Uhlíková vlákna jsou anorganická polymerní vlákna s obsahem uhlíku nad 95 %, s nízkou hustotou, vysokou pevností, odolností vůči vysokým teplotám, vysokou chemickou stabilitou, odolností proti únavě, otěruvzdorností a dalšími vynikajícími základními fyzikálními a chemickými vlastnostmi. Vyznačují se vysokým tlumením vibrací, dobrou tepelnou vodivostí, elektromagnetickým stíněním, nízkým koeficientem tepelné roztažnosti a dalšími vlastnostmi. Díky těmto vynikajícím vlastnostem se uhlíková vlákna široce používají v leteckém průmyslu, železniční dopravě, výrobě vozidel, zbraních a vybavení, stavebních strojích, infrastruktuře, námořním strojírenství, ropném inženýrství, větrné energii, sportovním zboží a dalších oblastech.
Na základě národních strategických potřeb uhlíkových vláken Čína zařadila uhlíkové vlákno mezi klíčové technologie rozvíjejících se průmyslových odvětví, na které se zaměřuje. V národním plánování vědy a techniky „Dvanáct pět“ je technologie přípravy a aplikace vysoce výkonných uhlíkových vláken jednou z klíčových technologií strategicky rozvíjejících se průmyslových odvětví podporovaných státem. V květnu 2015 Státní rada oficiálně zveřejnila program „Vyrobeno v Číně 2025“, v němž se nové materiály staly jednou z klíčových oblastí energické podpory a rozvoje, včetně vysoce výkonných konstrukčních materiálů a pokročilých kompozitů, které jsou středem zájmu rozvoje v oblasti nových materiálů. V říjnu 2015 Ministerstvo průmyslu a informačního průmyslu oficiálně zveřejnilo „Plán klíčových technologických oblastí výroby v Číně do roku 2025“, v němž „vysoce výkonná vlákna a jejich kompozity“ označila za klíčový strategický materiál a cílem pro rok 2020 je „domácí uhlíkové kompozity splňující technické požadavky velkých letadel a dalšího důležitého vybavení“. V listopadu 2016 vydala Státní rada národní strategický plán rozvoje nově vznikajících průmyslových odvětví „Třináct pět“, který jasně zdůraznil posílení podpory spolupráce v odvětví nových materiálů v předcházejících a následných fázích výroby, v oblasti kompozitů z uhlíkových vláken a dalších oblastí, provedení pilotních demonstrací aplikací a vybudování platformy pro spolupráci. V lednu 2017 Ministerstvo průmyslu a rozvoje, NDRC, věda a technologie a Ministerstvo financí společně formulovaly „Průvodce rozvojem odvětví nových materiálů“ a navrhly, aby se od roku 2020 „v oblasti kompozitů z uhlíkových vláken, vysoce kvalitní speciální oceli, pokročilých lehkých slitin a dalších oblastí dosáhlo více než 70 klíčových industrializací a aplikací nových materiálů a aby se vybudoval systém podpory procesního zařízení, který odpovídá úrovni rozvoje čínského průmyslu nových materiálů.“
Protože uhlíková vlákna a jejich kompozity hrají důležitou roli v národní obraně a živobytí lidu, mnoho odborníků se zaměřuje na jejich vývoj a analýzu výzkumných trendů. Dr. Zhou Hong zhodnotil vědecké a technologické příspěvky amerických vědců v raných fázích vývoje vysoce výkonné technologie uhlíkových vláken a probral a informoval o 16 hlavních aplikacích a nedávných technologických pokrokech uhlíkových vláken. Dr. Wei Xin a další zhodnotili technologii výroby, vlastnosti a použití polyakrylonitrilových uhlíkových vláken a jejich současný technologický vývoj. Předložil také několik konstruktivních návrhů na řešení problémů existujících při vývoji uhlíkových vláken v Číně. Kromě toho mnoho lidí provedlo výzkum metrologické analýzy dokumentů a patentů v oblasti uhlíkových vláken a jejich kompozitů. Například Ma Xianglin a další z hlediska metrologie z let 1998-2017, distribuce a aplikace patentů na uhlíková vlákna v oblasti analýzy; Yang Sisi a další analyzují na základě platformy Innography pro globální vyhledávání patentů a statistik dat o uhlíkových vláknech roční trend vývoje patentů, držitelů patentů, hotspotu patentových technologií a klíčového patentu technologie.
Z pohledu trajektorie výzkumu a vývoje v oblasti uhlíkových vláken je čínský výzkum téměř synchronizovaný se světem, ale vývoj je pomalý. Ve srovnání se zahraničím existuje mezera v rozsahu a kvalitě výroby vysoce výkonných uhlíkových vláken. Existuje naléhavá potřeba urychlit proces výzkumu a vývoje, urychlit strategické uspořádání a využít budoucích příležitostí k rozvoji průmyslu. Proto se tento článek nejprve zabývá rozložením projektů v oblasti výzkumu uhlíkových vláken v jednotlivých zemích, aby se pochopilo plánování směrů výzkumu a vývoje v různých zemích. Za druhé, protože základní výzkum a aplikační výzkum uhlíkových vláken je pro technický výzkum a vývoj uhlíkových vláken velmi důležitý, provádíme metrologickou analýzu výsledků akademického výzkumu - SCI článků a výsledků aplikovaného výzkumu - patentů, abychom získali komplexní pochopení pokroku výzkumu a vývoje v oblasti uhlíkových vláken a prozkoumali nedávný vývoj výzkumu v této oblasti s ohledem na pokrok výzkumu a vývoje Peep International Frontier. Na základě výše uvedených výsledků výzkumu jsou nakonec předloženy některé návrhy pro směr výzkumu a vývoje v oblasti uhlíkových vláken v Číně.
