Süsinikkiud on anorgaaniline polümeerkiudmaterjal, mille süsinikusisaldus on üle 95%, millel on madal tihedus, kõrge tugevus, kõrge temperatuuritaluvus, kõrge keemiline stabiilsus, väsimusvastane toime, kulumiskindlus ja muud suurepärased põhilised füüsikalised ja keemilised omadused, samuti kõrge vibratsioonisummutus, hea juhtiv soojusjuhtivus, elektromagnetiline varjestus ja madal soojuspaisumistegur. Need suurepärased omadused muudavad süsinikkiu laialdaselt kasutatavaks lennunduses, raudteetranspordis, sõidukite tootmises, relvade ja seadmete, ehitusmasinate, taristuehituse, meretehnika, naftatööstuse, tuuleenergia, spordikaupade ja muude valdkondade jaoks.
Süsinikkiudmaterjalide riiklike strateegiliste vajaduste põhjal on Hiina selle liigitanud üheks tugisambaid pakkuvate arenevate tööstusharude põhitehnoloogiaks. Riiklikus teadus- ja tehnoloogiaplaneerimises "Kaksteist viis" on kõrgjõudlusega süsinikkiu ettevalmistamise ja rakendamise tehnoloogia üks riigi toetatavate strateegiliste arenevate tööstusharude põhitehnoloogiaid. 2015. aasta mais avaldas riiginõukogu ametlikult dokumendi "Made in China 2025", mis on uute materjalide jõulise edendamise ja arendamise üks võtmevaldkondi, sealhulgas kõrgjõudlusega konstruktsioonimaterjalid ja täiustatud komposiidid, mis on uute materjalide valdkonna arendamise keskmes. 2015. aasta oktoobris avaldas tööstus- ja infotehnoloogiaministeerium ametlikult dokumendi "Hiina tootmise 2025. aasta võtmevaldkondade tehnoloogia tegevuskava", milles "kõrgjõudlusega kiud ja selle komposiidid" on nimetatud peamiseks strateegiliseks materjaliks ning 2020. aasta eesmärk on "kodused süsinikkiust komposiidid, mis vastavad suurte õhusõidukite ja muude oluliste seadmete tehnilistele nõuetele". 2016. aasta novembris avaldas Riiginõukogu riikliku strateegilise tärkavate tööstusharude arengukava „Kolmteist viis“, milles rõhutati selgelt uute materjalide tööstuse üles- ja allavoolu koostöö toetamise vajadust süsinikkiudkomposiitide ja muude valdkondade puhul, et viia läbi koostööl põhinevaid rakenduste pilootprojekte ja luua koostööl põhinev rakendusplatvorm. 2017. aasta jaanuaris koostasid tööstus- ja arenguministeerium, NDRC, teaduse ja tehnoloogia ministeerium ning rahandusministeerium ühiselt „Uute materjalide tööstusharude arendamise juhendi“ ning tegid ettepaneku, et alates 2020. aastast „saavutada süsinikkiudkomposiitide, kvaliteetse eriterase, täiustatud kergsulamist materjalide ja muude valdkondade puhul enam kui 70 peamise uue materjali industrialiseerimine ja rakendamine ning luua protsessiseadmete tugisüsteem, mis vastab Hiina uute materjalide tööstuse arengutasemele“.
Kuna süsinikkiud ja selle komposiidid mängivad olulist rolli riigikaitses ja rahva elatusvahendites, keskenduvad paljud eksperdid nende arendamisele ja uurimissuundumuste analüüsile. Dr. Zhou Hong vaatas läbi Ameerika teadlaste teadusliku ja tehnoloogilise panuse kõrgjõudlusega süsinikkiu tehnoloogia arendamise algstaadiumis ning analüüsis ja andis aru 16 peamisest süsinikkiu rakendusest ja hiljutistest tehnoloogilistest edusammudest. Dr. Wei Xin jt vaatas läbi polüakrüülnitriilsüsinikkiu tootmistehnoloogia, omadused ja rakenduse ning selle praeguse tehnoloogilise arengu. Samuti esitab ta mõned konstruktiivsed ettepanekud Hiinas süsinikkiu arendamisel esinevate probleemide lahendamiseks. Lisaks on paljud inimesed läbi viinud uuringuid süsinikkiu ja selle komposiitide valdkonna dokumentide ja patentide metroloogilise analüüsi kohta. Näiteks Ma Xianglin ja teised metroloogia seisukohast süsinikkiu patentide jaotuse ja rakendamise analüüsi valdkonnas aastatel 1998–2017; Yang Sisi ja teised analüüsivad ülemaailmse süsinikkiust kangaste patendiotsingu ja andmestatistika innograafiaplatvormil patentide, patendiomanike, patenditehnoloogia leviala ja tehnoloogia põhipatenti iga-aastase arengutrendi põhjal.
Süsinikkiu uurimis- ja arendustegevuse trajektoori seisukohast on Hiina uuringud peaaegu sünkroonis maailma omaga, kuid areng on aeglane. Kõrgefektiivne süsinikkiu tootmise ulatus ja kvaliteet on võrreldes välisriikidega erinevad. On tungiv vajadus kiirendada uurimis- ja arendusprotsessi, edendada strateegilist paigutust ja haarata kinni tulevastest tööstuse arenguvõimalustest. Seetõttu uurib see artikkel esmalt riikide projektide paigutust süsinikkiu uurimisvaldkonnas, et mõista uurimis- ja arendustegevuse suundade planeerimist erinevates riikides, ja teiseks, kuna süsinikkiu baas- ja rakendusuuringud on süsinikkiu tehnilise uurimis- ja arendustegevuse jaoks väga olulised, viime läbi metroloogilise analüüsi akadeemiliste uurimistulemuste, SCI dokumentide ja rakendusuuringute tulemuste ning patentide põhjal, et saada terviklik arusaam süsinikkiu valdkonna uurimis- ja arendustegevuse edusammudest ning võrrelda selle valdkonna uusimaid uurimistulemusi Peep International Frontier'i uurimis- ja arendustegevuse edusammudega. Lõpuks esitatakse ülaltoodud uurimistulemuste põhjal mõned ettepanekud süsinikkiu valdkonna uurimis- ja arendustegevuse suundade kohta Hiinas.
