is. En die stellings is bekragtig deur baie internasionale koolstofveselprodusente, wat met 'n aantal van die wêreld se grootste koolstofveselvervaardigers en motorvervaardigers konsulteer om deel te neem as inisieerders van die produksie van laekoste koolstofvesels.
9) Sellulose Nano-vesel
Die Universiteit van Kyoto van Japan, saam met verskeie groot komponentverskaffers soos die elektriese installasiemaatskappy (Toyota se grootste verskaffer) en Daikyonishikawa Corp., werk aan die ontwikkeling van plastiekmateriale wat sellulose-nanovesels kombineer. Hierdie materiaal word gemaak deur die houtpulp in 'n paar mikron (1 per duisend mm) op te breek. Die gewig van die nuwe materiaal is slegs een-vyfde van die gewig van staal, maar die sterkte daarvan is vyf keer dié van staal.
10) koolstofvesel voorliggaam van poliolefien en lignien grondstowwe
Die Oak Ridge Nasionale Laboratorium in die Verenigde State werk sedert 2007 aan laekoste-koolstofveselnavorsing, en hulle het koolstofvesel-voorliggame vir poliolefien- en lignien-grondstowwe ontwikkel, sowel as gevorderde plasma-vooroksidasie- en mikrogolfkarboniseringstegnologieë.
11) Die nuwe polimeer (voorloperpolimeer) is ontwikkel deur die verwydering van vuurvaste behandeling
In die vervaardigingsmetode wat deur die Universiteit van Tokio gelei word, is 'n nuwe polimeer (voorloperpolimeer) ontwikkel om vuurvaste behandeling te verwyder. Die hoofpunt is dat die polimeer, nadat dit in sy gespin is, nie die oorspronklike vuurvaste behandeling uitvoer nie, maar veroorsaak dat dit in die oplosmiddel oksideer. Die mikrogolfverhittingsapparaat word dan tot meer as 1000 ℃ verhit vir karbonisering. Die verhittingstyd neem slegs 2-3 minute. Na die karboniseringsbehandeling word plasma ook gebruik om oppervlakbehandeling uit te voer, sodat koolstofvesel gemaak kan word. Plasmabehandeling neem minder as 2 minute. Op hierdie manier kan die oorspronklike sintertyd van 30-60 minute tot ongeveer 5 minute verminder word. In die nuwe vervaardigingsmetode word plasmabehandeling uitgevoer om die binding tussen koolstofvesel en termoplastiese hars as CFRP-basismateriaal te verbeter. Die trek-elastiese modulus van koolstofvesel wat deur die nuwe vervaardigingsmetode vervaardig word, is 240GPa, die treksterkte is 3.5GPa en die verlenging bereik 1.5%. Hierdie waardes is dieselfde vlak as die Toray Universal-graad koolstofvesel T300 wat vir sportgoedere, ens. gebruik word.
12) herwinning en benutting van koolstofveselmateriale met behulp van die vloeibare bedproses
Mengran Meng, die studie se eerste outeur, het gesê: "Koolstofveselherwinning verminder die impak op die omgewing in vergelyking met rou koolstofveselproduksie, maar daar is beperkte bewustheid van potensiële herwinningstegnologieë en die ekonomiese haalbaarheid van die herwinning van koolstofveselbenutting. Herwinning neem twee fases: die vesels moet eers uit die koolstofveselkomposiete herwin word en termies ontbind word deur meganiese maalmateriale of deur pirolise of vloeibare bedprosesse te gebruik. Hierdie metodes verwyder die plastiekgedeelte van die saamgestelde materiaal, wat koolstofvesel oorlaat, wat dan omgeskakel kan word in verstrengelde veselmatte met behulp van nat papiervervaardigingstegnologie, of herorganiseer kan word in rigtingvesels."
Die navorsers het bereken dat koolstofvesel uit koolstofvesel-saamgestelde afval herwin kan word deur 'n vloeibedproses te gebruik, wat slegs 5 dollar/kg en minder as 10% van die energie benodig om die primêre koolstofvesel te vervaardig. Gerecycleerde koolstofvesels wat deur vloeibedprosesse geproduseer word, verminder skaars die modulus, en die treksterkte word met 18% tot 50% verminder relatief tot primêre koolstofvesels, wat hulle geskik maak vir toepassings wat hoë styfheid eerder as sterkte vereis. "Gerecycleerde koolstofvesels kan geskik wees vir nie-strukturele toepassings wat liggewig benodig, soos die motor-, konstruksie-, wind- en sportbedrywe," het Meng gesê.
13) Nuwe tegnologie vir koolstofveselherwinning ontwikkel in die Verenigde State
In Junie 2016 het navorsers by die Georgia Institute of Technology in die Verenigde State koolstofvesel in 'n oplosmiddel wat alkohol bevat, geweek om die epoksiehars op te los, waarna die vesels en epoksieharse hergebruik kan word en die koolstofveselherwinning suksesvol gerealiseer is.
