A fibra de carbono é un material novo de fibra de polímero inorgánico con contido de carbono superior ao 95 %, con baixa densidade, alta resistencia, alta resistencia á temperatura, alta estabilidade química, antifatiga, resistente ao desgaste e outras excelentes propiedades físicas e químicas básicas, e ten unha alta atenuación de vibracións, boa condutividade térmica condutiva, rendemento de blindaxe electromagnética e baixo coeficiente de expansión térmica entre outras características. Estas excelentes propiedades fan que a fibra de carbono sexa amplamente utilizada na industria aeroespacial, o transporte ferroviario, a fabricación de vehículos, armas e equipos, maquinaria de construción, construción de infraestruturas, enxeñaría mariña, enxeñaría petroleira, enerxía eólica, artigos deportivos e outros campos.
Baseándose nas necesidades estratéxicas nacionais dos materiais de fibra de carbono, China incluíuna como unha das tecnoloxías básicas das industrias emerxentes que se centran no seu apoio. Na planificación científica e tecnolóxica nacional "Doce e Cinco", a tecnoloxía de preparación e aplicación de fibra de carbono de alto rendemento é unha das tecnoloxías básicas das industrias emerxentes estratéxicas apoiadas polo estado. En maio de 2015, o Consello de Estado lanzou oficialmente "Made in China 2025", que considera os novos materiais como unha das áreas clave para a promoción e o desenvolvemento vigorosos, incluídos os materiais estruturais de alto rendemento e os materiais compostos avanzados como o foco do desenvolvemento no campo dos novos materiais. En outubro de 2015, o Ministerio de Industria e Industria da Información publicou oficialmente a "Folla de ruta tecnolóxica de áreas clave de fabricación de China 2025", que considera "fibra de alto rendemento e os seus materiais compostos" como un material estratéxico clave, e o obxectivo para 2020 é "que os materiais compostos de fibra de carbono nacionais cumpran os requisitos técnicos de aeronaves de gran rendemento e outros equipos importantes". En novembro de 2016, o Consello de Estado publicou o plan nacional de desenvolvemento estratéxico de industrias emerxentes "Trece e cinco", que sinalaba claramente fortalecer o apoio á cooperación augas arriba e augas abaixo da industria de novos materiais, en compostos de fibra de carbono e outros campos para levar a cabo demostracións piloto de aplicacións colaborativas e construír unha plataforma de aplicacións colaborativas. En xaneiro de 2017, o Ministerio de Industria e Desenvolvemento, a CNDR, ciencia e tecnoloxía e o Ministerio de Facenda formularon conxuntamente a "Guía para o desenvolvemento de novas industrias de materiais" e propuxeron que, a partir de 2020, "en compostos de fibra de carbono, aceiro especial de alta calidade, materiais de aliaxe lixeira avanzada e outros campos para lograr máis de 70 industrializacións e aplicacións clave de novos materiais, construír un sistema de apoio a equipos de proceso que se axuste ao nivel de desenvolvemento da industria de novos materiais de China".
Dado que a fibra de carbono e os seus materiais compostos desempeñan un papel importante na defensa nacional e no sustento do pobo, moitos expertos céntranse no seu desenvolvemento e análise das tendencias de investigación. O Dr. Zhou Hong revisou as contribucións científicas e tecnolóxicas realizadas por científicos estadounidenses nas primeiras etapas do desenvolvemento da tecnoloxía de fibra de carbono de alto rendemento, e analizou e informou sobre 16 aplicacións principais e avances tecnolóxicos recentes da fibra de carbono, e a tecnoloxía de produción, as propiedades e a aplicación da fibra de carbono de poliacrilonitrilo e o seu desenvolvemento tecnolóxico actual foron revisados polo Dr. Wei Xin, etc. Tamén presenta algunhas suxestións construtivas para os problemas existentes no desenvolvemento da fibra de carbono en China. Ademais, moitas persoas levaron a cabo investigacións sobre a análise metrolóxica de artigos e patentes no campo da fibra de carbono e os seus materiais compostos. Por exemplo, Ma Xianglin e outros desde o punto de vista da metroloxía desde a distribución e aplicación de patentes de fibra de carbono de 1998-2017 no campo da análise; Yang Sisi e outros baseáronse na plataforma de innografía para a busca global de patentes de tecidos de fibra de carbono e as estatísticas de datos, a partir da tendencia de desenvolvemento anual de patentes, titulares de patentes, o punto de acceso á tecnoloxía de patentes e a patente central da tecnoloxía.
Desde a perspectiva da traxectoria da investigación e desenvolvemento da fibra de carbono, a investigación chinesa está case sincronizada co resto do mundo, pero o desenvolvemento é lento, a escala e a calidade da produción de fibra de carbono de alto rendemento en comparación con países estranxeiros teñen unha diferenza, existe unha necesidade urxente de acelerar o proceso de I+D, avanzar na planificación estratéxica e aproveitar as futuras oportunidades de desenvolvemento da industria. Polo tanto, este artigo investiga primeiro a disposición dos proxectos dos países no campo da investigación da fibra de carbono, para comprender a planificación das rutas de I+D en varios países e, en segundo lugar, porque a investigación básica e a investigación de aplicacións da fibra de carbono son moi importantes para a investigación e o desenvolvemento técnico da fibra de carbono, polo tanto, realizamos análises metrolóxicas a partir de resultados de investigación académica (artigos SCI e resultados de investigación aplicada e patentes) ao mesmo tempo para obter unha comprensión completa do progreso da I+D no campo da fibra de carbono e para analizar os desenvolvementos de investigación recentes neste campo para o progreso da I+D de Peep International Frontier. Finalmente, baseándose nos resultados da investigación anteriores, preséntanse algunhas suxestións para a ruta de investigación e desenvolvemento no campo da fibra de carbono en China.
