Hiilikuitu on epäorgaaninen polymeerikuitumateriaali, jonka hiilipitoisuus on yli 95 %. Se on erittäin tiheä, luja, kestävä, kestää korkeita lämpötiloja, on erittäin kemiallisesti stabiili, väsymystä estävä, kulutusta kestävä ja sillä on muita erinomaisia fysikaalisia ja kemiallisia perusominaisuuksia. Sillä on myös korkea tärinänvaimennus, hyvä lämmönjohtavuus, sähkömagneettinen suojauskyky ja alhainen lämpölaajenemiskerroin. Nämä erinomaiset ominaisuudet tekevät hiilikuidusta laajalti käytetyn ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, rautatieliikenteessä, ajoneuvojen valmistuksessa, aseissa ja laitteissa, rakennuskoneissa, infrastruktuurirakentamisessa, laivanrakennuksessa, öljytekniikassa, tuulivoimassa, urheiluvälineissä ja muilla aloilla.
Hiilikuitumateriaalien kansallisten strategisten tarpeiden perusteella Kiina on listannut sen yhdeksi nousevien teollisuudenalojen ydinteknologioista, joita se tukee. Kansallisessa "Twelve-Five" -tiede- ja teknologiasuunnittelussa korkean suorituskyvyn hiilikuidun valmistus- ja käyttöteknologia on yksi valtion tukemien strategisten nousevien teollisuudenalojen ydinteknologioista. Toukokuussa 2015 valtioneuvosto julkaisi virallisesti "Made in China 2025" -asiakirjan, jossa uudet materiaalit on nostettu voimakkaan edistämisen ja kehittämisen keskeiseksi osa-alueeksi. Korkean suorituskyvyn rakennemateriaalit ja edistyneet komposiitit ovat uusien materiaalien kehittämisen painopiste. Lokakuussa 2015 teollisuus- ja informaatioteollisuusministeriö julkaisi virallisesti "China Manufacturing 2025 key Areas Technology Roadmap" -asiakirjan, jossa "korkean suorituskyvyn kuitu ja sen komposiitit" nostetaan keskeiseksi strategiseksi materiaaliksi. Vuoden 2020 tavoitteena on "kotimaisten hiilikuitukomposiittien tuottaminen suurten lentokoneiden ja muiden tärkeiden laitteiden teknisten vaatimusten täyttämiseksi". Marraskuussa 2016 valtioneuvosto julkaisi "Kolmetoistaviisi" -nimisen kansallisen strategisen nousevien teollisuudenalojen kehittämissuunnitelman, jossa korostettiin selvästi uusien materiaalien teollisuuden ylä- ja alavirran yhteistyön tukemista hiilikuitukomposiiteissa ja muilla aloilla yhteistyösovellusten pilottihankkeiden toteuttamiseksi ja yhteistyösovellusalustan rakentamiseksi. Tammikuussa 2017 teollisuus- ja kehitysministeriö, NDRC, tiede- ja teknologiaministeriö sekä valtiovarainministeriö laativat yhdessä "Opas uusien materiaalien teollisuuden kehittämiseen" ja ehdottivat, että vuodesta 2020 alkaen "hiilikuitukomposiiteissa, korkealaatuisessa erikoisteräksessä, edistyneissä kevytmetallimateriaaleissa ja muilla aloilla saavutetaan yli 70 keskeisen uuden materiaalin teollistaminen ja soveltaminen sekä rakennetaan prosessilaitteiden tukijärjestelmä, joka vastaa Kiinan uusien materiaalien teollisuuden kehitystasoa".
Koska hiilikuidulla ja sen komposiiteilla on tärkeä rooli maanpuolustuksessa ja ihmisten toimeentulossa, monet asiantuntijat keskittyvät niiden kehittämiseen ja tutkimustrendien analysointiin. Tohtori Zhou Hong tarkasteli amerikkalaisten tutkijoiden tieteellisiä ja teknologisia panoksia korkean suorituskyvyn hiilikuituteknologian kehityksen alkuvaiheissa ja analysoi ja raportoi 16 pääsovelluksesta ja hiilikuidun viimeaikaisista teknologisista edistysaskeleista. Tohtori Wei Xin jne. tarkasteli polyakryylinitriilihiilikuidun tuotantoteknologiaa, ominaisuuksia ja sovelluksia sekä sen nykyistä teknologista kehitystä. Hän esitti myös joitakin rakentavia ehdotuksia hiilikuidun kehityksessä Kiinassa ilmeneviin ongelmiin. Lisäksi monet ihmiset ovat tehneet tutkimusta hiilikuidun ja sen komposiittien alan artikkelien ja patenttien metrologisesta analysoinnista. Esimerkiksi Ma Xianglin ja muut tarkastelivat metrologian näkökulmasta hiilikuitupatenttien jakautumista ja soveltamista analyysin alalla vuosina 1998–2017. Yang Sisi ja muut analysoivat hiilikuitukankaiden maailmanlaajuista patenttihakua ja datatilastoja innography-alustalla patenttien, patentinhaltijoiden, patenttiteknologian keskeisten osien ja teknologian ydinpatentin vuosittaisesta kehitystrendistä.
Hiilikuitututkimuksen ja -kehityksen näkökulmasta Kiinan tutkimus on lähes synkronoitu muun maailman kanssa, mutta kehitys on hidasta. Korkean suorituskyvyn hiilikuidun tuotannon mittakaavassa ja laadussa on kuilu ulkomaisiin maihin verrattuna. T&k-prosessia on kiireellisesti nopeutettava, strategista suunnittelua edistettävä ja alan tulevaisuuden kehitysmahdollisuudet on hyödynnettävä. Siksi tässä artikkelissa tutkitaan ensin eri maiden hiilikuitututkimuksen projektien asettelua, jotta ymmärrettäisiin eri maiden T&K-reittien suunnittelua. Toiseksi, koska hiilikuidun perustutkimus ja soveltava tutkimus ovat erittäin tärkeitä hiilikuidun tekniselle tutkimukselle ja kehitykselle, teemme metrologista analyysia akateemisten tutkimustulosten, SCI-julkaisujen ja soveltavan tutkimuksen tulosten sekä patenttien pohjalta saadaksemme kattavan käsityksen hiilikuidun alan T&K-edistymisestä ja vertaillaksemme alan viimeaikaista tutkimuskehitystä Peep International Frontierin T&K-edistymiseen. Lopuksi, edellä mainittujen tutkimustulosten perusteella esitetään joitakin ehdotuksia hiilikuidun alan tutkimus- ja kehitysreiteille Kiinassa.