In Julie 2017 het die Washington State University ook 'n koolstofveselherwinningstegnologie ontwikkel, met behulp van swak suur as 'n katalisator, die gebruik van vloeibare etanol by relatief lae temperature om termoverhardende materiale te ontbind, waar ontbinde koolstofvesel en hars afsonderlik bewaar word en in reproduksie geplaas kan word.
14) Ontwikkeling van 3D-druk-koolstofvesel-inktegnologie in LLNL-laboratorium, VSA
In Maart 2017 het die Lawrence Livemore Nasionale Laboratorium (LLNL) in die Verenigde State die eerste 3D-gedrukte hoëprestasie-koolstofvesel-komposiete van lugvaartgehalte ontwikkel. Hulle het 'n 3D-drukmetode van direkte ink-oordrag (DIW) gebruik om komplekse driedimensionele strukture te skep wat die verwerkingspoed aansienlik verbeter het vir gebruik in die motor-, lugvaart-, verdedigings-, motorfietskompetisies en branderplankry.
15) Die Verenigde State, Korea en China werk saam aan die ontwikkeling van koolstofvesel vir kragopwekking.
In Augustus 2017 het die Dallas-kampus van die Universiteit van Texas, Hanyang Universiteit in Korea, Nankai Universiteit in China en ander instellings saamgewerk aan die ontwikkeling van 'n koolstofveselgaringmateriaal vir kragopwekking. Die garing word eers in elektrolietoplossings soos pekelwater geweek, wat die ione in die elektroliet toelaat om aan die oppervlak van die koolstofnanobuise te heg, wat in elektriese energie omgeskakel kan word wanneer die garing styf of gerek word. Die materiaal kan op enige plek gebruik word met betroubare kinetiese energie en is geskik om krag aan IoT-sensors te verskaf.
16) Nuwe vordering in die navorsing van houtlignien-koolstofvesel wat onderskeidelik deur Chinese en Amerikaanse verkry is
In Maart 2017 het die spesiale veselspan van die Ningbo Instituut vir Materiaaltegnologie en -ingenieurswese 'n lignien-akrilonitriel kopolimeer met goeie spinbaarheid en termiese stabiliteit voorberei deur gebruik te maak van esterifikasie en vrye radikaal kopolimerisasie tweestap-modifikasietegnologie. Hoë kwaliteit kontinue filamente is verkry deur die kopolimeer en nat spinproses te gebruik, en die kompakte koolstofvesel is verkry na termiese stabilisering en karboniseringsbehandeling.
In Augustus 2017 het die Birgitte ahring-navorsingspan aan die Universiteit van Washington in die Verenigde State lignien en poliakrilonitriel in verskillende verhoudings gemeng, en toe smeltspintegnologie gebruik om gemengde polimere in koolstofvesels om te skakel. Die studie het bevind dat die lignien wat by die 20%~30% gevoeg is, nie die sterkte van die koolstofvesel beïnvloed het nie en dat daar verwag is dat dit gebruik sou word in die produksie van laerkoste-koolstofveselmateriale vir motor- of vliegtuigonderdele.
Aan die einde van 2017 het die Nasionale Hernubare Energielaboratorium (NREL) navorsing vrygestel oor die vervaardiging van akrilonitriel deur gebruik te maak van afvaldele van plante, soos mieliestrooi en koringstrooi. Hulle breek eers plantmateriaal af in suiker en skakel dit dan om in sure, en kombineer dit met goedkoop katalisators om teikenprodukte te produseer.
17) Japan ontwikkel die eerste koolstofveselversterkte termoplastiese saamgestelde motoronderstel
In Oktober 2017 het Japan se nuwe energiebedryftegnologie-geïntegreerde navorsings- en ontwikkelingsagentskap en die Nagoya Universiteit se Nasionale Komposiete-navorsingsentrum die wêreld se eerste koolstofveselversterkte termoplastiese saamgestelde motoronderstel suksesvol ontwikkel. Hulle gebruik 'n outomatiese direkte aanlyn gietproses van langveselversterkte termoplastiese komposiete, deurlopende meng van koolstofvesel en termoplastiese harsdeeltjies, vervaardiging van veselversterkte komposiete, en dan deur verhitting en smelting, die suksesvolle produksie van termoplastiese CFRP-motoronderstelle.
