La fibra de carboni és un material inorgànic de fibra polimèrica inorgànica amb un contingut de carboni superior al 95%, amb baixa densitat, alta resistència, alta resistència a la temperatura, alta estabilitat química, antifatiga, resistent al desgast i altres excel·lents propietats físiques i químiques bàsiques, i té una alta atenuació de vibracions, bona conductivitat tèrmica conductora, rendiment de blindatge electromagnètic i baix coeficient de dilatació tèrmica entre altres característiques. Aquestes excel·lents propietats fan que la fibra de carboni s'utilitzi àmpliament en l'aeroespacial, el transport ferroviari, la fabricació de vehicles, armes i equips, maquinària de construcció, construcció d'infraestructures, enginyeria marina, enginyeria del petroli, energia eòlica, articles esportius i altres camps.
Basant-se en les necessitats estratègiques nacionals dels materials de fibra de carboni, la Xina l'ha inclòs com una de les tecnologies bàsiques de les indústries emergents que se centren en el suport. En la planificació científica i tecnològica nacional "Dotze-Cinc", la tecnologia de preparació i aplicació de fibra de carboni d'alt rendiment és una de les tecnologies bàsiques de les indústries emergents estratègiques que rep el suport de l'estat. El maig de 2015, el Consell d'Estat va publicar oficialment "Made in China 2025", els nous materials com una de les àrees clau de la promoció i el desenvolupament vigorosos, inclosos els materials estructurals d'alt rendiment, els compostos avançats són el focus del desenvolupament en el camp dels nous materials. A l'octubre de 2015, el Ministeri d'Indústria i Indústria de la Informació va publicar oficialment la "Full de ruta tecnològica de les àrees clau de fabricació de la Xina 2025", "fibra d'alt rendiment i els seus compostos" com a material estratègic clau, l'objectiu per al 2020 és "els compostos de fibra de carboni nacionals per complir els requisits tècnics dels avions grans i altres equips importants". El novembre de 2016, el Consell d'Estat va publicar el pla nacional de desenvolupament estratègic d'indústries emergents "Tretze-cinc", que assenyalava clarament l'enfortiment del suport a la cooperació aigües amunt i aigües avall de la indústria de nous materials, en compostos de fibra de carboni i altres camps per dur a terme demostracions pilot d'aplicacions col·laboratives i construir una plataforma d'aplicacions col·laboratives. El gener de 2017, el Ministeri d'Indústria i Desenvolupament, la NDRC, ciència i tecnologia i el Ministeri de Finances van formular conjuntament la "Guia per al desenvolupament de noves indústries de materials" i van proposar que a partir del 2020, "en compostos de fibra de carboni, acer especial d'alta qualitat, materials d'aliatge lleuger avançats i altres camps per aconseguir més de 70 industrialitzacions i aplicacions clau de nous materials, construir un sistema de suport d'equips de procés que coincideixi amb el nivell de desenvolupament de la indústria de nous materials de la Xina".
Com que la fibra de carboni i els seus compostos tenen un paper important en la defensa nacional i la subsistència del poble, molts experts se centren en el seu desenvolupament i anàlisi de les tendències de recerca. El Dr. Zhou Hong va revisar les contribucions científiques i tecnològiques fetes pels científics nord-americans en les primeres etapes del desenvolupament de la tecnologia de fibra de carboni d'alt rendiment, i va escanejar i informar sobre 16 aplicacions principals i avenços tecnològics recents de la fibra de carboni, i la tecnologia de producció, les propietats i l'aplicació de la fibra de carboni de poliacrilonitril i el seu desenvolupament tecnològic actual van ser revisats pel Dr. Wei Xin, etc. També presenta alguns suggeriments constructius per als problemes existents en el desenvolupament de la fibra de carboni a la Xina. A més, moltes persones han dut a terme investigacions sobre l'anàlisi metrològica d'articles i patents en el camp de la fibra de carboni i els seus compostos. Per exemple, Ma Xianglin i altres des del punt de vista de la metrologia des de la distribució i aplicació de patents de fibra de carboni de 1998-2017 del camp d'anàlisi; Yang Sisi i altres, basats en la plataforma d'innografia per a la cerca global de patents de teixits de fibra de carboni i estadístiques de dades, a partir de la tendència de desenvolupament anual de patents, titulars de patents, el punt calent de la tecnologia de patents i la patent principal de la tecnologia, s'analitzen.
Des de la perspectiva de la trajectòria de la investigació i el desenvolupament de la fibra de carboni, la recerca xinesa està gairebé sincronitzada amb la resta del món, però el desenvolupament és lent, l'escala de producció i la qualitat de la fibra de carboni d'alt rendiment en comparació amb els països estrangers tenen una bretxa, hi ha una necessitat urgent d'accelerar el procés d'R+D, avançar en el disseny estratègic i aprofitar les futures oportunitats de desenvolupament de la indústria. Per tant, aquest article investiga primer el disseny de projectes dels països en el camp de la investigació de la fibra de carboni, per tal d'entendre la planificació de les rutes d'R+D en diversos països, i en segon lloc, perquè la investigació bàsica i la investigació aplicada de la fibra de carboni és molt important per a la investigació i el desenvolupament tècnic de la fibra de carboni, per tant, realitzem anàlisis metrològiques a partir de resultats de recerca acadèmica (articles SCI) i resultats de recerca aplicada (patents) alhora per obtenir una comprensió completa del progrés de la R+D en el camp de la fibra de carboni, i per analitzar els desenvolupaments recents de la investigació en aquest camp per tal de comprovar el progrés de la R+D de Peep International Frontier. Finalment, basant-nos en els resultats de la investigació anteriors, es presenten alguns suggeriments per a la ruta de recerca i desenvolupament en el camp de la fibra de carboni a la Xina.
