Οι ίνες άνθρακα είναι ανόργανες πολυμερείς ίνες, ένα νέο υλικό με περιεκτικότητα σε άνθρακα άνω του 95%, χαμηλής πυκνότητας, υψηλής αντοχής, αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες, υψηλής χημικής σταθερότητας, αντι-κόπωσης, αντοχής στη φθορά και άλλων εξαιρετικών βασικών φυσικών και χημικών ιδιοτήτων, και έχουν υψηλή εξασθένηση των κραδασμών, καλή αγώγιμη θερμική αγωγιμότητα, απόδοση ηλεκτρομαγνητικής θωράκισης και χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής και άλλα χαρακτηριστικά. Αυτές οι εξαιρετικές ιδιότητες καθιστούν τις ίνες άνθρακα ευρέως χρησιμοποιούμενες στην αεροδιαστημική, τις σιδηροδρομικές μεταφορές, την κατασκευή οχημάτων, τα όπλα και τον εξοπλισμό, τα μηχανήματα κατασκευών, την κατασκευή υποδομών, τη ναυπηγική, τη πετρελαϊκή μηχανική, την αιολική ενέργεια, τα αθλητικά είδη και άλλους τομείς.
Με βάση τις εθνικές στρατηγικές ανάγκες των υλικών από ανθρακονήματα, η Κίνα τα έχει κατατάξει ως μία από τις βασικές τεχνολογίες των αναδυόμενων βιομηχανιών που επικεντρώνονται στην υποστήριξη. Στον εθνικό σχεδιασμό επιστήμης και τεχνολογίας "Δώδεκα Πέντε", η προετοιμασία και η εφαρμογή τεχνολογίας ινών άνθρακα υψηλής απόδοσης είναι μία από τις βασικές τεχνολογίες των στρατηγικών αναδυόμενων βιομηχανιών που υποστηρίζονται από το κράτος. Τον Μάιο του 2015, το Κρατικό Συμβούλιο δημοσίευσε επίσημα το "Made in China 2025", τα νέα υλικά ως ένας από τους βασικούς τομείς της έντονης προώθησης και ανάπτυξης, συμπεριλαμβανομένων των δομικών υλικών υψηλής απόδοσης, τα προηγμένα σύνθετα υλικά αποτελούν το επίκεντρο της ανάπτυξης στον τομέα των νέων υλικών. Τον Οκτώβριο του 2015, το Υπουργείο Βιομηχανίας και Βιομηχανίας Πληροφοριών δημοσίευσε επίσημα τον "Χάρτη Πορείας για την Τεχνολογία Βασικών Περιοχών της Κίνας για τη Βιομηχανία 2025", με τίτλο "ινών υψηλής απόδοσης και των σύνθετων υλικών τους" ως βασικό στρατηγικό υλικό, ο στόχος για το 2020 είναι "τα εγχώρια σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα να καλύπτουν τις τεχνικές απαιτήσεις των μεγάλων αεροσκαφών και άλλου σημαντικού εξοπλισμού". Τον Νοέμβριο του 2016, το Κρατικό Συμβούλιο εξέδωσε το εθνικό στρατηγικό σχέδιο ανάπτυξης αναδυόμενων βιομηχανιών "Δεκατρείς Πέντε", στο οποίο επισημαίνεται σαφώς η ενίσχυση της υποστήριξης της συνεργασίας στη βιομηχανία νέων υλικών, ανάντη και κατάντη, σε σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα και σε άλλους τομείς, για την πραγματοποίηση πιλοτικών επιδείξεων συνεργατικών εφαρμογών και την κατασκευή μιας πλατφόρμας συνεργατικών εφαρμογών. Τον Ιανουάριο του 2017, το Υπουργείο Βιομηχανίας και Ανάπτυξης, η NDRC, η επιστήμη και η τεχνολογία και το Υπουργείο Οικονομικών διατύπωσαν από κοινού τον "Οδηγό για την ανάπτυξη νέων βιομηχανιών υλικών" και πρότειναν ότι από το 2020, "στα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα, τον υψηλής ποιότητας ειδικό χάλυβα, τα προηγμένα ελαφρά κράματα και σε άλλους τομείς, θα πρέπει να επιτευχθεί η βιομηχανοποίηση και η εφαρμογή περισσότερων από 70 βασικών νέων υλικών, και να δημιουργηθεί ένα σύστημα υποστήριξης εξοπλισμού διεργασιών που να ταιριάζει με το επίπεδο ανάπτυξης της βιομηχανίας νέων υλικών της Κίνας".
Επειδή οι ίνες άνθρακα και τα σύνθετά τους παίζουν σημαντικό ρόλο στην εθνική άμυνα και τα προς το ζην του λαού, πολλοί ειδικοί επικεντρώνονται στην ανάπτυξη και την ανάλυση των ερευνητικών τάσεων. Ο Δρ. Zhou Hong εξέτασε τις επιστημονικές και τεχνολογικές συνεισφορές των Αμερικανών επιστημόνων στα πρώτα στάδια ανάπτυξης της τεχνολογίας ινών άνθρακα υψηλής απόδοσης και σάρωσε και ανέφερε 16 κύριες εφαρμογές και πρόσφατες τεχνολογικές εξελίξεις των ινών άνθρακα, ενώ η τεχνολογία παραγωγής, οι ιδιότητες και η εφαρμογή των ινών άνθρακα πολυακρυλονιτριλίου και η τρέχουσα τεχνολογική τους ανάπτυξη εξετάστηκαν από τον Δρ. Wei Xin κ.λπ. Επίσης, διατυπώνονται ορισμένες εποικοδομητικές προτάσεις για τα προβλήματα που υπάρχουν στην ανάπτυξη των ινών άνθρακα στην Κίνα. Επιπλέον, πολλοί άνθρωποι έχουν διεξάγει έρευνα σχετικά με τη μετρολογική ανάλυση εργασιών και διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας στον τομέα των ινών άνθρακα και των σύνθετων υλικών του. Για παράδειγμα, ο Ma Xianglin και άλλοι από την άποψη της μετρολογίας από την κατανομή διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας ινών άνθρακα 1998-2017 και την εφαρμογή του τομέα της ανάλυσης. Ο Yang Sisi και άλλοι, βασιζόμενοι στην πλατφόρμα innography για την παγκόσμια αναζήτηση διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας για υφάσματα από ανθρακονήματα και σε στατιστικά στοιχεία δεδομένων, αναλύονται από την ετήσια τάση ανάπτυξης των διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας, των κατόχων διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας, το hotspot τεχνολογίας διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας και το βασικό δίπλωμα ευρεσιτεχνίας της τεχνολογίας.
Από την οπτική γωνία της έρευνας και ανάπτυξης στον τομέα των ινών άνθρακα, η έρευνα της Κίνας είναι σχεδόν συγχρονισμένη με την παγκόσμια, αλλά η ανάπτυξη είναι αργή, η κλίμακα και η ποιότητα παραγωγής ινών άνθρακα υψηλής απόδοσης σε σύγκριση με τις ξένες χώρες παρουσιάζουν ένα κενό, υπάρχει επείγουσα ανάγκη να επιταχυνθεί η διαδικασία Έρευνας και Ανάπτυξης, να προωθηθεί ο στρατηγικός σχεδιασμός και να αξιοποιηθούν οι μελλοντικές ευκαιρίες ανάπτυξης της βιομηχανίας. Επομένως, η παρούσα εργασία διερευνά πρώτα τη διάταξη των έργων των χωρών στον τομέα της έρευνας για τις ίνες άνθρακα, προκειμένου να κατανοηθεί ο σχεδιασμός των οδών Έρευνας και Ανάπτυξης σε διάφορες χώρες, και δεύτερον, επειδή η βασική έρευνα και η έρευνα εφαρμογών των ινών άνθρακα είναι πολύ σημαντική για την τεχνική έρευνα και ανάπτυξη των ινών άνθρακα, διεξάγουμε μετρολογική ανάλυση από τα αποτελέσματα της ακαδημαϊκής έρευνας - εργασίες SCI και αποτελέσματα εφαρμοσμένης έρευνας - διπλώματα ευρεσιτεχνίας ταυτόχρονα, για να αποκτήσουμε μια ολοκληρωμένη κατανόηση της προόδου Έρευνας και Ανάπτυξης στον τομέα των ινών άνθρακα, και να σαρώσουμε τις πρόσφατες ερευνητικές εξελίξεις σε αυτόν τον τομέα για την πρόοδο Έρευνας και Ανάπτυξης της Peep International Frontier. Τέλος, με βάση τα παραπάνω ερευνητικά αποτελέσματα, προτείνονται ορισμένες οδοί έρευνας και ανάπτυξης στον τομέα των ινών άνθρακα στην Κίνα.