2. C.uhlíkové vláknorozvržení výzkumného projektuhlavní země/regiony
Mezi hlavní země produkující uhlíková vlákna patří Japonsko, Spojené státy, Jižní Korea, některé evropské země a Tchaj-wan a Čína. Země s pokročilou technologií si v rané fázi vývoje technologie uhlíkových vláken uvědomily důležitost tohoto materiálu, provedly strategické plánování a energicky podporovaly vývoj materiálů z uhlíkových vláken.
2.1 Japonsko
Japonsko je nejrozvinutější zemí v oblasti technologií uhlíkových vláken. Tři japonské společnosti Toray, Bong a Mitsubishi Liyang se na globálním trhu s uhlíkovými vlákny podílejí přibližně 70–80 %. Japonsko nicméně klade velký důraz na udržení svých silných stránek v této oblasti, zejména na vývoj vysoce výkonných uhlíkových vláken na bázi pan a energeticky a ekologicky šetrných technologií, se silnou lidskou a finanční podporou a v řadě základních politik, včetně základního energetického plánu, strategického plánu pro hospodářský růst a Kjótského protokolu, se z tohoto strategického projektu učinilo, že je třeba jej dále rozvíjet. Na základě základní národní energetické a environmentální politiky předložilo japonské ministerstvo hospodářství, průmyslu a majetku „Program výzkumu a vývoje energeticky úsporných technologií“. S podporou výše uvedené politiky byl japonský průmysl uhlíkových vláken schopen efektivněji centralizovat všechny aspekty zdrojů a podporovat řešení běžných problémů v průmyslu uhlíkových vláken.
„Technologický vývoj, jako jsou inovativní nové konstrukční materiály“ (2013–2022) je projekt realizovaný v rámci „Výzkumného projektu budoucího rozvoje“ v Japonsku s cílem významně dosáhnout vývoje nezbytné inovativní technologie konstrukčních materiálů a kombinace různých materiálů s hlavním cílem snížit hmotnost dopravních prostředků (na polovinu hmotnosti automobilu). A nakonec realizovat jeho praktické využití. Po převzetí výzkumného a vývojového projektu v roce 2014 vyvinula Agentura pro rozvoj průmyslových technologií (NEDO) několik dílčích projektů, v nichž byly celkovými cíli výzkumného projektu uhlíkových vláken „Inovativní základní výzkum a vývoj uhlíkových vláken“: vyvinout nové prekurzorové sloučeniny uhlíkových vláken; objasnit mechanismus tvorby karbonizačních struktur; a vyvinout a standardizovat metody hodnocení uhlíkových vláken. Projekt, vedený Tokijskou univerzitou a do kterého se společně zapojili Institut průmyslových technologií (NEDO), společnosti Toray, Teijin, Dongyuan a Mitsubishi Liyang, dosáhl v lednu 2016 významného pokroku a představuje další významný průlom v oblasti uhlíkových vláken na bázi pan po vynálezu „Kondo módu“ v Japonsku v roce 1959.
2.2 Spojené státy
Americká agentura pro předvýzkum v oblasti obrany (DARPA) zahájila v roce 2006 projekt Advanced Structural Fiber s cílem spojit dominantní vědeckovýzkumné síly v zemi za účelem vývoje strukturálních vláken nové generace na bázi uhlíkových vláken. S podporou tohoto projektu výzkumný tým z Georgijského technologického institutu ve Spojených státech v roce 2015 prolomil technologii přípravy surového drátu a zvýšil jeho modul pružnosti o 30 %, čímž Spojené státy získaly vývojovou kapacitu třetí generace uhlíkových vláken.
V roce 2014 oznámilo americké ministerstvo energetiky (DOE) dotaci ve výši 11,3 milionu dolarů na dva projekty zaměřené na „vícestupňové katalytické procesy pro přeměnu nejedlých cukrů z biomasy na akrylonitril“ a „výzkum a optimalizaci akrylonitrilu získaného z produkce biomasy“ s cílem podpořit využívání zemědělských zbytků, výzkum cenově konkurenceschopných obnovitelných vysoce výkonných materiálů z uhlíkových vláken pro výrobu obnovitelných surovin nepotravinářského původu, jako je dřevní biomasa, a plány na snížení výrobních nákladů na obnovitelné uhlíkové vlákno z biomasy na méně než 5 USD/lb do roku 2020.
V březnu 2017 americké ministerstvo energetiky opět oznámilo financování „nízkonákladového výzkumného a vývojového projektu v oblasti komponent z uhlíkových vláken“ ve výši 3,74 milionu dolarů, vedeného Západoamerickým institutem (WRI), který se zaměřuje na vývoj nízkonákladových komponent z uhlíkových vláken na bázi zdrojů, jako je uhlí a biomasa.
V červenci 2017 oznámilo americké ministerstvo energetiky financování ve výši 19,4 milionu dolarů na podporu výzkumu a vývoje pokročilých energeticky úsporných vozidel, z čehož 6,7 milionu je použito na financování přípravy levných uhlíkových vláken s využitím výpočetních materiálů, včetně vývoje vícerozměrných hodnotících metod pro integrovanou počítačovou technologii k posouzení zájmu o nové prekurzory uhlíkových vláken, teorie funkcionálu hustoty s asistencí pokročilé molekulární dynamiky, strojového učení a dalších nástrojů, které se používají k vývoji nejmodernějších počítačových nástrojů pro zlepšení efektivity výběru levných surovin z uhlíkových vláken.