2. C.fibra d'arbódisseny del projecte de recercaprincipals països/regions
Els principals països productors de fibra de carboni inclouen el Japó, els Estats Units, Corea del Sud, alguns països europeus i Taiwan, la Xina. Els països amb tecnologia avançada en la fase inicial del desenvolupament de la tecnologia de fibra de carboni s'han adonat de la importància d'aquest material, han dut a terme un disseny estratègic i han promogut enèrgicament el desenvolupament de materials de fibra de carboni.
2.1 Japó
El Japó és el país més desenvolupat en tecnologia de fibra de carboni. Les 3 empreses de Toray, Bong i Mitsubishi Liyang al Japó representen aproximadament el 70%~80% de la quota de mercat mundial de la producció de fibra de carboni. No obstant això, el Japó dóna molta importància a mantenir els seus punts forts en aquest camp, en particular el desenvolupament de fibres de carboni d'alt rendiment basades en plaques i tecnologies energètiques i respectuoses amb el medi ambient, amb un fort suport humà i financer, i en una sèrie de polítiques bàsiques, incloent-hi el pla energètic bàsic, l'esquema estratègic per al creixement econòmic i el Protocol de Kyoto, han fet d'aquest un projecte estratègic que s'hauria de desenvolupar. Basant-se en la política nacional energètica i ambiental bàsica, el Ministeri d'Economia, Indústria i Propietat del Japó ha presentat el "Programa de recerca i desenvolupament de tecnologia d'estalvi d'energia". Amb el suport de la política anterior, la indústria japonesa de fibra de carboni ha pogut centralitzar de manera més eficaç tots els aspectes dels recursos i promoure la solució de problemes comuns en la indústria de la fibra de carboni.
"Desenvolupament tecnològic com ara nous materials estructurals innovadors" (2013-2022) és un projecte implementat en el marc del "Projecte de recerca de Desenvolupament Futur" al Japó per aconseguir significativament el desenvolupament de la tecnologia innovadora necessària de materials estructurals i la combinació de diferents materials, amb l'objectiu principal de reduir el pes lleuger (la meitat del pes del cotxe) dels mitjans de transport. I finalment fer realitat la seva aplicació pràctica. Després d'assumir el projecte de recerca i desenvolupament el 2014, l'Agència de Desenvolupament de Tecnologia Industrial (NEDO) va desenvolupar diversos subprojectes en què els objectius generals del projecte de recerca de fibra de carboni "Recerca bàsica i desenvolupament innovador de fibra de carboni" eren: desenvolupar nous compostos precursors de fibra de carboni; elucidar el mecanisme de formació d'estructures de carbonització; i desenvolupar i estandarditzar mètodes d'avaluació de la fibra de carboni. El projecte, liderat per la Universitat de Tòquio i en què participen conjuntament l'Institut de Tecnologia Industrial (NEDO), Toray, Teijin, Dongyuan i Mitsubishi Liyang, ha fet progressos significatius el gener de 2016 i és un altre gran avenç en el camp de la fibra de carboni basada en paelles després de la invenció del "mode Kondo" al Japó el 1959.
2.2 Estats Units
L'Agència de Preinvestigació de Defensa dels Estats Units (DARPA) va llançar el projecte Advanced Structural Fiber el 2006 amb l'objectiu de reunir la força de recerca científica dominant del país per desenvolupar fibres estructurals de nova generació basades en fibres de carboni. Amb el suport d'aquest projecte, l'equip de recerca de l'Institut Tecnològic de Geòrgia als Estats Units va trencar la tecnologia de preparació de filferro cru el 2015, augmentant el seu mòdul elàstic en un 30%, marcant els Estats Units amb la capacitat de desenvolupament de la tercera generació de fibra de carboni.
El 2014, el Departament d'Energia dels Estats Units (DOE) va anunciar una subvenció d'11,3 milions de dòlars per a dos projectes sobre "processos catalítics de múltiples passos per a la conversió de sucres de biomassa no comestibles en acrilonitril" i "recerca i optimització de l'acrilonitril derivat de la producció de biomassa" per promoure l'ús de residus agrícoles, la investigació sobre materials de fibra de carboni d'alt rendiment renovables i amb un cost competitiu per a la producció de matèries primeres renovables no basades en aliments, com ara la biomassa llenyosa, i plans per reduir el cost de producció de fibres de carboni renovables de biomassa a menys de 5 dòlars/lliura per al 2020.
El març de 2017, el Departament d'Energia dels Estats Units va anunciar de nou 3,74 milions de dòlars per finançar un "projecte d'R+D de components de fibra de carboni de baix cost" liderat pel Western American Institute (WRI), que se centra en el desenvolupament de components de fibra de carboni de baix cost basats en recursos com el carbó i la biomassa.
El juliol de 2017, el Departament d'Energia dels Estats Units va anunciar el finançament de 19,4 milions de dòlars per donar suport a la investigació i el desenvolupament de vehicles avançats d'alta eficiència energètica, 6,7 milions dels quals es destinen a finançar la preparació de fibres de carboni de baix cost mitjançant materials computacionals, inclòs el desenvolupament de mètodes d'avaluació multiescala per a la tecnologia informàtica integrada per avaluar l'entusiasme dels nous precursors de la fibra de carboni. La teoria funcional de la densitat assistida per dinàmica molecular avançada, l'aprenentatge automàtic i altres eines s'utilitzen per desenvolupar eines informàtiques d'última generació per millorar l'eficiència de selecció de matèries primeres de fibra de carboni de baix cost.