2. Csüsinikkiuduurimisprojekti paigutussuuremad riigid/piirkonnad
Süsinikkiu peamised tootjariigid on Jaapan, Ameerika Ühendriigid, Lõuna-Korea, mõned Euroopa riigid ning Taiwan ja Hiina. Süsinikkiu tehnoloogia arendamise algstaadiumis on kõrgtehnoloogiaga riigid mõistnud selle materjali olulisust, viinud läbi strateegilise planeerimise ja edendanud jõuliselt süsinikkiust materjalide arendamist.
2.1 Jaapan
Jaapan on süsinikkiu tehnoloogia osas kõige arenenum riik. Jaapani kolmel ettevõttel – Toray, Bong ja Mitsubishi Liyang – on umbes 70–80% süsinikkiu tootmise globaalsest turust. Sellest hoolimata peab Jaapan selles valdkonnas oma tugevate külgede säilitamist väga oluliseks, eriti suure jõudlusega pan-põhiste süsinikkiudude ning energia- ja keskkonnasõbralike tehnoloogiate arendamist tugeva inim- ja rahalise toetusega ning mitmete põhipoliitikate, sealhulgas energia põhikava, majanduskasvu strateegilise ülevaate ja Kyoto protokolli kaudu, mis on teinud sellest strateegilise projekti, mida tuleks edasi arendada. Tuginedes riiklikule energia- ja keskkonnapoliitikale, on Jaapani majandus-, tööstus- ja varaministeerium esitanud energiasäästliku tehnoloogia uurimis- ja arendusprogrammi. Eeltoodud poliitika toel on Jaapani süsinikkiu tööstus suutnud ressursside kõiki aspekte tõhusamalt tsentraliseerida ja edendada süsinikkiu tööstuses esinevate ühiste probleemide lahendamist.
„Tehnoloogia arendamine, näiteks innovaatilised uued konstruktsioonimaterjalid” (2013–2022) on projekt, mida rakendatakse Jaapanis programmi „Tulevikuarengu uurimisprojekt” raames, et saavutada olulisel määral vajaliku innovaatilise konstruktsioonimaterjalide tehnoloogia väljatöötamine ja erinevate materjalide kombineerimine, mille peamine eesmärk on vähendada transpordivahendi kergekaalu (pool auto kaalust) ja lõpuks realiseerida selle praktiline rakendamine. Pärast uurimis- ja arendusprojekti ülevõtmist 2014. aastal töötas Tööstustehnoloogia Arengu Agentuur (NEDO) välja mitu alamprojekti, mille süsinikkiu uurimisprojekti „Innovatiivne süsinikkiu baasuuring ja arendus” üldised eesmärgid olid: uute süsinikkiu eelühendite väljatöötamine; karboniseerimisstruktuuride moodustumise mehhanismi selgitamine; ning süsinikkiu hindamismeetodite väljatöötamine ja standardiseerimine. Tokyo Ülikooli juhitud projekt, milles osalevad ühiselt Tööstustehnoloogia Instituut (NEDO), Toray, Teijin, Dongyuan ja Mitsubishi Liyang, on 2016. aasta jaanuaris teinud märkimisväärseid edusamme ning on järjekordne suur läbimurre pannil põhineva süsinikkiu valdkonnas pärast "Kondo režiimi" leiutamist Jaapanis 1959. aastal.
2.2 Ameerika Ühendriigid
USA kaitsealane eeluuringute agentuur (DARPA) käivitas 2006. aastal projekti „Advanced Structural Fiber“ eesmärgiga koondada riigi domineeriv teadusjõud süsinikkiududel põhinevate järgmise põlvkonna struktuurkiudude väljatöötamiseks. Selle projekti toel tegi USA Georgia Tehnoloogiainstituudi uurimisrühm 2015. aastal läbimurde toortraadi ettevalmistamise tehnoloogias, suurendades selle elastsusmoodulit 30%, mis andis Ameerika Ühendriikidele kolmanda põlvkonna süsinikkiudude arendusvõimekuse.
2014. aastal teatas Ameerika Ühendriikide Energeetikaministeerium (DOE) 11,3 miljoni dollari suurusest toetusest kahele projektile, mille teemad olid "mitmeastmelised katalüütilised protsessid mittesöödava biomassi suhkru muundamiseks akrüülnitriiliks" ja "biomassi tootmisest saadud akrüülnitriili uurimine ja optimeerimine", et edendada põllumajandusjääkide kasutamist, uuringud kulukonkurentsivõimeliste taastuvate kõrgjõudlusega süsinikkiudmaterjalide kohta taastuvate mittetoidupõhiste toorainete, näiteks puitbiomassi tootmiseks, ning plaanid vähendada biomassist taastuvate süsinikkiudude tootmiskulusid alla 5 dollarini naela kohta aastaks 2020.
2017. aasta märtsis teatas USA energeetikaministeerium taas 3,74 miljoni dollari eraldamisest Lääne-Ameerika Instituudi (WRI) juhitud „odava süsinikkiust komponentide teadus- ja arendusprojekti“ rahastamiseks, mis keskendub odavate süsinikkiust komponentide arendamisele, mis põhinevad sellistel ressurssidel nagu kivisüsi ja biomass.
2017. aasta juulis teatas USA energeetikaministeerium 19,4 miljoni dollari eraldamisest täiustatud energiatõhusate sõidukite uurimis- ja arendustegevuse toetamiseks, millest 6,7 miljonit dollarit kasutatakse odavate süsinikkiudude valmistamiseks arvutuslike materjalide abil, sealhulgas mitme skaalaga hindamismeetodite väljatöötamiseks integreeritud arvutitehnoloogia jaoks, et hinnata uute süsinikkiudude lähteainete tõhusust. Täiustatud molekulaardünaamika abil toetatud tihedusfunktsionaalteooria, masinõpe ja muud tööriistad aitavad arendada tipptasemel arvutitööriistu odavate süsinikkiudude toorainete valiku efektiivsuse parandamiseks.
