Въглеродните влакна са неорганичен полимерен влакнест нов неорганичен материал със съдържание на въглерод над 95%, с ниска плътност, висока якост, устойчивост на висока температура, висока химическа стабилност, устойчивост на умора, износоустойчивост и други отлични основни физични и химични свойства, както и високо затихване на вибрациите, добра проводима топлопроводимост, електромагнитно екраниране и нисък коефициент на термично разширение и други характеристики. Тези отлични свойства правят въглеродните влакна широко използвани в аерокосмическата индустрия, железопътния транспорт, производството на превозни средства, оръжия и оборудване, строителни машини, инфраструктурно строителство, морско инженерство, нефтено инженерство, вятърна енергия, спортни стоки и други области.
Въз основа на националните стратегически нужди от материали от въглеродни влакна, Китай ги е посочил като една от основните технологии на развиващите се индустрии, върху които е насочена подкрепата. В националното научно и технологично планиране „Дванадесет-пет“, технологията за подготовка и приложение на високопроизводителни въглеродни влакна е една от основните технологии на стратегически развиващите се индустрии, подкрепяни от държавата. През май 2015 г. Държавният съвет официално обяви „Произведено в Китай 2025“, като новите материали са една от ключовите области за активно насърчаване и развитие, включително високопроизводителни структурни материали, а усъвършенстваните композити са във фокуса на развитието в областта на новите материали. През октомври 2015 г. Министерството на промишлеността и информационната индустрия официално публикува „Пътна карта за ключови технологични области на китайското производство до 2025 г.“, като „високопроизводителните влакна и техните композити“ са ключов стратегически материал, а целта за 2020 г. е „местни композити от въглеродни влакна, които да отговарят на техническите изисквания на големи самолети и друго важно оборудване“. През ноември 2016 г. Държавният съвет публикува национален стратегически план за развитие на нововъзникващи индустрии „Тринадесет и пет“, в който ясно се посочва необходимостта от укрепване на сътрудничеството нагоре и надолу по веригата в индустрията за нови материали, както и от провеждане на пилотни демонстрации за съвместни приложения в областта на композитите от въглеродни влакна и други области, както и изграждане на съвместна платформа за приложения. През януари 2017 г. Министерството на промишлеността и развитието, NDRC, науката и технологиите и Министерството на финансите съвместно формулираха „Ръководство за развитие на индустриите за нови материали“ и предложиха от 2020 г. „в областта на композитите от въглеродни влакна, висококачествената специална стомана, усъвършенстваните леки сплави и други области да се постигне индустриализация и приложение на повече от 70 ключови нови материали, както и да се изгради система за поддръжка на технологично оборудване, която да съответства на нивото на развитие на индустрията за нови материали в Китай“.
Тъй като въглеродните влакна и техните композити играят важна роля в националната отбрана и препитанието на хората, много експерти се фокусират върху тяхното развитие и анализ на тенденциите в изследванията. Д-р Джоу Хонг направи преглед на научния и технологичен принос на американските учени в ранните етапи на развитието на високопроизводителната технология за въглеродни влакна и анализира и докладва за 16 основни приложения и последни технологични постижения на въглеродните влакна, а технологията на производство, свойствата и приложението на полиакрилонитрилните въглеродни влакна и тяхното текущо технологично развитие бяха разгледани от д-р Вей Син и др. Той също така предложи някои конструктивни решения за проблемите, съществуващи при развитието на въглеродните влакна в Китай. Освен това, много хора са провели изследвания върху метрологичния анализ на статии и патенти в областта на въглеродните влакна и техните композити. Например, Ма Сянлин и други разглеждат от гледна точка на метрологията разпространението и приложението на патенти за въглеродни влакна в областта на анализа от 1998 до 2017 г.; Ян Сиси и други, базирани на платформата Innography за глобално търсене на патенти за тъкани от въглеродни влакна и статистика на данните, са анализирани от годишната тенденция на развитие на патентите, патентопритежателите, горещата точка на патентните технологии и основния патент на технологията.
От гледна точка на траекторията на научноизследователската и развойна дейност в областта на въглеродните влакна, изследванията в Китай са почти синхронизирани със световните, но развитието е бавно. Има изоставане в мащаба и качеството на производството на високопроизводителни въглеродни влакна в сравнение с чуждестранните страни. Има спешна нужда от ускоряване на процеса на научноизследователска и развойна дейност, усъвършенстване на стратегическата структура и оползотворяване на бъдещите възможности за развитие на индустрията. Следователно, тази статия първо изследва структурата на проектите в различните страни в областта на изследванията на въглеродните влакна, за да се разбере планирането на пътищата за научноизследователска и развойна дейност в различните страни. И второ, тъй като фундаменталните изследвания и приложните изследвания на въглеродните влакна са много важни за техническите изследвания и разработки на въглеродни влакна, ние провеждаме метрологичен анализ едновременно на резултатите от академичните изследвания - SCI статии и резултатите от приложните изследвания - патенти, за да получим цялостно разбиране за напредъка в научноизследователската и развойна дейност в областта на въглеродните влакна и да анализираме последните разработки в тази област, за да сравним напредъка на Peep International Frontier R&D. Накрая, въз основа на горните резултати от изследванията, са предложени някои предложения за пътя на научноизследователската и развойна дейност в областта на въглеродните влакна в Китай.