2.3 Europa
La indústria europea de la fibra de carboni es va desenvolupar al Japó i als Estats Units durant els anys setanta o vuitanta del segle XX, però a causa de la tecnologia i el capital, moltes empreses productores d'una sola fibra de carboni no van seguir el període d'alt creixement de la demanda de fibra de carboni després de 2000 anys i van desaparèixer. L'empresa alemanya SGL és l'única empresa a Europa que té una quota important del mercat mundial de fibra de carboni.
El novembre de 2011, la Unió Europea va llançar el Projecte Eucarbon, que té com a objectiu millorar les capacitats de fabricació europees de fibra de carboni i materials preimpregnats per a la indústria aeroespacial. El projecte va durar 4 anys, amb una inversió total de 3,2 milions d'euros, i el maig de 2017 va establir amb èxit la primera línia de producció especial de fibra de carboni d'Europa per a aplicacions espacials com ara satèl·lits, permetent així a Europa deixar de tenir la seva dependència de les importacions del producte i garantir la seguretat del subministrament de materials.
El Setè Marc de la UE té previst donar suport al projecte "fibra de carboni funcional en la preparació d'un nou sistema precursor amb un rendiment rendible i gestionable" (FIBRALSPEC) (2014-2017) amb 6,08 milions d'euros. El projecte de 4 anys, liderat per la Universitat Tècnica Nacional d'Atenes, Grècia, amb la participació d'empreses multinacionals com Itàlia, el Regne Unit i Ucraïna, se centra en innovar i millorar el procés de preparació contínua de fibres de carboni basades en poliacrilonitril per aconseguir la producció experimental de fibres de carboni contínuament basades en plaques. El projecte ha completat amb èxit el desenvolupament i l'aplicació de fibra de carboni i tecnologia composta millorada a partir de recursos de polímers orgànics renovables (com ara supercondensadors, refugis d'emergència ràpids, així com prototips de màquines de recobriment rotatives elèctriques mecàniques i desenvolupament de línies de producció de nanofibres, etc.).
Un nombre creixent de sectors industrials, com l'automoció, l'energia eòlica i la construcció naval, requereixen materials compostos lleugers i d'alt rendiment, la qual cosa representa un enorme mercat potencial per a la indústria de la fibra de carboni. La UE inverteix 5,968 milions d'euros per llançar el projecte Carboprec (2014-2017), l'objectiu estratègic del qual és desenvolupar precursors de baix cost a partir de materials renovables que siguin àmpliament presents a Europa i millorar la producció de fibres de carboni d'alt rendiment mitjançant nanotubs de carboni.
El programa de recerca Cleansky II de la Unió Europea va finançar un projecte d'"R+D de pneumàtics compostos" (2017), dirigit per l'Institut Fraunhofer per a la Producció i la Fiabilitat dels Sistemes (LBF) a Alemanya, que té previst desenvolupar components de les rodes davanteres per a avions compostos reforçats amb fibra de carboni per a l'Airbus A320. L'objectiu és reduir el pes en un 40% en comparació amb els materials metàl·lics convencionals. El projecte està finançat amb aproximadament 200.000 euros.
2.4 Corea
La R+D i la industrialització de la fibra de carboni a Corea del Sud van començar tard. La R+D va començar el 2006 i el 2013 va començar a entrar formalment en la fase pràctica, invertint la situació de la fibra de carboni coreana, que depenia completament de les importacions. Per al grup xiaoxing local de Corea del Sud i Taiguang Business, com a representant de la indústria pionera, que participa activament en el camp del disseny de la indústria de la fibra de carboni, l'impuls de desenvolupament és fort. A més, la base de producció de fibra de carboni establerta per Toray Japan a Corea també ha contribuït al mercat de la fibra de carboni a la mateixa Corea.
El govern coreà ha escollit convertir el Grup Xiaoxing en un punt de trobada per a les indústries innovadores de la fibra de carboni. L'objectiu és formar un clúster de la indústria de materials de fibra de carboni, promoure el desenvolupament d'un ecosistema econòmic creatiu a tota la regió nord, i l'objectiu final és formar una cadena de producció única de materials de fibra de carboni → peces → productes acabats. L'establiment d'un clúster d'incubació de fibra de carboni es pot igualar amb Silicon Valley als Estats Units, aprofitar nous mercats, crear nou valor afegit i assolir l'objectiu de 10.000 milions de dòlars en exportacions de productes relacionats amb la fibra de carboni (equivalent a uns 55.200 milions de iuans) per al 2020.
3. anàlisi de la recerca i els resultats de la recerca a nivell mundial sobre fibra de carboni
Aquesta subsecció inclou els articles de l'SCI relacionats amb la investigació de la fibra de carboni i els resultats de les patents del DII des del 2010, per tal d'analitzar la investigació acadèmica i la investigació i el desenvolupament industrial de la tecnologia global de la fibra de carboni alhora, i comprendre completament el progrés de la investigació i el desenvolupament de la fibra de carboni a nivell internacional.
Dades derivades de la base de dades Scie i la base de dades Dewent de la base de dades Web of Science publicada per Clarivate Analytics; interval de temps de recuperació: 2010-2017; data de recuperació: 1 de febrer de 2018.