2. Γίνα άνθρακαδιάταξη ερευνητικού έργουκύριες χώρες/περιοχές
Οι κύριες χώρες παραγωγής ινών άνθρακα περιλαμβάνουν την Ιαπωνία, τις Ηνωμένες Πολιτείες, τη Νότια Κορέα, ορισμένες ευρωπαϊκές χώρες και την Ταϊβάν, την Κίνα. Οι χώρες προηγμένης τεχνολογίας στο αρχικό στάδιο ανάπτυξης της τεχνολογίας ινών άνθρακα έχουν συνειδητοποιήσει τη σημασία αυτού του υλικού, έχουν πραγματοποιήσει στρατηγικό σχεδιασμό, προωθώντας δυναμικά την ανάπτυξη υλικών από ίνες άνθρακα.
2.1 Ιαπωνία
Η Ιαπωνία είναι η πιο ανεπτυγμένη χώρα στην τεχνολογία ινών άνθρακα. Οι 3 εταιρείες στην Toray, Bong και Mitsubishi Liyang στην Ιαπωνία αντιπροσωπεύουν περίπου το 70%~80% του παγκόσμιου μεριδίου αγοράς στην παραγωγή ινών άνθρακα. Παρ' όλα αυτά, η Ιαπωνία αποδίδει μεγάλη σημασία στη διατήρηση των πλεονεκτημάτων της σε αυτόν τον τομέα, ιδίως στην ανάπτυξη ινών άνθρακα υψηλής απόδοσης με βάση το παν και τεχνολογιών φιλικών προς την ενέργεια και το περιβάλλον, με ισχυρή ανθρώπινη και οικονομική υποστήριξη, και σε μια σειρά βασικών πολιτικών, συμπεριλαμβανομένου του βασικού ενεργειακού σχεδίου, του στρατηγικού σχεδίου για την οικονομική ανάπτυξη και του Πρωτοκόλλου του Κιότο, έχουν καταστήσει αυτό ένα στρατηγικό έργο που πρέπει να προωθηθεί. Με βάση τη βασική εθνική ενεργειακή και περιβαλλοντική πολιτική, το Υπουργείο Οικονομίας, Βιομηχανίας και Περιουσίας της Ιαπωνίας έχει προτείνει το "Πρόγραμμα Έρευνας και Ανάπτυξης Τεχνολογίας Εξοικονόμησης Ενέργειας". Υποστηριζόμενη από την παραπάνω πολιτική, η ιαπωνική βιομηχανία ινών άνθρακα μπόρεσε να συγκεντρώσει πιο αποτελεσματικά όλες τις πτυχές των πόρων και να προωθήσει την επίλυση κοινών προβλημάτων στη βιομηχανία ινών άνθρακα.
Η «Τεχνολογική Ανάπτυξη όπως τα καινοτόμα νέα δομικά υλικά» (2013-2022) είναι ένα έργο που υλοποιείται στο πλαίσιο του «Ερευνητικού Έργου Μελλοντικής Ανάπτυξης» στην Ιαπωνία για την σημαντική επίτευξη της ανάπτυξης της απαραίτητης καινοτόμου τεχνολογίας δομικών υλικών και του συνδυασμού διαφορετικών υλικών, με κύριο στόχο τη μείωση του βάρους (το ήμισυ του βάρους του αυτοκινήτου) των μέσων μεταφοράς. Και τέλος την υλοποίηση της πρακτικής εφαρμογής της. Μετά την ανάληψη του έργου έρευνας και ανάπτυξης το 2014, ο Οργανισμός Βιομηχανικής Τεχνολογικής Ανάπτυξης (NEDO) ανέπτυξε διάφορα υποέργα στα οποία οι γενικοί στόχοι του ερευνητικού έργου για τις ίνες άνθρακα «Καινοτόμος βασική έρευνα και ανάπτυξη ινών άνθρακα» ήταν: η ανάπτυξη νέων προδρόμων ενώσεων ινών άνθρακα· η διευκρίνιση του μηχανισμού σχηματισμού δομών ενανθράκωσης· και η ανάπτυξη και τυποποίηση μεθόδων αξιολόγησης ινών άνθρακα. Το έργο, με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο του Τόκιο και με τη συμμετοχή από κοινού του Ινστιτούτου Βιομηχανικής Τεχνολογίας (NEDO), του Toray, του Teijin, του Dongyuan και της Mitsubishi Liyang, σημείωσε σημαντική πρόοδο τον Ιανουάριο του 2016 και αποτελεί μια ακόμη σημαντική ανακάλυψη στον τομέα των ανθρακονημάτων με βάση το τηγάνι, μετά την εφεύρεση της «λειτουργίας Kondo» στην Ιαπωνία το 1959.
2.2 Ηνωμένες Πολιτείες
Η Υπηρεσία Προ-Έρευνας Άμυνας των ΗΠΑ (DARPA) ξεκίνησε το έργο Advanced Structural Fiber το 2006 με στόχο να συγκεντρώσει την κυρίαρχη επιστημονική ερευνητική δύναμη της χώρας για την ανάπτυξη δομικών ινών επόμενης γενιάς με βάση τις ίνες άνθρακα. Υποστηριζόμενη από αυτό το έργο, η ερευνητική ομάδα του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Τζόρτζια στις Ηνωμένες Πολιτείες ανέπτυξε την τεχνολογία προετοιμασίας ακατέργαστου σύρματος το 2015, αυξάνοντας το μέτρο ελαστικότητάς του κατά 30%, σηματοδοτώντας τις Ηνωμένες Πολιτείες με την αναπτυξιακή ικανότητα της τρίτης γενιάς ινών άνθρακα.
Το 2014, το Υπουργείο Ενέργειας των Ηνωμένων Πολιτειών (DOE) ανακοίνωσε επιδότηση 11,3 εκατομμυρίων δολαρίων για δύο έργα σχετικά με «καταλυτικές διεργασίες πολλαπλών σταδίων για τη μετατροπή μη βρώσιμων σακχάρων βιομάζας σε ακρυλονιτρίλιο» και «έρευνα και βελτιστοποίηση του ακρυλονιτριλίου που προέρχεται από την παραγωγή βιομάζας» για την προώθηση της χρήσης γεωργικών υπολειμμάτων, έρευνα για ανταγωνιστικά από πλευράς κόστους ανανεώσιμα υλικά από ανθρακονήματα υψηλής απόδοσης για την παραγωγή ανανεώσιμων πρώτων υλών που δεν προέρχονται από τρόφιμα, όπως η ξυλώδης βιομάζα, και σχέδια για τη μείωση του κόστους παραγωγής ανανεώσιμων ινών άνθρακα βιομάζας σε λιγότερο από 5 δολάρια/λίβρα έως το 2020.
Τον Μάρτιο του 2017, το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ ανακοίνωσε εκ νέου τη χρηματοδότηση ενός «έργου έρευνας και ανάπτυξης χαμηλού κόστους εξαρτημάτων από ανθρακονήματα», με επικεφαλής το Δυτικοαμερικανικό Ινστιτούτο (WRI), το οποίο επικεντρώνεται στην ανάπτυξη χαμηλού κόστους εξαρτημάτων από ανθρακονήματα με βάση πόρους όπως ο άνθρακας και η βιομάζα.
Τον Ιούλιο του 2017, το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ ανακοίνωσε τη χρηματοδότηση 19,4 εκατομμυρίων δολαρίων για την υποστήριξη της έρευνας και ανάπτυξης προηγμένων ενεργειακά αποδοτικών οχημάτων, εκ των οποίων τα 6,7 εκατομμύρια χρησιμοποιούνται για τη χρηματοδότηση της παρασκευής ινών άνθρακα χαμηλού κόστους χρησιμοποιώντας υπολογιστικά υλικά, συμπεριλαμβανομένης της ανάπτυξης μεθόδων αξιολόγησης πολλαπλών κλιμάκων για την ολοκληρωμένη τεχνολογία υπολογιστών για την αξιολόγηση του ενθουσιασμού των νέων προδρόμων ινών άνθρακα, της προηγμένης μοριακής δυναμικής, της υποβοηθούμενης θεωρίας συναρτησιακής πυκνότητας, της μηχανικής μάθησης και άλλων εργαλείων που χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη υπερσύγχρονων υπολογιστικών εργαλείων για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας επιλογής πρώτων υλών από ίνες άνθρακα χαμηλού κόστους.