2.3 Euroopa
Euroopa süsinikkiu tööstus arenes Jaapanis ja Ameerika Ühendriikides 20. sajandi 1970. või 1980. aastatel, kuid tehnoloogia ja kapitali tõttu ei suutnud paljud ühe süsinikkiu tootvad ettevõtted järgida 2000 aasta möödudes toimunud süsinikkiu nõudluse kiiret kasvuperioodi ja kadusid. Saksa ettevõte SGL on ainus ettevõte Euroopas, millel on maailma süsinikkiu turul suur osa.
2011. aasta novembris käivitas Euroopa Liit Eucarboni projekti, mille eesmärk on uuendada Euroopa tootmisvõimsust süsinikkiu ja eelnevalt immutatud materjalide valdkonnas lennunduses. Projekt kestis neli aastat, koguinvesteeringuga 3,2 miljonit eurot ja 2017. aasta mais rajati edukalt Euroopa esimene spetsiaalne süsinikkiu tootmisliin kosmoserakenduste, näiteks satelliitide jaoks, võimaldades Euroopal loobuda oma impordisõltuvusest toote osas ja tagada materjalide tarnimise ohutus.
EL-i seitsmenda raamprogrammi raames plaanitakse toetada projekti "Funktsionaalne süsinikkiud uue kulutõhusa ja hallatava jõudlusega eelkäijasüsteemi ettevalmistamisel" (FIBRALSPEC) (2014–2017) 6,08 miljoni euroga. Nelja-aastane projekt, mida juhib Ateena Riiklik Tehnikaülikool Kreekas ning milles osalevad rahvusvahelised ettevõtted nagu Itaalia, Ühendkuningriik ja Ukraina, keskendub polüakrüülnitriilil põhinevate süsinikkiudude pideva valmistamise protsessi uuendamisele ja täiustamisele, et saavutada pidevalt pannkookidel põhinevate süsinikkiudude eksperimentaalne tootmine. Projekt on edukalt lõpule viinud süsinikkiudude ja täiustatud komposiittehnoloogia väljatöötamise ja rakendamise taastuvatest orgaanilistest polümeerressurssidest (nt superkondensaatorid, kiired avariivarjendid, samuti mehaaniliste elektriliste pöörlevate katmismasinate prototüübid ja nanokiudude tootmisliinide arendus jne).
Üha rohkem tööstussektoreid, näiteks autotööstus, tuuleenergia ja laevaehitus, vajavad kergeid ja suure jõudlusega komposiitmaterjale, mis on süsinikkiu tööstusele tohutu potentsiaalne turg. EL investeerib 5,968 miljonit eurot Carbopreci projekti (2014–2017) käivitamisse, mille strateegiline eesmärk on arendada Euroopas laialdaselt esinevatest taastuvatest materjalidest odavaid lähteaineid ja suurendada suure jõudlusega süsinikkiudude tootmist süsiniknanotorude abil.
Euroopa Liidu Cleansky II teadusprogramm rahastas Saksamaal asuva Fraunhoferi Tootmis- ja Süsteemide Usaldusväärsuse Instituudi (LBF) juhitud komposiitrehvide uurimis- ja arendusprojekti (2017), mille eesmärk on arendada Airbus A320 süsinikkiust tugevdatud komposiitmaterjalist lennuki esiratta komponente. Eesmärk on vähendada kaalu 40% võrreldes tavapäraste metallmaterjalidega. Projekti rahastatakse ligikaudu 200 000 euroga.
2.4 Korea
Lõuna-Korea süsinikkiu teadus- ja arendustegevus ning industrialiseerimine algas hilja, teadus- ja arendustegevus algas 2006. aastal ning 2013. aastal hakati ametlikult praktikasse jõudma, muutes Korea süsinikkiu impordist sõltuvaks. Lõuna-Korea kohalikule xiaoxingi grupile ja Taiguang Businessile kui tööstusharu pioneerile, kes aktiivselt tegeleb süsinikkiu tööstuse paigutusega, on areng hoogne. Lisaks on Toray Jaapani loodud süsinikkiu tootmisbaas Koreas kaasa aidanud ka süsinikkiu turule Koreas.
Korea valitsus on otsustanud muuta xiaoxing grupi uuenduslike süsinikkiu tööstusharude kogunemiskohaks. Eesmärk on moodustada süsinikkiust materjalide tööstusklaster, edendada loomingulise majandusökosüsteemi arengut kogu põhjaosas. Lõppeesmärk on luua süsinikkiust materjalide → osade → valmistoodete ühtne tootmisahel. Süsinikkiust inkubatsiooniklastri loomist saaks võrrelda Ameerika Ühendriikide Silicon Valleyga, haarata uusi turge, luua uut lisaväärtust ning saavutada 2020. aastaks süsinikkiuga seotud toodete ekspordi 10 miljardi dollari suurune eesmärk (mis võrdub umbes 55,2 miljardi jüaaniga).
3. ülemaailmse süsinikkiu uuringute ja uurimistulemuste analüüs
Selles alajaotuses on loetletud SCI dokumendid, mis on seotud süsinikkiu uurimisega ja DII patenditulemustega alates 2010. aastast, et analüüsida samaaegselt akadeemilist uurimistööd ja tööstuslikku uurimistööd ning arendustegevust ülemaailmse süsinikkiu tehnoloogia valdkonnas ning täielikult mõista süsinikkiu uurimis- ja arendustegevuse edusamme rahvusvahelisel tasandil.
Andmed pärinevad Clarivate Analyticsi avaldatud Web of Science'i andmebaasides leiduvatest Scie ja Dewenti andmebaasidest; otsingu ajavahemik: 2010–2017; otsingu kuupäev: 1. veebruar 2018.