Estratègia de recuperació de paper SCI: Ts=((fibra de carboni* o fibra de carboni* o ("fibra de carboni*" no "fibra de vidre de carboni") o "fibra de carboni*" o "filament de carboni*" o ((poliacrilonitril o brea) i "precursor*" i fibra*) o ("fibra de grafit*")) no ("carboni de bambú")).
Estratègia de cerca de patents de Dewent: Ti=((fibra de carboni* o fibra de carboni* o ("fibra de carboni*" no "fibra de vidre de carboni") o "fibra de carboni*" o "filament de carboni*" o ((poliacrilonitril o brea) i "precursor*" i fibra*) o ("fibra de grafit*")) no ("carboni de bambú")) o TS=((fibra de carboni* o fibra de carboni* o ("fibra de carboni*" no "fibra de vidre de carboni") o "fibra de carboni*" o "filament de carboni*" o ((poliacrilonitril o brea) i "precursor*" i fibra*) o ("fibra de grafit*")) no ("carboni de bambú")) i IP=(D01F-009/12 o D01F-009/127 o D01F-009/133 o D01F-009/14 o D01F-009/145 o D01F-009/15 o D01F-009/155 o D01F-009/16 o D01F-009/17 o D01F-009/18 o D01F-009/20 o D01F-009/21 o D01F-009/22 o D01F-009/24 o D01F-009/26 o D01F-09/28 o D01F-009/30 o D01F-009/32 o C08K-007/02 o C08J-005/04 o C04B-035/83 o D06M-014/36 o D06M-101/40 o D21H-013/50 o H01H-001/027 o H01R-039/24).
3.1 tendència
Des del 2010, s'han publicat 16.553 articles rellevants a tot el món i s'han sol·licitat 26.390 patents d'invenció, totes mostrant una tendència a l'alça constant any rere any (Figura 1).
3.2 Distribució per països o regions
Les 10 principals institucions amb la producció més gran d'articles de recerca mundials sobre fibra de carboni són de la Xina, de les quals les 5 principals són: l'Acadèmia Xinesa de les Ciències, l'Institut Tecnològic de Harbin, la Universitat Tecnològica del Nord-oest, la Universitat de Donghua, l'Institut d'Aeronàutica i Astronàutica de Pequín. Entre les institucions estrangeres, l'Institut Tecnològic Indi, la Universitat de Tòquio, la Universitat de Bristol, la Universitat de Monash, la Universitat de Manchester i l'Institut Tecnològic de Geòrgia es classifiquen entre les posicions 10 i 20 (Fig. 3).
Pel que fa al nombre de sol·licituds de patents entre les 30 principals institucions, el Japó en té 5, i 3 d'elles es troben entre les cinc primeres. L'empresa Toray va ocupar el primer lloc, seguida de Mitsubishi Liyang (2n), Teijin (4t), East State (10è) i Japan Toyo Textile Company (24è). La Xina té 21 institucions. El Grup Sinopec té el nombre més gran de patents, ocupant el tercer lloc. En segon lloc, l'Institut Tecnològic de Harbin, l'empresa de cable Henan Ke Letter, la Universitat de Donghua, la petroquímica de Xangai de la Xina, la indústria química de Pequín, etc. L'Acadèmia Xinesa de Ciències de Shanxi Coal va sol·licitar la patent d'invenció 66, que va ocupar el lloc 27. Les institucions sud-coreanes en tenen 2, de les quals Xiaoxing Co., Ltd. va ocupar el primer lloc i el vuitè lloc.
Institucions de producció, la producció del document principalment d'universitats i institucions de recerca científica, la producció de patents principalment de l'empresa, es pot veure que la fabricació de fibra de carboni és una indústria d'alta tecnologia, com a principal organisme de desenvolupament de la indústria d'R+D de fibra de carboni, l'empresa dóna gran importància a la protecció de la tecnologia d'R+D de fibra de carboni, especialment les 2 principals empreses del Japó, el nombre de patents és molt superior.
3.4 Punts d'interès per a la recerca
Els articles de recerca sobre fibra de carboni cobreixen la majoria dels temes de recerca: compostos de fibra de carboni (inclosos els compostos reforçats amb fibra de carboni, els compostos de matriu polimèrica, etc.), recerca de propietats mecàniques, anàlisi d'elements finits, nanotubs de carboni, delaminació, reforç, fatiga, microestructura, filatura electrostàtica, tractament superficial, adsorció, etc. Els articles que tracten aquestes paraules clau representen el 38,8% del nombre total d'articles.
Les patents d'invenció de fibra de carboni cobreixen la majoria de temes relacionats amb la preparació de fibra de carboni, equips de producció i materials compostos. Entre elles, les empreses japoneses Toray, Mitsubishi Liyang, Teijin i altres empreses del camp dels "compostos polimèrics reforçats amb fibra de carboni" tenen un disseny tècnic important. A més, Toray i Mitsubishi Liyang tenen una gran proporció de disseny de patents en "Producció de fibra de carboni de poliacrilonitril i equips de producció", "producció de fibra de carboni amb nitril insaturat, com ara poliacrilonitril, cianur de polivinilidè i etilè", i l'empresa japonesa Teijin té una proporció més gran de disseny de patents en "compostos de fibra de carboni i compostos d'oxigen".