2. C.fibra de carbóndeseño do proxecto de investigaciónprincipais países/rexións
Os principais países produtores de fibra de carbono inclúen Xapón, Estados Unidos, Corea do Sur, algúns países europeos e Taiwán, China. Os países con tecnoloxía avanzada que se atopan na fase inicial do desenvolvemento da tecnoloxía da fibra de carbono déronse conta da importancia deste material, levaron a cabo un deseño estratéxico e promoveron vigorosamente o desenvolvemento de materiais de fibra de carbono.
2.1 Xapón
O Xapón é o país máis desenvolvido en canto á tecnoloxía da fibra de carbono. As 3 empresas xaponesas de Toray, Bong e Mitsubishi Liyang representan aproximadamente o 70 %~80 % da cota de mercado da produción de fibra de carbono a nivel mundial. Non obstante, o Xapón concede moita importancia a manter os seus puntos fortes neste campo, en particular o desenvolvemento de fibras de carbono de alto rendemento baseadas en placas e tecnoloxías enerxéticas e respectuosas co medio ambiente, cun forte apoio humano e financeiro, e nunha serie de políticas básicas, incluído o plan enerxético básico, o esquema estratéxico para o crecemento económico e o Protocolo de Quioto, o que converteu este nun proxecto estratéxico que debe avanzarse. Baseándose na política nacional enerxética e ambiental básica, o Ministerio de Economía, Industria e Propiedade do Xapón presentou o "Programa de investigación e desenvolvemento de tecnoloxía de aforro de enerxía". Apoiado pola política anterior, a industria xaponesa da fibra de carbono puido centralizar de forma máis eficaz todos os aspectos dos recursos e promover a solución de problemas comúns na industria da fibra de carbono.
"Desenvolvemento tecnolóxico como novos materiais estruturais innovadores" (2013-2022) é un proxecto implementado no marco do "Proxecto de investigación de Desenvolvemento Futuro" no Xapón para lograr significativamente o desenvolvemento da tecnoloxía innovadora necesaria de materiais estruturais e a combinación de diferentes materiais, co obxectivo principal de reducir o peso lixeiro (a metade do peso do coche) dos medios de transporte. E finalmente materializar a súa aplicación práctica. Despois de asumir o proxecto de investigación e desenvolvemento en 2014, a Axencia de Desenvolvemento de Tecnoloxía Industrial (NEDO) desenvolveu varios subproxectos nos que os obxectivos xerais do proxecto de investigación de fibra de carbono "Investigación básica e desenvolvemento innovador de fibra de carbono" foron: desenvolver novos compostos precursores de fibra de carbono; dilucidar o mecanismo de formación de estruturas de carbonización; e desenvolver e estandarizar métodos de avaliación da fibra de carbono. O proxecto, dirixido pola Universidade de Toquio e no que participan conxuntamente o Instituto de Tecnoloxía Industrial (NEDO), Toray, Teijin, Dongyuan e Mitsubishi Liyang, fixo progresos significativos en xaneiro de 2016 e supón outro gran avance no campo da fibra de carbono baseada en sarténs tras a invención do "modo Kondo" no Xapón en 1959.
2.2 Estados Unidos
A Axencia de Investigación Previo á Defensa dos Estados Unidos (DARPA) lanzou o proxecto Advanced Structural Fiber en 2006 co obxectivo de reunir a forza de investigación científica dominante do país para desenvolver fibras estruturais de próxima xeración baseadas en fibras de carbono. Co apoio deste proxecto, o equipo de investigación do Instituto Tecnolóxico de Xeorxia dos Estados Unidos abordou a tecnoloxía de preparación de arame en bruto en 2015, aumentando o seu módulo elástico nun 30 %, o que marcou aos Estados Unidos coa capacidade de desenvolvemento da terceira xeración de fibra de carbono.
En 2014, o Departamento de Enerxía dos Estados Unidos (DOE) anunciou unha subvención de 11,3 millóns de dólares para dous proxectos sobre "procesos catalíticos de varios pasos para a conversión de azucres de biomasa non comestibles en acrilonitrilo" e "investigación e optimización do acrilonitrilo derivado da produción de biomasa" para promover o uso de residuos agrícolas, investigación sobre materiais de fibra de carbono renovables de alto rendemento e custo competitivo para a produción de materias primas renovables non baseadas en alimentos, como a biomasa leñosa, e plans para reducir o custo de produción de fibras de carbono renovables de biomasa a menos de 5 dólares/libra para 2020.
En marzo de 2017, o Departamento de Enerxía dos Estados Unidos anunciou de novo 3,74 millóns de dólares para financiar un "proxecto de I+D de compoñentes de fibra de carbono de baixo custo" liderado polo Western American Institute (WRI), que se centra no desenvolvemento de compoñentes de fibra de carbono de baixo custo baseados en recursos como o carbón e a biomasa.
En xullo de 2017, o Departamento de Enerxía dos Estados Unidos anunciou a financiación de 19,4 millóns de dólares para apoiar a investigación e o desenvolvemento de vehículos avanzados de eficiencia enerxética, dos cales 6,7 millóns se destinan á preparación de fibras de carbono de baixo custo mediante materiais computacionais, incluído o desenvolvemento de métodos de avaliación multiescala para tecnoloxía informática integrada para avaliar o entusiasmo dos novos precursores da fibra de carbono. A teoría funcional da densidade asistida por dinámica molecular avanzada, a aprendizaxe automática e outras ferramentas utilízanse para desenvolver ferramentas informáticas de última xeración para mellorar a eficiencia de selección de materias primas de fibra de carbono de baixo custo.