SCI paberi otsimise strateegia: Ts=((süsinikkiud* või süsinikkiud* või ("Süsinikkiud*" mitte "Süsinikkiudklaas") või "süsinikkiud*" või "süsinikkiud*" või ((polüakrüülnitriil või pigi) ja "eelkäija*" jakiud*) või ("grafiitkiud*")) mitte ("bambussüsinik")).
Dewenti patendiotsingu strateegia: Ti=((süsinikkiud* või süsinikkiud* või ("Süsinikkiud*" mitte "süsinikkiudklaas") või "süsinikkiud*" või "süsinikkiud*" või ((polüakrüülnitriil või pigi) ja "eelkäija*" jakiud*) või ("grafiitkiud*")) mitte ("bambussüsinik")) võiTS=((süsinikkiud* või süsinikkiud* või ("Süsinikkiud*" mitte "süsinikkiudklaas") või "süsinikkiud*" või "süsinikkiud*" või ((polüakrüülnitriil või pigi) ja "eelkäija*" jakiud*) või ("grafiitkiud*")) mitte ("bambussüsinik")) jaIP=(D01F-009/12 või D01F-009/127 või D01F-009/133 või D01F-009/14 või D01F-009/145 või D01F-009/15 või D01F-009/155 või D01F-009/16 või D01F-009/17 või D01F-009/18 või D01F-009/20 või D01F-009/21 või D01F-009/22 või D01F-009/24 või D01F-009/26 või D01F-09/28 või D01F-009/30 või D01F-009/32 või C08K-007/02 või C08J-005/04 või C04B-035/83 või D06M-014/36 või D06M-101/40 või D21H-013/50 või H01H-001/027 või H01R-039/24).
3.1 trend
Alates 2010. aastast on kogu maailmas avaldatud 16 553 asjakohast teadusartiklit ja esitatud on 26 390 leiutise patenti, mis kõik näitavad aastast aastasse stabiilset kasvutrendi (joonis 1).
3.2 Riikide või piirkondade jaotus
Kümme suurima süsinikkiu uurimistöö mahuga institutsiooni on Hiinast, nende hulgas on järgmised: Hiina Teaduste Akadeemia, Harbini Tehnoloogiainstituut, Loode Tehnikaülikool, Donghua Ülikool ja Pekingi Aeronautika ja Astronautika Instituut. Välismaistest institutsioonidest on 10.–20. kohal India Tehnoloogiainstituut, Tokyo Ülikool, Bristoli Ülikool, Monashi Ülikool, Manchesteri Ülikool ja Georgia Tehnoloogiainstituut (joonis 3).
Patenditaotluste arvu poolest 30 parima institutsiooni hulgas on Jaapanil 5, millest 3 on viie parima hulgas. Esikohal on Toray ettevõte, millele järgnevad Mitsubishi Liyang (2. koht), Teijin (4. koht), East State (10. koht) ja Jaapan Toyo Textile Company (24. koht). Hiinal on 21 institutsiooni. Suurim patentide arv on Sinopec Groupil, mis on kolmandal kohal. Teisel kohal on Harbini Tehnoloogiainstituut, Henani Ke Letter kaabelettevõte, Donghua Ülikool, Hiina Shanghai naftakeemiatööstus, Pekingi Keemiatööstus jne. Hiina Teaduste Akadeemia Shanxi söe leiutise patent nr 66 on 27. kohal. Lõuna-Korea institutsioonidel on 2, millest esikohal on Xiaoxing Co., Ltd., mis on 8. kohal.
Väljundasutused, paberi väljund peamiselt ülikoolidelt ja teadusasutustelt, patentide väljund peamiselt ettevõttelt, on näha, et süsinikkiu tootmine on kõrgtehnoloogiline tööstusharu, kuna süsinikkiu teadus- ja arendustegevuse tööstuse arendamise peamine osa, peab ettevõte süsinikkiu teadus- ja arendustehnoloogia kaitset väga oluliseks, eriti kahel suurel Jaapani ettevõttel, patentide arv on kaugel ees.
3.4 Uurimisvaldkonnad
Süsinikkiust käsitlevad uurimistööd hõlmavad enim uurimisteemasid: süsinikkiust komposiidid (sh süsinikkiuga tugevdatud komposiidid, polümeermaatrikskomposiidid jne), mehaaniliste omaduste uuringud, lõplike elementide analüüs, süsiniknanotorud, delaminatsioon, tugevdamine, väsimus, mikrostruktuur, elektrostaatiline ketramine, pinnatöötlus, adsorptsioon jne. Nende märksõnadega seotud artiklid moodustavad 38,8% artiklite koguarvust.
Süsinikkiust leiutiste patendid hõlmavad enamikku teemasid, mis on seotud süsinikkiu valmistamise, tootmisseadmete ja komposiitmaterjalidega. Nende hulgas on Japan Toray, Mitsubishi Liyang, Teijin ja teised ettevõtted "süsinikkiuga tugevdatud polümeerühendite" valdkonnas olulise tehnilise paigutuse valdkonnas, lisaks on Toray ja Mitsubishi Liyang "polüakrüülnitriiliga süsinikkiu ja tootmisseadmete tootmises", "küllastumata nitriiliga, näiteks polüakrüülnitriiliga, polüvinülideentsüaniidiga, etüleeniga süsinikkiu tootmises" ja muudes tehnoloogiates ning Jaapani Teijin ettevõttel "süsinikkiu ja hapnikuühendite komposiitide" valdkonnas on suurem osa patendipaigutustest.
Hiina Sinopec Groupil, Pekingi Keemiaülikoolil ja Hiina Teaduste Akadeemia Ningbo materjalidel on suur osa patendipaigutustest "polüakrüülnitriili tootmisel süsinikkiust ja tootmisseadmetest"; Lisaks on Pekingi Keemiatehnika Ülikoolil, Hiina Teaduste Akadeemia Shanxi Söekeemia Instituudil ja Hiina Teaduste Akadeemia Ningbo materjalide võtmepaigutusel "anorgaaniliste elementide kiudainete kasutamine polümeerühendite valmistamise koostisosana" Harbini Tehnoloogiainstituudis keskendutud "süsinikkiu töötlemise", "süsinikkiu ja hapnikku sisaldavate komposiitide" ja muude tehnoloogiate paigutusele.