2.3 Evropa
Evropský průmysl uhlíkových vláken se rozvinul v Japonsku a Spojených státech v sedmdesátých nebo osmdesátých letech 20. století, ale kvůli technologiím a kapitálu mnoho společností vyrábějících pouze uhlíková vlákna nedodrželo období vysokého růstu poptávky po uhlíkových vláknech po 2000 letech a zaniklo. Německá společnost SGL je jedinou společností v Evropě, která má významný podíl na světovém trhu s uhlíkovými vlákny.
V listopadu 2011 zahájila Evropská unie projekt Eucarbon, jehož cílem je modernizace evropských výrobních kapacit v oblasti uhlíkových vláken a předimpregnovaných materiálů pro letecký a kosmický průmysl. Projekt trval 4 roky s celkovou investicí 3,2 milionu eur a v květnu 2017 úspěšně zřídil první evropskou speciální výrobní linku na uhlíková vlákna pro vesmírné aplikace, jako jsou satelity, což Evropě umožnilo zbavit se závislosti na dovozu tohoto produktu a zajistit bezpečnost dodávek materiálů.
Sedmý rámec EU plánuje podpořit projekt „funkční uhlíková vlákna při přípravě nového prekurzorového systému s nákladově efektivním a zvládnutelným výkonem“ (FIBRALSPEC) (2014–2017) částkou 6,08 milionu eur. Čtyřletý projekt, vedený Národní technickou univerzitou v Aténách v Řecku, za účasti nadnárodních společností, jako je Itálie, Spojené království a Ukrajina, se zaměřuje na inovaci a zlepšení procesu kontinuální přípravy uhlíkových vláken na bázi polyakrylonitrilu s cílem dosáhnout experimentální výroby kontinuálně vyráběných uhlíkových vláken. Projekt úspěšně dokončil vývoj a aplikaci uhlíkových vláken a vylepšené kompozitní technologie z obnovitelných zdrojů organických polymerů (jako jsou superkondenzátory, rychlé nouzové přístřešky, ale i prototypy mechanických elektrických rotačních povlakovacích strojů a vývoj výrobní linky nanovláken atd.).
Rostoucí počet průmyslových odvětví, jako je automobilový průmysl, větrná energie a stavba lodí, vyžaduje lehké, vysoce výkonné kompozity, což představuje obrovský potenciální trh pro průmysl uhlíkových vláken. EU investuje 5,968 milionu eur do zahájení projektu Carboprec (2014–2017), jehož strategickým cílem je vyvinout nízkonákladové prekurzory z obnovitelných materiálů, které jsou v Evropě široce zastoupeny, a zvýšit produkci vysoce výkonných uhlíkových vláken pomocí uhlíkových nanotrubic.
Výzkumný program Evropské unie Cleansky II financoval projekt „Výzkum a vývoj kompozitních pneumatik“ (2017), vedený Fraunhoferovým institutem pro výrobu a spolehlivost systémů (LBF) v Německu. V rámci něj se plánují komponenty předních kol pro letadla Airbus A320 vyztužená uhlíkovými vlákny z kompozitu. Cílem je snížit hmotnost o 40 % ve srovnání s konvenčními kovovými materiály. Projekt je financován přibližně 200 000 EUR.
2.4 Korea
Výzkum a vývoj v oblasti uhlíkových vláken a industrializace v Jižní Koreji začaly pozdě, výzkum a vývoj začal v roce 2006 a v roce 2013 formálně vstoupil do praktické fáze, čímž se zvrátila závislost Koreje na dovozu uhlíkových vláken. Díky místní skupině Xiaoxing a společnosti Taiguang Business, která se aktivně angažuje v oblasti uspořádání průmyslu uhlíkových vláken, je rozvoj silný. Kromě toho k rozvoji trhu s uhlíkovými vlákny v Koreji přispěla i výrobní základna uhlíkových vláken, kterou v Koreji vytvořila společnost Toray Japan.
Korejská vláda se rozhodla proměnit skupinu Xiaoxing v místo setkání inovativních odvětví uhlíkových vláken. Cílem je vytvořit klastr průmyslu uhlíkových vláken, podpořit rozvoj kreativního ekonomického ekosystému v celém severním regionu. Konečným cílem je vytvořit komplexní výrobní řetězec materiálů z uhlíkových vláken → díly → hotové výrobky. Vytvoření inkubačního klastru uhlíkových vláken by mohlo být spárováno se Silicon Valley ve Spojených státech, oslovit nové trhy, vytvořit novou přidanou hodnotu a dosáhnout cíle exportu produktů souvisejících s uhlíkovými vlákny ve výši 10 miliard dolarů (což odpovídá přibližně 55,2 miliardám juanů) do roku 2020.
3. analýza globálního výzkumu a výsledků výzkumu v oblasti uhlíkových vláken
Tato podsekce shrnuje články SCI týkající se výzkumu uhlíkových vláken a výsledky patentů DII od roku 2010, aby bylo možné analyzovat akademický výzkum a průmyslový výzkum a vývoj globální technologie uhlíkových vláken současně a plně pochopit pokrok výzkumu a vývoje uhlíkových vláken v mezinárodním měřítku.
Data odvozená z databáze Scie a databáze Dewent v databázi Web of Science publikované společností Clarivate Analytics; časové rozmezí načtení: 2010–2017; datum načtení: 1. února 2018.