2.3 Ευρώπη
Η ευρωπαϊκή βιομηχανία ινών άνθρακα αναπτύχθηκε στην Ιαπωνία και τις Ηνωμένες Πολιτείες τη δεκαετία του '70 ή του '80 του 20ού αιώνα, αλλά λόγω της τεχνολογίας και του κεφαλαίου, πολλές εταιρείες παραγωγής ινών άνθρακα δεν τήρησαν την περίοδο υψηλής ανάπτυξης της ζήτησης ινών άνθρακα μετά από 2000 χρόνια και εξαφανίστηκαν. Η γερμανική εταιρεία SGL είναι η μόνη εταιρεία στην Ευρώπη που κατέχει σημαντικό μερίδιο της παγκόσμιας αγοράς ινών άνθρακα.
Τον Νοέμβριο του 2011, η Ευρωπαϊκή Ένωση ξεκίνησε το Έργο Eucarbon, το οποίο στοχεύει στην αναβάθμιση των ευρωπαϊκών δυνατοτήτων παραγωγής ινών άνθρακα και προεμποτισμένων υλικών για την αεροδιαστημική. Το έργο διήρκεσε 4 χρόνια, με συνολική επένδυση 3,2 εκατομμυρίων ευρώ, και τον Μάιο του 2017 εγκαινίασε με επιτυχία την πρώτη ειδική γραμμή παραγωγής ινών άνθρακα στην Ευρώπη για διαστημικές εφαρμογές όπως οι δορυφόροι, επιτρέποντας έτσι στην Ευρώπη να απαλλαγεί από την εξάρτησή της από τις εισαγωγές του προϊόντος και να διασφαλίσει την ασφάλεια του εφοδιασμού με υλικά.
Το Έβδομο Πλαίσιο της ΕΕ σχεδιάζει να υποστηρίξει το έργο «λειτουργικές ίνες άνθρακα στην προετοιμασία ενός νέου προδρόμου συστήματος με οικονομικά αποδοτική και διαχειρίσιμη απόδοση» (FIBRALSPEC) (2014-2017) με 6,08 εκατομμύρια ευρώ. Το τετραετές έργο, με επικεφαλής το Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, με τη συμμετοχή πολυεθνικών εταιρειών όπως η Ιταλία, το Ηνωμένο Βασίλειο και η Ουκρανία, επικεντρώνεται στην καινοτομία και τη βελτίωση της διαδικασίας συνεχούς προετοιμασίας ινών άνθρακα με βάση το πολυακρυλονιτρίλιο για την επίτευξη πειραματικής παραγωγής ινών άνθρακα με συνεχή βάση τηγάνι. Το έργο ολοκλήρωσε με επιτυχία την ανάπτυξη και εφαρμογή τεχνολογίας ινών άνθρακα και βελτιωμένων σύνθετων υλικών από ανανεώσιμους οργανικούς πολυμερείς πόρους (όπως υπερπυκνωτές, καταφύγια ταχείας έκτακτης ανάγκης, καθώς και πρωτότυπες μηχανικές ηλεκτρικές περιστροφικές μηχανές επίστρωσης και ανάπτυξη γραμμής παραγωγής νανοϊνών κ.λπ.).
Ένας αυξανόμενος αριθμός βιομηχανικών τομέων, όπως η αυτοκινητοβιομηχανία, η αιολική ενέργεια και η ναυπηγική, απαιτούν ελαφριά, υψηλής απόδοσης σύνθετα υλικά, τα οποία αποτελούν μια τεράστια δυνητική αγορά για τη βιομηχανία ινών άνθρακα. Η ΕΕ επενδύει 5,968 εκατομμύρια ευρώ για την έναρξη του έργου Carboprec (2014-2017), ο στρατηγικός στόχος του οποίου είναι η ανάπτυξη προδρόμων υλικών χαμηλού κόστους από ανανεώσιμα υλικά που υπάρχουν ευρέως στην Ευρώπη και η ενίσχυση της παραγωγής ινών άνθρακα υψηλής απόδοσης μέσω νανοσωλήνων άνθρακα.
Το ερευνητικό πρόγραμμα Cleansky II της Ευρωπαϊκής Ένωσης χρηματοδότησε ένα έργο «Έρευνα και ανάπτυξη σύνθετων ελαστικών» (2017), με επικεφαλής το Ινστιτούτο Fraunhofer για την Παραγωγή και την Αξιοπιστία Συστημάτων (LBF) στη Γερμανία, το οποίο σχεδιάζει να αναπτύξει εξαρτήματα εμπρόσθιων τροχών για αεροσκάφη σύνθετων υλικών ενισχυμένα με ανθρακονήματα για Airbus A320. Στόχος είναι η μείωση του βάρους κατά 40% σε σύγκριση με τα συμβατικά μεταλλικά υλικά. Το έργο χρηματοδοτείται με περίπου 200.000 ευρώ.
2.4 Κορέα
Η Έρευνα και Ανάπτυξη (Ε&Α) και η Βιομηχανοποίηση των ινών άνθρακα στη Νότια Κορέα ξεκίνησαν αργά, η Έ&Α ξεκίνησε το 2006 και άρχισε επίσημα να εισέρχεται στο πρακτικό στάδιο το 2013, αντιστρέφοντας την κατάσταση στην οποία η κορεατική εταιρεία ινών άνθρακα εξαρτιόταν πλήρως από τις εισαγωγές. Για τον τοπικό όμιλο Xiaoxing της Νότιας Κορέας και την Taiguang Business, ως πρωτοπόρο εκπρόσωπο του κλάδου, που δραστηριοποιούνται ενεργά στον τομέα της διάταξης της βιομηχανίας ινών άνθρακα, η δυναμική ανάπτυξης είναι ισχυρή. Επιπλέον, η βάση παραγωγής ινών άνθρακα που δημιούργησε η Toray Japan στην Κορέα έχει επίσης συμβάλει στην αγορά ινών άνθρακα στην ίδια την Κορέα.
Η κορεατική κυβέρνηση επέλεξε να καταστήσει τον Όμιλο Xiaoxing τόπο συγκέντρωσης για τις καινοτόμες βιομηχανίες ινών άνθρακα. Στόχος είναι η δημιουργία ενός συμπλέγματος βιομηχανίας υλικών από ίνες άνθρακα, η προώθηση της ανάπτυξης ενός δημιουργικού οικονομικού οικοσυστήματος σε ολόκληρη τη Βόρεια περιοχή, ο απώτερος στόχος είναι η δημιουργία μιας ολοκληρωμένης αλυσίδας παραγωγής υλικών από ίνες άνθρακα → εξαρτημάτων → τελικών προϊόντων, η δημιουργία ενός συμπλέγματος επώασης ινών άνθρακα που μπορεί να συνδυαστεί με τη Silicon Valley στις Ηνωμένες Πολιτείες, η αξιοποίηση νέων αγορών, η δημιουργία νέας προστιθέμενης αξίας, και η επίτευξη του στόχου των 10 δισεκατομμυρίων δολαρίων σε εξαγωγές προϊόντων που σχετίζονται με ίνες άνθρακα (ισοδύναμο με περίπου 55,2 δισεκατομμύρια γιουάν) έως το 2020.
3. ανάλυση της παγκόσμιας έρευνας και του ερευνητικού αποτελέσματος στον τομέα των ινών άνθρακα
Αυτή η υποενότητα περιλαμβάνει τις εργασίες του SCI που σχετίζονται με την έρευνα για τις ίνες άνθρακα και τα αποτελέσματα των διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας DII από το 2010, προκειμένου να αναλυθεί ταυτόχρονα η ακαδημαϊκή έρευνα και η βιομηχανική έρευνα και ανάπτυξη της παγκόσμιας τεχνολογίας ινών άνθρακα και να κατανοηθεί πλήρως η πρόοδος της έρευνας και ανάπτυξης ινών άνθρακα διεθνώς.
Δεδομένα που προέρχονται από τη βάση δεδομένων Scie και τη βάση δεδομένων Dewent στη βάση δεδομένων web of Science που δημοσιεύτηκε από την Clarivate Analytics· χρονικό εύρος ανάκτησης: 2010-2017· ημερομηνία ανάκτησης: 1 Φεβρουαρίου 2018.