2. Chiilikuitututkimusprojektin ulkoasutärkeimmät maat/alueet
Hiilikuidun tärkeimpiä tuottajamaita ovat Japani, Yhdysvallat, Etelä-Korea, jotkut Euroopan maat sekä Taiwan ja Kiina. Edistyneen teknologian maat ovat hiilikuituteknologian kehityksen alkuvaiheessa ymmärtäneet tämän materiaalin merkityksen, toteuttaneet strategisia suunnitelmia ja edistäneet voimakkaasti hiilikuitumateriaalien kehitystä.
2.1 Japani
Japani on hiilikuituteknologian kehittynein maa. Japanin kolme yritystä, Toray, Bong ja Mitsubishi Liyang, kattavat noin 70–80 prosentin markkinaosuuden hiilikuitutuotannosta maailmanlaajuisesti. Japani pitää kuitenkin erittäin tärkeänä vahvuuksiensa säilyttämistä tällä alalla, erityisesti korkean suorituskyvyn omaavien hiilikuitujen sekä energia- ja ympäristöystävällisten teknologioiden kehittämistä vahvan inhimillisen ja taloudellisen tuen avulla. Useat peruspolitiikat, kuten energiasuunnitelma, talouskasvun strateginen suuntaviiva ja Kioton pöytäkirja, ovat tehneet tästä strategisen hankkeen, jota tulisi edistää. Japanin talous-, teollisuus- ja omaisuusministeriö on esittänyt "energiansäästöteknologian tutkimus- ja kehitysohjelman" kansallisen energia- ja ympäristöpolitiikan pohjalta. Edellä mainitun politiikan tuella Japanin hiilikuituteollisuus on pystynyt keskittämään tehokkaammin kaikki resurssien osa-alueet ja edistämään hiilikuituteollisuuden yleisten ongelmien ratkaisua.
"Teknologian kehittäminen, kuten innovatiiviset uudet rakennemateriaalit" (2013-2022) on Japanissa "Tulevaisuuden kehityksen tutkimusprojektin" puitteissa toteutettava projekti, jonka tavoitteena on merkittävästi kehittää tarvittavaa innovatiivista rakennemateriaaliteknologiaa ja yhdistelmiä eri materiaalien yhdistämiseksi. Päätavoitteena on vähentää kuljetusvälineiden kevyttä painoa (puolet auton painosta) ja lopulta toteuttaa sen käytännön soveltaminen. Vuonna 2014 tutkimus- ja kehitysprojektin haltuunsa ottanut Industrial Technology Development Agency (NEDO) kehitti useita osaprojekteja, joissa hiilikuitututkimusprojektin "Innovatiivinen hiilikuidun perustutkimus ja kehitys" yleisinä tavoitteina olivat: kehittää uusia hiilikuidun esiasteyhdisteitä, selvittää hiilestymisrakenteiden muodostumismekanismia sekä kehittää ja standardoida hiilikuitujen arviointimenetelmiä. Tokion yliopiston johtama ja teollisuusteknologian instituutin (NEDO), Torayn, Teijinin, Dongyuanin ja Mitsubishi Liyangin yhteisesti toteuttama projekti edistyi merkittävästi tammikuussa 2016 ja on jälleen yksi merkittävä läpimurto pannupohjaisen hiilikuidun alalla Japanissa vuonna 1959 keksityn "Kondo-moodin" jälkeen.
2.2 Yhdysvallat
Yhdysvaltain puolustusalan esitutkimusvirasto DARPA käynnisti vuonna 2006 Advanced Structural Fiber -projektin, jonka tavoitteena oli koota maan johtava tieteellinen tutkimusvoima kehittämään seuraavan sukupolven hiilikuitupohjaisia rakennekuituja. Tämän projektin tuella Georgian teknillisen korkeakoulun tutkimusryhmä Yhdysvalloissa mursi raakalangan valmistusteknologian vuonna 2015 ja kasvatti sen kimmokerrointa 30 %, mikä merkitsee Yhdysvalloille kolmannen sukupolven hiilikuidun kehityskapasiteettia.
Yhdysvaltain energiaministeriö (DOE) ilmoitti vuonna 2014 11,3 miljoonan dollarin tuesta kahdelle hankkeelle, jotka koskivat "monivaiheisia katalyyttisiä prosesseja syötäväksi kelpaamattomien biomassasokerien muuntamiseksi akryylinitriiliksi" ja "biomassan tuotannosta peräisin olevan akryylinitriilin tutkimusta ja optimointia" maatalousjätteiden käytön edistämiseksi, kustannuskilpailukykyisten uusiutuvien, korkean suorituskyvyn hiilikuitumateriaalien tutkimusta uusiutuvien, ei-elintarvikepohjaisten raaka-aineiden, kuten puubiomassan, tuotantoon sekä suunnitelmia biomassasta peräisin olevien uusiutuvien hiilikuitujen tuotantokustannusten alentamiseksi alle 5 dollariin paunalta vuoteen 2020 mennessä.
Maaliskuussa 2017 Yhdysvaltain energiaministeriö ilmoitti jälleen 3,74 miljoonan dollarin rahoituksesta Western American Instituten (WRI) johtamaan "edullisten hiilikuitukomponenttien tutkimus- ja kehityshankkeeseen", joka keskittyy edullisten hiilikuitukomponenttien kehittämiseen esimerkiksi hiilen ja biomassan pohjalta.
Yhdysvaltain energiaministeriö ilmoitti heinäkuussa 2017 19,4 miljoonan dollarin rahoituksesta edistyneiden energiatehokkaiden ajoneuvojen tutkimukseen ja kehitykseen. Tästä summasta 6,7 miljoonaa dollaria käytetään edullisten hiilikuitujen valmistukseen laskennallisten materiaalien avulla, mukaan lukien monitasoisten arviointimenetelmien kehittäminen integroidulle tietokoneteknologialle uusien hiilikuitujen esiasteiden tehokkuuden arvioimiseksi. Edistynyttä molekyylidynamiikkaa hyödyntävää tiheysfunktionaaliteoriaa, koneoppimista ja muita työkaluja käytetään huippuluokan tietokonetyökalujen kehittämiseen edullisten hiilikuituraaka-aineiden valintatehokkuuden parantamiseksi.