Strategie vyhledávání dokumentů SCI: Ts=((uhlíková vlákna* nebo uhlíková vlákna* nebo („uhlíková vlákna*“ nikoli „uhlíková skelná vlákna“) nebo „uhlíková vlákna*“ nebo „uhlíkové vlákno*“ nebo ((polyakrylonitril nebo smola) a „prekurzor*“ a vlákno*) nebo („grafitová vlákna*“)) nikoli („bambusový uhlík“))。
Strategie vyhledávání patentů Dewent: Ti=((uhlíková vlákna* nebo Uhlíková vlákna* nebo („Uhlíková vlákna*“ nikoli „uhlíkové sklo“) nebo „uhlíková vlákna*“ nebo „uhlíkové vlákno*“ nebo ((polyakrylonitril nebo smola) a „prekurzor*“ a vlákno*) nebo („grafitové vlákno*“)) nikoli („bambusové uhlí“)) nebo TS=((uhlíková vlákna* nebo Uhlíková vlákna* nebo („Uhlíková vlákna*“ nikoli „uhlíkové sklo“) nebo „uhlíkové vlákno*“ nebo „uhlíkové vlákno*“ nebo ((polyakrylonitril nebo smola) a „prekurzor*“ a vlákno*) nebo („grafitové vlákno*“)) nikoli („bambusové uhlí“)) a IP=(D01F-009/12 nebo D01F-009/127 nebo D01F-009/133 nebo D01F-009/14 nebo D01F-009/145 nebo D01F-009/15 nebo D01F-009/155 nebo D01F-009/16 nebo D01F-009/17 nebo D01F-009/18 nebo D01F-009/20 nebo D01F-009/21 nebo D01F-009/22 nebo D01F-009/24 nebo D01F-009/26 nebo D01F-09/28 nebo D01F-009/30 nebo D01F-009/32 nebo C08K-007/02 nebo C08J-005/04 nebo C04B-035/83 nebo D06M-014/36 nebo D06M-101/40 nebo D21H-013/50 nebo H01H-001/027 nebo H01R-039/24).
3.1 trend
Od roku 2010 bylo celosvětově publikováno 16 553 relevantních článků a bylo podáno 26 390 patentů na vynálezy, přičemž všechny vykazují stabilní rostoucí trend rok od roku (obrázek 1).
3.2 Rozložení v jednotlivých zemích nebo regionech
Deset nejlepších institucí s největší produkcí výzkumných prací v oblasti uhlíkových vláken na světě pochází z Číny, z nichž prvních 5 je: Čínská akademie věd, Harbinský technologický institut, Severozápadní technologická univerzita, Univerzita Donghua a Pekingský institut pro letectví a astronautiku. Mezi zahraničními institucemi se v žebříčku mezi 10 a 20 umístily Indický technologický institut, Tokijská univerzita, Bristolská univerzita, Monashova univerzita, Manchesterská univerzita a Georgijský technologický institut (obr. 3).
V žebříčku 30 nejlepších institucí má Japonsko 5 patentových přihlášek, z nichž 3 jsou v první pětce. Na prvním místě se umístila společnost Toray, následovaná Mitsubishi Liyang (2.), Teijin (4.), East State (10.), Japan Toyo Textile Company (24.). Čína má 21 institucí. Největší počet patentů má skupina Sinopec (třetí místo). Na druhém místě jsou Harbin Institute of Technology, Henan Ke Letter cable company, Donghua University, China Shanghai Petrochemical, Beijing Chemical Industry atd. Čínská akademie věd (Shanxi Coal) podala patent na vynález č. 66, na 27. místě. Jihokorejské instituce mají 2, z nichž Xiaoxing Co., Ltd. se umístila na prvním místě a na 8. místě.
Výstup institucí, výstup papíru převážně z univerzit a vědeckovýzkumných institucí, patentový výstup převážně od společnosti, je patrné, že výroba uhlíkových vláken je high-tech odvětví. Jako hlavní orgán rozvoje průmyslu výzkumu a vývoje uhlíkových vláken společnost klade velký důraz na ochranu technologií výzkumu a vývoje uhlíkových vláken, zejména u dvou velkých japonských společností. Počet patentů je daleko vpředu.
3.4 Výzkumná centra
Výzkumné práce o uhlíkových vláknech pokrývají nejvíce výzkumných témat: kompozity z uhlíkových vláken (včetně kompozitů vyztužených uhlíkovými vlákny, kompozitů s polymerní matricí atd.), výzkum mechanických vlastností, analýza konečných prvků, uhlíkové nanotrubice, delaminace, vyztužení, únava, mikrostruktura, elektrostatické zvlákňování, povrchové úpravy, adsorpce atd. Články zabývající se těmito klíčovými slovy tvoří 38,8 % z celkového počtu článků.
Patenty na vynálezy z uhlíkových vláken pokrývají nejvíce témat souvisejících s přípravou uhlíkových vláken, výrobními zařízeními a kompozitními materiály. Mezi nimi jsou japonské společnosti Toray, Mitsubishi Liyang, Teijin a další v oblasti „polymerních sloučenin vyztužených uhlíkovými vlákny“ v oblasti důležitého technického uspořádání. Kromě toho mají Toray a Mitsubishi Liyang v oblasti „výroby polyakrylonitrilu z uhlíkových vláken a výrobních zařízení“, „výroby uhlíkových vláken s nenasycenými nitrily, jako je polyakrylonitril, polyvinylidenkyanidem a ethylenem“ a dalších technologiích velký podíl na patentovém uspořádání. Japonská společnost Teijin v oblasti „kompozitů z uhlíkových vláken a kyslíkových sloučenin“ má větší podíl na patentovém uspořádání.