Στρατηγική ανάκτησης χαρτιού SCI: Ts=((άνθρακας* ή ίνα άνθρακα* ή ("ίνα άνθρακα*" όχι "υαλοβάμβακας") ή "ίνα άνθρακα*" ή "νήμα άνθρακα*" ή ((πολυακρυλονιτρίλιο ή πίσσα) και "πρόδρομος*" και ίνα*) ή ("ίνα γραφίτη*")) όχι ("άνθρακας μπαμπού")).
Στρατηγική Αναζήτησης Ευρεσιτεχνιών Dewent: Ti=((άνθρακας* ή Carbonfibre* ή ("Ίνες άνθρακα*" όχι "άνθρακας Fiberglass") ή "άνθρακας fibre*" ή "carbonfilament*" ή ((πολυακρυλονιτρίλιο ή πίσσα) και "πρόδρομος*" και ίνες*) ή ("γραφίτης fibre*")) όχι ("άνθρακας μπαμπού")) ήTS=((άνθρακας fibre* ή Carbonfibre* ή ("Ίνες άνθρακα*" όχι "άνθρακας Fibre") ή "άνθρακας fibre*" ή "carbonfilament*" ή ((πολυακρυλονιτρίλιο ή πίσσα) και "πρόδρομος*" και ίνες*) ή ("γραφίτης fibre*")) όχι ("άνθρακας μπαμπού")) καιIP=(D01F-009/12 ή D01F-009/127 ή D01F-009/133 ή D01F-009/14 ή D01F-009/145 ή D01F-009/15 ή D01F-009/155 ή D01F-009/16 ή D01F-009/17 ή D01F-009/18 ή D01F-009/20 ή D01F-009/21 ή D01F-009/22 ή D01F-009/24 ή D01F-009/26 ή D01F-09/28 ή D01F-009/30 ή D01F-009/32 ή C08K-007/02 ή C08J-005/04 ή C04B-035/83 ή D06M-014/36 ή D06M-101/40 ή D21H-013/50 ή H01H-001/027 ή H01R-039/24).
3.1 τάση
Από το 2010, έχουν δημοσιευτεί παγκοσμίως 16.553 σχετικές εργασίες και έχουν υποβληθεί αιτήσεις για 26.390 διπλώματα ευρεσιτεχνίας εφευρέσεων, όλα παρουσιάζοντας μια σταθερή ανοδική τάση χρόνο με το χρόνο (Σχήμα 1).
3.2 Κατανομή ανά χώρα ή περιοχή
Τα 10 κορυφαία ιδρύματα με τη μεγαλύτερη παραγωγή ερευνητικών εργασιών για τις ίνες άνθρακα παγκοσμίως προέρχονται από την Κίνα, εκ των οποίων τα 5 κορυφαία είναι: η Κινεζική Ακαδημία Επιστημών, το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Harbin, το Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας Northwestern, το Πανεπιστήμιο Donghua, το Ινστιτούτο Αεροναυτικής και Αστροναυτικής του Πεκίνου. Μεταξύ των ξένων ιδρυμάτων, το Ινδικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας, το Πανεπιστήμιο του Τόκιο, το Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ, το Πανεπιστήμιο Monash, το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ και το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια κατατάσσονται μεταξύ 10-20 (Εικ. 3).
Αριθμός αιτήσεων διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας στα 30 κορυφαία ιδρύματα, η Ιαπωνία έχει 5, και 3 από αυτά βρίσκονται στα πέντε κορυφαία, η εταιρεία Toray κατέλαβε την πρώτη θέση, ακολουθούμενη από τις Mitsubishi Liyang (2η), Teijin (4η), East State (10η), Japan Toyo Textile Company (24η), η Κίνα έχει 21 ιδρύματα, ο όμιλος Sinopec έχει τον μεγαλύτερο αριθμό διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας, καταλαμβάνοντας την τρίτη θέση. Δεύτερον, το Harbin Institute of Technology, η Henan Ke Letter cable company, το Πανεπιστήμιο Donghua, η China Shanghai Petrochemical, η Beijing Chemical Industry, κ.λπ., η Κινεζική Ακαδημία Επιστημών Shanxi Coal application invention patent 66, κατατάσσεται 27η, τα νοτιοκορεατικά ιδρύματα έχουν 2, εκ των οποίων η Xiaoxing Co., Ltd. κατέλαβε την πρώτη θέση, κατατάσσοντας την 8η.
Ιδρύματα παραγωγής, η παραγωγή της εργασίας κυρίως από πανεπιστήμια και επιστημονικά ερευνητικά ιδρύματα, η παραγωγή διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας κυρίως από την εταιρεία, μπορεί να φανεί ότι η κατασκευή ινών άνθρακα είναι μια βιομηχανία υψηλής τεχνολογίας, καθώς το κύριο σώμα της ανάπτυξης της βιομηχανίας έρευνας και ανάπτυξης ινών άνθρακα, η εταιρεία αποδίδει μεγάλη σημασία στην προστασία της τεχνολογίας έρευνας και ανάπτυξης ινών άνθρακα, ειδικά οι 2 μεγάλες εταιρείες στην Ιαπωνία, ο αριθμός των διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας είναι πολύ μπροστά.
3.4 Κέντρα Έρευνας
Οι ερευνητικές εργασίες σχετικά με τις ίνες άνθρακα καλύπτουν τα περισσότερα ερευνητικά θέματα: σύνθετα υλικά από ίνες άνθρακα (συμπεριλαμβανομένων σύνθετων υλικών ενισχυμένων με ίνες άνθρακα, σύνθετων υλικών πολυμερούς μήτρας κ.λπ.), έρευνα μηχανικών ιδιοτήτων, ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων, νανοσωλήνες άνθρακα, αποκόλληση, ενίσχυση, κόπωση, μικροδομή, ηλεκτροστατική κλώση, επιφανειακή επεξεργασία, προσρόφηση κ.ο.κ. Οι εργασίες που ασχολούνται με αυτές τις λέξεις-κλειδιά αντιπροσωπεύουν το 38,8% του συνολικού αριθμού εργασιών.
Τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας για εφευρέσεις ινών άνθρακα καλύπτουν τα περισσότερα θέματα που σχετίζονται με την παρασκευή ινών άνθρακα, τον εξοπλισμό παραγωγής και τα σύνθετα υλικά. Μεταξύ αυτών, οι Japan Toray, Mitsubishi Liyang, Teijin και άλλες εταιρείες στον τομέα των "πολυμερών ενώσεων ενισχυμένων με ίνες άνθρακα" στον τομέα της σημαντικής τεχνικής διάταξης, επιπλέον, οι Toray και Mitsubishi Liyang στην "παραγωγή πολυακρυλονιτριλίου ινών άνθρακα και εξοπλισμού παραγωγής", "με ακόρεστο νιτρίλιο, όπως πολυακρυλονιτρίλιο, παραγωγή πολυβινυλιδενοκυανιδίου αιθυλενίου ινών άνθρακα" και άλλες τεχνολογίες έχουν μεγάλο ποσοστό της διάταξης διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας, και η ιαπωνική εταιρεία Teijin στον τομέα των "σύνθετων υλικών ινών άνθρακα και οξυγόνου" έχει μεγαλύτερο ποσοστό της διάταξης διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας.
Ο Όμιλος China Sinopec, το Χημικό Πανεπιστήμιο του Πεκίνου, η Κινεζική Ακαδημία Επιστημών Ningbo Materials στην «παραγωγή πολυακρυλονιτριλίου από ίνες άνθρακα και εξοπλισμό παραγωγής» έχει ένα μεγάλο ποσοστό της διάταξης διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας. Επιπλέον, το Πανεπιστήμιο Χημικής Μηχανικής του Πεκίνου, το Κινεζικό Ινστιτούτο Χημείας Άνθρακα Shanxi και η Κινεζική Ακαδημία Επιστημών Ningbo Materials key Layout «Χρήση ανόργανων στοιχείων ινών ως συστατικών της παρασκευής πολυμερών ενώσεων» τεχνολογία έχει Harbin Institute of Technology επικεντρώνεται στη διάταξη της «επεξεργασίας ινών άνθρακα», «σύνθετων υλικών από ίνες άνθρακα και οξυγόνου» και άλλων τεχνολογιών.