Lisaks selgub ülemaailmsete patentide iga-aastasest statistilisest jaotusstatistikast, et viimase kolme aasta jooksul on hakanud tekkima mitmeid uusi levialasid, näiteks: "Peaahelas karboksülaatsidemete moodustumisel saadud polüamiidkompositsioonid", "Peaahelas 1-karboksüülhappe estersidemete moodustumisel saadud polüesterkompositsioonid", "sünteetilistel materjalidel põhinev komposiitmaterjal", "tsüklilised karboksüülhapped sisaldavad hapnikuühendid süsinikkiudkomposiitide koostisosadena", "tekstiilmaterjalide kolmemõõtmeline tahkestamine või töötlemine", "küllastumata eeter, atsetaal, poolatsetaal, ketoon või aldehüüd ainult süsinik-süsinik küllastumata sideme reaktsiooni kaudu polümeerühendite tootmiseks", "adiabaatiline materjal toru või kaabli jaoks", "Süsinikkiudkomposiidid fosfaatestritega koostisosadena" jne.
Viimastel aastatel on süsinikkiu sektoris toimunud teadus- ja arendustegevus, kusjuures enamik läbimurdeid on pärit Ameerika Ühendriikidest ja Jaapanist. Uusimad tipptehnoloogiad ei keskendu mitte ainult süsinikkiu tootmise ja ettevalmistamise tehnoloogiale, vaid ka rakendustele laiemas valikus autotööstuse materjalides, nagu kergmaterjalid, 3D-printimise ja energia tootmise materjalid. Lisaks on silmapaistvaid tulemusi näidanud süsinikkiust materjalide ringlussevõtt ja taaskasutus, puiduligniini süsinikkiu ettevalmistamine ja muud saavutused. Tüüpilised tulemused on kirjeldatud allpool:
1) USA Georgia Tehnoloogiainstituut murrab läbi kolmanda põlvkonna süsinikkiu tehnoloogiate
2015. aasta juulis suurendas Georgia Tehnoloogiainstituut DARPA rahastamise toel oma uuendusliku pannil põhineva süsinikkiu geelketramise tehnikaga märkimisväärselt oma moodulit, ületades Hershey IM7 süsinikkiudu, mida nüüd laialdaselt kasutatakse sõjalennukites, tähistades sellega teist riiki maailmas pärast Jaapanit, kes on omandanud kolmanda põlvkonna süsinikkiu tehnoloogia.
Kumarzi toodetud geelketrussüsinikkiu tõmbetugevus ulatub 5,5–5,8 Gpa-ni ja tõmbemoodul on vahemikus 354–375 gpa. „See on pidevkiud, millel on teatatud suurimast tugevusest ja terviklikust jõudlusmoodulist. Lühikese filamendi kimbu tõmbetugevus on kuni 12,1 Gpa, mis on polüakrüülnitriilsüsinikkiu kõrgeim näitaja.“
2) Elektromagnetilise laine kuumutamise tehnoloogia
2014. aastal töötas Nedo välja elektromagnetlainete kuumutamise tehnoloogia. Elektromagnetlainete karboniseerimise tehnoloogia viitab elektromagnetlainete kuumutamise tehnoloogia kasutamisele kiu karboniseerimiseks atmosfäärirõhul. Saadud süsinikkiu omadused on põhimõtteliselt samad, mis kõrgel temperatuuril kuumutamisel toodetud süsinikkiul, elastsusmoodul võib ulatuda üle 240 GPA ja katkevenivus on üle 1,5%, mis on esimene edu maailmas.
Kiudjas materjal karboniseeritakse elektromagnetlainete abil, mistõttu pole vaja kõrgtemperatuurseks kuumutamiseks kasutatavat karboniseerimisahju. See protsess mitte ainult ei lühenda karboniseerimiseks kuluvat aega, vaid vähendab ka energiatarbimist ja CO2-heidet.
3) karboniseerimisprotsessi peenkontroll
2014. aasta märtsis teatas Toray t1100g süsinikkiu edukast väljatöötamisest. Toray kasutab traditsioonilist pannil ketramise tehnoloogiat, et peenhäälestada karboniseerimisprotsessi, parandada süsinikkiu mikrostruktuuri nanoskaalas, kontrollida grafiidi mikrokristallide orientatsiooni, mikrokristallide suurust, defekte jne kius pärast karboniseerimist, et oluliselt parandada tugevust ja elastsusmoodulit. T1100g tõmbetugevus on 6,6 GPa, mis on 12% kõrgem kui T800-l, ja elastsusmoodul on 324 GPa ehk 10% suurem, mis on sisenemine industrialiseerimisetappi.
4) Pinnatöötlustehnoloogia
Teijin East State on edukalt välja töötanud plasma pinnatöötlustehnoloogia, mis suudab süsinikkiu välimust kontrollida vaid mõne sekundiga. See uus tehnoloogia lihtsustab oluliselt kogu tootmisprotsessi ja vähendab energiatarbimist 50% võrreldes olemasoleva elektrolüütide vesilahuste pinnatöötlustehnoloogiaga. Lisaks leiti pärast plasmatöötlust, et ka kiudude ja vaigu maatriksi adhesioon paranes.
5) uuring süsinikkiu tõmbetugevuse säilivuskiiruse kohta kõrge temperatuuriga grafiidikeskkonnas
Ningbo materials viis edukalt läbi üksikasjaliku uuringu kodumaise ülitugeva ja kõrgmooduse süsinikkiu protsessianalüüsi, struktuuriuuringute ja jõudluse optimeerimise kohta, eriti uurimistöö süsinikkiu tõmbetugevuse säilivuskiiruse kohta kõrge temperatuuriga grafiidikeskkonnas ning hiljuti edukalt valmistatud ülitugeva ja kõrgema mooduliga süsinikkiust tõmbetugevusega 5,24 GPa ja tõmbemooduliga 593 GPa. Sellel on endiselt tõmbetugevuse eelis võrreldes Jaapani Toray m60j ülitugeva ülivormitud süsinikkiuga (tõmbetugevus 3,92 GPa, tõmbemoodul 588 GPa).