2.3 Eurooppa
Eurooppalainen hiilikuituteollisuus kehittyi Japanissa ja Yhdysvalloissa 1970- tai 80-luvulla 1980-luvulla, mutta teknologian ja pääoman vuoksi monet yksittäisiä hiilikuituja tuottavat yritykset eivät kyenneet noudattamaan hiilikuitujen kysynnän nopeaa kasvukautta 2000 vuoden jälkeen ja katosivat. Saksalainen SGL-yritys on ainoa eurooppalainen yritys, jolla on merkittävä osuus maailman hiilikuitumarkkinoista.
Marraskuussa 2011 Euroopan unioni käynnisti Eucarbon-projektin, jonka tavoitteena on parantaa eurooppalaista hiilikuidun ja esikyllästettyjen materiaalien valmistuskapasiteettia ilmailu- ja avaruusalalla. Projekti kesti neljä vuotta ja sen kokonaisinvestointi oli 3,2 miljoonaa euroa. Toukokuussa 2017 se perusti onnistuneesti Euroopan ensimmäisen avaruussovelluksiin, kuten satelliitteihin, tarkoitetun hiilikuidun tuotantolinjan, mikä mahdollisti Euroopan luopumisen tuontiriippuvuudesta ja materiaalien toimitusvarmuuden varmistamisen.
EU:n seitsemäs puiteohjelma aikoo tukea FIBRALSPEC-hanketta (2014–2017) 6,08 miljoonalla eurolla. Ateenan kansallisen teknillisen yliopiston johtama nelivuotinen hanke, johon osallistuu monikansallisia yrityksiä, kuten Italia, Iso-Britannia ja Ukraina, keskittyy polyakrylonitriilipohjaisten hiilikuitujen jatkuvatoimisen valmistusprosessin innovointiin ja parantamiseen, jotta voidaan saavuttaa jatkuvatoimisten pannupohjaisten hiilikuitujen kokeellinen tuotanto. Hankkeessa on onnistuneesti kehitetty ja sovellettu hiilikuitua ja parannettua komposiittiteknologiaa uusiutuvista orgaanisista polymeeriresursseista (kuten superkondensaattoreista, hätämajoituksista sekä mekaanisten sähköisten pyörivien pinnoituskoneiden prototyypeistä ja nanokuitujen tuotantolinjojen kehittämisestä).
Yhä useammat teollisuudenalat, kuten autoteollisuus, tuulivoima ja laivanrakennus, tarvitsevat kevyitä ja tehokkaita komposiitteja, mikä on valtava potentiaalinen markkina-alue hiilikuituteollisuudelle. EU investoi 5,968 miljoonaa euroa Carboprec-projektin (2014–2017) käynnistämiseen, jonka strategisena tavoitteena on kehittää edullisia lähtöaineita uusiutuvista materiaaleista, joita on laajalti saatavilla Euroopassa, ja tehostaa tehokkaiden hiilikuitujen tuotantoa hiilinanoputkien avulla.
Euroopan unionin Cleansky II -tutkimusohjelma rahoitti vuonna 2017 saksalaisen Fraunhofer-instituutin tuotannon ja järjestelmien luotettavuuden tutkimuksen ja kehityksen laitoksen (LBF) johtaman "Komposiittirenkaiden tutkimus- ja kehitys" -projektin, jossa suunnitellaan hiilikuituvahvisteisten komposiittimateriaalien etupyörien komponenttien kehittämistä Airbus A320 -koneeseen. Tavoitteena on vähentää painoa 40 % perinteisiin metallimateriaaleihin verrattuna. Projektia rahoitetaan noin 200 000 eurolla.
2.4 Korea
Etelä-Korean hiilikuitututkimus ja -kehitys sekä teollistuminen alkoi myöhään. Tutkimus ja kehitys alkoi vuonna 2006, ja se alkoi virallisesti siirtyä käytännön vaiheeseen vuonna 2013, jolloin korealaisen hiilikuidun tuontiriippuvuus kääntyi päinvastaiseksi. Etelä-Korean paikallisen xiaoxing-ryhmän ja Taiguang Businessin, alan edelläkävijöiden, jotka ovat aktiivisesti mukana hiilikuituteollisuuden suunnittelussa, ansiosta kehitys on vahvaa. Lisäksi Toray Japanin Koreaan perustama hiilikuitutuotanto on myös osaltaan vaikuttanut Korean hiilikuitumarkkinoihin.
Korean hallitus on päättänyt tehdä xiaoxing-ryhmästä innovatiivisten hiilikuituteollisuudenalojen kokoontumispaikan. Tavoitteena on muodostaa hiilikuitumateriaaliteollisuuden klusteri, edistää luovan taloudellisen ekosysteemin kehitystä koko pohjoisella alueella. Perimmäisenä tavoitteena on muodostaa hiilikuitumateriaali → osat → valmiit tuotteet -kokonaisuus. Hiilikuituhaudutusklusterin perustaminen voidaan rinnastaa Yhdysvaltojen Piilaakson kaltaiseen toimintaan, uusien markkinoiden hyödyntämiseen, uuden lisäarvon luomiseen sekä hiilikuitutuotteiden 10 miljardin dollarin vientitavoitteen saavuttamiseen (vastaa noin 55,2 miljardia yuania) vuoteen 2020 mennessä.
3. globaalin hiilikuitututkimuksen ja tutkimustulosten analyysi
Tässä osiossa lasketaan hiilikuitututkimukseen liittyvät SCI-julkaisut ja DII-patenttitulokset vuodesta 2010 lähtien, jotta voidaan analysoida samanaikaisesti globaalin hiilikuituteknologian akateemista tutkimusta ja teollista tutkimusta ja kehitystä sekä ymmärtää täysin hiilikuitututkimuksen ja -kehityksen edistymistä kansainvälisesti.
Tiedot on johdettu Clarivate Analyticsin julkaiseman Web of Science -tietokannan Scie- ja Dewent-tietokannoista; hakuaikaväli: 2010–2017; hakupäivämäärä: 1. helmikuuta 2018.
SCI-paperin hakustrategia: Ts=((hiilikuitu* tai hiilikuitu* tai ("Hiilikuitu*" ei "hiilikuitulasi") tai "hiilikuitu*" tai "hiilihajufilamentti*" tai ((polyakryylinitriili tai piki) ja "esiaste*" jakuitu*) tai ("grafiittikuitu*")) ei ("bambuhiili")).