El Grup Sinopec de la Xina, la Universitat Química de Pequín, l'Acadèmia Xinesa de Ciències de Ningbo Materials en la "producció de poliacrilonitril de fibra de carboni i equips de producció" tenen una gran proporció del disseny de patents; A més, la Universitat d'Enginyeria Química de Pequín, l'Institut Químic del Carbó de Shanxi de l'Acadèmia Xinesa de Ciències i el Disseny clau de materials de Ningbo de l'Acadèmia Xinesa de Ciències "Ús de fibra d'elements inorgànics com a ingredients de la preparació de compostos polimèrics" té l'Institut Tecnològic de Harbin centrat en el disseny de "tractament de fibra de carboni", "compostos de fibra de carboni i compostos que contenen oxigen" i altres tecnologies.
A més, a partir de les estadístiques anuals de distribució estadística de patents globals, es constata que en els darrers tres anys han començat a sorgir diversos nous punts crítics, com ara: "Composicions de poliamides obtingudes a partir de la formació d'una reacció d'enllaç carboxilat a la cadena principal", "composicions de polièster a partir de la formació d'enllaços èster d'àcid carboxílic 1 a la cadena principal", "material compost basat en materials sintètics", "àcid carboxílic cíclic que conté compostos d'oxigen com a ingredients de compostos de fibra de carboni", "en forma tridimensional de solidificació o tractament de materials tèxtils", "èter insaturat, acetal, semiacetal, cetona o aldehid a través només de la reacció d'enllaç insaturat carboni-carboni per a la producció de compostos polimèrics", "canonada o cable de material adiabàtic", "compostos de fibra de carboni amb èsters de fosfat com a ingredients", etc.
En els darrers anys, ha sorgit R+D en el sector de la fibra de carboni, i la majoria dels avenços provenen dels Estats Units i el Japó. Les últimes tecnologies d'avantguarda se centren no només en la tecnologia de producció i preparació de fibra de carboni, sinó també en aplicacions en una gamma més àmplia de materials per a l'automoció, com ara materials lleugers, d'impressió 3D i de generació d'energia. A més, el reciclatge i el reciclatge de materials de fibra de carboni, la preparació de fibra de carboni de lignina de fusta i altres èxits han tingut un rendiment brillant. Els resultats representatius es descriuen a continuació:
1) L'Institut Tecnològic de Geòrgia dels EUA avança en les tecnologies de fibra de carboni de tercera generació
El juliol de 2015, amb finançament de DARPA, l'Institut Tecnològic de Geòrgia, amb la seva innovadora tècnica de filatura de gel de fibra de carboni basada en paelles, va augmentar significativament el seu mòdul, superant la fibra de carboni Hershey IM7, que ara s'utilitza àmpliament en avions militars, marcant el segon país del món a dominar la tercera generació de tecnologia de fibra de carboni després del Japó.
La resistència a la tracció de la fibra de carboni de filatura de gel fabricada per Kumarz arriba als 5,5 i 5,8 Gpa, i el mòdul de tracció es troba entre 354 i 375 gpa. "Aquesta és la fibra contínua que s'ha reportat amb la resistència i el mòdul de rendiment integral més alts. En el feix de filaments curts, la resistència a la tracció fins a 12,1 Gpa, la mateixa que la fibra de carboni de poliacrilonitril més alta".
2) Tecnologia de calefacció per ones electromagnètiques
El 2014, Nedo va desenvolupar la tecnologia d'escalfament per ones electromagnètiques. La tecnologia de carbonització per ones electromagnètiques es refereix a l'ús de la tecnologia d'escalfament per ones electromagnètiques per carbonitzar la fibra a pressió atmosfèrica. El rendiment de la fibra de carboni obtingut és bàsicament el mateix que el de la fibra de carboni produïda per escalfament a alta temperatura, el mòdul elàstic pot arribar a més de 240 GPA i l'elongació a la ruptura és superior a l'1,5%, cosa que representa el primer èxit mundial.
El material semblant a la fibra es carbonitza per ones electromagnètiques, de manera que no cal l'equip de forn de carbonització utilitzat per a l'escalfament a alta temperatura. Aquest procés no només redueix el temps necessari per a la carbonització, sinó que també redueix el consum d'energia i les emissions de CO2.
3) control precís del procés de carbonització
El març de 2014, Toray va anunciar el desenvolupament amb èxit de la fibra de carboni t1100g. Toray utilitza la tecnologia tradicional de filatura en solució de paella per controlar amb precisió el procés de carbonització, millorar la microestructura de la fibra de carboni a nanoescala, controlar l'orientació microcristal·lina del grafit, la mida microcristal·lina, els defectes, etc., a la fibra després de la carbonització, de manera que la resistència i el mòdul elàstic es poden millorar considerablement. La resistència a la tracció de t1100g és de 6,6 GPa, un 12% més alta que la de T800, i el mòdul elàstic és de 324 GPa i ha augmentat un 10%, cosa que està entrant en la fase d'industrialització.
4) Tecnologia de tractament de superfícies
La Universitat Estatal de Teijin East ha desenvolupat amb èxit una tecnologia de tractament de superfícies per plasma que pot controlar l'aspecte de la fibra de carboni en només uns segons. Aquesta nova tecnologia simplifica significativament tot el procés de producció i redueix el consum d'energia en un 50% en comparació amb la tecnologia de tractament de superfícies existent per a solucions aquoses d'electròlits. A més, després del tractament amb plasma, es va constatar que l'adhesió de la fibra i la matriu de resina també havia millorat.