2.3 Europa
A industria europea da fibra de carbono desenvolveuse no Xapón e nos Estados Unidos nos anos setenta ou oitenta do século XX, pero debido á tecnoloxía e ao capital, moitas empresas produtoras dunha soa fibra de carbono non se adheriron ao período de alto crecemento da demanda de fibra de carbono despois de 2000 anos e desapareceron. A empresa alemá SGL é a única empresa en Europa que ten unha participación importante no mercado mundial de fibra de carbono.
En novembro de 2011, a Unión Europea lanzou o Proxecto Eucarbon, que ten como obxectivo mellorar as capacidades europeas de fabricación de fibra de carbono e materiais preimpregnados para a industria aeroespacial. O proxecto durou 4 anos, cun investimento total de 3,2 millóns de euros, e en maio de 2017 estableceu con éxito a primeira liña de produción especial de fibra de carbono de Europa para aplicacións espaciais como satélites, o que permitiu a Europa deixar de depender das importacións do produto e garantir a seguridade do subministro de materiais.
O Sétimo Marco da UE prevé apoiar o proxecto FIBRALSPEC (fibra de carbono funcional na preparación dun novo sistema precursor con rendemento rendible e manexable) (2014-2017) con 6,08 millóns de euros. O proxecto de 4 anos de duración, dirixido pola Universidade Técnica Nacional de Atenas (Grecia) e coa participación de empresas multinacionais como Italia, o Reino Unido e Ucraína, céntrase na innovación e mellora do proceso de preparación continua de fibras de carbono a base de poliacrilonitrilo para lograr a produción experimental de fibras de carbono continuas a base de cubertas. O proxecto completou con éxito o desenvolvemento e a aplicación de fibra de carbono e tecnoloxía composta mellorada a partir de recursos de polímeros orgánicos renovables (como supercondensadores, refuxios de emerxencia rápidos, así como prototipos de máquinas de revestimento rotativas eléctricas mecánicas e desenvolvemento de liñas de produción de nanofibras, etc.).
Un número crecente de sectores industriais, como o da automoción, o da enerxía eólica e o da construción naval, requiren materiais compostos lixeiros e de alto rendemento, o que supón un enorme mercado potencial para a industria da fibra de carbono. A UE inviste 5,968 millóns de euros para lanzar o proxecto Carboprec (2014-2017), cuxo obxectivo estratéxico é desenvolver precursores de baixo custo a partir de materiais renovables que estean amplamente presentes en Europa e mellorar a produción de fibras de carbono de alto rendemento mediante nanotubos de carbono.
O programa de investigación Cleansky II da Unión Europea financiou un proxecto de "I+D de pneumáticos compostos" (2017), dirixido polo Instituto Fraunhofer para a Produción e a Fiabilidade dos Sistemas (LBF) de Alemaña, que planea desenvolver compoñentes de rodas dianteiras para avións compostos reforzados con fibra de carbono para o Airbus A320. O obxectivo é reducir o peso nun 40 % en comparación cos materiais metálicos convencionais. O proxecto está financiado con aproximadamente 200.000 euros.
2.4 Corea
A I+D e a industrialización da fibra de carbono en Corea do Sur comezaron tarde. A I+D comezou en 2006 e en 2013 comezou a entrar formalmente na fase práctica, invertendo a situación da fibra de carbono coreana, que dependía totalmente das importacións. Para o grupo xiaoxing local de Corea do Sur e Taiguang Business, como representantes pioneiros da industria, que participan activamente no campo do deseño da industria da fibra de carbono, o desenvolvemento do impulso é forte. Ademais, a base de produción de fibra de carbono establecida por Toray Japan en Corea tamén contribuíu ao mercado da fibra de carbono na propia Corea.
O goberno coreano escolleu converter o Grupo Xiaoxing nun punto de encontro para as industrias innovadoras da fibra de carbono. O obxectivo é formar un clúster da industria de materiais de fibra de carbono, promover o desenvolvemento dun ecosistema económico creativo en toda a rexión norte, e o obxectivo final é formar unha cadea de produción integral de materiais de fibra de carbono → pezas → produtos acabados. O establecemento dun clúster de incubación de fibra de carbono pode combinarse co Silicon Valley dos Estados Unidos, aproveitar novos mercados, crear novo valor engadido e acadar o obxectivo de 10.000 millóns de dólares en exportacións de produtos relacionados coa fibra de carbono (equivalente a uns 55.200 millóns de yuans) para 2020.
3. análise da investigación e dos resultados da investigación a nivel mundial sobre fibra de carbono
Esta subsección inclúe os artigos do SCI relacionados coa investigación da fibra de carbono e os resultados das patentes do DII desde 2010, co fin de analizar a investigación académica e a investigación e o desenvolvemento industrial da tecnoloxía global da fibra de carbono ao mesmo tempo, e comprender plenamente o progreso da investigación e o desenvolvemento da fibra de carbono a nivel internacional.
Datos derivados da base de datos Scie e da base de datos Dewent da base de datos Web of Science publicada por Clarivate Analytics; intervalo de tempo de recuperación: 2010-2017; data de recuperación: 1 de febreiro de 2018.