Dewent-patenttihakustrategia: Ti=((hiilikuitu* tai hiilikuitu* tai ("Hiilikuitu*" ei "hiilikuitulasi") tai "hiilikuitu*" tai "hiilikuitufilamentti*" tai ((polyakryylinitriili tai piki) ja "esiaste*" jakuitu*) tai ("grafiittikuitu*")) ei ("bambuhiili")) taiTS=((hiilikuitu* tai hiilikuitu* tai ("Hiilikuitu*" ei "hiilikuitulasi") tai "hiilikuitu*" tai "hiilikuitufilamentti*" tai ((polyakryylinitriili tai piki) ja "esiaste*" jakuitu*) tai ("grafiittikuitu*")) ei ("bambuhiili")) jaIP=(D01F-009/12 tai D01F-009/127 tai D01F-009/133 tai D01F-009/14 tai D01F-009/145 tai D01F-009/15 tai D01F-009/155 tai D01F-009/16 tai D01F-009/17 tai D01F-009/18 tai D01F-009/20 tai D01F-009/21 tai D01F-009/22 tai D01F-009/24 tai D01F-009/26 tai D01F-09/28 tai D01F-009/30 tai D01F-009/32 tai C08K-007/02 tai C08J-005/04 tai C04B-035/83 tai D06M-014/36 tai D06M-101/40 tai D21H-013/50 tai H01H-001/027 tai H01R-039/24).
3.1 trendi
Vuodesta 2010 lähtien maailmanlaajuisesti on julkaistu 16 553 asiaankuuluvaa artikkelia ja keksintöpatenttia on haettu 26 390:llä, ja kaikki luvut ovat osoittaneet tasaista nousutrendiä vuosi vuodelta (kuva 1).
3.2 Maa- tai aluejakauma
Kymmenen eniten hiilikuitututkimusta tuottavaa maailmanlaajuista instituutiota ovat Kiinasta. Näistä viisi kärkeä ovat: Kiinan tiedeakatemia, Harbinin teknillinen instituutti, Luoteinen teknillinen yliopisto, Donghuan yliopisto ja Pekingin ilmailu- ja astronautiikkainstituutti. Ulkomaisista instituuteista Intian teknillinen instituutti, Tokion yliopisto, Bristolin yliopisto, Monashin yliopisto, Manchesterin yliopisto ja Georgian teknillinen instituutti sijoittuvat sijoille 10–20 (kuva 3).
Patenttihakemusten lukumäärän mukaan 30 parhaan laitoksen joukossa on Japanissa 5 laitosta, joista 3 on viiden parhaan joukossa. Toray-yhtiö sijoittui ensimmäiseksi, jota seurasivat Mitsubishi Liyang (2.), Teijin (4.), East State (10.) ja Japan Toyo Textile Company (24.). Kiinassa on 21 laitosta. Sinopec Groupilla on eniten patentteja ja se on kolmanneksi suurin. Toiseksi tulevat Harbinin teknillinen korkeakoulu, Henan Ke Letter -kaapeliyhtiö, Donghuan yliopisto, Kiinan Shanghain petrokemian laitos, Pekingin kemianteollisuus jne. Kiinan tiedeakatemian Shanxin hiiliteollisuuden keksinnön patenttihakemus 66 sijoittui 27. sijalle. Etelä-Korean laitoksilla on 2 laitosta, joista Xiaoxing Co., Ltd. sijoittui ensimmäiseksi ja 8. sijalle.
Tuloslaitokset, paperin tuotos pääasiassa yliopistoilta ja tieteellisiltä tutkimuslaitoksilta, patenttituotanto pääasiassa yritykseltä, voidaan nähdä, että hiilikuituvalmistus on korkean teknologian teollisuudenala, koska hiilikuitujen tutkimus- ja kehitystoiminnan pääasiallisena osana yritys pitää erittäin tärkeänä hiilikuitujen tutkimus- ja kehitysteknologian suojaamista, erityisesti kahden Japanin suuren yrityksen osalta, patenttien määrä on paljon edellä.
3.4 Tutkimuksen painopisteet
Hiilikuitututkimusartikkelit kattavat useimmat tutkimusaiheet: hiilikuitukomposiitit (mukaan lukien hiilikuitulujitetut komposiitit, polymeerimatriisikomposiitit jne.), mekaanisten ominaisuuksien tutkimus, elementtimenetelmäanalyysi, hiilinanoputket, delaminaatio, lujittaminen, väsyminen, mikrorakenne, sähköstaattinen kehruu, pintakäsittely, adsorptio ja niin edelleen. Näitä avainsanoja käsittelevät artikkelit muodostavat 38,8 % artikkelien kokonaismäärästä.
Hiilikuitua koskevat keksintöpatentit kattavat suurimman osan hiilikuidun valmistukseen, tuotantolaitteisiin ja komposiittimateriaaleihin liittyvistä aiheista. Näistä Japan Toray, Mitsubishi Liyang, Teijin ja muut yritykset "hiilikuituvahvisteisten polymeeriyhdisteiden" alalla ovat tärkeitä teknisiä suunnittelukysymyksiä. Lisäksi Toraylla ja Mitsubishi Liyangilla on suuri osuus patenttiasetteluista "polyakryylinitriilin tuotanto hiilikuiduissa ja tuotantolaitteissa", "tyydyttymättömän nitriilin, kuten polyakryylinitriilin, polyvinylideenisyanidin ja etyleenin tuotanto hiilikuiduissa" ja muissa teknologioissa, ja japanilaisella Teijin-yrityksellä on suurempi osuus patenttiasetteluista "hiilikuitu- ja happiyhdistekomposiittien" alalla.
China Sinopec Group, Pekingin kemian yliopisto, Kiinan tiedeakatemia Ningbo Materials "polyakryylinitriilin hiilikuitujen ja tuotantolaitteiden tuotannossa" on suuri osa patenttiasettelusta. Lisäksi Pekingin kemiantekniikan yliopistolla, Kiinan tiedeakatemialla Shanxin hiilikemian instituutilla ja Kiinan tiedeakatemialla Ningbo Materials Key Layout -teknologialla "Epäorgaanisten alkuaineiden kuitujen käyttö polymeeriyhdisteiden valmistuksen ainesosina" on Harbinin teknillinen instituutti, joka keskittyy "hiilikuitukäsittelyn", "hiilikuitu- ja happea sisältävien yhdistekomposiittien" ja muiden teknologioiden asetteluun.