6) Mikrolaineahju grafiit
Yongda Advanced Materials on edukalt välja töötanud Ameerika Ühendriikides eksklusiivselt patenteeritud ülikõrge temperatuuriga grafiiditehnoloogia, mis võimaldab toota keskmise ja kõrgema astme süsinikkiudu ning murda edukalt läbi kolm kitsaskohta kõrge astme süsinikkiu arendamisel: grafiidiseadmed on kallid ja rahvusvahelise kontrolli all, toorsiidi keemiatehnoloogia on keeruline ning tootmiskulud on madalad ja kõrged. Seni on Yongda välja töötanud kolme tüüpi süsinikkiudu, mis kõik on tõstnud algse suhteliselt madala kvaliteediga süsinikkiu tugevuse ja elastsusmooduli uuele tasemele.
7) Fraunhoferi (Saksamaa) uus protsess pannil põhineva süsinikkiust toortraadi sulatamiseks ketramiseks
Fraunhoferi Rakenduspolümeeride Instituut (Applied Polymer Research, IAP) teatas hiljuti, et esitleb 25. ja 29. aprillil 2018 Berliini lennundusnäitusel Ila uusimat Comcarboni tehnoloogiat. See tehnoloogia vähendab oluliselt masstoodanguna toodetud süsinikkiu tootmiskulusid.
Joonis 4. Toortraadi sulatamine ketramise teel.
On hästi teada, et traditsioonilistes protsessides kulub pool pannil põhineva süsinikkiu tootmiskuludest toortraadi tootmisele. Kuna toortraat ei sula, tuleb seda toota kalli lahusketramise protsessi (Solution Spinning) abil. „Sel eesmärgil oleme välja töötanud uue pannil põhineva toorsiidi tootmise protsessi, mis võib vähendada toortraadi tootmiskulusid 60% võrra. See on ökonoomne ja teostatav sulaketramise protsess, kus kasutatakse spetsiaalselt väljatöötatud sulatatud pannil põhinevat kopolümeeri.“ selgitas Fraunhofer IAP Instituudi bioloogiliste polümeeride minister dr Johannes Ganster.
8) Plasmaoksüdatsiooni tehnoloogia
4M Carbon fiber teatas, et hakkab plasmaoksüdatsioonitehnoloogiat kasutama kvaliteetse ja odava süsinikkiu tootmiseks ja müümiseks strateegilise fookusena, mitte ainult tehnoloogia litsentsimiseks. 4M väidab, et plasmaoksüdatsioonitehnoloogia on kolm korda kiirem kui tavaline oksüdatsioonitehnoloogia ning energiakulu on vähem kui kolmandik traditsioonilise tehnoloogia omast. Neid väiteid on kinnitanud paljud rahvusvahelised süsinikkiu tootjad, kes konsulteerivad paljude maailma suurimate süsinikkiu tootjate ja autotootjatega, et osaleda odava süsinikkiu tootmise algatajatena.
9) Tselluloosist nanokiud
Jaapani Kyoto Ülikool töötab koos mitmete suurte komponentide tarnijatega, näiteks elektripaigaldise ettevõttega (Toyota suurim tarnija) ja Daikyonishikawa Corp.-ga, tselluloosnanokiude kombineerivate plastmaterjalide väljatöötamise kallal. See materjal valmistatakse puidumassi purustamisel mõneks mikroniks (1 tuhande millimeetri kohta). Uue materjali kaal on vaid viiendik terase kaalust, kuid selle tugevus on viis korda suurem kui terasel.
10) polüolefiini ja ligniini toorainest süsinikkiust esiosa
Ameerika Ühendriikide Oak Ridge'i riiklik labor on alates 2007. aastast tegelenud odavate süsinikkiudude uuringutega ning nad on välja töötanud süsinikkiust esiosasid polüolefiini ja ligniini toorainetele, samuti täiustatud plasma eeloksüdatsiooni ja mikrolaineahju karboniseerimise tehnoloogiaid.
11) Uus polümeer (eelkäispolümeer) töötati välja tulekindla töötluse eemaldamise teel
Tokyo Ülikooli juhitud tootmismeetodis on välja töötatud uus polümeer (eelkäispolümeer), mis eemaldab tulekindla töötluse. Peamine on see, et pärast polümeeri siidiks kedramist ei teostata algset tulekindlat töötlust, vaid see oksüdeerub lahustis. Seejärel kuumutatakse mikrolaineahju kuumutusseadet karboniseerimiseks temperatuurini üle 1000 ℃. Kuumutamisaeg võtab vaid 2-3 minutit. Pärast karboniseerimist kasutatakse plasmatöötlust ka pinnatöötluseks, et valmistada süsinikkiudu. Plasmatöötlus võtab vähem kui 2 minutit. Sel viisil saab esialgset paagutamisaega 30-60 minutit lühendada umbes 5 minutini. Uues tootmismeetodis teostatakse plasmatöötlus, et parandada süsinikkiu ja CFRP-alusmaterjalina kasutatava termoplastilise vaigu vahelist sidumist. Uue tootmismeetodi abil toodetud süsinikkiu tõmbeelastsusmoodul on 240 GPa, tõmbetugevus on 3,5 GPa ja pikenemine ulatub 1,5%-ni. Need väärtused on samal tasemel spordikaupade jms jaoks kasutatava Toray Universal klassi süsinikkiuga T300.