Επιπλέον, από τα ετήσια στατιστικά στοιχεία κατανομής των παγκόσμιων διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας διαπιστώνεται ότι τα τελευταία τρία χρόνια έχουν αρχίσει να εμφανίζονται ορισμένα νέα σημεία ενδιαφέροντος, όπως: «Συνθέσεις πολυαμιδίων που λαμβάνονται από τον σχηματισμό αντίδρασης καρβοξυλικού δεσμού στην κύρια αλυσίδα», «συνθέσεις πολυεστέρα από τον σχηματισμό δεσμών εστέρα καρβοξυλικού οξέος 1 στην κύρια αλυσίδα», «σύνθετο υλικό με βάση συνθετικά υλικά», «κυκλικό καρβοξυλικό οξύ που περιέχει ενώσεις οξυγόνου ως συστατικά σύνθετων υλικών από ανθρακονήματα», «σε τρισδιάστατη μορφή στερεοποίησης ή επεξεργασίας υφαντικών υλικών», «ακόρεστος αιθέρας, ακετάλη, ημιακετάλη, κετόνη ή αλδεΰδη μόνο μέσω της αντίδρασης ακόρεστου δεσμού άνθρακα-άνθρακα για την παραγωγή πολυμερικών ενώσεων», «αδιαβατικό υλικό σωλήνα ή καλώδιο», «σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα με φωσφορικούς εστέρες ως συστατικά» και ούτω καθεξής.
Τα τελευταία χρόνια, έχει αναδυθεί έρευνα και ανάπτυξη στον τομέα των ινών άνθρακα, με τις περισσότερες από τις σημαντικές ανακαλύψεις να προέρχονται από τις Ηνωμένες Πολιτείες και την Ιαπωνία. Οι τελευταίες τεχνολογίες αιχμής επικεντρώνονται όχι μόνο στην τεχνολογία παραγωγής και προετοιμασίας ινών άνθρακα, αλλά και σε εφαρμογές σε ένα ευρύτερο φάσμα υλικών αυτοκινήτων, όπως το ελαφρύ βάρος, η τρισδιάστατη εκτύπωση και τα υλικά παραγωγής ενέργειας. Επιπλέον, η ανακύκλωση και η ανακύκλωση υλικών από ίνες άνθρακα, η προετοιμασία ινών άνθρακα από ξύλο και λιγνίνη και άλλα επιτεύγματα έχουν εντυπωσιακή απόδοση. Τα αντιπροσωπευτικά αποτελέσματα περιγράφονται παρακάτω:
1) Το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια των ΗΠΑ εισάγει τεχνολογίες ανθρακονημάτων τρίτης γενιάς
Τον Ιούλιο του 2015, με χρηματοδότηση από την DARPA, το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Τζόρτζια, με την καινοτόμο τεχνική περιστροφής πηκτής από ανθρακονήματα με βάση το τηγάνι, αύξησε σημαντικά το μέτρο ελαστικότητάς του, ξεπερνώντας την ανθρακονηματική ίνα Hershey IM7, η οποία χρησιμοποιείται πλέον ευρέως σε στρατιωτικά αεροσκάφη, σηματοδοτώντας τη δεύτερη χώρα στον κόσμο που κατακτά την τρίτη γενιά τεχνολογίας ανθρακονημάτων μετά την Ιαπωνία.
Η αντοχή σε εφελκυσμό των ινών άνθρακα με γέλη που κατασκευάζονται από την Kumarz φτάνει τα 5,5 έως 5,8 Gpa και το μέτρο εφελκυσμού κυμαίνεται μεταξύ 354-375 gpa. «Αυτή είναι η συνεχής ίνα που έχει αναφερθεί με την υψηλότερη αντοχή και μέτρο συνολικής απόδοσης. Στη δέσμη μικρών νημάτων, η αντοχή σε εφελκυσμό φτάνει τα 12,1 Gpa, η ίδια είναι και η υψηλότερη ίνα άνθρακα πολυακρυλονιτριλίου.»
2) Τεχνολογία θέρμανσης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων
Το 2014, η Nedo ανέπτυξε τεχνολογία θέρμανσης με ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Η τεχνολογία ενανθράκωσης με ηλεκτρομαγνητικά κύματα αναφέρεται στη χρήση τεχνολογίας θέρμανσης με ηλεκτρομαγνητικά κύματα για την ενανθράκωση των ινών σε ατμοσφαιρική πίεση. Η απόδοση των ινών άνθρακα που λαμβάνονται είναι βασικά η ίδια με τις ίνες άνθρακα που παράγονται με θέρμανση σε υψηλή θερμοκρασία, το μέτρο ελαστικότητας μπορεί να φτάσει πάνω από 240GPA και η επιμήκυνση κατά τη θραύση είναι μεγαλύτερη από 1,5%, η οποία αποτελεί την πρώτη επιτυχία στον κόσμο.
Το υλικό που μοιάζει με ίνες απανθρακώνεται με ηλεκτρομαγνητικό κύμα, έτσι ώστε να μην χρειάζεται ο εξοπλισμός του κλιβάνου ενανθράκωσης που χρησιμοποιείται για θέρμανση σε υψηλή θερμοκρασία. Αυτή η διαδικασία όχι μόνο μειώνει τον χρόνο που απαιτείται για την ενανθράκωση, αλλά και μειώνει την κατανάλωση ενέργειας και τις εκπομπές CO2.
3) λεπτός έλεγχος της διαδικασίας ενανθράκωσης
Τον Μάρτιο του 2014, η Toray ανακοίνωσε την επιτυχή ανάπτυξη των ινών άνθρακα t1100g. Η Toray χρησιμοποιεί την παραδοσιακή τεχνολογία περιστροφής σε μορφή διαλύματος για τον λεπτομερή έλεγχο της διαδικασίας ενανθράκωσης, τη βελτίωση της μικροδομής των ινών άνθρακα σε νανοκλίμακα, τον έλεγχο του προσανατολισμού των μικροκρυστάλλων του γραφίτη, του μεγέθους των μικροκρυστάλλων, των ελαττωμάτων κ.λπ. στην ίνα μετά την ενανθράκωση, έτσι ώστε η αντοχή και το μέτρο ελαστικότητας να βελτιωθούν σημαντικά. Η αντοχή εφελκυσμού του t1100g είναι 6,6GPa, η οποία είναι 12% υψηλότερη από αυτή του T800, και το μέτρο ελαστικότητας είναι 324GPa και έχει αυξηθεί κατά 10%, γεγονός που σημαίνει ότι εισέρχεται στο στάδιο της βιομηχανοποίησης.
4) Τεχνολογία επεξεργασίας επιφανειών
Η Teijin East State ανέπτυξε με επιτυχία τεχνολογία επιφανειακής επεξεργασίας με πλάσμα, η οποία μπορεί να ελέγχει την εμφάνιση των ινών άνθρακα σε λίγα μόνο δευτερόλεπτα. Αυτή η νέα τεχνολογία απλοποιεί σημαντικά ολόκληρη τη διαδικασία παραγωγής και μειώνει την κατανάλωση ενέργειας κατά 50% σε σύγκριση με την υπάρχουσα τεχνολογία επιφανειακής επεξεργασίας για υδατικά διαλύματα ηλεκτρολυτών. Επιπλέον, μετά την επεξεργασία με πλάσμα, διαπιστώθηκε ότι βελτιώθηκε επίσης η πρόσφυση των ινών και της ρητίνης.
5) μελέτη του ρυθμού συγκράτησης της αντοχής σε εφελκυσμό από ίνες άνθρακα σε περιβάλλον γραφίτη υψηλής θερμοκρασίας
Η Ningbo Materials πραγματοποίησε με επιτυχία μια λεπτομερή μελέτη σχετικά με την ανάλυση της διαδικασίας, την έρευνα δομής και τη βελτιστοποίηση της απόδοσης των εγχώριων ινών άνθρακα υψηλής αντοχής και υψηλού τρόπου, ειδικά την ερευνητική εργασία σχετικά με τον ρυθμό συγκράτησης της αντοχής σε εφελκυσμό των ινών άνθρακα σε περιβάλλον γραφίτη υψηλής θερμοκρασίας, και την πρόσφατη επιτυχημένη παρασκευή ινών άνθρακα υψηλής αντοχής και υψηλότερου μέτρου ελαστικότητας με αντοχή σε εφελκυσμό 5,24GPa και μέτρο εφελκυσμού όγκου 593GPa. Συνεχίζει να έχει το πλεονέκτημα της αντοχής σε εφελκυσμό σε σύγκριση με τις ίνες άνθρακα υψηλής αντοχής Toray m60j υψηλής χύτευσης της Ιαπωνίας (αντοχή σε εφελκυσμό 3,92GPa, μέτρο εφελκυσμού 588GPa).