Lisäksi maailmanlaajuisten patenttien vuosittaisista tilastollisista jakautumistilastoista käy ilmi, että viimeisten kolmen vuoden aikana on alkanut ilmaantua useita uusia kuumia kohtia, kuten: "Pääketjun karboksylaattisidosreaktion muodostumisesta saadut polyamidien koostumukset", "pääketjun 1-karboksyylihappoesterisidosten muodostumisesta saadut polyesterikoostumukset", "synteettisiin materiaaleihin perustuvat komposiittimateriaalit", "syklisiä karboksyylihappoja sisältävät happiyhdisteet hiilikuitukomposiittien ainesosina", "tekstiilimateriaalien kolmiulotteisessa muodossa kiinteytettynä tai käsiteltynä", "tyydyttymättömän eetterin, asetaalin, puoliasetaalin, ketonin tai aldehydin muodostaminen polymeeriyhdisteiksi pelkästään hiili-hiilityydyttymättömän sidosreaktion kautta", "adiabaattinen materiaali putkille tai kaapeleille", "hiilikuitukomposiitit, joiden ainesosina on fosfaattiestereitä" ja niin edelleen.
Viime vuosina hiilikuitusektorilla on tapahtunut tutkimus- ja kehitystyötä, ja suurin osa läpimurroista on tullut Yhdysvalloista ja Japanista. Uusimmat huipputeknologiat keskittyvät paitsi hiilikuidun tuotanto- ja valmistusteknologiaan, myös sovelluksiin laajemmassa valikoimassa autoteollisuuden materiaaleja, kuten kevyitä materiaaleja, 3D-tulostusta ja energiantuotantomateriaaleja. Lisäksi hiilikuitumateriaalien kierrätys ja uusiokäyttö, puuligniinihiilikuidun valmistus ja muut saavutukset ovat olleet erittäin tehokkaita. Edustavat tulokset on kuvattu alla:
1) Yhdysvaltain Georgian teknillinen instituutti läpimurtaa kolmannen sukupolven hiilikuituteknologioita
Heinäkuussa 2015 Georgian teknillinen korkeakoulu DARPA:n rahoituksella paransi merkittävästi innovatiivisen pannupohjaisen hiilikuitugeelikehruutekniikkansa moduulia ja ohitti Hershey IM7 -hiilikuidun, jota käytetään nyt laajalti sotilaslentokoneissa. Tästä tuli Japanin jälkeen toinen maa maailmassa, joka on hallinnut kolmannen sukupolven hiilikuituteknologian.
Kumarzin valmistaman geelikehruuhiilikuidun vetolujuus on 5,5–5,8 Gpa ja vetomoduuli 354–375 gpa. ”Tämä on jatkuva kuitu, jolla on raportoitu olevan suurin lujuus ja kokonaisvaltainen suorituskykymoduuli. Lyhytfilamenttikimpussa vetolujuus on jopa 12,1 Gpa, mikä on polyakrylonitriilihiilikuidun korkein.”
2) Sähkömagneettinen aaltolämmitystekniikka
Vuonna 2014 Nedo kehitti sähkömagneettisen aaltokuumennustekniikan. Sähkömagneettisella aaltohiilistystekniikalla tarkoitetaan kuidun hiilestämiseen ilmakehän paineessa sähkömagneettisen aaltokuumennustekniikan käyttöä. Saavutetun hiilikuidun suorituskyky on pohjimmiltaan sama kuin korkeassa lämpötilassa lämmitetyllä hiilikuidulla, kimmokerroin voi olla yli 240 GPA ja murtovenymä yli 1,5 %, mikä on ensimmäinen onnistunut saavutus maailmassa.
Kuitumainen materiaali hiiletään sähkömagneettisella aallolla, joten korkean lämpötilan lämmitykseen käytettyä hiilestysuunilaitteistoa ei tarvita. Tämä prosessi ei ainoastaan lyhennä hiilestymiseen tarvittavaa aikaa, vaan myös vähentää energiankulutusta ja vähentää hiilidioksidipäästöjä.
3) hiilestymisprosessin hienosäätö
Maaliskuussa 2014 Toray ilmoitti t1100g-hiilikuidun onnistuneesta kehittämisestä. Toray käyttää perinteistä pannulla tapahtuvaa kehräystekniikkaa hiilestymisprosessin hienosäätöön, hiilikuidun mikrorakenteen parantamiseen nanotasolla sekä grafiitin mikrokiteisen orientaation, mikrokiteisen koon ja virheiden hallintaan kuidussa hiilestymisen jälkeen, mikä parantaa huomattavasti lujuutta ja kimmomoduulia. T1100g:n vetolujuus on 6,6 GPa, mikä on 12 % korkeampi kuin T800:n, ja kimmomoduuli on 324 GPa, mikä on 10 % korkeampi, mikä on teollistumisvaiheen alku.
4) Pintakäsittelytekniikka
Teijin East State on onnistuneesti kehittänyt plasmapintakäsittelyteknologian, jolla voidaan hallita hiilikuidun ulkonäköä vain muutamassa sekunnissa. Tämä uusi teknologia yksinkertaistaa merkittävästi koko tuotantoprosessia ja vähentää energiankulutusta 50 % verrattuna olemassa olevaan elektrolyyttivesiliuosten pintakäsittelyteknologiaan. Lisäksi plasmakäsittelyn jälkeen havaittiin, että myös kuidun ja hartsimatriisin tarttuvuus parani.
5) tutkimus hiilikuidun vetolujuuden säilymisnopeudesta korkean lämpötilan grafiittiympäristössä
Ningbo materials suoritti onnistuneesti yksityiskohtaisen tutkimuksen kotimaisen korkean lujuuden ja korkean moodin hiilikuidun prosessianalyysistä, rakennetutkimuksesta ja suorituskyvyn optimoinnista, erityisesti hiilikuidun vetolujuuden säilymisnopeudesta korkean lämpötilan grafiittiympäristössä. Äskettäin onnistuneesti valmistettiin korkean lujuuden ja korkeamman moduulin hiilikuitua, jonka vetolujuus on 5,24 GPa ja vetolujuusmoduuli 593 GPa. Sillä on edelleen vetolujuuden etu verrattuna japanilaiseen Toray m60j -lujuusmuovattuun hiilikuituun (vetolujuus 3,92 GPa, vetolujuusmoduuli 588 GPa).