5) estudi sobre la taxa de retenció de la resistència a la tracció de la fibra de carboni en un entorn de grafit d'alta temperatura
Els materials de Ningbo han dut a terme amb èxit un estudi detallat sobre l'anàlisi de processos, la investigació estructural i l'optimització del rendiment de la fibra de carboni d'alta resistència i de mode alt domèstica, especialment el treball d'investigació sobre la taxa de retenció de la resistència a la tracció de la fibra de carboni en un entorn de grafit d'alta temperatura, i la recent preparació amb èxit de fibra de carboni d'alta resistència i mòdul superior amb una resistència a la tracció de 5,24 GPa i un volum de mòdul de tracció de 593 GPa. Continua tenint l'avantatge de la resistència a la tracció en comparació amb la fibra de carboni d'alta resistència i altament modelada Toray m60j del Japó (resistència a la tracció 3,92 GPa, mòdul de tracció 588 GPa).
6) Grafit de microones
Yongda Advanced Materials ha desenvolupat amb èxit la tecnologia exclusiva de grafit d'ultraalta temperatura patentada pels Estats Units, la producció de fibra de carboni d'ordre mitjà i superior, superant amb èxit tres colls d'ampolla en el desenvolupament de fibra de carboni d'ordre superior: els equips de grafit són cars i estan sota control internacional, les dificultats de la tecnologia química de la seda crua, el rendiment de producció és baix i el cost és elevat. Fins ara, Yongda ha desenvolupat 3 tipus de fibres de carboni, totes les quals han elevat la resistència i el mòdul de la fibra de carboni original de grau relativament baix a una nova alçada.
7) Nou procés de fusió i filatura de filferro cru de fibra de carboni a base de paella de Fraunhofer, Alemanya
L'Institut Fraunhofer de Polímers Aplicats (Applied Polymer Research, IAP) ha anunciat recentment que presentarà la darrera tecnologia de Comcarbon al Saló Aeronàutic de Berlín (ILA) els dies 25 i 29 d'abril de 2018. Aquesta tecnologia redueix considerablement el cost de producció de la fibra de carboni produïda en massa.
Fig. 4 Filatura per fusió de filferro cru.
És ben sabut que en els processos tradicionals, la meitat del cost de producció de la fibra de carboni a base de paella es consumeix en el procés de producció de filferro cru. Atesa la incapacitat del filferro cru per fondre's, s'ha de produir mitjançant un procés de filatura en solució costós (Filatura en solució). "Amb aquesta finalitat, hem desenvolupat un nou procés per a la producció de seda crua a base de paella, que pot reduir el cost de producció del filferro cru en un 60%. Es tracta d'un procés de filatura per fusió econòmic i viable, que utilitza un copolímer a base de paella fusionat especialment desenvolupat", va explicar el Dr. Johannes Ganster, ministre de Polímers Biològics de l'Institut Fraunhofer IAP.
8) Tecnologia d'oxidació per plasma
4M Carbon fiber ha anunciat que utilitzarà la tecnologia d'oxidació per plasma per fabricar i vendre fibra de carboni d'alta qualitat i baix cost com a objectiu estratègic, no només per llicenciar la tecnologia. 4M afirma que la tecnologia d'oxidació per plasma és 3 vegades més ràpida que la tecnologia d'oxidació convencional, mentre que el consum d'energia és inferior a un terç del de la tecnologia tradicional. I les afirmacions han estat validades per molts productors internacionals de fibra de carboni, que estan consultant amb diversos dels fabricants de fibra de carboni i fabricants d'automòbils més grans del món per participar com a iniciadors de la producció de fibres de carboni de baix cost.
9) Nanofibra de cel·lulosa
La Universitat de Kyoto del Japó, juntament amb diversos proveïdors importants de components com ara l'empresa d'instal·lació elèctrica (el proveïdor més gran de Toyota) i Daikyonishikawa Corp., està treballant en el desenvolupament de materials plàstics que combinen nanofibres de cel·lulosa. Aquest material es fabrica trencant la polpa de fusta en uns quants micres (1 per mil mm). El pes del nou material és només una cinquena part del pes de l'acer, però la seva resistència és cinc vegades superior a la de l'acer.
10) cos frontal de fibra de carboni de poliolefina i matèries primeres de lignina
El Laboratori Nacional Oak Ridge dels Estats Units ha estat treballant en la investigació de fibra de carboni de baix cost des del 2007 i ha desenvolupat cossos frontals de fibra de carboni per a matèries primeres de poliolefines i lignines, així com tecnologies avançades de preoxidació per plasma i carbonització per microones.
11) El nou polímer (polímer precursor) es va desenvolupar eliminant el tractament refractari
En el mètode de fabricació liderat per la Universitat de Tòquio, s'ha desenvolupat un nou polímer (polímer precursor) per eliminar el tractament refractari. El punt principal és que després de filar el polímer en seda, no realitza el tractament refractari original, sinó que fa que s'oxidi en el dissolvent. El dispositiu d'escalfament per microones s'escalfa a més de 1000 ℃ per a la carbonització. El temps d'escalfament només triga 2-3 minuts. Després del tractament de carbonització, també s'utilitza plasma per dur a terme el tractament superficial, de manera que es pot fabricar fibra de carboni. El tractament amb plasma triga menys de 2 minuts. D'aquesta manera, el temps de sinterització original de 30-60 minuts es pot reduir a uns 5 minuts. En el nou mètode de fabricació, es duu a terme un tractament amb plasma per millorar la unió entre la fibra de carboni i la resina termoplàstica com a material base CFRP. El mòdul elàstic a la tracció de la fibra de carboni fabricada pel nou mètode de fabricació és de 240 GPa, la resistència a la tracció és de 3,5 GPa i l'elongació arriba a l'1,5%. Aquests valors són el mateix nivell que la fibra de carboni Toray Universal Grade T300 utilitzada per a articles esportius, etc.