2. Ввъглеродни влакнаоформление на изследователския проектосновни държави/региони
Основните страни производителки на въглеродни влакна включват Япония, САЩ, Южна Корея, някои европейски страни, както и Тайван и Китай. Страните с напреднали технологии в ранния етап на развитие на технологията на въглеродните влакна са осъзнали значението на този материал, са предприели стратегически планове и са енергично насърчавали развитието на материали от въглеродни влакна.
2.1 Япония
Япония е най-развитата страна в областта на технологиите за въглеродни влакна. Трите компании в Toray, Bong и Mitsubishi Liyang в Япония представляват около 70%~80% от световния пазарен дял от производството на въглеродни влакна. Въпреки това, Япония отдава голямо значение на запазването на силните си страни в тази област, по-специално на разработването на високоефективни въглеродни влакна на базата на пан и енергийни и екологични технологии, със силна човешка и финансова подкрепа, и в редица основни политики, включително основния енергиен план, стратегическия план за икономически растеж и Протокола от Киото, превърнаха това в стратегически проект, който трябва да бъде развит. Въз основа на основната национална енергийна и екологична политика, Министерството на икономиката, промишлеността и собствеността на Япония предложи „Програма за изследвания и разработки в областта на енергоспестяващите технологии“. Подкрепена от горепосочената политика, японската индустрия за въглеродни влакна успя по-ефективно да централизира всички аспекти на ресурсите и да насърчи решаването на често срещани проблеми в индустрията за въглеродни влакна.
„Технологично развитие като иновативни нови структурни материали“ (2013-2022 г.) е проект, реализиран в рамките на „Изследователски проект за бъдещо развитие“ в Япония, с цел значително постигане на разработването на необходимата иновативна технология за структурни материали и комбинацията от различни материали, с основна цел намаляване на лекото тегло (половината от теглото на автомобила) на транспортните средства. И накрая, реализиране на практическото им приложение. След като пое проекта за научноизследователска и развойна дейност през 2014 г., Агенцията за развитие на индустриалните технологии (NEDO) разработи няколко подпроекта, в които общите цели на изследователския проект за въглеродни влакна „Иновативни основни изследвания и разработки в областта на въглеродните влакна“ бяха: разработване на нови съединения-прекурсори на въглеродните влакна; изясняване на механизма на образуване на карбонизационни структури; и разработване и стандартизиране на методи за оценка на въглеродните влакна. Проектът, ръководен от Университета в Токио и в който съвместно участват Институтът за индустриални технологии (NEDO), Toray, Teijin, Dongyuan и Mitsubishi Liyang, постигна значителен напредък през януари 2016 г. и е друг голям пробив в областта на въглеродните влакна на базата на пан след изобретяването на „режима Кондо“ в Япония през 1959 г.
2.2 Съединени щати
Американската агенция за предварителни изследвания в областта на отбраната (DARPA) стартира проекта „Усъвършенствани структурни влакна“ през 2006 г. с цел да обедини доминиращите научни изследователски сили в страната за разработване на структурни влакна от следващо поколение, базирани на въглеродни влакна. С подкрепата на този проект, изследователският екип от Технологичния институт на Джорджия в Съединените щати направи пробив в технологията за подготовка на сурови тел през 2015 г., увеличавайки модула на еластичност с 30%, отбелязвайки, че Съединените щати имат капацитет за разработване на въглеродни влакна от трето поколение.
През 2014 г. Министерството на енергетиката на Съединените щати (DOE) обяви субсидия от 11,3 милиона долара за два проекта, свързани с „многоетапни каталитични процеси за превръщане на негодни за консумация захари от биомаса в акрилонитрил“ и „изследване и оптимизиране на акрилонитрила, получен от производството на биомаса“, за да насърчи използването на селскостопански остатъци, изследвания на конкурентни по отношение на разходите възобновяеми високоефективни материали от въглеродни влакна за производството на възобновяеми суровини, които не са на хранителна основа, като дървесна биомаса, и планове за намаляване на производствените разходи за възобновяеми въглеродни влакна от биомаса до по-малко от 5 долара/фунт до 2020 г.
През март 2017 г. Министерството на енергетиката на САЩ отново обяви финансиране от 3,74 милиона долара на „проект за научноизследователска и развойна дейност в областта на нискобюджетните компоненти от въглеродни влакна“, ръководен от Западноамериканския институт (WRI), който се фокусира върху разработването на нискобюджетни компоненти от въглеродни влакна, базирани на ресурси като въглища и биомаса.
През юли 2017 г. Министерството на енергетиката на САЩ обяви финансирането от 19,4 милиона долара за подкрепа на научноизследователската и развойна дейност в областта на усъвършенстваните енергийно ефективни превозни средства, като 6,7 милиона от тях са използвани за финансиране на подготовката на евтини въглеродни влакна с помощта на изчислителни материали, включително разработването на многомащабни методи за оценка за интегрирана компютърна технология за оценка на ентусиазма на нови прекурсори на въглеродни влакна, усъвършенствана теория на функционала на плътността, подпомагана от молекулярна динамика, машинно обучение и други инструменти, използвани за разработване на най-съвременни компютърни инструменти за подобряване на ефективността на подбора на евтини суровини от въглеродни влакна.