5. voorstelle oor navorsing en ontwikkeling van koolstofveseltegnologie in China
5.1 Toekomsgerigte uitleg, doelgerig, fokus op die deurbraak van die derde generasie koolstofveseltegnologie
China se tweede-generasie koolstofveseltegnologie is nog nie 'n omvattende deurbraak nie. Ons land moet probeer om 'n vooruitskouende uitleg te hê wat ons relevante navorsingsinstellings sal bymekaarbring, gefokus op die vaslegging van sleuteltegnologieë, die fokus van die derde generasie van hoëprestasie-koolstofveselvoorbereidingstegnologie-navorsing en -ontwikkeling (dws van toepassing op lugvaart-hoësterkte, hoëmodulus-koolstofveseltegnologie), en die ontwikkeling van koolstofvesel-saamgestelde materiaaltegnologie, insluitend vir die motor-, konstruksie- en herstelbedryf en ander liggewig, laekoste-groot sleep koolstofveselvoorbereiding, additiewe vervaardigingstegnologie vir koolstofvesel-saamgestelde materiaal, herwinningstegnologie en vinnige prototiperingstegnologieë.
5.2 Koördinerende organisasie, versterk ondersteuning, stel groot tegniese projekte op om gesamentlike navorsing voortdurend te ondersteun
Tans is daar baie instellings wat koolstofveselnavorsing in China uitvoer, maar die mag is verspreid, en daar is geen verenigde O&O-organisasiemeganisme en sterk befondsingsondersteuning vir effektiewe koördinering nie. Te oordeel aan die ontwikkelingservaring van gevorderde lande, speel die organisasie en uitleg van groot projekte 'n groot rol in die bevordering van die ontwikkeling van hierdie tegniese veld. Ons moet fokus op China se Voordeel O&O-mag, in die lig van China se deurbraak in O&O-tegnologie vir koolstofvesel om groot projekte te begin, samewerkende tegnologiese innovasie te versterk, en voortdurend China se vlak van koolstofveselnavorsingstegnologie te bevorder, mededinging vir internasionale koolstofvesel en saamgestelde materiaal te bevorder.
5.3 Verbetering van die evalueringsmeganisme van toepassingseffekoriëntasie van tegniese prestasies
Vanuit die oogpunt van ekonometriese analise van SCI-artikels, word koolstofvesel in China as 'n hoësterkte-prestasiemateriaal in verskeie navorsingsvelde gebruik, maar vir koolstofveselproduksie en -voorbereidingstegnologie word daar veral gefokus op die vermindering van koste en die verbetering van produksiedoeltreffendheid met minder navorsing. Die koolstofveselproduksieproses is lank, met tegnologiese sleutelpunte, hoë produksiehindernisse, is multidissiplinêr en multitegnologie-integrasie. Dit is nodig om tegniese struikelblokke te oorkom en die "lae koste, hoë prestasie"-kernvoorbereidingstegnologie-navorsing en -ontwikkeling effektief te bevorder. Aan die een kant moet navorsingsbelegging versterk word, aan die ander kant moet die veld van wetenskaplike navorsingsprestasie-evaluering verswak word, die leiding van die toepassingseffek-evaluering van tegniese prestasies versterk word, en van die "kwantitatiewe" evaluering, wat aandag gee aan die publikasie van die artikel, na die "kwaliteit"-evaluering van die waarde van die resultate verskuif.
5.4 Versterking van die kweek van saamgestelde talente in die nuutste tegnologie
Die hoëtegnologie-eienskap van koolstofveseltegnologie bepaal die belangrikheid van gespesialiseerde talente, of hulle nou oor die nuutste tegniese personeel beskik, bepaal direk die vlak van navorsing en ontwikkeling van 'n instelling.
As gevolg van die O&O-skakels in koolstofveseltegnologie, moet ons aandag gee aan die opleiding van saamgestelde personeel om die koördinering en ontwikkeling van alle skakels te verseker. Boonop, uit die ontwikkelingsgeskiedenis van koolstofveselnavorsing in China, is die vloei van tegnologie-kernkundiges dikwels 'n sleutelfaktor wat die O&O-vlak van 'n navorsingsinstelling beïnvloed. Die handhawing van die fiksasie van kernkundiges en O&O-spanne in produksieprosesse, saamgestelde materiale en hoofprodukte is belangrik vir voortdurende tegnologie-opgraderings.
Ons moet voortgaan om die opleiding en gebruik van gespesialiseerde hoëtegnologie-personeel in hierdie veld te versterk, die evaluerings- en behandelingsbeleid vir Tegnologiese O&O-talente te verbeter, die kweek van jong talente te versterk, samewerking en uitruilings met buitelandse gevorderde O&O-instellings aktief te ondersteun, en buitelandse gevorderde talente kragtig bekend te stel, ens. Dit sal 'n groot rol speel in die bevordering van die ontwikkeling van koolstofveselnavorsing in China.
Aangehaal van-
Analise van die ontwikkeling van globale koolstofveseltegnologie en die bekendstelling daarvan aan China. Tian Yajuan, Zhang Zhiqiang, Tao Cheng, Yang Ming, Ba Jin, Chen Yunwei.Wêreldwetenskap-tegnologie O & O.2018
Plasingstyd: 4 Desember 2018