12) reciclatge i utilització de materials de fibra de carboni mitjançant el procés de llit fluiditzat
Mengran Meng, el primer autor de l'estudi, va dir: "La recuperació de fibra de carboni redueix l'impacte sobre el medi ambient en comparació amb la producció de fibra de carboni crua, però hi ha un coneixement limitat de les possibles tecnologies de reciclatge i la viabilitat econòmica del reciclatge de la fibra de carboni. El reciclatge té dues etapes: les fibres primer s'han de recuperar dels compostos de fibra de carboni i descompondre's tèrmicament mitjançant materials de mòlta mecànica o mitjançant processos de piròlisi o llit fluiditzat. Aquests mètodes eliminen la part plàstica del material compost, deixant fibra de carboni, que després es pot convertir en estores de fibra enredades mitjançant tecnologia de fabricació de paper humit o reorganitzar-se en fibres direccionals".
Els investigadors van calcular que la fibra de carboni es podria recuperar a partir de residus compostos de fibra de carboni mitjançant un procés de llit fluiditzat, que només requeria 5 dòlars/kg i menys del 10% de l'energia necessària per fabricar la fibra de carboni primària. Les fibres de carboni reciclades produïdes per processos de llit fluiditzat amb prou feines redueixen el mòdul, i la resistència a la tracció es redueix entre un 18% i un 50% en relació amb les fibres de carboni primàries, cosa que les fa adequades per a aplicacions que requereixen una alta rigidesa en lloc de resistència. "Les fibres de carboni reciclades poden ser adequades per a aplicacions no estructurals que requereixen lleugeresa, com ara les indústries de l'automoció, la construcció, l'eòlica i l'esport", va dir Meng.
13) Nova tecnologia de reciclatge de fibra de carboni desenvolupada als Estats Units
El juny de 2016, investigadors de l'Institut Tecnològic de Geòrgia als Estats Units van submergir fibra de carboni en un dissolvent que contenia alcohol per dissoldre la resina epoxi. Les fibres i resines epoxi separades es van poder reutilitzar, la qual cosa va permetre's recuperar fibra de carboni amb èxit.
El juliol de 2017, la Universitat Estatal de Washington també va desenvolupar una tecnologia de recuperació de fibra de carboni, utilitzant àcid feble com a catalitzador, l'ús d'etanol líquid a temperatures relativament baixes per descompondre materials termoestables, la fibra de carboni descomposta i la resina es conserven per separat i es poden reproduir.
14) Desenvolupament de la tecnologia de tinta de fibra de carboni per a la impressió 3D al laboratori LLNL, EUA
El març de 2017, el Laboratori Nacional Lawrence Livemore (LLNL) dels Estats Units va desenvolupar els primers compostos de fibra de carboni d'alt rendiment i de grau aeronàutic impresos en 3D. Van utilitzar un mètode d'impressió 3D de transmissió directa de tinta (DIW) per crear estructures tridimensionals complexes que van millorar considerablement la velocitat de processament per al seu ús en competicions d'automoció, aeroespacial, defensa, motociclisme i surf.
15) Els Estats Units, Corea i la Xina cooperen en el desenvolupament de fibra de carboni per a la generació d'energia
L'agost de 2017, el campus de Dallas de la Universitat de Texas, la Universitat de Hanyang a Corea, la Universitat de Nankai a la Xina i altres institucions van col·laborar en el desenvolupament d'un material de fil de fibra de carboni per a la generació d'energia. El fil es submergeix primer en solucions electrolítiques com la salmorra, cosa que permet que els ions de l'electròlit s'uneixin a la superfície dels nanotubs de carboni, que es poden convertir en energia elèctrica quan el fil s'estira o s'estreny. El material es pot utilitzar en qualsevol lloc amb energia cinètica fiable i és adequat per subministrar energia a sensors d'IoT.
16) Nous avenços en la investigació de la fibra de carboni de lignina de fusta obtinguda per xinesos i nord-americans respectivament
El març de 2017, l'equip especialitzat en fibres de l'Institut de Tecnologia i Enginyeria de Materials de Ningbo va preparar un copolímer de lignina-acrilonitril amb bona filabilitat i estabilitat tèrmica mitjançant la tecnologia de modificació en dos passos d'esterificació i copolimerització per radicals lliures. Es van obtenir filaments continus d'alta qualitat mitjançant el copolímer i el procés de filatura humida, i la fibra de carboni compacta es va obtenir després de l'estabilització tèrmica i el tractament de carbonització.
A l'agost de 2017, l'equip de recerca de Birgitte Ahring de la Universitat de Washington, als Estats Units, va barrejar lignina i poliacrilonitril en diferents proporcions i després va utilitzar la tecnologia de filatura per fusió per convertir els polímers barrejats en fibres de carboni. L'estudi va descobrir que la lignina afegida al 20%∼30% no afectava la resistència de la fibra de carboni i s'esperava que s'utilitzés en la producció de materials de fibra de carboni de menor cost per a peces d'automòbils o avions.
A finals del 2017, el Laboratori Nacional d'Energies Renovables (NREL) va publicar una investigació sobre la fabricació d'acrilonitril utilitzant parts residuals de plantes, com ara palla de blat de moro i palla de blat. Primer descomponen els materials vegetals en sucre i després els converteixen en àcids, i els combinen amb catalitzadors barats per produir productes objectiu.