6) Mikroaaltouunissa käytettävä grafiitti
Yongda Advanced Materials on menestyksekkäästi kehittänyt Yhdysvalloissa yksinoikeudella patentoidun erittäin korkean lämpötilan grafiittiteknologian keski- ja korkeamman asteen hiilikuitujen tuotantoon ja onnistuneesti murtautunut korkeamman asteen hiilikuitujen kehityksen kolmeen pullonkaulaan: grafiittilaitteet ovat kalliita ja kansainvälisen valvonnan alaisia, raakasilkkikemian teknologia on vaikeaa ja tuotantokustannukset ovat alhaiset ja korkeat. Tähän mennessä Yongda on kehittänyt kolmenlaisia hiilikuituja, jotka kaikki ovat nostaneet alkuperäisen suhteellisen matalan asteen hiilikuidun lujuuden ja moduulin uudelle tasolle.
7) Fraunhoferin, Saksan, uusi pannupohjaisen hiilikuituraakalangan sulatuskehräysprosessi
Fraunhofer-instituutti kemianteollisuudessa (Applied Polymer Research, IAP) ilmoitti äskettäin esittelevänsä uusinta Comcarbon-teknologiaa Berliinin ilmailunäyttelyssä Ila:ssa 25.–29. huhtikuuta 2018. Tämä teknologia alentaa huomattavasti massatuotetun hiilikuidun tuotantokustannuksia.
Kuva 4. Raakalaidan sulatuskehräys.
On hyvin tunnettua, että perinteisissä prosesseissa puolet pannupohjaisen hiilikuidun tuotantokustannuksista kuluu raakalangan tuotantoprosessissa. Koska raakalanka ei sula, se on tuotettava kalliilla liuoskehruuprosessilla (Solution Spinning). "Tätä varten olemme kehittäneet uuden prosessin pannupohjaisen raakasilkin tuotantoon, joka voi vähentää raakalangan tuotantokustannuksia 60 %. Tämä on taloudellinen ja toteuttamiskelpoinen sulatuskehruuprosessi, jossa käytetään erityisesti kehitettyä sulatettua pannupohjaista kopolymeeriä", selitti Fraunhofer IAP -instituutin biologisten polymeerien ministeri, tohtori Johannes Ganster.
8) Plasmahapetustekniikka
4M Carbon fiber ilmoitti hyödyntävänsä plasmahapetusteknologiaa korkealaatuisen ja edullisen hiilikuidun valmistuksessa ja myynnissä strategisena painopisteenään, ei pelkästään teknologian lisensointiin. 4M väittää, että plasmahapetusteknologia on kolme kertaa nopeampi kuin perinteinen hapetusteknologia, ja sen energiankulutus on alle kolmanneksen perinteisen teknologian energiankulutuksesta. Monet kansainväliset hiilikuitutuottajat ovat vahvistaneet väitteet ja konsultoivat useita maailman suurimpia hiilikuituvalmistajia ja autonvalmistajia osallistuakseen edullisten hiilikuitujen tuotannon aloittajina.
9) Selluloosa-nanokuitu
Japanilainen Kioton yliopisto työskentelee yhdessä useiden merkittävien komponenttitoimittajien, kuten sähköasennusyrityksen (Toyotan suurin toimittaja) ja Daikyonishikawa Corp:n, kanssa sellaisten muovimateriaalien kehittämisen parissa, jotka yhdistävät selluloosananokuituja. Tämä materiaali valmistetaan rikkomalla puumassa muutaman mikronin (1 tuhat mm) raekokoiseksi. Uuden materiaalin paino on vain viidesosa teräksen painosta, mutta sen lujuus on viisinkertainen teräkseen verrattuna.
10) hiilikuituinen etuosa polyolefiini- ja ligniiniraaka-aineista
Yhdysvalloissa sijaitseva Oak Ridgen kansallinen laboratorio on työskennellyt edullisten hiilikuitujen tutkimuksen parissa vuodesta 2007 lähtien, ja he ovat kehittäneet hiilikuituisia etukappaleita polyolefiini- ja ligniiniraaka-aineille sekä edistyneitä plasmaesihapetus- ja mikroaaltohiiletystekniikoita.
11) Uusi polymeeri (esiastepolymeeri) kehitettiin poistamalla tulenkestävä käsittely
Tokion yliopiston johtamassa valmistusmenetelmässä on kehitetty uusi polymeeri (esiastepolymeeri) tulenkestävän käsittelyn poistamiseksi. Tärkein ominaisuus on, että polymeerin silkiksi kehräämisen jälkeen se ei suorita alkuperäistä tulenkestävää käsittelyä, vaan hapettuu liuottimessa. Mikroaaltouunissa lämmitettävä laite lämmitetään sitten yli 1000 ℃:een hiilestymistä varten. Lämmitysaika on vain 2-3 minuuttia. Hiiliskäsittelyn jälkeen suoritetaan myös plasmakäsittely, jotta hiilikuitu voidaan valmistaa. Plasmakäsittely kestää alle 2 minuuttia. Tällä tavoin alkuperäinen 30-60 minuutin sintrausaika voidaan lyhentää noin 5 minuuttiin. Uudessa valmistusmenetelmässä plasmakäsittelyllä parannetaan hiilikuidun ja CFRP-perusmateriaalina käytettävän termoplastisen hartsin välistä sitoutumista. Uudella valmistusmenetelmällä valmistetun hiilikuidun vetolujuusmoduuli on 240 GPa, vetolujuus 3,5 GPa ja venymä 1,5 %. Nämä arvot ovat samalla tasolla kuin urheiluvälineissä jne. käytettävällä Toray Universal -luokan T300-hiilikuidulla.