Skupina China Sinopec, Pekingská chemická univerzita a Čínská akademie věd v Ningbo Materials mají velkou část patentového rozvržení v oblasti „výroby polyakrylonitrilu z uhlíkových vláken a výrobních zařízení“; Kromě toho se technologie klíčového rozvržení materiálů Pekingské univerzity chemického inženýrství, Čínské akademie věd Shanxi Coal Chemical Institute a Čínské akademie věd v Ningbo Materials „Použití anorganických prvků vláken jako složek pro přípravu polymerních sloučenin“ zaměřuje na rozvržení technologií „úpravy uhlíkových vláken“, „kompozitů z uhlíkových vláken a sloučenin obsahujících kyslík“ a dalších.
Kromě toho z ročních statistických statistik distribuce globálních patentů vyplývá, že v posledních třech letech se začala objevovat řada nových oblastí s vysokým obsahem relevantních informací, jako například: „Polyamidové kompozice získané tvorbou karboxylátové vazby v hlavním řetězci“, „Polyesterové kompozice získané tvorbou 1 karboxylové esterové vazby v hlavním řetězci“, „Kompozitní materiál na bázi syntetických materiálů“, „Kyslíkaté sloučeniny obsahující cyklické karboxylové kyseliny jako složky kompozitů z uhlíkových vláken“, „Textilní materiály získané v trojrozměrné formě tuhnutí nebo úpravy“, „Nenasycené ethery, acetaly, semiacetaly, ketony nebo aldehydy získané pouze reakcí nenasycené vazby uhlík-uhlík k výrobě polymerních sloučenin“, „Adiabatické materiály pro potrubí nebo kabely“, „Kompozity z uhlíkových vláken s fosfátovými estery jako složkami“ atd.
V posledních letech se objevil výzkum a vývoj v sektoru uhlíkových vláken, přičemž většina průlomů pochází ze Spojených států a Japonska. Nejnovější špičkové technologie se zaměřují nejen na výrobu a přípravu uhlíkových vláken, ale také na aplikace v širší škále automobilových materiálů, jako jsou lehké konstrukce, 3D tisk a materiály pro výrobu energie. Kromě toho recyklace a přepracování materiálů z uhlíkových vláken, příprava uhlíkových vláken z dřevěného ligninu a další úspěchy přinesly vynikající výsledky. Reprezentativní výsledky jsou popsány níže:
1) Americký technologický institut v Georgii prolomil technologie uhlíkových vláken třetí generace
V červenci 2015, s finanční podporou DARPA, Georgijský technologický institut pomocí své inovativní techniky zvlákňování uhlíkových vláken na bázi pánve výrazně zvýšil svůj modul pružnosti a překonal tak uhlíková vlákna Hershey IM7, která se nyní široce používají ve vojenských letadlech. Stala se tak druhou zemí na světě, která po Japonsku zvládla třetí generaci technologie uhlíkových vláken.
Pevnost v tahu gelově zvlákňovaného uhlíkového vlákna vyrobeného společností Kumarz dosahuje 5,5 až 5,8 Gpa a modul pružnosti v tahu se pohybuje mezi 354 a 375 gpa. „Toto je nekonečné vlákno s nejvyšší pevností a modulem komplexního výkonu. V krátkém svazku vláken dosahuje pevnost v tahu až 12,1 Gpa, což je stejná hodnota jako u polyakrylonitrilového uhlíkového vlákna s nejvyšší pevností.“
2) Technologie ohřevu elektromagnetickými vlnami
V roce 2014 vyvinula společnost Nedo technologii elektromagnetického ohřevu. Technologie elektromagnetické karbonizace označuje použití technologie elektromagnetického ohřevu k karbonizaci vlákna za atmosférického tlaku. Dosažené vlastnosti uhlíkových vláken jsou v podstatě stejné jako u uhlíkových vláken vyrobených vysokoteplotním ohřevem, modul pružnosti může dosáhnout více než 240 GPA a prodloužení při přetržení je více než 1,5 %, což je první úspěch na světě.
Vláknitý materiál je karbonizován elektromagnetickými vlnami, takže není potřeba zařízení pro karbonizační pec používané pro vysokoteplotní ohřev. Tento proces nejen zkracuje dobu potřebnou k karbonizaci, ale také snižuje spotřebu energie a emise CO2.
3) jemná regulace procesu karbonizace
V březnu 2014 společnost Toray oznámila úspěšný vývoj uhlíkových vláken t1100g. Toray využívá tradiční technologii zvlákňování v pánvi k jemnému řízení procesu karbonizace, ke zlepšení mikrostruktury uhlíkových vláken v nanoměřítku, k řízení orientace grafitových mikrokrystalů, velikosti mikrokrystalů, defektů atd. ve vlákně po karbonizaci, čímž se výrazně zlepšuje pevnost a modul pružnosti. Pevnost v tahu t1100g je 6,6 GPa, což je o 12 % více než u T800, a modul pružnosti je 324 GPa, což je o 10 % více, což představuje vstup do fáze industrializace.
4) Technologie povrchové úpravy
Společnost Teijin East State úspěšně vyvinula technologii plazmové povrchové úpravy, která dokáže kontrolovat vzhled uhlíkových vláken během několika sekund. Tato nová technologie výrazně zjednodušuje celý výrobní proces a snižuje spotřebu energie o 50 % ve srovnání se stávající technologií povrchové úpravy pro vodné roztoky elektrolytů. Navíc se po plazmové úpravě zjistilo, že se také zlepšila adheze vláken a pryskyřičné matrice.