2.3 Европа
Европейската индустрия за въглеродни влакна се развива в Япония и Съединените щати през седемдесетте или осемдесетте години на 20-ти век, но поради технологиите и капитала много компании, произвеждащи единични въглеродни влакна, не успяват да се придържат към периода на висок растеж на търсенето на въглеродни влакна след 2000 години и изчезват. Немската компания SGL е единствената компания в Европа, която има основен дял от световния пазар на въглеродни влакна.
През ноември 2011 г. Европейският съюз стартира проекта Eucarbon, който има за цел да подобри европейските производствени възможности за въглеродни влакна и предварително импрегнирани материали за аерокосмическата индустрия. Проектът продължи 4 години, с обща инвестиция от 3,2 милиона евро, а през май 2017 г. успешно създаде първата в Европа специална производствена линия за въглеродни влакна за космически приложения, като например спътници, като по този начин даде възможност на Европа да се откъсне от зависимостта си от внос на продукта и да гарантира безопасността на доставките на материали.
Седмата рамка на ЕС планира да подкрепи проекта „Функционални въглеродни влакна в подготовката на нова прекурсорна система с рентабилна и управляема производителност“ (FIBRALSPEC) (2014-2017 г.) с 6,08 милиона евро. 4-годишният проект, ръководен от Националния технически университет в Атина, Гърция, с участието на мултинационални компании като Италия, Обединеното кралство и Украйна, е фокусиран върху иновациите и подобряването на процеса на непрекъснато получаване на въглеродни влакна на базата на полиакрилонитрил, за да се постигне експериментално производство на въглеродни влакна с непрекъснато производство на пан-базирани въглеродни влакна. Проектът успешно завърши разработването и прилагането на въглеродни влакна и подобрена композитна технология от възобновяеми органични полимерни ресурси (като суперкондензатори, бързи аварийни убежища, както и прототипи на механични електрически ротационни машини за покритие и разработване на производствени линии от нановлакна и др.).
Все по-голям брой промишлени сектори, като автомобилостроенето, вятърната енергия и корабостроенето, изискват леки, високоефективни композити, което е огромен потенциален пазар за индустрията на въглеродните влакна. ЕС инвестира 5,968 милиона евро за стартиране на проекта Carboprec (2014-2017 г.), чиято стратегическа цел е разработването на нискобюджетни прекурсори от възобновяеми материали, които са широко разпространени в Европа, и подобряването на производството на високоефективни въглеродни влакна чрез въглеродни нанотръби.
Изследователската програма Cleansky II на Европейския съюз финансира проект „Изследвания и разработки в областта на композитните гуми“ (2017 г.), ръководен от Института Фраунхофер за производство и системна надеждност (LBF) в Германия, който планира да разработи компоненти на предните колела за самолети, подсилени с въглеродни влакна, от композитни материали за Airbus A320. Целта е да се намали теглото с 40% в сравнение с конвенционалните метални материали. Проектът е финансиран с приблизително 200 000 евро.
2.4 Корея
Научноизследователската и развойна дейност и индустриализацията в областта на въглеродните влакна в Южна Корея започнаха късно, като през 2006 г. започнаха официално да навлизат в практическа фаза през 2013 г., което доведе до промяна в зависимостта на корейските въглеродни влакна от вноса. Южнокорейската местна група Xiaoxing и Taiguang Business, като представител на пионерите в индустрията, активно ангажирани в областта на структурата на индустрията за въглеродни влакна, постигнаха силно развитие. Освен това, производствената база на въглеродни влакна, създадена от Toray Japan в Корея, също допринесе за развитието на пазара на въглеродни влакна в Корея.
Корейското правителство избра да превърне Xiaoxing Group в място за събиране на иновативните индустрии, свързани с въглеродни влакна. Целта е да се сформира клъстер от индустрията за материали от въглеродни влакна, да се насърчи развитието на креативна икономическа екосистема в целия Северен регион, като крайната цел е да се формира верига за производство на едно гише от материали от въглеродни влакна → части → готов продукт. Създаването на клъстер за инкубация на въглеродни влакна може да се сравни със Силициевата долина в Съединените щати, да се разширят нови пазари, да се създаде нова добавена стойност и да се постигне целта от 10 милиарда долара износ на продукти, свързани с въглеродни влакна (еквивалентно на около 55,2 милиарда юана) до 2020 г.
3. анализ на глобалните изследвания и резултатите от изследванията в областта на въглеродните влакна
Този подраздел преброява публикациите на SCI, свързани с изследванията на въглеродните влакна, и резултатите от патентите на DII от 2010 г. насам, за да се анализират едновременно академичните изследвания и индустриалните изследвания и разработки в областта на глобалната технология за въглеродни влакна и да се разбере напълно напредъкът на изследванията и разработките на въглеродни влакна в международен план.