12) süsinikkiust materjalide ringlussevõtt ja kasutamine keevkihtprotsessi abil
Uuringu esimene autor Mengran Meng ütles: „Süsinikkiu taaskasutamine vähendab keskkonnamõju võrreldes toorsüsinikkiu tootmisega, kuid teadlikkus potentsiaalsetest ringlussevõtu tehnoloogiatest ja süsinikkiu ringlussevõtu majanduslikust teostatavusest on piiratud. Ringlussevõtt toimub kahes etapis: kiud tuleb kõigepealt süsinikkiudkomposiitidest eraldada ja termiliselt lagundada mehaanilise jahvatamise või pürolüüsi või fluidiseeritud voodiprotsesside abil. Need meetodid eemaldavad komposiitmaterjalist plastosa, jättes järele süsinikkiu, mida saab seejärel märgpaberi valmistamise tehnoloogia abil muuta sassis kiudmattideks või ümber korraldada suunatud kiududeks.“
Teadlased arvutasid, et süsinikkiudu saab süsinikkiust komposiitjäätmetest eraldada fluidiseeritud voodiprotsessi abil, mis nõuab vaid 5 dollarit/kg ja vähem kui 10% primaarse süsinikkiu tootmiseks vajalikust energiast. Fluidiseeritud voodiprotsesside abil toodetud taaskasutatud süsinikkiud ei vähenda moodulit peaaegu üldse ning tõmbetugevus väheneb primaarse süsinikkiuga võrreldes 18–50%, mistõttu sobivad need rakendusteks, mis nõuavad pigem suurt jäikust kui tugevust. „Taaskasutatud süsinikkiud võivad sobida mittekonstruktsioonilisteks rakendusteks, mis nõuavad kerget kaalu, näiteks autotööstuses, ehituses, tuule- ja sporditööstuses,“ ütles Meng.
13) Ameerika Ühendriikides töötati välja uus süsinikkiu ringlussevõtu tehnoloogia
Juunis 2016 leotasid Georgia Tehnoloogiainstituudi teadlased Ameerika Ühendriikides süsinikkiudu epoksüvaigu lahustamiseks alkoholi sisaldavas lahustis, eraldatud kiude ja epoksüvaike saab taaskasutada, mis viis süsinikkiu taaskasutamise eduka teostuseni.
2017. aasta juulis töötas Washingtoni Osariigi Ülikool välja ka süsinikkiu taaskasutustehnoloogia, kasutades katalüsaatorina nõrka hapet ja vedelat etanooli suhteliselt madalatel temperatuuridel termoreaktiivsete materjalide lagundamiseks. Lagunenud süsinikkiud ja vaik säilitatakse eraldi ning neid saab paljundada.
14) Süsinikkiust tinditehnoloogia 3D-printimise arendamine LLNL laboris USAs
2017. aasta märtsis töötas Ameerika Ühendriikide Lawrence Livemore'i riiklik labor (LLNL) välja esimesed 3D-prinditud kõrgjõudlusega lennunduskvaliteediga süsinikkiust komposiidid. Nad kasutasid otsese tindiülekande (DIW) 3D-printimismeetodit keerukate kolmemõõtmeliste struktuuride loomiseks, mis parandasid oluliselt töötlemiskiirust autotööstuses, lennunduses, kaitsetööstuses, mootorrattavõistlustel ja surfimises kasutamiseks.
15) Ameerika Ühendriigid, Korea ja Hiina teevad koostööd süsinikkiu arendamisel energia tootmiseks
2017. aasta augustis tegid Texase Ülikooli Dallase linnak, Hanyangi Ülikool Koreas, Nankai Ülikool Hiinas ja teised institutsioonid koostööd süsinikkiust lõngamaterjali väljatöötamisel energia tootmiseks. Lõng leotatakse kõigepealt elektrolüüdilahustes, näiteks soolvees, mis võimaldab elektrolüüdis olevatel ioonidel kinnituda süsiniknanotorude pinnale, mida saab lõnga pingutamisel või venitamisel muuta elektrienergiaks. Materjali saab kasutada kõikjal, kus on usaldusväärne kineetiline energia, ja see sobib asjade interneti andurite toiteks.
16) Hiina ja Ameerika päritolu puiduligniini süsinikkiu uurimise uued edusammud
2017. aasta märtsis valmistas Ningbo Materjalitehnoloogia ja Inseneriteaduste Instituudi spetsiaalsete kiudude meeskond esterdamise ja vabade radikaalide kopolümerisatsiooni kaheastmelise modifitseerimise tehnoloogia abil hea ketratavuse ja termilise stabiilsusega ligniin-akrüülnitriil kopolümeeri. Kopolümeeri ja märgketramise protsessi abil saadi kvaliteetsed pidevad kiud ning kompaktne süsinikkiud saadi pärast termilist stabiliseerimist ja karboniseerimist.
2017. aasta augustis segas Birgitte Ahringi uurimisrühm Washingtoni ülikoolis Ameerika Ühendriikides ligniini ja polüakrüülnitriili erinevates proportsioonides ning seejärel kasutas sulaketrustehnoloogiat segatud polümeeride muutmiseks süsinikkiududeks. Uuring näitas, et 20–30%-le lisatud ligniin ei mõjutanud süsinikkiu tugevust ja seda loodeti kasutada odavamate süsinikkiust materjalide tootmisel auto- või lennukiosade jaoks.
2017. aasta lõpus avaldas Riiklik Taastuvenergia Laboratoorium (NREL) uuringu akrüülnitriili tootmise kohta, kasutades taimejäätmeid, näiteks maisipõhu ja nisupõhu. Nad lagundavad taimsed materjalid kõigepealt suhkruks, seejärel muudavad need hapeteks ja kombineerivad neid odavate katalüsaatoritega, et toota sihtprodukte.
17) Jaapan arendab välja esimese süsinikkiust tugevdatud termoplastilisest komposiitmaterjalist autošassii
2017. aasta oktoobris töötasid Jaapani uue energiatööstuse tehnoloogia integreeritud teadus- ja arendustegevuse agentuur ning Nagoya ülikooli riiklik komposiitmaterjalide uurimiskeskus edukalt välja maailma esimese süsinikkiust tugevdatud termoplastilisest komposiitmaterjalist autošassii. Nad kasutavad automaatset pikkkiust tugevdatud termoplastiliste komposiitide otsevormimise protsessi, pidevat süsinikkiu ja termoplastilise vaigu osakeste segamist, et toota kiudtugevdatud komposiite ning seejärel kuumutamise ja sulatamise teel edukalt toota termoplastilisest süsinikkiust tugevdatud autošassii.