5) studie míry zachování pevnosti v tahu uhlíkových vláken ve vysokoteplotním grafitovém prostředí
Společnost Ningbo Materials úspěšně provedla podrobnou studii procesní analýzy, strukturního výzkumu a optimalizace výkonu domácích vysokopevnostních a vysokomodových uhlíkových vláken, zejména výzkumnou práci zaměřenou na míru zachování pevnosti v tahu uhlíkových vláken ve vysokoteplotním grafitovém prostředí a nedávnou úspěšnou přípravu vysokopevnostních a modulově pružných uhlíkových vláken s pevností v tahu 5,24 GPa a objemovým modulem pružnosti v tahu 593 GPa. Tato uhlíková vlákna si i nadále zachovávají výhodu pevnosti v tahu ve srovnání s japonskými vysokopevnostními vysoce tvarovanými uhlíkovými vlákny Toray m60j (pevnost v tahu 3,92 GPa, modul pružnosti v tahu 588 GPa).
6) Mikrovlnný grafit
Společnost Yongda Advanced Materials úspěšně vyvinula exkluzivní patentovanou technologii pro výrobu ultravysokoteplotního grafitu, která je součástí Spojených států a umožňuje výrobu uhlíkových vláken středního a vyššího řádu. Úspěšně překonala tři úzká hrdla ve vývoji uhlíkových vláken vyššího řádu: drahé grafitové zařízení pod mezinárodní kontrolou, potíže s chemickou technologií surového hedvábí a nízké a vysoké náklady na výrobu. Yongda dosud vyvinula 3 druhy uhlíkových vláken, které všechny povýšily pevnost a modul původních relativně nízkokvalitních uhlíkových vláken na novou úroveň.
7) Nový proces tavného zvlákňování surového drátu z uhlíkových vláken na bázi pánve od společnosti Fraunhofer, Německo
Fraunhoferův institut aplikovaných polymerů (Applied Polymer Research, IAP) nedávno oznámil, že na berlínské letecké výstavě 11, která se bude konat 25. a 29. dubna 2018, představí nejnovější technologii Comcarbon. Tato technologie výrazně snižuje výrobní náklady hromadně vyráběných uhlíkových vláken.
Obr. 4 Tavení surového drátu při zvlákňování.
Je dobře známo, že v tradičních procesech se polovina výrobních nákladů na uhlíková vlákna na bázi pánve spotřebuje při výrobě surového drátu. Vzhledem k tomu, že surový drát se netaví, musí být vyráběn pomocí nákladného procesu zvlákňování v roztoku (Solution Spinning). „Za tímto účelem jsme vyvinuli nový proces výroby surového hedvábí na bázi pánve, který může snížit výrobní náklady surového drátu o 60 %. Jedná se o ekonomický a proveditelný proces tavení a zvlákňování s použitím speciálně vyvinutého taveného kopolymeru na bázi pánve,“ vysvětlil Dr. Johannes Ganster, ministr biologických polymerů ve Fraunhoferově institutu IAP.
8) Technologie plazmové oxidace
Společnost 4M Carbon fiber oznámila, že se strategicky zaměří na využití technologie plazmové oxidace k výrobě a prodeji vysoce kvalitních a levných uhlíkových vláken, a to nejen za účelem licencování této technologie. Společnost 4M tvrdí, že technologie plazmové oxidace je třikrát rychlejší než konvenční oxidační technologie, zatímco spotřeba energie je ve srovnání s tradiční technologií menší než třetina. Tato tvrzení potvrdilo mnoho mezinárodních výrobců uhlíkových vláken, kteří konzultují s řadou největších světových výrobců uhlíkových vláken a automobilek, aby se podíleli na výrobě levných uhlíkových vláken jako iniciátoři.
9) Celulózové nanovlákno
Japonská Kjótská univerzita spolu s několika významnými dodavateli součástek, jako je společnost zabývající se elektroinstalací (největší dodavatel pro Toyotu) a Daikyonishikawa Corp., pracuje na vývoji plastových materiálů, které kombinují celulózová nanovlákna. Tento materiál se vyrábí rozdrcením dřevěné buničiny na několik mikronů (1 na tisíc mm). Hmotnost nového materiálu je pouze pětina hmotnosti oceli, ale jeho pevnost je pětkrát vyšší než pevnost oceli.
10) přední část z uhlíkových vláken z polyolefinových a ligninových surovin
Národní laboratoř Oak Ridge ve Spojených státech pracuje na výzkumu nízkonákladových uhlíkových vláken od roku 2007 a vyvinula přední tělesa z uhlíkových vláken pro polyolefinové a ligninové suroviny, stejně jako pokročilé technologie plazmové preoxidace a mikrovlnné karbonizace.
11) Nový polymer (prekurzorový polymer) byl vyvinut odstraněním žáruvzdorné úpravy
V metodě výroby vedené Tokijskou univerzitou byl vyvinut nový polymer (prekurzorový polymer), který eliminuje žáruvzdornou úpravu. Hlavním bodem je, že po zvláknění polymeru do hedvábí nedochází k původní žáruvzdorné úpravě, ale k jeho oxidaci v rozpouštědle. Mikrovlnné ohřívací zařízení se poté zahřeje na více než 1000 °C pro karbonizaci. Doba ohřevu trvá pouze 2–3 minuty. Po karbonizaci se k povrchové úpravě použije také plazma, aby se mohla vyrobit uhlíková vlákna. Plazmové zpracování trvá méně než 2 minuty. Tímto způsobem lze původní dobu slinování 30–60 minut zkrátit na přibližně 5 minut. V nové výrobní metodě se plazmové zpracování provádí ke zlepšení vazby mezi uhlíkovými vlákny a termoplastickou pryskyřicí jako základním materiálem CFRP. Modul pružnosti v tahu uhlíkových vláken vyrobených novou výrobní metodou je 240 GPa, pevnost v tahu je 3,5 GPa a prodloužení dosahuje 1,5 %. Tyto hodnoty jsou na stejné úrovni jako u uhlíkových vláken Toray Universal třídy T300 používaných pro sportovní zboží atd.