Данни, получени от базата данни Scie и Dewent в базата данни Web of Science, публикувана от Clarivate Analytics; период на извличане: 2010-2017; дата на извличане: 1 февруари 2018 г.
Стратегия за извличане на SCI документи: Ts=((въглеродни влакна* или въглеродни влакна* или („Въглеродни влакна*“ не „въглеродно фибростъкло“) или „въглеродни влакна*“ или „въглеродни влакна*“ или ((полиакрилонитрил или смола) и „прекурсор*“ и влакна*) или („графитни влакна*“)) не („бамбуков въглерод“))。
Стратегия за търсене на патенти на Dewent: Ti=((въглеродни влакна* или въглеродни влакна* или ("Въглеродни влакна*" не "въглеродно фибростъкло") или "въглеродни влакна*" или "въглеродни влакна*" или ((полиакрилонитрил или смола) и "прекурсор*" и влакна*) или ("графитни влакна*")) не ("бамбукови въглеродни")) или TS=((въглеродни влакна* или въглеродни влакна* или ("Въглеродни влакна*" не "въглеродно фибростъкло") или "въглеродни влакна*" или ((полиакрилонитрил или смола) и "прекурсор*" и влакна*) или ("графитни влакна*")) не ("бамбукови въглеродни")) 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 или D01F-009/20 или D01F-009/21 или D01F-009/22 или D01F-009/24 или D01F-009/26 или D01F-09/28 или D01F-009/30 или D01F-009/32 или C08K-007/02 или C08J-005/04 или C04B-035/83 или D06M-014/36 или D06M-101/40 или D21H-013/50 или H01H-001/027 или H01R-039/24).
3.1 тенденция
От 2010 г. насам в световен мащаб са публикувани 16 553 съответни статии и са подадени заявки за 26 390 патента за изобретения, като всички те показват стабилна възходяща тенденция година след година (Фигура 1).
3.2 Разпределение по държави или региони
Топ 10 институции с най-голям обем на научни изследвания в областта на въглеродните влакна в световен мащаб са от Китай, като първите 5 са: Китайската академия на науките, Харбинският технологичен институт, Северозападният технологичен университет, Университетът Донхуа и Пекинският институт по аеронавтика и астронавтика. Сред чуждестранните институции, Индийският технологичен институт, Токийският университет, Университетът в Бристъл, Университетът Монаш, Университетът в Манчестър и Технологичният институт на Джорджия се класират между 10 и 20 (фиг. 3).
По брой заявки за патенти в топ 30 институции, Япония има 5, като 3 от тях са в челната петица. Компанията Toray е на първо място, следвана от Mitsubishi Liyang (2-ро), Teijin (4-то), East State (10-то), Japan Toyo Textile Company (24-то). Китай има 21 институции. Sinopec Group има най-голям брой патенти, класирайки се на трето място. На второ място са Harbin Institute of Technology, Henan Ke Letter cable company, Donghua University, China Shanghai Petrochemical, Beijing Chemical Industry и др. Китайската академия на науките Shanxi Coal е класирала патент за изобретение 66, класирайки се на 27-мо място. Южнокорейските институции имат 2, от които Xiaoxing Co., Ltd. е на първо място, класирайки се на 8-мо място.
Продукция на институции, продукцията на хартията главно от университети и научноизследователски институции, патентна продукция главно от компанията, може да се види, че производството на въглеродни влакна е високотехнологична индустрия, като основен орган на научноизследователската и развойна дейност в областта на въглеродните влакна, компанията отдава голямо значение на защитата на технологиите за научноизследователска и развойна дейност в областта на въглеродните влакна, особено на двете големи компании в Япония, броят на патентите е далеч напред.
3.4 Актуални области на изследване
Научните статии за въглеродните влакна обхващат най-много изследователски теми: композити от въглеродни влакна (включително композити, подсилени с въглеродни влакна, полимерни матрични композити и др.), изследване на механични свойства, анализ на крайни елементи, въглеродни нанотръби, разслояване, армиране, умора, микроструктура, електростатично предене, повърхностна обработка, адсорбция и др. Статиите, занимаващи се с тези ключови думи, представляват 38,8% от общия брой статии.
Патентите за изобретения от въглеродни влакна обхващат най-много теми, свързани с производството на въглеродни влакна, производственото оборудване и композитните материали. Сред тях, японските компании Toray, Mitsubishi Liyang, Teijin и други са в областта на „полимерни съединения, подсилени с въглеродни влакна“ с важно техническо оформление. Освен това, Toray и Mitsubishi Liyang имат голям дял в областта на „Производство на въглеродни влакна и производствено оборудване с полиакрилонитрил“, „Производство на въглеродни влакна с ненаситени нитрили, като полиакрилонитрил, поливинилиден цианид и етилен“ и други технологии, а японската компания Teijin има по-голям дял в областта на „композити от въглеродни влакна и кислородни съединения“.