Estratexia de recuperación de papel SCI: Ts=((fibra de carbono* ou fibra de carbono* ou ("fibra de carbono*" non "fibra de vidro de carbono") ou "fibra de carbono*" ou "filamento de carbono*" ou ((poliacrilonitrilo ou brea) e "precursor*" e fibra*) ou ("fibra de grafito*")) non ("carbono de bambú")).
Estratexia de busca de patentes de Dewent: Ti=((fibra de carbono* ou fibra de carbono* ou ("fibra de carbono*" non "fibra de vidro de carbono") ou "fibra de carbono*" ou "filamento de carbono*" ou ((poliacrilonitrilo ou brea) e "precursor*" e fibra*) ou ("fibra de grafito*")) non ("carbono de bambú")) ou TS=((fibra de carbono* ou fibra de carbono* ou ("fibra de carbono*" non "fibra de vidro de carbono") ou "fibra de carbono*" ou "filamento de carbono*" ou ((poliacrilonitrilo ou brea) e "precursor*" e fibra*) ou ("fibra de grafito*")) non ("carbono de bambú")) e IP=(D01F-009/12 ou D01F-009/127 ou D01F-009/133 ou D01F-009/14 ou D01F-009/145 ou D01F-009/15 ou D01F-009/155 ou D01F-009/16 ou D01F-009/17 ou D01F-009/18 ou D01F-009/20 ou D01F-009/21 ou D01F-009/22 ou D01F-009/24 ou D01F-009/26 ou D01F-09/28 ou D01F-009/30 ou D01F-009/32 ou C08K-007/02 ou C08J-005/04 ou C04B-035/83 ou D06M-014/36 ou D06M-101/40 ou D21H-013/50 ou H01H-001/027 ou H01R-039/24).
Tendencia 3.1
Desde 2010, publicáronse 16 553 artigos relevantes en todo o mundo e solicitáronse 26 390 patentes de invención, todas elas amosando unha tendencia á alza constante ano tras ano (Figura 1).
3.2 Distribución por países ou rexións
As 10 principais institucións coa maior produción mundial de artigos de investigación sobre fibra de carbono son chinesas, das cales as 5 principais son: Academia Chinesa de Ciencias, Instituto Tecnolóxico de Harbin, Universidade Tecnolóxica do Noroeste, Universidade de Donghua e Instituto de Aeronáutica e Astronáutica de Pequín. Entre as institucións estranxeiras, o Instituto Tecnolóxico Indio, a Universidade de Toquio, a Universidade de Bristol, a Universidade de Monash, a Universidade de Manchester e o Instituto Tecnolóxico de Xeorxia sitúanse entre os postos 10 e 20 (Fig. 3).
En canto ao número de solicitudes de patentes nas 30 principais institucións, o Xapón ten 5, e 3 delas están entre as cinco primeiras. A empresa Toray clasificouse en primeiro lugar, seguida de Mitsubishi Liyang (2.º), Teijin (4.º), East State (10.º) e Japan Toyo Textile Company (24.º). A China ten 21 institucións. O Grupo Sinopec ten o maior número de patentes, ocupando o terceiro lugar. En segundo lugar, o Instituto Tecnolóxico de Harbin, a empresa de cable Henan Ke Letter, a Universidade Donghua, a petroquímica de Shanghai de China, a industria química de Pequín, etc.; a Academia Chinesa de Ciencias Shanxi Coal, coa solicitude de patente de invención 66, clasificouse no posto 27. As institucións surcoreanas teñen 2, das cales Xiaoxing Co., Ltd. clasificouse no posto 8.
Institucións de produción, a produción do artigo procede principalmente de universidades e institucións de investigación científica, a produción de patentes provén principalmente da empresa, pódese observar que a fabricación de fibra de carbono é unha industria de alta tecnoloxía, como principal corpo de desenvolvemento da industria de I+D de fibra de carbono, a empresa atribúe gran importancia á protección da tecnoloxía de I+D de fibra de carbono, especialmente as 2 principais empresas do Xapón, o número de patentes está moi por diante.
3.4 Puntos de investigación
Os artigos de investigación sobre fibra de carbono abarcan a maioría dos temas de investigación: materiais compostos de fibra de carbono (incluíndo materiais compostos reforzados con fibra de carbono, materiais compostos de matriz polimérica, etc.), investigación de propiedades mecánicas, análise de elementos finitos, nanotubos de carbono, delaminación, reforzo, fatiga, microestrutura, fiación electrostática, tratamento superficial, adsorción, etc. Os artigos que tratan estas palabras clave representan o 38,8 % do número total de artigos.
As patentes de invención de fibra de carbono abarcan a maioría dos temas relacionados coa preparación de fibra de carbono, equipos de produción e materiais compostos. Entre elas, as xaponesas Toray, Mitsubishi Liyang, Teijin e outras empresas no campo dos "compostos poliméricos reforzados con fibra de carbono" no importante deseño técnico, ademais, Toray e Mitsubishi Liyang en "produción de fibra de carbono de poliacrilonitrilo e equipos de produción", "con nitrilo insaturado, como poliacrilonitrilo, produción de fibra de carbono de etileno e cianuro de polivinilideno" e outras tecnoloxías teñen unha gran proporción do deseño de patentes, e a empresa xaponesa Teijin en "compostos de fibra de carbono e compostos de osíxeno" ten unha maior proporción do deseño de patentes.