6) Γραφίτης μικροκυμάτων
Η Yongda Advanced Materials ανέπτυξε με επιτυχία την αποκλειστική πατέντα των Ηνωμένων Πολιτειών για την τεχνολογία γραφίτη εξαιρετικά υψηλής θερμοκρασίας, την παραγωγή ινών άνθρακα μέσης και ανώτερης τάξης, ξεπερνώντας με επιτυχία τα τρία σημεία συμφόρησης στην ανάπτυξη ινών άνθρακα υψηλής τάξης, τον ακριβό και διεθνή έλεγχο του εξοπλισμού γραφίτη, τις δυσκολίες της χημικής τεχνολογίας ακατέργαστου μεταξιού, την απόδοση παραγωγής χαμηλή και υψηλή. Μέχρι στιγμής, η Yongda έχει αναπτύξει 3 είδη ινών άνθρακα, τα οποία έχουν αυξήσει την αντοχή και το μέτρο ελαστικότητας των αρχικών σχετικά χαμηλής ποιότητας ινών άνθρακα σε νέο επίπεδο.
7) Νέα διαδικασία τήξης κλώσης ακατέργαστου σύρματος από ανθρακονήματα με βάση το τηγάνι από την Fraunhofer, Γερμανία
Το Ινστιτούτο Εφαρμοσμένων Πολυμερών Fraunhofer (Applied Polymers Research, IAP) ανακοίνωσε πρόσφατα ότι θα παρουσιάσει την τελευταία τεχνολογία Comcarbon στην Αεροπορική Έκθεση του Βερολίνου Ila στις 25 και 29 Απριλίου 2018. Αυτή η τεχνολογία μειώνει σημαντικά το κόστος παραγωγής μαζικής παραγωγής ινών άνθρακα.
Σχήμα 4 Τήξη ακατέργαστου σύρματος με κλώση.
Είναι γνωστό ότι στις παραδοσιακές διαδικασίες, το ήμισυ του κόστους παραγωγής ινών άνθρακα με βάση το τηγάνι καταναλώνεται στη διαδικασία παραγωγής ακατέργαστου σύρματος. Λόγω της αδυναμίας τήξης του ακατέργαστου σύρματος, πρέπει να παραχθεί χρησιμοποιώντας μια δαπανηρή διαδικασία κλώσης σε διάλυμα (Solution Spinning). «Για το σκοπό αυτό, έχουμε αναπτύξει μια νέα διαδικασία για την παραγωγή ακατέργαστου μεταξιού με βάση το τηγάνι, η οποία μπορεί να μειώσει το κόστος παραγωγής ακατέργαστου σύρματος κατά 60%. Πρόκειται για μια οικονομική και εφικτή διαδικασία κλώσης τήξης, χρησιμοποιώντας ένα ειδικά αναπτυγμένο συντηγμένο συμπολυμερές με βάση το τηγάνι», εξήγησε ο Δρ. Johannes Ganster, Υπουργός Βιολογικών Πολυμερών στο Ινστιτούτο Fraunhofer IAP.
8) Τεχνολογία οξείδωσης πλάσματος
Η 4M Carbon fiber ανακοίνωσε ότι θα θέσει ως στρατηγική της εστίαση τη χρήση της τεχνολογίας οξείδωσης πλάσματος για την κατασκευή και πώληση ινών άνθρακα υψηλής ποιότητας και χαμηλού κόστους, όχι μόνο για την αδειοδότηση της τεχνολογίας. Η 4M ισχυρίζεται ότι η τεχνολογία οξείδωσης πλάσματος είναι 3 φορές ταχύτερη από την συμβατική τεχνολογία οξείδωσης, ενώ η χρήση ενέργειας είναι λιγότερο από το ένα τρίτο της παραδοσιακής τεχνολογίας. Και οι δηλώσεις έχουν επικυρωθεί από πολλούς διεθνείς παραγωγούς ινών άνθρακα, οι οποίοι συμβουλεύονται ορισμένους από τους μεγαλύτερους κατασκευαστές ινών άνθρακα και αυτοκινητοβιομηχανίες στον κόσμο για να συμμετάσχουν ως εμπνευστές της παραγωγής ινών άνθρακα χαμηλού κόστους.
9) Νανοΐνες κυτταρίνης
Το Πανεπιστήμιο του Κιότο της Ιαπωνίας, μαζί με αρκετούς σημαντικούς προμηθευτές εξαρτημάτων, όπως η εταιρεία ηλεκτρολογικών εγκαταστάσεων (ο μεγαλύτερος προμηθευτής της Toyota) και η Daikyonishikawa Corp., εργάζονται για την ανάπτυξη πλαστικών υλικών που συνδυάζουν νανοΐνες κυτταρίνης. Αυτό το υλικό κατασκευάζεται με τη διάσπαση του ξυλοπολτού σε λίγα μικρά (1 ανά χίλια mm). Το βάρος του νέου υλικού είναι μόνο το ένα πέμπτο του βάρους του χάλυβα, αλλά η αντοχή του είναι πέντε φορές μεγαλύτερη από αυτή του χάλυβα.
10) μπροστινό σώμα από ανθρακονήματα από πρώτες ύλες πολυολεφίνης και λιγνίνης
Το Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge στις Ηνωμένες Πολιτείες εργάζεται στην έρευνα για τις ίνες άνθρακα χαμηλού κόστους από το 2007 και έχει αναπτύξει μπροστινά σώματα από ίνες άνθρακα για πρώτες ύλες πολυολεφίνης και λιγνίνης, καθώς και προηγμένες τεχνολογίες προοξείδωσης με πλάσμα και ενανθράκωσης μικροκυμάτων.
11) Το νέο πολυμερές (πρόδρομο πολυμερές) αναπτύχθηκε με την αφαίρεση της πυρίμαχης επεξεργασίας
Στη μέθοδο κατασκευής που καθοδηγείται από το Πανεπιστήμιο του Τόκιο, αναπτύχθηκε ένα νέο πολυμερές (πρόδρομο πολυμερές) για την αφαίρεση της πυρίμαχης επεξεργασίας. Το κύριο σημείο είναι ότι μετά την περιστροφή του πολυμερούς σε μετάξι, δεν εκτελείται η αρχική πυρίμαχη επεξεργασία, αλλά προκαλεί την οξείδωσή του στον διαλύτη. Η συσκευή θέρμανσης μικροκυμάτων θερμαίνεται στη συνέχεια σε θερμοκρασία άνω των 1000 ℃ για ενανθράκωση. Ο χρόνος θέρμανσης διαρκεί μόνο 2-3 λεπτά. Μετά την επεξεργασία ενανθράκωσης, χρησιμοποιείται επίσης πλάσμα για την εκτέλεση επιφανειακής επεξεργασίας, έτσι ώστε να μπορούν να κατασκευαστούν ίνες άνθρακα. Η επεξεργασία με πλάσμα διαρκεί λιγότερο από 2 λεπτά. Με αυτόν τον τρόπο, ο αρχικός χρόνος σύντηξης των 30-60 λεπτών μπορεί να μειωθεί σε περίπου 5 λεπτά. Στη νέα μέθοδο κατασκευής, πραγματοποιείται επεξεργασία με πλάσμα για τη βελτίωση της σύνδεσης μεταξύ ινών άνθρακα και θερμοπλαστικής ρητίνης ως βασικό υλικό CFRP. Το μέτρο ελαστικότητας εφελκυσμού των ινών άνθρακα που κατασκευάζονται με τη νέα μέθοδο κατασκευής είναι 240GPa, η αντοχή εφελκυσμού είναι 3,5GPa και η επιμήκυνση φτάνει το 1,5%. Αυτές οι τιμές είναι στο ίδιο επίπεδο με το ανθρακονήματα T300 ποιότητας Toray Universal που χρησιμοποιείται για αθλητικά είδη κ.λπ.