Китайската група Sinopec, Пекинският химически университет и Китайската академия на науките в областта на материалите от Нингбо (Composites of "poliacrylonitrile production of carbon fiber and conduct equipment") имат голям дял от патентното оформление; освен това, Пекинският университет по химично инженерство, Шансийският институт по въглищна химия към Китайската академия на науките и Китайската академия на науките в Нингбо (Composites of materials key Layout) са разработили патентно оформление в областта на "обработката на въглеродни влакна", "композити от въглеродни влакна и кислородсъдържащи съединения" и други технологии, в които са разработени ключови патентни макети на материалите от Харбинския технологичен институт.
Освен това, от годишната статистическа статистика за разпределението на глобалните патенти се установява, че през последните три години са започнали да се появяват редица нови горещи точки, като например: „Състави от полиамиди, получени чрез реакция на образуване на карбоксилатна връзка в основната верига“, „полиестерни състави, получени чрез образуване на 1-карбоксилно-киселинна естерна връзка в основната верига“, „композитен материал на базата на синтетични материали“, „циклични карбоксилно-киселинни кислородни съединения като съставки на композити от въглеродни влакна“, „в триизмерна форма на втвърдяване или обработка на текстилни материали“, „ненаситен етер, ацетал, полуацетал, кетон или алдехид чрез само реакция на ненаситена въглерод-въглеродна връзка за производство на полимерни съединения“, „адиабатен материал за тръби или кабели“, „композити от въглеродни влакна с фосфатни естери като съставки“ и т.н.
През последните години се появиха научноизследователски и развойни дейности в сектора на въглеродните влакна, като повечето от откритията идват от Съединените щати и Япония. Най-новите авангардни технологии се фокусират не само върху производството и подготовката на въглеродни влакна, но и върху приложенията им в по-широк спектър от автомобилни материали, като например леки конструкции, 3D печат и материали за производство на енергия. Освен това, рециклирането и преработката на материали от въглеродни влакна, подготовката на дървесни лигнинови въглеродни влакна и други постижения имат отлични резултати. Представителните резултати са описани по-долу:
1) Технологичният институт на Джорджия, САЩ, разработва технологии от трето поколение с въглеродни влакна
През юли 2015 г., с финансиране от DARPA, Технологичният институт на Джорджия, със своята иновативна техника за предене на въглеродни влакна с гел на базата на тиган, значително увеличи модула си, надминавайки въглеродните влакна Hershey IM7, които сега се използват широко във военните самолети, отбелязвайки втората страна в света, овладяла третото поколение технология за въглеродни влакна след Япония.
Якостта на опън на гел-предещите се въглеродни влакна, произведени от Kumarz, достига от 5,5 до 5,8 Gpa, а модулът на опън е между 354-375 gpa. „Това е непрекъснатото влакно, за което се съобщава с най-висока якост и модул на цялостна производителност. В късия сноп от нишки якостта на опън достига до 12,1 Gpa, което е същото като при полиакрилонитрилните въглеродни влакна с най-висока стойност.“
2) Технология за нагряване с електромагнитни вълни
През 2014 г. Nedo разработи технология за нагряване с електромагнитни вълни. Технологията за карбонизация с електромагнитни вълни се отнася до използването на технология за нагряване с електромагнитни вълни за карбонизация на влакната при атмосферно налягане. Получените характеристики на въглеродните влакна са по същество същите като на въглеродните влакна, получени чрез високотемпературно нагряване, модулът на еластичност може да достигне над 240 GPA, а удължението при скъсване е над 1,5%, което е първият успех в света.
Влакнестият материал се карбонизира чрез електромагнитни вълни, така че оборудването за карбонизационна пещ, използвано за високотемпературно нагряване, не е необходимо. Този процес не само намалява времето, необходимо за карбонизация, но също така намалява консумацията на енергия и намалява емисиите на CO2.
3) фино управление на процеса на карбонизация
През март 2014 г. Toray обяви успешното разработване на въглеродни влакна t1100g. Toray използва традиционната технология за предене в разтвор на тиган, за да контролира фино процеса на карбонизация, да подобри микроструктурата на въглеродните влакна в наномащаб, да контролира ориентацията на графитните микрокристали, размера на микрокристалите, дефектите и т.н. във влакното след карбонизация, така че якостта и модулът на еластичност да могат да бъдат значително подобрени. Якостта на опън на t1100g е 6.6GPa, което е с 12% по-високо от това на T800, а модулът на еластичност е 324GPa и се е увеличил с 10%, което е навлизане в етап на индустриализация.
4) Технология за повърхностна обработка
Teijin East State успешно разработи технология за плазмена обработка на повърхности, която може да контролира външния вид на въглеродните влакна само за няколко секунди. Тази нова технология значително опростява целия производствен процес и намалява консумацията на енергия с 50% в сравнение със съществуващата технология за обработка на повърхности с водни разтвори на електролити. Освен това, след плазмената обработка е установено, че адхезията на влакната и смолната матрица също е подобрена.
5) проучване на степента на задържане на якостта на опън на въглеродните влакна във високотемпературна графитна среда
Ningbo materials успешно проведе подробно проучване на процеса на анализ, структурно изследване и оптимизиране на производителността на местни високоякостни и високомодулни въглеродни влакна, особено изследователската работа върху степента на задържане на якостта на опън на въглеродните влакна във високотемпературна графитна среда, както и неотдавнашното успешно получаване на високоякостни и по-висок модул въглеродни влакна с якост на опън 5.24GPa и модул на опън обем 593GPa. Те продължават да имат предимството на якостта на опън в сравнение с японските високоякостни високоформовани въглеродни влакна Toray m60j (якост на опън 3.92GPa, модул на опън 588GPa).