O Grupo China Sinopec, a Universidade Química de Pequín e os materiais de Ningbo da Academia Chinesa de Ciencias teñen unha gran proporción do deseño de patentes na "produción de poliacrilonitrilo de fibra de carbono e equipos de produción"; ademais, a Universidade de Enxeñaría Química de Pequín, o Instituto Químico do Carbón de Shanxi da Academia Chinesa de Ciencias e o deseño clave de materiais de Ningbo da Academia Chinesa de Ciencias "Uso de fibra de elementos inorgánicos como ingredientes da preparación de compostos poliméricos" céntranse no deseño de "tratamento de fibra de carbono", "compostos de fibra de carbono e compostos que conteñen osíxeno" e outras tecnoloxías.
Ademais, a partir das estatísticas anuais de distribución estatística das patentes globais, consíguese que nos últimos tres anos comezaron a xurdir unha serie de novos puntos críticos, como: "Composicións de poliamidas obtidas a partir da formación dunha reacción de enlace carboxilato na cadea principal", "composicións de poliéster a partir da formación de enlaces éster de ácido carboxílico 1 na cadea principal", "material composto baseado en materiais sintéticos", "ácido carboxílico cíclico que contén compostos de osíxeno como ingredientes de materiais compostos de fibra de carbono", "en forma tridimensional de solidificación ou tratamento de materiais téxtiles", "éter insaturado, acetal, semiacetal, cetona ou aldehido a través só da reacción de enlace insaturado carbono-carbono para a produción de compostos poliméricos", "tubo ou cable de material adiabático", "compostos de fibra de carbono con ésteres de fosfato como ingredientes" e así sucesivamente.
Nos últimos anos, xurdiu I+D no sector da fibra de carbono, e a maioría dos avances proceden dos Estados Unidos e do Xapón. As últimas tecnoloxías de vangarda céntranse non só na tecnoloxía de produción e preparación de fibra de carbono, senón tamén en aplicacións nunha gama máis ampla de materiais para automoción, como materiais lixeiros, impresión 3D e xeración de enerxía. Ademais, a reciclaxe e o reciclado de materiais de fibra de carbono, a preparación de fibra de carbono de lignina de madeira e outros logros teñen un rendemento brillante. Os resultados representativos descríbense a continuación:
1) O Instituto Tecnolóxico de Xeorxia dos Estados Unidos aposta polas tecnoloxías de fibra de carbono de terceira xeración
En xullo de 2015, con financiamento de DARPA, o Instituto Tecnolóxico de Xeorxia, coa súa innovadora técnica de fiación de xel de fibra de carbono baseada en tixolas, aumentou significativamente o seu módulo, superando a fibra de carbono Hershey IM7, que agora se usa amplamente en avións militares, converténdose no segundo país do mundo en dominar a terceira xeración de tecnoloxía de fibra de carbono despois do Xapón.
A resistencia á tracción da fibra de carbono de fiación en xel fabricada por Kumarz alcanza entre 5,5 e 5,8 Gpa, e o módulo de tracción está entre 354 e 375 gpa. "Esta é a fibra continua que se rexistrou coa maior resistencia e módulo de rendemento integral. No feixe de filamentos curtos, a resistencia á tracción de ata 12,1 Gpa é a mesma que a fibra de carbono de poliacrilonitrilo máis alta".
2) Tecnoloxía de quentamento por ondas electromagnéticas
En 2014, Nedo desenvolveu a tecnoloxía de quentamento por ondas electromagnéticas. A tecnoloxía de carbonización por ondas electromagnéticas refírese ao uso da tecnoloxía de quentamento por ondas electromagnéticas para carbonizar a fibra a presión atmosférica. O rendemento da fibra de carbono obtido é basicamente o mesmo que o da fibra de carbono producida por quentamento a alta temperatura, o módulo elástico pode alcanzar máis de 240 GPA e o alongamento á rotura é superior ao 1,5 %, o que supón o primeiro éxito a nivel mundial.
O material fibroso carbonizase mediante ondas electromagnéticas, de xeito que non se precisa o equipo de forno de carbonización empregado para o quecemento a alta temperatura. Este proceso non só reduce o tempo necesario para a carbonización, senón que tamén reduce o consumo de enerxía e as emisións de CO2.
3) control preciso do proceso de carbonización
En marzo de 2014, Toray anunciou o desenvolvemento exitoso da fibra de carbono t1100g. Toray emprega a tecnoloxía tradicional de fiación en solución de pan para controlar con precisión o proceso de carbonización, mellorar a microestrutura da fibra de carbono a nanoescala, controlar a orientación microcristalina do grafito, o tamaño microcristalino, os defectos, etc., na fibra despois da carbonización, de xeito que se poidan mellorar considerablemente a resistencia e o módulo de elasticidade. A resistencia á tracción da t1100g é de 6,6 GPa, un 12 % maior que a da T800, e o módulo de elasticidade é de 324 GPa e aumentou un 10 %, o que a converte nunha fibra que xa está en fase de industrialización.
4) Tecnoloxía de tratamento de superficies
A Universidade Estatal de Teijin Leste desenvolveu con éxito unha tecnoloxía de tratamento de superficies por plasma que pode controlar a aparencia da fibra de carbono en só uns segundos. Esta nova tecnoloxía simplifica significativamente todo o proceso de produción e reduce o consumo de enerxía nun 50 % en comparación coa tecnoloxía de tratamento de superficies existente para solucións acuosas de electrolitos. Ademais, despois do tratamento con plasma, comprobouse que a adhesión da fibra e a matriz de resina tamén mellorara.