12) recyklace a využití uhlíkových vláken s využitím fluidního lože
Mengran Meng, první autor studie, uvedl: „Získávání uhlíkových vláken snižuje dopad na životní prostředí ve srovnání s výrobou surových uhlíkových vláken, ale povědomí o potenciálních recyklačních technologiích a ekonomické proveditelnosti recyklace uhlíkových vláken je omezené. Recyklace probíhá ve dvou fázích: vlákna musí být nejprve získána z kompozitů z uhlíkových vláken a tepelně rozložena mechanickým mletím materiálů nebo pomocí pyrolýzy či procesů s fluidním ložem. Tyto metody odstraňují plastovou část kompozitního materiálu a zanechávají uhlíková vlákna, která pak lze pomocí technologie mokré výroby papíru přeměnit na zamotané vláknité rohože nebo reorganizovat do směrových vláken.“
Výzkumníci vypočítali, že uhlíková vlákna by mohla být získána z odpadu z uhlíkových kompozitů pomocí procesu s fluidním ložem, což vyžaduje pouze 5 dolarů/kg a méně než 10 % energie potřebné k výrobě primárních uhlíkových vláken. Recyklovaná uhlíková vlákna vyrobená procesy s fluidním ložem sotva snižují modul a pevnost v tahu se snižuje o 18 % až 50 % ve srovnání s primárními uhlíkovými vlákny, což je činí vhodnými pro aplikace vyžadující spíše vysokou tuhost než pevnost. „Recyklovaná uhlíková vlákna mohou být vhodná pro nekonstrukční aplikace, které vyžadují nízkou hmotnost, jako je automobilový průmysl, stavebnictví, větrná energie a sportovní průmysl,“ uvedl Meng.
13) Nová technologie recyklace uhlíkových vláken vyvinutá ve Spojených státech
V červnu 2016 vědci z Technologického institutu v Georgii ve Spojených státech namočili uhlíková vlákna v rozpouštědle obsahujícím alkohol, aby rozpustili epoxidovou pryskyřici. Oddělená vlákna a epoxidové pryskyřice lze znovu použít, což je úspěšná realizace regenerace uhlíkových vláken.
V červenci 2017 vyvinula Washingtonská státní univerzita také technologii pro regeneraci uhlíkových vláken, která využívá slabou kyselinu jako katalyzátor a kapalný ethanol při relativně nízkých teplotách k rozkladu termosetových materiálů. Rozložená uhlíková vlákna a pryskyřice se uchovávají odděleně a lze je dále reprodukovat.
14) Vývoj technologie 3D tisku s použitím uhlíkových vláken a inkoustů v laboratoři LLNL, USA
V březnu 2017 vyvinula Národní laboratoř Lawrence Livemore (LLNL) ve Spojených státech první vysoce výkonné kompozity z uhlíkových vláken letecké kvality, které byly vytištěny 3D tiskem. Použili metodu 3D tisku s přímým přenosem inkoustu (DIW) k vytvoření složitých trojrozměrných struktur, které výrazně zrychlily zpracování pro použití v automobilovém, leteckém, obranném průmyslu, motocyklových soutěžích a surfování.
15) Spojené státy, Korea a Čína spolupracují na vývoji uhlíkových vláken pro výrobu energie
V srpnu 2017 spolupracovaly instituce z Dallasu na vývoji uhlíkových vlákenných materiálů pro výrobu energie, a to jak na kampusu Texaské univerzity v Dallasu, tak na Hanyangské univerzitě v Koreji, Nankajské univerzitě v Číně a dalších institucích. Příze se nejprve namočí do elektrolytických roztoků, jako je solanka, což umožní iontům v elektrolytu vázat se na povrch uhlíkových nanotrubic, které lze při napínání nebo natahování příze přeměnit na elektrickou energii. Materiál lze použít kdekoli, má spolehlivou kinetickou energii a je vhodný pro napájení senzorů internetu věcí.
16) Nový pokrok ve výzkumu uhlíkových vláken z dřevěného ligninu, kterého dosáhli Číňané a Američané
V březnu 2017 připravil tým pro speciální vlákna z Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering kopolymer lignin-akrylonitril s dobrou zvlákňovatelností a tepelnou stabilitou pomocí dvoustupňové modifikační technologie esterifikace a kopolymerace volnými radikály. Použitím kopolymeru a mokrého zvlákňovacího procesu byly získány vysoce kvalitní nekonečné vlákna a po tepelné stabilizaci a karbonizaci bylo získáno kompaktní uhlíkové vlákno.
V srpnu 2017 výzkumný tým Birgitte Ahringové na Washingtonské univerzitě ve Spojených státech smíchal lignin a polyakrylonitril v různých poměrech a poté pomocí technologie tavného zvlákňování přeměnil směsné polymery na uhlíková vlákna. Studie zjistila, že lignin přidaný do 20 % až 30 % neovlivnil pevnost uhlíkových vláken a očekávalo se, že bude použit při výrobě levnějších uhlíkových vláknitých materiálů pro automobilové nebo letecké díly.
Koncem roku 2017 zveřejnila Národní laboratoř pro obnovitelné zdroje energie (NREL) výzkum o výrobě akrylonitrilu s využitím odpadních částí rostlin, jako je kukuřičná a pšeničná sláma. Nejprve rozloží rostlinné materiály na cukr a poté je přemění na kyseliny a kombinují je s levnými katalyzátory za účelem výroby cílových produktů.