6) Микровълнов графит
Yongda Advanced Materials успешно разработи ексклузивната патентована от Съединените щати технология за ултрависокотемпературно графитиране, производството на въглеродни влакна от среден и висок клас, успешно преодолейки трите пречки в разработването на въглеродни влакна от висок клас: скъпото графитно оборудване е под международен контрол, трудностите при химическата технология на суровата коприна, ниският добив и високата цена на производството. Досега Yongda е разработила 3 вида въглеродни влакна, всички от които са повишили якостта и модула на оригиналните сравнително нискокачествени въглеродни влакна до нова височина.
7) Нов процес на разтопяване на сурова тел от въглеродни влакна, базирана на тиган, от Fraunhofer, Германия
Институтът по приложни полимери „Фраунхофер“ (Applied polymer Research, IAP) наскоро обяви, че ще представи най-новата технология на Comcarbon на авиошоуто в Берлин на 25 и 29 април 2018 г. Тази технология значително намалява производствените разходи за масово произвеждани въглеродни влакна.
Фиг. 4. Спиралообразуване чрез топене на сурова тел.
Добре известно е, че при традиционните процеси половината от производствените разходи за въглеродни влакна на базата на тиган се изразходват в процеса на производство на сурова тел. Поради невъзможността на суровата тел да се разтопи, тя трябва да се произвежда с помощта на скъп процес на предене в разтвор (Solution Spinning). „За тази цел разработихме нов процес за производство на сурова коприна на базата на тиган, който може да намали производствените разходи за сурова тел с 60%. Това е икономичен и осъществим процес на топене и предене, използващ специално разработен слят съполимер на базата на тиган“, обясни д-р Йоханес Ганстер, министър на биологичните полимери в Института Fraunhofer IAP.
8) Технология за плазмено окисление
4M Carbon fiber обяви, че ще използва технологията за плазмено окисление за производство и продажба на висококачествени, евтини въглеродни влакна като стратегически фокус, а не само за лицензиране на технологията. 4M твърди, че технологията за плазмено окисление е 3 пъти по-бърза от конвенционалната технология за окисление, докато използването на енергия е по-малко от една трета от традиционната технология. Твърденията са потвърдени от много международни производители на въглеродни влакна, които се консултират с редица от най-големите световни производители на въглеродни влакна и автомобилни производители, за да участват като инициатори на производството на евтини въглеродни влакна.
9) Целулозни нанофибри
Японският университет в Киото, заедно с няколко основни доставчици на компоненти, като например компанията за електрически инсталации (най-големият доставчик на Toyota) и Daikyonishikawa Corp., работи върху разработването на пластмасови материали, които комбинират целулозни нановлакна. Този материал се произвежда чрез раздробяване на дървесната пулпа на няколко микрона (1 на хиляда мм). Теглото на новия материал е само една пета от теглото на стоманата, но здравината му е пет пъти по-малка от тази на стоманата.
10) предно тяло от въглеродни влакна, изработено от полиолефинови и лигнинови суровини
Националната лаборатория „Оук Ридж“ в Съединените щати работи върху нискобюджетни изследвания на въглеродни влакна от 2007 г. насам и е разработила предни тела от въглеродни влакна за полиолефинови и лигнинови суровини, както и усъвършенствани технологии за плазмено предварително окисление и микровълнова карбонизация.
11) Новият полимер (прекурсорен полимер) е разработен чрез премахване на огнеупорната обработка
В производствения метод, ръководен от Университета в Токио, е разработен нов полимер (прекурсорен полимер), който премахва огнеупорната обработка. Основното е, че след изпредването на полимера в коприна, той не извършва оригиналната огнеупорна обработка, а го кара да се окислява в разтворителя. След това микровълновото нагревателно устройство се нагрява до над 1000 ℃ за карбонизация. Времето за нагряване отнема само 2-3 минути. След карбонизацията се използва и плазма за извършване на повърхностна обработка, така че да може да се произведат въглеродни влакна. Плазмената обработка отнема по-малко от 2 минути. По този начин първоначалното време за синтероване от 30-60 минути може да бъде намалено до около 5 минути. В новия производствен метод се извършва плазмена обработка, за да се подобри свързването между въглеродните влакна и термопластичната смола като основен материал от CFRP. Модулът на еластичност на опън на въглеродните влакна, произведени по новия производствен метод, е 240GPa, якостта на опън е 3,5GPa, а удължението достига 1,5%. Тези стойности са на същото ниво като тези на въглеродните влакна Toray Universal grade T300, използвани за спортни стоки и др.