5. ettepanekud süsinikkiu tehnoloogia teadus- ja arendustegevuse kohta Hiinas
5.1 Tulevikku suunatud paigutus, eesmärgile orienteeritud, keskendumine kolmanda põlvkonna süsinikkiudtehnoloogia läbimurdele
Hiina teise põlvkonna süsinikkiu tehnoloogia ei ole veel ulatuslik läbimurre, meie riik peaks püüdma olla tulevikku suunatud paigutusega, mis koondab meie asjakohaseid teadusasutusi, keskendudes võtmetehnoloogiate hõivamisele, kolmanda põlvkonna kõrgjõudlusega süsinikkiu ettevalmistamise tehnoloogia uurimis- ja arendustegevusele (st rakendatav lennunduses ja kosmoses suure tugevusega, suure mooduliga süsinikkiu tehnoloogia jaoks) ning süsinikkiust komposiitmaterjalide tehnoloogia arendamisele, sealhulgas autotööstuse, ehituse ja remondi ning muude kergete, odavate ja suure raskusega süsinikkiu ettevalmistamise, lisandite tootmise tehnoloogia, süsinikkiust komposiitmaterjalide, ringlussevõtu tehnoloogia ja kiire prototüüpimise tehnoloogiate jaoks.
5.2 Koordineeriv organisatsioon, toetuse tugevdamine, suurte tehniliste projektide käivitamine koostööl põhineva teadustöö pidevaks toetamiseks
Praegu on Hiinas palju süsinikkiu uuringutega tegelevaid institutsioone, kuid võim on hajutatud ning puudub ühtne teadus- ja arendustegevuse korraldusmehhanism ja tugev rahastamistoetus tõhusaks koordineerimiseks. Arenenud riikide arengukogemuse põhjal otsustades mängivad suurprojektide korraldus ja paigutus suurt rolli selle tehnikavaldkonna arengu edendamisel. Peaksime keskenduma Hiina edumaale teadus- ja arendustegevuse jõul, pidades silmas Hiina süsinikkiu tehnoloogia läbimurret, et alustada suurprojekte, tugevdada koostööd tehnoloogilise innovatsiooni valdkonnas ning pidevalt edendada Hiina süsinikkiu uurimistehnoloogia taset ja konkurentsi rahvusvahelisel süsinikkiu ja komposiitmaterjalide turul.
5.3 Tehniliste saavutuste rakendusmõju orienteerituse hindamismehhanismi täiustamine
SCI artiklite ökonomeetrilise analüüsi seisukohast on Hiina süsinikkiud kui ülitugev materjal, mida kasutatakse erinevates uurimisvaldkondades, kuid süsinikkiu tootmise ja ettevalmistamise tehnoloogia puhul keskendutakse eriti kulude vähendamisele ja tootmistõhususe parandamisele, mis nõuab vähem uurimistööd. Süsinikkiu tootmisprotsess on pikk, tehnoloogilised võtmepunktid ja kõrged tootmisbarjäärid on multidistsiplinaarsed ja multitehnoloogilised integratsioonid. Vaja on murda läbi tehniliste takistuste, et tõhusalt edendada "madala hinnaga, suure jõudlusega" tuumade ettevalmistamise tehnoloogia uurimis- ja arendustegevust. Ühelt poolt on vaja tugevdada investeeringuid teadusuuringutesse. Teisest küljest on vaja nõrgendada teadusuuringute tulemuslikkuse hindamise valdkonda, tugevdada tehniliste saavutuste rakendusliku mõju hindamise juhiseid ning minna üle "kvantitatiivselt" hindamiselt, mis pöörab tähelepanu artikli avaldamisele, tulemuste väärtuse "kvaliteedi" hindamisele.
5.4 Tipptasemel tehnoloogiliste ühendite talentide arendamise tugevdamine
Süsinikkiudtehnoloogia kõrgtehnoloogiline omadus määrab spetsialiseeritud talentide olulisuse ning see, kas neil on tipptasemel tehniline personal, määrab otseselt asutuse teadus- ja arendustegevuse taseme.
Süsinikkiu tehnoloogia teadus- ja arendustegevuse sidemete tõttu peaksime pöörama tähelepanu ühendpersonali koolitamisele, et tagada kõigi sidemete koordineerimine ja arendamine. Lisaks on Hiina süsinikkiu uuringute arenguloo põhjal tehnoloogia tuumiksekspertide voog sageli võtmetegur, mis mõjutab teadusasutuse teadus- ja arendustegevuse taset. Tuumiksekspertide ja teadus- ja arendusmeeskondade fikseeritud hoidmine tootmisprotsessides, komposiitides ja põhitoodetes on oluline pidevaks tehnoloogiliseks täiustamiseks.
Peaksime jätkama spetsialiseerunud kõrgtehnoloogilise personali koolituse ja kasutamise tugevdamist selles valdkonnas, parandama tehnoloogiaalase teadus- ja arendustegevuse talentide hindamis- ja kohtlemispoliitikat, tugevdama noorte talentide arendamist, toetama aktiivselt koostööd ja vahetust välismaiste kõrgtasemel teadus- ja arendusasutustega ning tutvustama jõuliselt välismaiseid kõrgtasemel talente jne. See mängib suurt rolli süsinikkiu uuringute edendamisel Hiinas.
Tsiteeritud allikast-
Analüüs globaalse süsinikkiu tehnoloogia arengust ja selle mõjust Hiinale. Tian Yajuan, Zhang Zhiqiang, Tao Cheng, Yang Ming, Ba Jin, Chen Yunwei.Maailma teadus- ja tehnoloogiaalane teadus- ja arendustegevus2018. aasta
Postituse aeg: 04. detsember 2018