12) hiilikuitumateriaalien kierrätys ja hyödyntäminen leijupetiprosessilla
Tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja Mengran Meng sanoi: "Hiilikuidun talteenotto vähentää ympäristövaikutuksia verrattuna raakahiilikuidun tuotantoon, mutta tietoisuus mahdollisista kierrätysteknologioista ja hiilikuitujen kierrätyksen taloudellisesta kannattavuudesta on rajallista. Kierrätys tapahtuu kahdessa vaiheessa: kuidut on ensin otettava talteen hiilikuitukomposiiteista ja hajotettava termisesti mekaanisesti jauhamalla materiaaleja tai käyttämällä pyrolyysiä tai leijupetiprosesseja. Nämä menetelmät poistavat komposiittimateriaalista muoviosan, jolloin jäljelle jää hiilikuitu, joka voidaan sitten muuntaa sotkeutuneiksi kuitumatoiksi märkäpaperinvalmistustekniikalla tai järjestää uudelleen suuntakuiduiksi."
Tutkijat laskivat, että hiilikuitua voitaisiin ottaa talteen hiilikuitukomposiittijätteestä fluidisoitupetimenetelmällä, joka vaatisi vain 5 dollaria/kg ja alle 10 % ensisijaisen hiilikuidun valmistukseen tarvittavasta energiasta. Fluidisoitupetimenetelmällä tuotetut kierrätyshiilikuidut eivät juurikaan vähennä moduulia, ja vetolujuus heikkenee 18–50 % verrattuna ensisijaisiin hiilikuituihin, mikä tekee niistä sopivia sovelluksiin, jotka vaativat suurta jäykkyyttä lujuuden sijaan. "Kierrätyshiilikuidut voivat soveltua ei-rakenteellisiin sovelluksiin, jotka vaativat kevyttä painoa, kuten autoteollisuuteen, rakennusalalle, tuulivoimaan ja urheiluteollisuuteen", Meng sanoi.
13) Yhdysvalloissa kehitetty uusi hiilikuitukierrätysteknologia
Kesäkuussa 2016 Georgian teknillisen korkeakoulun tutkijat Yhdysvalloissa liottivat hiilikuitua alkoholia sisältävässä liuottimessa epoksihartsin liuottamiseksi, erotetut kuidut ja epoksihartsit voidaan käyttää uudelleen, mikä on hiilikuitujen talteenoton onnistunut toteutus.
Heinäkuussa 2017 Washingtonin osavaltionyliopisto kehitti myös hiilikuitujen talteenottotekniikan, jossa käytetään heikkoa happoa katalyyttinä ja nestemäistä etanolia suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa lämpökovettuvien materiaalien hajottamiseksi. Hajonnut hiilikuitu ja hartsi säilytetään erikseen ja niitä voidaan käyttää lisääntymiseen.
14) 3D-tulostuksen hiilikuitumusteteknologian kehittäminen LLNL-laboratoriossa, Yhdysvalloissa
Maaliskuussa 2017 Yhdysvalloissa sijaitseva Lawrence Livemore National Laboratory (LLNL) kehitti ensimmäiset 3D-tulostetut korkean suorituskyvyn omaavat, ilmailulaatuiset hiilikuitukomposiitit. He käyttivät suoraa musteensiirtoa (DIW) 3D-tulostusmenetelmänä luodakseen monimutkaisia kolmiulotteisia rakenteita, jotka paransivat huomattavasti prosessointinopeutta autoteollisuudessa, ilmailu- ja avaruustekniikassa, puolustuksessa sekä moottoripyöräkilpailuissa ja surffauksessa.
15) Yhdysvallat, Korea ja Kiina tekevät yhteistyötä hiilikuidun kehittämisessä energiantuotantoa varten
Elokuussa 2017 Texasin yliopiston Dallasin kampus, korealainen Hanyangin yliopisto, kiinalainen Nankain yliopisto ja muut instituutiot tekivät yhteistyötä hiilikuitumateriaalin kehittämiseksi sähköntuotantoa varten. Lanka liotetaan ensin elektrolyyttiliuoksissa, kuten suolavedessä, jolloin elektrolyytin ionit kiinnittyvät hiilinanoputkien pintaan. Nanoputket voidaan muuntaa sähköenergiaksi, kun lankaa kiristetään tai venytetään. Materiaalia voidaan käyttää missä tahansa paikassa, jossa on luotettavaa kineettistä energiaa, ja se soveltuu IoT-antureiden virransyöttöön.
16) Kiinalaisten ja amerikkalaisten puuligniinihiilikuidun tutkimuksessa saavutettu uusi edistysaskel
Maaliskuussa 2017 Ningbon materiaalitekniikan ja tekniikan instituutin erikoiskuitutiimi valmisti esteröinti- ja vapaiden radikaalien kopolymerointimenetelmällä toteutetun kaksivaiheisen modifiointitekniikan avulla ligniini-akrylonitriilikopolymeerin, jolla on hyvä kehrättävyys ja lämpöstabiilius. Kopolymeeri- ja märkäkehräysprosessilla saatiin aikaan korkealaatuisia jatkuvia filamentteja, ja lämpöstabiloinnin ja hiiletyskäsittelyn jälkeen saatiin kompakti hiilikuitu.
Elokuussa 2017 Birgitte ahringin tutkimusryhmä Washingtonin yliopistossa Yhdysvalloissa sekoitti ligniiniä ja polyakrylonitriiliä eri suhteissa ja käytti sitten sulakehräystekniikkaa sekoitettujen polymeerien muuntamiseen hiilikuiduiksi. Tutkimuksessa havaittiin, että 20–30 %:n ligniinipitoisuuteen lisätty ligniini ei vaikuttanut hiilikuidun lujuuteen ja sitä odotettiin käytettävän edullisempien hiilikuitumateriaalien valmistuksessa autojen tai lentokoneiden osille.
Vuoden 2017 lopussa Yhdysvaltain kansallinen uusiutuvan energian laboratorio (NREL) julkaisi tutkimustuloksen akryylinitriilin valmistuksesta käyttämällä kasvijätteitä, kuten maissin ja vehnän olkia. Ensin kasvimateriaalit hajotetaan sokeriksi, minkä jälkeen ne muutetaan hapoiksi ja yhdistetään halpoihin katalyytteihin kohdetuotteiden tuottamiseksi.
17) Japani kehittää ensimmäisen hiilikuituvahvisteisen termoplastisen komposiittiauton alustan
Lokakuussa 2017 Japanin uusi energiateollisuuden teknologian integroitu tutkimus- ja kehitysvirasto ja Nagoyan yliopiston kansallinen komposiittitutkimuskeskus kehittivät menestyksekkäästi maailman ensimmäisen hiilikuitulujitetun termoplastisen komposiittiauton alustan. He käyttävät automaattista pitkäkuitukomposiittien suoraa online-muovausprosessia, jatkuvaa hiilikuidun ja termoplastisen hartsin hiukkasten sekoittamista, kuitukomposiittien valmistusta ja sitten lämmityksen ja sulatuksen yhdistämistä termoplastisen CFRP-auton rungon onnistuneeseen tuotantoon.