12) рециклиране и оползотворяване на материали от въглеродни влакна чрез процес с флуидизиран слой
Менгран Менг, първият автор на изследването, заяви: „Възстановяването на въглеродни влакна намалява въздействието върху околната среда в сравнение с производството на сурови въглеродни влакна, но осведомеността за потенциалните технологии за рециклиране и икономическата осъществимост на рециклирането на въглеродни влакна е ограничена. Рециклирането протича на два етапа: влакната първо трябва да бъдат възстановени от композитите от въглеродни влакна и термично разложени чрез механично смилане на материали или чрез използване на пиролиза или процеси с флуидизиран слой. Тези методи премахват пластмасовата част от композитния материал, оставяйки въглеродни влакна, които след това могат да бъдат превърнати в заплетени влакнести подложки, използвайки технология за мокро производство на хартия, или реорганизирани в насочени влакна.“
Изследователите изчислили, че въглеродните влакна могат да бъдат извлечени от отпадъци от въглеродни влакнести композити, използвайки процес с флуидизиран слой, изискващ само 5 долара/кг и по-малко от 10% от енергията, необходима за производството на първичните въглеродни влакна. Рециклираните въглеродни влакна, получени чрез процеси с флуидизиран слой, почти не намаляват модула, а якостта на опън е намалена с 18% до 50% спрямо първичните въглеродни влакна, което ги прави подходящи за приложения, изискващи висока твърдост, а не здравина. „Рециклираните въглеродни влакна могат да бъдат подходящи за неструктурни приложения, които изискват леко тегло, като например автомобилната, строителната, вятърната и спортната индустрия“, каза Менг.
13) Нова технология за рециклиране на въглеродни влакна, разработена в Съединените щати
През юни 2016 г. изследователи от Технологичния институт на Джорджия в САЩ накиснаха въглеродни влакна в разтворител, съдържащ алкохол, за да разтворят епоксидната смола. Отделените влакна и епоксидните смоли могат да бъдат използвани повторно, което е довело до успешно възстановяване на въглеродни влакна.
През юли 2017 г. Университетът на щата Вашингтон разработи технология за възстановяване на въглеродни влакна, използвайки слаба киселина като катализатор, течен етанол при относително ниски температури за разлагане на термореактивни материали, разложените въглеродни влакна и смола се съхраняват отделно и могат да бъдат използвани за репродукция.
14) Разработване на технология за 3D печат с мастило с въглеродни влакна в лабораторията LLNL, САЩ
През март 2017 г. Националната лаборатория „Лорънс Лийвмор“ (LLNL) в Съединените щати разработи първите 3D-принтирани високоефективни композитни материали от въглеродни влакна, използвани в авиацията. Те използваха метод за 3D печат с директно предаване на мастило (DIW), за да създадат сложни триизмерни структури, които значително подобриха скоростта на обработка за използване в автомобилната, аерокосмическата, отбранителната и мотоциклетната промишленост, състезанията и сърфинга.
15) Съединените щати, Корея и Китай си сътрудничат в разработването на въглеродни влакна за производство на електроенергия
През август 2017 г. кампусът в Далас на Тексаския университет, университетът Ханьянг в Корея, университетът Нанкай в Китай и други институции си сътрудничиха в разработването на материал от въглеродни влакна за производство на енергия. Преждата първо се накисва в електролитни разтвори, като например саламура, което позволява на йоните в електролита да се прикрепят към повърхността на въглеродните нанотръбички, които могат да се преобразуват в електрическа енергия, когато преждата се опъне или разтегне. Материалът може да се използва навсякъде с надеждна кинетична енергия и е подходящ за захранване на IoT сензори.
16) Нов напредък в изследванията на дървесни лигнинови въглеродни влакна, постигнат съответно от китайци и американци
През март 2017 г. екипът по специални влакна от Института за материалознание и инженерство в Нингбо подготви лигнин-акрилонитрилен съполимер с добра преденост и термична стабилност, използвайки двуетапна технология за модификация чрез естерификация и съполимеризация със свободни радикали. Чрез използване на съполимера и процеса на мокро предене бяха получени висококачествени непрекъснати нишки, а компактните въглеродни влакна бяха получени след термична стабилизация и карбонизационна обработка.
През август 2017 г. изследователският екип на Биргит Аринг от Университета на Вашингтон в САЩ смеси лигнин и полиакрилонитрил в различни пропорции, след което използва технология за предене от стопилка, за да превърне смесените полимери във въглеродни влакна. Проучването установи, че добавеният лигнин към 20%~30% не влияе върху здравината на въглеродните влакна и се очаква да бъде използван в производството на по-евтини материали от въглеродни влакна за автомобилни или самолетни части.
В края на 2017 г. Националната лаборатория за възобновяема енергия (NREL) публикува изследване върху производството на акрилонитрил, използвайки отпадъчни части от растения, като царевична слама и пшенична слама. Първо те разграждат растителните материали до захар, след което ги превръщат в киселини и ги комбинират с евтини катализатори, за да произведат целевите продукти.
17) Япония разработва първото автомобилно шаси, подсилено с въглеродни влакна, от термопластичен композит.