17) Japonsko vyvíjí první podvozek automobilu z termoplastického kompozitu vyztuženého uhlíkovými vlákny
V říjnu 2017 japonská agentura pro výzkum a vývoj, integrovaná s novými technologiemi energetického průmyslu, a Národní výzkumné centrum pro kompozity Univerzity v Nagoji úspěšně vyvinuly první na světě termoplastický kompozitní podvozek automobilu vyztužený uhlíkovými vlákny. Použili automatický proces přímého online lisování dlouhých vláknových termoplastických kompozitů, kontinuální míchání uhlíkových vláken a termoplastických pryskyřičných částic, výrobu vláknových kompozitů a následné spojení zahříváním a tavením úspěšně vyrobili termoplastický podvozek automobilu z uhlíkových vláken.
5. návrhy na výzkum a vývoj technologie uhlíkových vláken v Číně
5.1 Progresivní uspořádání, zaměření na cíl, zaměření na průlom třetí generace technologie uhlíkových vláken
Čínská technologie uhlíkových vláken druhé generace zatím nepředstavuje komplexní průlom. Naše země by se měla snažit o progresivní uspořádání, které spojí naše příslušné výzkumné instituce a zaměří se na osvojení klíčových technologií. Zaměří se na výzkum a vývoj vysoce výkonných technologií pro přípravu uhlíkových vláken třetí generace (tj. použitelných v leteckém průmyslu a leteckém průmyslu s vysokou pevností a modulem pružnosti) a vyvinutých technologií kompozitních materiálů z uhlíkových vláken, včetně automobilového průmyslu, stavebnictví a oprav a dalších lehkých a nízkonákladových technologií pro přípravu velkých objemů uhlíkových vláken, technologií aditivní výroby, technologií recyklace a technologií rychlého prototypování.
5.2 Koordinace organizace, posílení podpory, nastavení velkých technických projektů pro neustálou podporu společného výzkumu
V současné době v Číně existuje mnoho institucí, které se zabývají výzkumem uhlíkových vláken, ale jejich pravomoci jsou rozptýlené a neexistuje jednotný mechanismus organizace výzkumu a vývoje ani silná finanční podpora pro efektivní koordinaci. Soudě dle zkušeností s rozvojem vyspělých zemí, organizace a uspořádání velkých projektů hrají velkou roli v podpoře rozvoje této technické oblasti. Měli bychom se zaměřit na výhodu čínské výzkumné a vývojové síly, s ohledem na průlomový výzkum a vývoj technologií uhlíkových vláken v Číně, abychom zahájili velké projekty, posílili spolupráci v oblasti technologických inovací a neustále podporovali úroveň výzkumu technologií uhlíkových vláken v Číně a konkurenceschopnost v oblasti uhlíkových vláken a kompozitů na mezinárodní úrovni.
5.3 Zlepšení mechanismu hodnocení orientace technických úspěchů na aplikační efekt
Z hlediska ekonometrické analýzy článků SCI se čínská uhlíková vlákna používají jako vysoce pevný a výkonný materiál v různých oblastech výzkumu, ale v oblasti výroby a přípravy uhlíkových vláken je zapotřebí menšího výzkumu zaměřeného na snižování nákladů a zlepšení efektivity výroby. Výrobní proces uhlíkových vláken je zdlouhavý, má klíčové technologické aspekty a vysoké výrobní bariéry, což je multidisciplinární a multitechnologická integrace. Je třeba překonat technické překážky a efektivně prosazovat výzkum a vývoj technologií přípravy jader „nízkonákladové a vysoce výkonné“. Na jedné straně je třeba posílit investice do výzkumu a na druhé straně je třeba oslabit hodnocení výkonnosti vědeckého výzkumu, posílit vedení pro hodnocení aplikačních účinků technických úspěchů a posunout se od „kvantitativního“ hodnocení, které se zaměřuje na publikaci článku, k hodnocení „kvality“ a hodnoty výsledků.
5.4 Posílení kultivace talentů v oblasti špičkových technologií
High-tech atribut technologie uhlíkových vláken určuje důležitost specializovaných talentů, a to, zda mají špičkový klíčový technický personál, přímo určuje úroveň výzkumu a vývoje instituce.
Vzhledem k propojení výzkumu a vývoje v oblasti technologií uhlíkových vláken bychom měli věnovat pozornost školení složeného personálu, abychom zajistili koordinaci a rozvoj všech vazeb. Kromě toho, z historie vývoje výzkumu uhlíkových vláken v Číně vyplývá, že tok klíčových technologických expertů je často klíčovým faktorem ovlivňujícím úroveň výzkumu a vývoje ve výzkumné instituci. Udržování fixních klíčových expertů a výzkumných týmů ve výrobních procesech, kompozitech a hlavních produktech je důležité pro neustálou modernizaci technologií.
Měli bychom i nadále posilovat vzdělávání a využívání specializovaného high-tech personálu v této oblasti, zlepšovat politiku hodnocení a léčby talentů v oblasti technologického výzkumu a vývoje, posilovat rozvoj mladých talentů, aktivně podporovat spolupráci a výměny se zahraničními institucemi zaměřenými na pokročilý výzkum a vývoj a energicky zavádět zahraniční pokročilé talenty atd. To bude hrát velkou roli v podpoře rozvoje výzkumu uhlíkových vláken v Číně.
Citováno z -
Analýza vývoje globální technologie uhlíkových vláken a jejího přínosu pro Čínu. Tian Yajuan, Zhang Zhiqiang, Tao Cheng, Yang ming, Ba jin, Chen Yunwei.Světový vědeckotechnický výzkum a vývoj.2018
Čas zveřejnění: 4. prosince 2018