5. ehdotuksia hiilikuituteknologian tutkimuksesta ja kehityksestä Kiinassa
5.1 Tulevaisuuteen suuntautunut, tavoitteellinen asettelu, keskittyen kolmannen sukupolven hiilikuituteknologian läpimurtoon
Kiinan toisen sukupolven hiilikuituteknologia ei ole vielä kattava läpimurto. Maamme tulisi pyrkiä olemaan tulevaisuuteen suuntautuva, ja se kokoaa yhteen asiaankuuluvat tutkimuslaitoksemme ja keskittyy keskeisten teknologioiden hyödyntämiseen. Keskittyminen kolmannen sukupolven korkean suorituskyvyn hiilikuituvalmistusteknologian tutkimukseen ja kehitykseen (eli ilmailu- ja avaruusteollisuuden korkean lujuuden ja korkean moduulin hiilikuituteknologiaan) sekä hiilikuitukomposiittimateriaaliteknologian kehittämiseen, mukaan lukien autoteollisuuden, rakennus- ja korjausteollisuuden sekä muiden kevyiden ja edullisten suurten vetoketjujen hiilikuituvalmistusmateriaalien valmistus, lisäainevalmistusteknologia, hiilikuitukomposiittimateriaalit, kierrätysteknologia ja nopeat prototyyppiteknologiat.
5.2 Koordinoiva organisaatio, tuen vahvistaminen, merkittävien teknisten projektien perustaminen yhteistyöhön perustuvan tutkimuksen jatkuvaksi tukemiseksi
Tällä hetkellä Kiinassa on useita hiilikuitututkimusta tekeviä instituutioita, mutta valta on hajallaan, eikä yhtenäistä tutkimus- ja kehitystyön organisointimekanismia ja vahvaa rahoitustukea tehokkaalle koordinoinnille ole. Kehittyneiden maiden kehityskokemusten perusteella suurten hankkeiden organisoinnilla ja ulkoasulla on suuri rooli tämän teknisen alan kehityksen edistämisessä. Meidän tulisi keskittyä Kiinan Advantage R&D Forceen, ottaen huomioon Kiinan hiilikuitujen läpimurron tutkimus- ja kehitysteknologiassa, käynnistääksemme suuria hankkeita, vahvistaaksemme yhteistyötä teknologisen innovaation parissa ja jatkuvasti edistääksemme Kiinan hiilikuitututkimusteknologian tasoa ja kilpailua kansainvälisessä hiilikuidusta ja komposiiteista.
5.3 Teknisten saavutusten sovellusvaikutuskeskeisyyden arviointimekanismin parantaminen
SCI-papereiden ekonometrisen analyysin näkökulmasta Kiinan hiilikuitua käytetään erittäin lujana suorituskykyisenä materiaalina useilla eri tutkimusaloilla, mutta hiilikuidun tuotanto- ja valmistusteknologiassa keskitytään erityisesti kustannusten alentamiseen ja tuotantotehokkuuden parantamiseen, mikä vaatii vähemmän tutkimusta. Hiilikuidun tuotantoprosessi on pitkä, teknologiset avainkohdat ovat korkeat, tuotantokynnykset ovat monitieteisiä ja -teknologisia. On tarpeen murtaa tekniset esteet ja edistää tehokkaasti "edullista, tehokasta" ydinvalmistusteknologian tutkimusta ja kehitystä. Toisaalta on tarpeen vahvistaa tutkimusinvestointeja. Toisaalta on tarpeen heikentää tieteellisen tutkimuksen suorituskyvyn arviointia, vahvistaa teknisten saavutusten sovellusvaikutusten arvioinnin ohjausta ja siirtyä "kvantitatiivisesta" arvioinnista, jossa keskitytään julkaisuun, tulosten arvon "laadun" arviointiin.
5.4 Huipputeknologian yhdisteiden osaamisen vahvistaminen
Hiilikuituteknologian huipputeknologinen ominaisuus määrittää erikoistuneiden kykyjen tärkeyden, ja se, onko heillä huippuluokan teknistä ydinhenkilöstöä, määrää suoraan laitoksen tutkimus- ja kehitystoiminnan tason.
Hiilikuituteknologian tutkimus- ja kehitysyhteyksien seurauksena meidän tulisi kiinnittää huomiota yhdistelmähenkilöstön koulutukseen, jotta voimme varmistaa kaikkien yhteyksien koordinoinnin ja kehittämisen. Lisäksi Kiinan hiilikuitututkimuksen kehityshistorian perusteella teknologian ydinasiantuntijoiden virtaus on usein keskeinen tekijä, joka vaikuttaa tutkimuslaitoksen tutkimus- ja kehitystyön tasoon. Ydinasiantuntijoiden ja tutkimus- ja kehitystiimien sitoutuminen tuotantoprosesseihin, komposiitteihin ja tärkeimpiin tuotteisiin on tärkeää jatkuvan teknologian päivittämisen kannalta.
Meidän tulisi jatkaa erikoistuneen korkean teknologian henkilöstön koulutuksen ja käytön vahvistamista tällä alalla, parantaa teknologian tutkimus- ja kehitysosaamisen arviointi- ja hoitopolitiikkaa, vahvistaa nuorten kykyjen kehittämistä, tukea aktiivisesti yhteistyötä ja vaihtoa ulkomaisten edistyneiden tutkimus- ja kehityslaitosten kanssa sekä tuoda voimakkaasti esiin ulkomaisia edistyneitä kykyjä jne. Tällä on suuri rooli hiilikuitututkimuksen edistämisessä Kiinassa.
Lainattu lähteestä -
Analyysi maailmanlaajuisen hiilikuituteknologian kehityksestä ja sen valaisemisesta Kiinassa. Tian Yajuan, Zhang Zhiqiang, Tao Cheng, Yang Ming, Ba Jin, Chen Yunwei.Maailman tiede- ja teknologiayritysten tutkimus- ja kehitystyö2018
Julkaisun aika: 04.12.2018