17) El Japó desenvolupa el primer xassís de cotxe compost termoplàstic reforçat amb fibra de carboni
A l'octubre de 2017, l'Agència d'R+D de la indústria energètica japonesa i el Centre Nacional de Recerca de Composites de la Universitat de Nagoya van desenvolupar amb èxit el primer xassís de cotxe compost termoplàstic reforçat amb fibra de carboni del món. Utilitzen un procés automàtic de modelat en línia directe de compostos termoplàstics reforçats amb fibra llarga, barreja contínua de partícules de fibra de carboni i resina termoplàstica, fabriquen compostos reforçats amb fibra i, a continuació, mitjançant una connexió d'escalfament i fusió, produeixen amb èxit xassís de cotxe CFRP termoplàstic.
5. Suggeriments sobre R+D de tecnologia de fibra de carboni a la Xina
5.1 Disseny amb visió de futur, orientat a objectius, centrat en trencar la tercera generació de tecnologia de fibra de carboni
La tecnologia de fibra de carboni de segona generació de la Xina encara no és un avenç complet. El nostre país hauria d'intentar tenir un disseny amb visió de futur que reuneixi les nostres institucions de recerca rellevants, centrades en la captura de tecnologies clau, l'enfocament de la investigació i el desenvolupament de tecnologia de preparació de fibra de carboni d'alt rendiment de la tercera generació (és a dir, aplicable a la tecnologia de fibra de carboni d'alta resistència i alt mòdul aeroespacial), i la tecnologia de materials compostos de fibra de carboni desenvolupada, incloent-hi la preparació de fibra de carboni lleugera i de baix cost, la tecnologia de fabricació additiva de materials compostos de fibra de carboni, la tecnologia de reciclatge i les tecnologies de prototipatge ràpid.
5.2 Organització coordinadora, reforç del suport, establiment de grans projectes tècnics per donar suport continu a la recerca col·laborativa
Actualment, hi ha moltes institucions que duen a terme investigacions sobre fibra de carboni a la Xina, però el poder està dispers i no hi ha un mecanisme unificat d'organització d'R+D ni un fort suport financer per a una coordinació eficaç. A jutjar per l'experiència de desenvolupament dels països avançats, l'organització i la disposició dels grans projectes tenen un paper important en la promoció del desenvolupament d'aquest camp tècnic. Hauríem de centrar-nos en la força d'R+D Avantatge de la Xina, tenint en compte l'avanç de la tecnologia d'R+D de la fibra de carboni de la Xina per iniciar grans projectes, enfortir la innovació tecnològica col·laborativa i promoure constantment el nivell tecnològic d'investigació de fibra de carboni de la Xina, la competència internacional per la fibra de carboni i els compostos.
5.3 Millora del mecanisme d'avaluació de l'orientació a l'efecte de l'aplicació dels assoliments tècnics
Des del punt de vista de l'anàlisi economètrica dels articles SCI, la fibra de carboni xinesa com a material d'alt rendiment s'utilitza en diversos camps de recerca, però per a la tecnologia de producció i preparació de fibra de carboni, es centra especialment en la reducció de costos i la millora de l'eficiència de la producció amb menys investigació. El procés de producció de fibra de carboni és llarg, els punts clau de la tecnologia, les altes barreres de producció, és una integració multidisciplinària i multitecnològica, cal superar els obstacles tècnics, per promoure eficaçment la investigació i el desenvolupament de tecnologia de preparació bàsica de "baix cost i alt rendiment", d'una banda, cal reforçar la inversió en recerca, d'altra banda, cal debilitar el camp de l'avaluació del rendiment de la recerca científica, reforçar l'orientació de l'avaluació de l'efecte de l'aplicació dels èxits tècnics i passar de l'avaluació "quantitativa", que presta atenció a la publicació de l'article, a l'avaluació de la "qualitat" del valor dels resultats.
5.4 Enfortir el cultiu de talents en tecnologia punta
L'atribut d'alta tecnologia de la tecnologia de la fibra de carboni determina la importància dels talents especialitzats, i si disposen de personal tècnic bàsic d'avantguarda, això determina directament el nivell d'R+D d'una institució.
Com a resultat dels vincles d'R+D de la tecnologia de la fibra de carboni, hem de prestar atenció a la formació del personal dels compostos, per tal de garantir la coordinació i el desenvolupament de tots els vincles. A més, des de la història del desenvolupament de la investigació de la fibra de carboni a la Xina, el flux d'experts en tecnologia bàsica és sovint un factor clau que afecta el nivell d'R+D d'una institució de recerca. Mantenir la fixació dels experts principals i els equips d'R+D en els processos de producció, els compostos i els productes principals és important per a les actualitzacions tecnològiques contínues.
Hem de continuar enfortint la formació i l'ús de personal d'alta tecnologia especialitzat en aquest camp, millorar la política d'avaluació i tractament dels talents d'R+D tecnològic, enfortir el cultiu de joves talents, donar suport activament a la cooperació i els intercanvis amb institucions estrangeres d'R+D avançada i introduir enèrgicament talents estrangers avançats, etc. Això tindrà un paper important en la promoció del desenvolupament de la investigació en fibra de carboni a la Xina.
Citat de-
Anàlisi sobre el desenvolupament de la tecnologia global de la fibra de carboni i la seva introducció a la Xina. Tian Yajuan, Zhang Zhiqiang, Tao Cheng, Yang Ming, Ba Jin, Chen Yunwei.R+D en ciència i tecnologia mundials.2018
Data de publicació: 04-des-2018