12) ανακύκλωση και αξιοποίηση υλικών από ανθρακονήματα χρησιμοποιώντας διεργασία ρευστοποιημένης κλίνης
Ο Mengran Meng, ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης, δήλωσε: «Η ανάκτηση ινών άνθρακα μειώνει τις επιπτώσεις στο περιβάλλον σε σύγκριση με την παραγωγή ακατέργαστων ινών άνθρακα, αλλά υπάρχει περιορισμένη επίγνωση των πιθανών τεχνολογιών ανακύκλωσης και της οικονομικής σκοπιμότητας της ανακύκλωσης της αξιοποίησης ινών άνθρακα. Η ανακύκλωση λαμβάνει χώρα σε δύο στάδια: οι ίνες πρέπει πρώτα να ανακτηθούν από τα σύνθετα υλικά ινών άνθρακα και να αποσυντεθούν θερμικά με μηχανικά υλικά λείανσης ή με τη χρήση πυρόλυσης ή διεργασιών ρευστοποιημένης κλίνης. Αυτές οι μέθοδοι αφαιρούν το πλαστικό μέρος του σύνθετου υλικού, αφήνοντας τις ίνες άνθρακα, οι οποίες στη συνέχεια μπορούν να μετατραπούν σε μπερδεμένα στρώματα ινών χρησιμοποιώντας τεχνολογία υγρής χαρτοποιίας ή να αναδιοργανωθούν σε κατευθυνόμενες ίνες.»
Οι ερευνητές υπολόγισαν ότι οι ίνες άνθρακα θα μπορούσαν να ανακτηθούν από σύνθετα απόβλητα ινών άνθρακα χρησιμοποιώντας μια διαδικασία ρευστοποιημένης κλίνης, απαιτώντας μόνο 5 δολάρια/κιλό και λιγότερο από το 10% της ενέργειας που απαιτείται για την κατασκευή των πρωτογενών ινών άνθρακα. Οι ανακυκλωμένες ίνες άνθρακα που παράγονται με διαδικασίες ρευστοποιημένης κλίνης μειώνουν ελάχιστα το μέτρο ελαστικότητας και η αντοχή σε εφελκυσμό μειώνεται κατά 18% έως 50% σε σχέση με τις πρωτογενείς ίνες άνθρακα, καθιστώντας τες κατάλληλες για εφαρμογές που απαιτούν υψηλή ακαμψία παρά αντοχή. «Οι ανακυκλωμένες ίνες άνθρακα μπορεί να είναι κατάλληλες για μη δομικές εφαρμογές που απαιτούν ελαφρύ βάρος, όπως η αυτοκινητοβιομηχανία, οι κατασκευές, η αιολική ενέργεια και οι αθλητικές βιομηχανίες», δήλωσε ο Meng.
13) Νέα τεχνολογία ανακύκλωσης ινών άνθρακα που αναπτύχθηκε στις Ηνωμένες Πολιτείες
Τον Ιούνιο του 2016, ερευνητές στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Τζόρτζια στις Ηνωμένες Πολιτείες μούλιασαν ανθρακονήματα σε διαλύτη που περιείχε αλκοόλη για να διαλύσουν την εποξειδική ρητίνη, με αποτέλεσμα οι διαχωρισμένες ίνες και οι εποξειδικές ρητίνες να μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν, με αποτέλεσμα την επιτυχή πραγματοποίηση της ανάκτησης ανθρακονημάτων.
Τον Ιούλιο του 2017, το Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον ανέπτυξε επίσης μια τεχνολογία ανάκτησης ινών άνθρακα, χρησιμοποιώντας ασθενές οξύ ως καταλύτη, τη χρήση υγρής αιθανόλης σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες για την αποσύνθεση θερμοσκληρυνόμενων υλικών, οι αποσυντιθέμενες ίνες άνθρακα και η ρητίνη διατηρούνται ξεχωριστά και μπορούν να αναπαραχθούν.
14) Ανάπτυξη τεχνολογίας μελανιού από ανθρακονήματα για τρισδιάστατη εκτύπωση στο εργαστήριο LLNL, ΗΠΑ
Τον Μάρτιο του 2017, το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livemore (LLNL) στις Ηνωμένες Πολιτείες ανέπτυξε τα πρώτα τρισδιάστατα εκτυπωμένα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα υψηλής απόδοσης, αεροπορικής ποιότητας. Χρησιμοποίησαν μια μέθοδο τρισδιάστατης εκτύπωσης άμεσης μετάδοσης μελάνης (DIW) για να δημιουργήσουν σύνθετες τρισδιάστατες δομές που βελτίωσαν σημαντικά την ταχύτητα επεξεργασίας για χρήση σε αγώνες αυτοκινήτων, αεροδιαστημικής, άμυνας και μοτοσικλέτας, καθώς και στο surfing.
15) Οι Ηνωμένες Πολιτείες, η Κορέα και η Κίνα συνεργάζονται στην ανάπτυξη ινών άνθρακα για την παραγωγή ενέργειας
Τον Αύγουστο του 2017, η πανεπιστημιούπολη του Πανεπιστημίου του Τέξας στο Ντάλας, το Πανεπιστήμιο Hanyang στην Κορέα, το Πανεπιστήμιο Nankai στην Κίνα και άλλα ιδρύματα συνεργάστηκαν στην ανάπτυξη ενός υλικού από νήμα από ανθρακονήματα για την παραγωγή ενέργειας. Το νήμα πρώτα εμποτίζεται σε διαλύματα ηλεκτρολυτών όπως άλμη, επιτρέποντας στα ιόντα του ηλεκτρολύτη να προσκολληθούν στην επιφάνεια των νανοσωλήνων άνθρακα, τα οποία μπορούν να μετατραπούν σε ηλεκτρική ενέργεια όταν το νήμα σφίγγεται ή τεντώνεται. Το υλικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε οποιοδήποτε μέρος με αξιόπιστη κινητική ενέργεια και είναι κατάλληλο για την παροχή ενέργειας σε αισθητήρες IoT.
16) Νέα πρόοδος στην έρευνα για τις ίνες άνθρακα λιγνίνης ξύλου που λαμβάνονται από Κινέζους και Αμερικανούς αντίστοιχα
Τον Μάρτιο του 2017, η ειδική ομάδα ινών του Ινστιτούτου Τεχνολογίας και Μηχανικής Υλικών Ningbo παρασκεύασε ένα συμπολυμερές λιγνίνης-ακρυλονιτριλίου με καλή ικανότητα περιστροφής και θερμική σταθερότητα, χρησιμοποιώντας την τεχνολογία εστεροποίησης και τροποποίησης δύο σταδίων με συμπολυμερισμό ελεύθερων ριζών. Υψηλής ποιότητας συνεχή νήματα αποκτήθηκαν χρησιμοποιώντας τη διαδικασία συμπολυμερούς και υγρής περιστροφής, και οι συμπαγείς ίνες άνθρακα ελήφθησαν μετά από θερμική σταθεροποίηση και επεξεργασία ενανθράκωσης.
Τον Αύγουστο του 2017, η ερευνητική ομάδα Birgitte Ahring στο Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον στις Ηνωμένες Πολιτείες ανέμειξε λιγνίνη και πολυακρυλονιτρίλιο σε διαφορετικές αναλογίες και στη συνέχεια χρησιμοποίησε τεχνολογία τήξης-περιδίνησης για να μετατρέψει μικτά πολυμερή σε ίνες άνθρακα. Η μελέτη διαπίστωσε ότι η λιγνίνη που προστέθηκε στο 20%∼30% δεν επηρέασε την αντοχή των ινών άνθρακα και αναμενόταν να χρησιμοποιηθεί στην παραγωγή υλικών από ίνες άνθρακα χαμηλότερου κόστους για εξαρτήματα αυτοκινήτων ή αεροσκαφών.
Στα τέλη του 2017, το Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (NREL) δημοσίευσε έρευνα σχετικά με την παρασκευή ακρυλονιτριλίου χρησιμοποιώντας απόβλητα φυτών, όπως άχυρο καλαμποκιού και άχυρο σιταριού. Αρχικά, διασπούν τα φυτικά υλικά σε ζάχαρη και στη συνέχεια τα μετατρέπουν σε οξέα, τα οποία συνδυάζουν με φθηνούς καταλύτες για την παραγωγή στοχευμένων προϊόντων.