5) estudo sobre a taxa de retención da resistencia á tracción da fibra de carbono nun ambiente de grafito a alta temperatura
Os materiais de Ningbo levaron a cabo con éxito un estudo detallado sobre a análise de procesos, a investigación estrutural e a optimización do rendemento da fibra de carbono doméstica de alta resistencia e modo alto, especialmente o traballo de investigación sobre a taxa de retención da resistencia á tracción da fibra de carbono en ambientes de grafito de alta temperatura e a recente preparación exitosa de fibra de carbono de alta resistencia e módulo superior cunha resistencia á tracción de 5,24 GPa e un volume de módulo de tracción de 593 GPa. Continúa a ter a vantaxe da resistencia á tracción en comparación coa fibra de carbono altamente moldeada de alta resistencia Toray m60j do Xapón (resistencia á tracción de 3,92 GPa, módulo de tracción de 588 GPa).
6) Grafito de microondas
Yongda Advanced Materials desenvolveu con éxito a tecnoloxía de grafito de temperatura ultraalta patentada exclusiva dos Estados Unidos para a produción de fibra de carbono de orde media e superior, superando con éxito tres obstáculos no desenvolvemento da fibra de carbono de orde superior: os equipos de grafito son caros e están baixo control internacional, as dificultades da tecnoloxía química da seda crua e o rendemento da produción é baixo e alto custo. Ata o de agora, Yongda desenvolveu 3 tipos de fibras de carbono, todas as cales elevaron a resistencia e o módulo da fibra de carbono orixinal de grao relativamente baixo a unha nova altura.
7) Novo proceso de fusión e fiado de arame en bruto de fibra de carbono a base de cubeta por Fraunhofer, Alemaña
O Instituto Fraunhofer de Polímeros Aplicados (Applied Polymer Research, IAP) anunciou recentemente que presentará a última tecnoloxía de Comcarbon na Feira Aérea de Berlín (ILA) os días 25 e 29 de abril de 2018. Esta tecnoloxía reduce considerablemente o custo de produción da fibra de carbono producida en masa.
Fig. 4 Fundición de arame en bruto.
É ben sabido que nos procesos tradicionais, a metade do custo de produción da fibra de carbono a base de pan consúmese no proceso de produción de fío en bruto. Dada a incapacidade do fío en bruto para fundirse, debe producirse mediante un custoso proceso de fiado en solución (Fiado en solución). "Con este fin, desenvolvemos un novo proceso para a produción de seda en bruto a base de pan, que pode reducir o custo de produción do fío en bruto nun 60 %. Este é un proceso de fiado por fusión económico e viable, utilizando un copolímero a base de pan fundido especialmente desenvolvido", explicou o Dr. Johannes Ganster, ministro de Polímeros Biolóxicos do Instituto Fraunhofer IAP.
8) Tecnoloxía de oxidación por plasma
4M Carbon fiber anunciou que empregará a tecnoloxía de oxidación por plasma para fabricar e vender fibra de carbono de alta calidade e baixo custo como un enfoque estratéxico, non só para licenciar a tecnoloxía. 4M afirma que a tecnoloxía de oxidación por plasma é 3 veces máis rápida que a tecnoloxía de oxidación convencional, mentres que o uso de enerxía é inferior a un terzo da tecnoloxía tradicional. E as afirmacións foron validadas por moitos produtores internacionais de fibra de carbono, que están a consultar con varios dos maiores fabricantes de fibra de carbono e fabricantes de automóbiles do mundo para participar como iniciadores da produción de fibras de carbono de baixo custo.
9) Nanofibra de celulosa
A Universidade de Quioto do Xapón, xunto con varios provedores importantes de compoñentes, como a empresa de instalacións eléctricas (o maior provedor de Toyota) e Daikyonishikawa Corp., está a traballar no desenvolvemento de materiais plásticos que combinan nanofibras de celulosa. Este material fabrícase rompendo a polpa de madeira en poucas micras (1 por cada mil mm). O peso do novo material é só unha quinta parte do peso do aceiro, pero a súa resistencia é cinco veces maior que a do aceiro.
10) corpo frontal de fibra de carbono de materias primas de poliolefina e lignina
O Laboratorio Nacional Oak Ridge dos Estados Unidos leva traballando na investigación da fibra de carbono de baixo custo desde 2007 e desenvolveu corpos frontais de fibra de carbono para materias primas de poliolefina e lignina, así como tecnoloxías avanzadas de preoxidación por plasma e carbonización por microondas.
11) O novo polímero (polímero precursor) foi desenvolvido eliminando o tratamento refractario
No método de fabricación dirixido pola Universidade de Toquio, desenvolveuse un novo polímero (polímero precursor) para eliminar o tratamento refractario. O punto principal é que, despois de fiar o polímero en seda, non se realiza o tratamento refractario orixinal, senón que se oxida no disolvente. O dispositivo de quecemento por microondas quéntase entón a máis de 1000 ℃ para a carbonización. O tempo de quecemento leva só 2-3 minutos. Despois do tratamento de carbonización, tamén se usa plasma para levar a cabo o tratamento superficial, de xeito que se poida fabricar fibra de carbono. O tratamento con plasma leva menos de 2 minutos. Deste xeito, o tempo de sinterización orixinal de 30-60 minutos pódese reducir a uns 5 minutos. No novo método de fabricación, o tratamento con plasma lévase a cabo para mellorar a unión entre a fibra de carbono e a resina termoplástica como material base CFRP. O módulo de elasticidade á tracción da fibra de carbono fabricada polo novo método de fabricación é de 240 GPa, a resistencia á tracción é de 3,5 GPa e o alongamento alcanza o 1,5 %. Estes valores son o mesmo nivel que a fibra de carbono Toray Universal Grade T300 utilizada para artigos deportivos, etc.