През октомври 2017 г., новата японска агенция за научноизследователска и развойна дейност, обединена от интегрирани технологии в енергийната индустрия, и Националният изследователски център за композити към университета в Нагоя успешно разработиха първото в света термопластично композитно автомобилно шаси, подсилено с въглеродни влакна. Те използваха автоматичен процес на директно онлайн формоване на термопластични композити, подсилени с дълги влакна, непрекъснато смесване на частици от въглеродни влакна и термопластична смола, производство на подсилени с влакна композити и след това чрез нагряване и топене свързване, успешно произвеждайки термопластично CFRP автомобилно шаси.
5. предложения относно научноизследователската и развойна дейност в областта на технологиите за въглеродни влакна в Китай
5.1 Далновидно оформление, ориентирано към целите, фокус върху пробиването на третото поколение технология от въглеродни влакна
Технологията за въглеродни влакна от второ поколение в Китай все още не е постигнала всеобхватен пробив. Нашата страна трябва да се стреми към далновидна структура, която ще обедини нашите съответните изследователски институции, фокусирани върху усвояването на ключови технологии. Фокусът върху третото поколение високоефективни технологии за подготовка на въглеродни влакна (т.е. приложими за аерокосмическата индустрия с висока якост и висок модул на въглеродни влакна) и разработените технологии за композитни материали от въглеродни влакна, включително за автомобилната промишленост, строителството и ремонта и други леки, евтини технологии за подготовка на големи количества въглеродни влакна, технологии за адитивно производство на въглеродни влакна, технологии за рециклиране и технологии за бързо прототипиране.
5.2 Координиране на организацията, засилване на подкрепата, създаване на големи технически проекти за непрекъсната подкрепа на съвместните изследвания
В момента в Китай има много институции, които извършват изследвания в областта на въглеродните влакна, но властта е разпръсната и няма единен механизъм за организация на научноизследователската и развойна дейност, нито силна финансова подкрепа за ефективна координация. Съдейки по опита на развитите страни, организацията и структурата на големите проекти играят важна роля за насърчаване на развитието на тази техническа област. Трябва да се съсредоточим върху предимството на китайските научноизследователски сили, с оглед на пробива на Китай в научноизследователската и развойна дейност в областта на въглеродните влакна, за да стартираме големи проекти, да засилим съвместните технологични иновации и постоянно да насърчаваме нивото на китайските технологии за изследвания в областта на въглеродните влакна, за да се конкурираме на международно ниво в областта на въглеродните влакна и композитните материали.
5.3 Подобряване на механизма за оценка на ориентирането на техническите постижения към ефекта от приложението
От гледна точка на иконометричния анализ на SCI статиите, китайските въглеродни влакна се използват като високоякостен материал в различни области на изследването, но за производството и технологията за подготовка на въглеродни влакна, особено с фокус върху намаляването на разходите, е необходимо по-малко изследвания, за да се подобри ефективността на производството. Производственият процес на въглеродни влакна е дълъг, с ключови технологични точки и високи производствени бариери, което представлява мултидисциплинарна и мултитехнологична интеграция. Необходимо е да се преодолеят техническите пречки и ефективно да се насърчат изследванията и разработките в областта на „ниската цена и високата производителност“ в областта на технологиите за подготовка на сърцевини. От една страна, е необходимо да се засилят инвестициите в научни изследвания. От друга страна, е необходимо да се отслаби областта на оценката на резултатите от научните изследвания, да се засили насоките за оценка на ефекта от приложението на техническите постижения и да се премине от „количествена“ оценка, която се фокусира върху публикуването на статията, към „качествена“ оценка на стойността на резултатите.
5.4 Засилване на култивирането на таланти, свързани с най-съвременни технологии
Високотехнологичният атрибут на технологията от въглеродни влакна определя значението на специализираните таланти, а това дали разполагат с авангарден технически персонал, пряко определя нивото на научноизследователска и развойна дейност на дадена институция.
В резултат на връзките в научноизследователската и развойна дейност в областта на технологиите за въглеродни влакна, трябва да обърнем внимание на обучението на персонала в рамките на комплекса, за да осигурим координацията и развитието на всички връзки. Освен това, от историята на развитието на изследванията в областта на въглеродните влакна в Китай, потокът от ключови технологични експерти често е ключов фактор, влияещ върху нивото на научноизследователска и развойна дейност на дадена изследователска институция. Поддържането на фиксирания брой ключови експерти и екипи за научноизследователска и развойна дейност в производствените процеси, композитните материали и основните продукти е важно за непрекъснатото технологично усъвършенстване.
Трябва да продължим да засилваме обучението и използването на специализиран високотехнологичен персонал в тази област, да подобрим политиката за оценка и третиране на таланти в областта на технологичните научноизследователски и развойни дейности, да засилим развитието на млади таланти, активно да подкрепяме сътрудничеството и обмена с чуждестранни напреднали научноизследователски и развойни институции и енергично да въвеждаме напреднали чуждестранни таланти и др. Това ще играе голяма роля за насърчаване на развитието на изследванията в областта на въглеродните влакна в Китай.
Цитирано от-
Анализ на развитието на глобалната технология за въглеродни влакна и нейното просветление за Китай. Тиен Яджуан, Джан Джицян, Тао Ченг, Ян Минг, Ба Джин, Чен Юнвей.Световни научно-технологични изследвания и разработки.2018 г.
Време на публикуване: 04 декември 2018 г.