17) Η Ιαπωνία αναπτύσσει το πρώτο σασί αυτοκινήτου από θερμοπλαστικό σύνθετο υλικό ενισχυμένο με ίνες άνθρακα
Τον Οκτώβριο του 2017, ο Οργανισμός Έρευνας και Ανάπτυξης (R&D) της Ιαπωνίας, σε συνεργασία με το Εθνικό Κέντρο Έρευνας Σύνθετων Υλικών του Πανεπιστημίου της Ναγκόγια, ανέπτυξε με επιτυχία το πρώτο στον κόσμο σασί αυτοκινήτου από θερμοπλαστικό σύνθετο υλικό ενισχυμένο με ίνες άνθρακα. Χρησιμοποιούν αυτόματη διαδικασία χύτευσης από θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά ενισχυμένα με μακριές ίνες, συνεχή ανάμειξη σωματιδίων από ίνες άνθρακα και θερμοπλαστικής ρητίνης, κατασκευή σύνθετων υλικών ενισχυμένων με ίνες και, στη συνέχεια, μέσω θέρμανσης και τήξης, την επιτυχή παραγωγή θερμοπλαστικού σασί αυτοκινήτου από CFRP.
5. προτάσεις για την Ε&Α τεχνολογίας ινών άνθρακα στην Κίνα
5.1 Προοδευτική διάταξη, προσανατολισμένη στην επίτευξη στόχων, με έμφαση στην αξιοποίηση της τρίτης γενιάς τεχνολογίας ανθρακονημάτων
Η τεχνολογία ινών άνθρακα δεύτερης γενιάς της Κίνας δεν αποτελεί ακόμη μια ολοκληρωμένη ανακάλυψη, η χώρα μας θα πρέπει να προσπαθήσει να έχει μια μακρόπνοη διάταξη που θα συγκεντρώσει τα σχετικά ερευνητικά μας ιδρύματα, με επίκεντρο την αξιοποίηση βασικών τεχνολογιών, την τρίτη γενιά έρευνας και ανάπτυξης τεχνολογίας παρασκευής ινών άνθρακα υψηλής απόδοσης (δηλαδή, εφαρμόσιμη στην αεροδιαστημική, τεχνολογία ινών άνθρακα υψηλής αντοχής και υψηλού μέτρου ελαστικότητας) και την τεχνολογία σύνθετων υλικών από ίνες άνθρακα που αναπτύχθηκε, συμπεριλαμβανομένης της αυτοκινητοβιομηχανίας, των κατασκευών και επισκευών και άλλων ελαφρών, χαμηλού κόστους μεγάλων ινών άνθρακα, της τεχνολογίας προσθετικής κατασκευής σύνθετων υλικών από ίνες άνθρακα, της τεχνολογίας ανακύκλωσης και των τεχνολογιών ταχείας πρωτοτυποποίησης.
5.2 Συντονισμός της οργάνωσης, ενίσχυση της υποστήριξης, δημιουργία σημαντικών τεχνικών έργων για τη συνεχή υποστήριξη της συνεργατικής έρευνας
Προς το παρόν, υπάρχουν πολλά ιδρύματα που διεξάγουν έρευνα για τις ίνες άνθρακα στην Κίνα, αλλά η ισχύς είναι διασκορπισμένη και δεν υπάρχει ενιαίος μηχανισμός οργάνωσης Ε & Α και ισχυρή χρηματοδοτική υποστήριξη για αποτελεσματικό συντονισμό. Κρίνοντας από την εμπειρία ανάπτυξης των προηγμένων χωρών, η οργάνωση και ο σχεδιασμός μεγάλων έργων παίζουν σημαντικό ρόλο στην προώθηση της ανάπτυξης αυτού του τεχνικού τομέα. Θα πρέπει να επικεντρωθούμε στην Πλεονεκτηματική Δύναμη Ε & Α της Κίνας, δεδομένης της πρωτοποριακής τεχνολογίας Ε & Α της Κίνας για την Ε & Α, για την έναρξη μεγάλων έργων, την ενίσχυση της συνεργατικής τεχνολογικής καινοτομίας και τη συνεχή προώθηση του επιπέδου τεχνολογίας έρευνας για τις ίνες άνθρακα της Κίνας, καθώς και του ανταγωνισμού για τις διεθνείς ίνες άνθρακα και τα σύνθετα υλικά.
5.3 Βελτίωση του μηχανισμού αξιολόγησης του προσανατολισμού των τεχνικών επιτευγμάτων στην επίδραση της εφαρμογής
Από την άποψη της οικονομετρικής ανάλυσης των εργασιών SCI, οι ίνες άνθρακα της Κίνας ως υλικό υψηλής αντοχής που χρησιμοποιείται σε διάφορους τομείς έρευνας, αλλά για την παραγωγή και την τεχνολογία προετοιμασίας ινών άνθρακα, εστιάζοντας ιδιαίτερα στη μείωση του κόστους, βελτιώνοντας την αποδοτικότητα της παραγωγής λιγότερο ερευνητική. Η διαδικασία παραγωγής ινών άνθρακα είναι μακρά, τα βασικά σημεία της τεχνολογίας, τα υψηλά εμπόδια παραγωγής, είναι μια διεπιστημονική, πολυτεχνολογική ολοκλήρωση, πρέπει να ξεπεραστούν τα τεχνικά εμπόδια, να προωθηθεί αποτελεσματικά η έρευνα και η ανάπτυξη τεχνολογίας προετοιμασίας πυρήνα "χαμηλού κόστους, υψηλής απόδοσης", αφενός, πρέπει να ενισχυθούν οι επενδύσεις στην έρευνα, αφετέρου, πρέπει να αποδυναμωθεί ο τομέας της αξιολόγησης της απόδοσης της επιστημονικής έρευνας, να ενισχυθεί η καθοδήγηση της αξιολόγησης των τεχνικών επιτευγμάτων της εφαρμογής και να μετατοπιστεί από την "ποσοτική" αξιολόγηση, η οποία δίνει προσοχή στη δημοσίευση της εργασίας, στην "ποιοτική" αξιολόγηση της αξίας των αποτελεσμάτων.
5.4 Ενίσχυση της καλλιέργειας σύνθετων ταλέντων τεχνολογίας αιχμής
Το χαρακτηριστικό υψηλής τεχνολογίας της τεχνολογίας ινών άνθρακα καθορίζει τη σημασία των εξειδικευμένων ταλέντων, ενώ το αν διαθέτουν τεχνικό προσωπικό αιχμής καθορίζει άμεσα το επίπεδο Έρευνας και Ανάπτυξης ενός ιδρύματος.
Ως αποτέλεσμα των συνδέσμων Έρευνας και Ανάπτυξης τεχνολογίας ινών άνθρακα, θα πρέπει να δώσουμε προσοχή στην εκπαίδευση του προσωπικού των σύνθετων υλικών, προκειμένου να διασφαλίσουμε τον συντονισμό και την ανάπτυξη όλων των συνδέσμων. Επιπλέον, από το ιστορικό ανάπτυξης της έρευνας για τις ίνες άνθρακα στην Κίνα, η ροή των βασικών εμπειρογνωμόνων τεχνολογίας αποτελεί συχνά βασικό παράγοντα που επηρεάζει το επίπεδο Έρευνας και Ανάπτυξης ενός ερευνητικού ιδρύματος. Η διατήρηση της εμπλοκής των βασικών εμπειρογνωμόνων και των ομάδων Έρευνας και Ανάπτυξης στις διαδικασίες παραγωγής, τα σύνθετα υλικά και τα κύρια προϊόντα είναι σημαντική για τις συνεχείς τεχνολογικές αναβαθμίσεις.
Θα πρέπει να συνεχίσουμε να ενισχύουμε την εκπαίδευση και την αξιοποίηση εξειδικευμένου προσωπικού υψηλής τεχνολογίας σε αυτόν τον τομέα, να βελτιώνουμε την πολιτική αξιολόγησης και επεξεργασίας των ταλέντων στην Τεχνολογική Έρευνα και Ανάπτυξη, να ενισχύουμε την καλλιέργεια νέων ταλέντων, να υποστηρίζουμε ενεργά τη συνεργασία και τις ανταλλαγές με ξένα προηγμένα ιδρύματα Έρευνας και Ανάπτυξης και να εισάγουμε δυναμικά ξένα προηγμένα ταλέντα κ.λπ. Αυτό θα διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στην προώθηση της ανάπτυξης της έρευνας για τις ίνες άνθρακα στην Κίνα.
Παρατίθεται από-
Ανάλυση σχετικά με την ανάπτυξη της παγκόσμιας τεχνολογίας ανθρακονημάτων και την εισαγωγή της στην Κίνα. Tian Yajuan, Zhang Zhiqiang, Tao Cheng, Yang ming, Ba jin, Chen Yunwei.Παγκόσμια Επιστημονική και Τεχνολογική Έρευνα και Ανάπτυξη.2018
Ώρα δημοσίευσης: 04-12-2018