12) reciclaxe e utilización de materiais de fibra de carbono mediante procesos de leito fluidizado
Mengran Meng, a primeira autora do estudo, afirmou: «A recuperación da fibra de carbono reduce o impacto no medio ambiente en comparación coa produción de fibra de carbono en bruto, pero existe un coñecemento limitado das posibles tecnoloxías de reciclaxe e da viabilidade económica da reciclaxe da fibra de carbono. A reciclaxe consta de dúas etapas: as fibras deben recuperarse primeiro dos materiais compostos de fibra de carbono e descompoñerse termicamente mediante materiais de moenda mecánica ou mediante procesos de pirólise ou leito fluidizado. Estes métodos eliminan a parte plástica do material composto, deixando fibra de carbono, que logo se pode converter en esteras de fibra enmarañada mediante tecnoloxía de fabricación de papel húmido ou reorganizarse en fibras direccionais».
Os investigadores calcularon que a fibra de carbono podería recuperarse a partir de residuos compostos de fibra de carbono mediante un proceso de leito fluidizado, o que só require 5 dólares/kg e menos do 10 % da enerxía necesaria para fabricar a fibra de carbono primaria. As fibras de carbono recicladas producidas por procesos de leito fluidizado apenas reducen o módulo e a resistencia á tracción redúcese entre un 18 % e un 50 % en relación coas fibras de carbono primarias, o que as fai axeitadas para aplicacións que requiren alta rixidez en lugar de resistencia. «As fibras de carbono recicladas poden ser axeitadas para aplicacións non estruturais que requiren peso lixeiro, como as industrias automobilística, da construción, eólica e deportiva», dixo Meng.
13) Nova tecnoloxía de reciclaxe de fibra de carbono desenvolvida nos Estados Unidos
En xuño de 2016, investigadores do Instituto Tecnolóxico de Xeorxia nos Estados Unidos empaparon fibra de carbono nun solvente que contiña alcohol para disolver a resina epoxi. As fibras e resinas epoxi separadas pódense reutilizar, o que permitiu a recuperación exitosa da fibra de carbono.
En xullo de 2017, a Universidade Estatal de Washington tamén desenvolveu unha tecnoloxía de recuperación de fibra de carbono, utilizando ácido débil como catalizador, o uso de etanol líquido a temperaturas relativamente baixas para descompoñer materiais termoestables, a fibra de carbono descomposta e a resina consérvanse por separado e pódense reproducir.
14) Desenvolvemento da tecnoloxía de tinta de fibra de carbono para impresión 3D no laboratorio LLNL, EUA
En marzo de 2017, o Laboratorio Nacional Lawrence Livemore (LLNL) dos Estados Unidos desenvolveu os primeiros materiais compostos de fibra de carbono de alto rendemento e de grao aeronáutico impresos en 3D. Empregaron un método de impresión 3D de transmisión directa de tinta (DIW) para crear estruturas tridimensionais complexas que melloraron considerablemente a velocidade de procesamento para o seu uso na industria automotriz, aeroespacial, de defensa, de motociclismo e surf.
15) Os Estados Unidos, Corea e China cooperan no desenvolvemento da fibra de carbono para a xeración de enerxía
En agosto de 2017, o campus de Dallas da Universidade de Texas, a Universidade de Hanyang en Corea, a Universidade de Nankai en China e outras institucións colaboraron no desenvolvemento dun material de fío de fibra de carbono para a xeración de enerxía. O fío mergúllase primeiro en solucións electrolíticas como a salmoira, o que permite que os ións do electrolito se unan á superficie dos nanotubos de carbono, que se poden converter en enerxía eléctrica cando o fío se tensa ou estira. O material pódese usar en calquera lugar con enerxía cinética fiable e é axeitado para fornecer enerxía a sensores de IoT.
16) Novos avances na investigación da fibra de carbono da lignina da madeira obtida por chineses e estadounidenses respectivamente
En marzo de 2017, o equipo especializado en fibras do Instituto de Tecnoloxía e Enxeñaría de Materiais de Ningbo preparou un copolímero de lignina-acrilonitrilo con boa fiabilidade e estabilidade térmica mediante a tecnoloxía de modificación en dous pasos de esterificación e copolimerización por radicais libres. Obtivéronse filamentos continuos de alta calidade mediante o proceso de copolímero e fiación húmida, e a fibra de carbono compacta recibiuse despois do tratamento de estabilización térmica e carbonización.
En agosto de 2017, o equipo de investigación de Birgitte Ahring da Universidade de Washington, nos Estados Unidos, mesturou lignina e poliacrilonitrilo en diferentes proporcións e, a continuación, empregou a tecnoloxía de fiado por fusión para converter os polímeros mesturados en fibras de carbono. O estudo descubriu que a lignina engadida ao 20 %∼30 % non afectaba á resistencia da fibra de carbono e esperábase que se utilizase na produción de materiais de fibra de carbono de menor custo para pezas de automóbiles ou aeronaves.
A finais de 2017, o Laboratorio Nacional de Enerxías Renovables (NREL) publicou unha investigación sobre a fabricación de acrilonitrilo utilizando partes residuais de plantas, como a palla de millo e a palla de trigo. Primeiro descompoñen os materiais vexetais en azucre e despois convértenos en ácidos, e combínanos con catalizadores baratos para producir produtos obxectivo.
17) O Xapón desenvolve o primeiro chasis de automóbil composto termoplástico reforzado con fibra de carbono
En outubro de 2017, a Axencia de I+D integrada pola nova tecnoloxía da industria enerxética do Xapón e o Centro Nacional de Investigación de Compostos da Universidade de Nagoya desenvolveron con éxito o primeiro chasis de automóbiles compostos termoplásticos reforzados con fibra de carbono do mundo. Utilizaron un proceso automático de moldeo en liña directo de compostos termoplásticos reforzados con fibra longa, mesturando continuamente partículas de fibra de carbono e resina termoplástica, fabricando compostos reforzados con fibra e, a continuación, mediante conexión de quecemento e fusión, producindo con éxito chasis de automóbiles CFRP termoplástico.
5. Suxestións sobre I+D da tecnoloxía da fibra de carbono na China
5.1 Deseño con visión de futuro, orientado a obxectivos, centrado en romper coa terceira xeración da tecnoloxía de fibra de carbono
A tecnoloxía de fibra de carbono de segunda xeración de China aínda non é un avance completo. O noso país debería tentar ter un deseño con visión de futuro que reúna as nosas institucións de investigación relevantes, centradas na captura de tecnoloxías clave, o foco da investigación e desenvolvemento de tecnoloxía de preparación de fibra de carbono de alto rendemento da terceira xeración (é dicir, aplicable á tecnoloxía de fibra de carbono de alta resistencia e alto módulo aeroespacial) e o desenvolvemento da tecnoloxía de materiais compostos de fibra de carbono, incluíndo a preparación de fibra de carbono de remolques grandes lixeiros e de baixo custo, a tecnoloxía de fabricación aditiva de materiais compostos de fibra de carbono, a tecnoloxía de reciclaxe e as tecnoloxías de prototipado rápido.
5.2 Organización coordinadora, fortalecemento do apoio, posta en marcha de grandes proxectos técnicos para apoiar continuamente a investigación colaborativa
Na actualidade, existen moitas institucións que levan a cabo investigacións sobre fibra de carbono en China, pero o poder está disperso e non existe un mecanismo unificado de organización de I+D nin un forte apoio financeiro para unha coordinación eficaz. A xulgar pola experiencia de desenvolvemento dos países avanzados, a organización e o deseño dos grandes proxectos xogan un papel importante na promoción do desenvolvemento deste campo técnico. Deberíamos centrarnos na forza de I+D de China, tendo en conta o avance da tecnoloxía de I+D na fibra de carbono de China para iniciar grandes proxectos, fortalecer a innovación tecnolóxica colaborativa e promover constantemente o nivel tecnolóxico de investigación de fibra de carbono de China, a competencia pola fibra de carbono e os materiais compostos internacionais.
5.3 Mellora do mecanismo de avaliación da orientación ao efecto da aplicación dos logros técnicos
Desde o punto de vista da análise econométrica dos artigos SCI, a fibra de carbono chinesa úsase como material de alto rendemento en diversos campos de investigación, pero para a tecnoloxía de produción e preparación de fibra de carbono, céntrase especialmente na redución de custos e na mellora da eficiencia da produción, o que require menos investigación. O proceso de produción de fibra de carbono é longo, os puntos clave da tecnoloxía e as altas barreiras de produción requiren unha integración multidisciplinar e multitecnolóxica. É necesario superar os obstáculos técnicos para promover eficazmente a investigación e o desenvolvemento de tecnoloxía de preparación de núcleos de "baixo custo e alto rendemento". Por unha banda, é necesario fortalecer o investimento en investigación e, por outra banda, é necesario debilitar o campo da avaliación do rendemento da investigación científica, fortalecer a orientación da avaliación do efecto da aplicación dos logros técnicos e pasar da avaliación "cuantitativa", que presta atención á publicación do artigo, á avaliación da "calidade" do valor dos resultados.
5.4 Fortalecemento do cultivo de talentos compostos de tecnoloxía de vangarda
O atributo de alta tecnoloxía da tecnoloxía da fibra de carbono determina a importancia dos talentos especializados; se estes contan con persoal técnico central de vangarda, isto determina directamente o nivel de I+D dunha institución.
Como resultado das conexións de I+D da tecnoloxía da fibra de carbono, debemos prestar atención á formación do persoal dos compostos para garantir a coordinación e o desenvolvemento de todas as conexións. Ademais, desde a historia do desenvolvemento da investigación da fibra de carbono en China, o fluxo de expertos en tecnoloxía central adoita ser un factor clave que afecta o nivel de I+D dunha institución de investigación. Manter a fixación dos expertos principais e dos equipos de I+D nos procesos de produción, nos compostos e nos principais produtos é importante para as actualizacións tecnolóxicas continuas.
Deberíamos seguir reforzando a formación e o uso de persoal especializado de alta tecnoloxía neste campo, mellorar a política de avaliación e tratamento dos talentos de I+D tecnolóxico, fortalecer o cultivo de novos talentos, apoiar activamente a cooperación e os intercambios con institucións estranxeiras de I+D avanzada e introducir vigorosamente talentos avanzados estranxeiros, etc. Isto xogará un papel importante na promoción do desenvolvemento da investigación en fibra de carbono na China.
Citado de-
Análise sobre o desenvolvemento da tecnoloxía global da fibra de carbono e a súa introdución na China. Tian Yajuan, Zhang Zhiqiang, Tao Cheng, Yang Ming, Ba Jin, Chen Yunwei.I+D científico-tecnolóxico mundial.2018
Data de publicación: 04-12-2018