A szénszál egy szervetlen polimer szál, amely új, szervetlen anyag, amelynek széntartalma meghaladja a 95%-ot, alacsony sűrűségű, nagy szilárdságú, magas hőmérsékleti ellenállású, magas kémiai stabilitású, fáradásgátló, kopásálló törlési és egyéb kiváló alapvető fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkezik, valamint magas rezgéscsillapítással, jó hővezető képességgel, elektromágneses árnyékolással és alacsony hőtágulási együtthatóval rendelkezik. Ezek a kiváló tulajdonságok széles körben alkalmazzák a szénszálat a repülőgépiparban, a vasúti közlekedésben, a járműgyártásban, a fegyverek és berendezések gyártásában, az építőipari gépek gyártásában, az infrastruktúra-építésben, a hajóépítésben, a kőolajiparban, a szélenergiában, a sportfelszerelések gyártásában és más területeken.
A szénszálas anyagok nemzeti stratégiai szükségletei alapján Kína a feltörekvő iparágak egyik legfontosabb technológiájaként tartja számon, amelyek támogatásra összpontosítanak. A nemzeti „Tizenkétöt” tudományos és technológiai tervezésben a nagy teljesítményű szénszál előkészítési és alkalmazási technológiája az állam által támogatott stratégiai feltörekvő iparágak egyik legfontosabb technológiája. 2015 májusában az Államtanács hivatalosan is közzétette a „Made in China 2025” programot, amely az új anyagok erőteljes népszerűsítésének és fejlesztésének egyik kulcsfontosságú területét jelölte meg, beleértve a nagy teljesítményű szerkezeti anyagokat, a fejlett kompozitokat, amelyek az új anyagok területén a fejlesztés középpontjában állnak. 2015 októberében az Ipari és Információs Ipari Minisztérium hivatalosan is közzétette a „Kínai Gyártás 2025 kulcsfontosságú területeinek technológiai ütemtervét”, amelyben a „nagy teljesítményű szál és kompozitjai” kulcsfontosságú stratégiai anyagként szerepelnek, a 2020-as cél pedig az, hogy „a hazai szénszálas kompozitok megfeleljenek a nagy repülőgépek és más fontos berendezések műszaki követelményeinek”. 2016 novemberében az Államtanács kiadta a „Tizenháromöt” nemzeti stratégiai feltörekvő iparágak fejlesztési tervét, amely egyértelműen rámutatott az új anyagok iparágának upstream és downstream együttműködésének megerősítésére a szénszálas kompozitok és más területeken, az együttműködésen alapuló alkalmazási kísérleti demonstrációk végrehajtására, egy együttműködésen alapuló alkalmazási platform kiépítésére. 2017 januárjában az Ipari és Fejlesztési Minisztérium, az NDRC, a tudományos és technológiai minisztérium, valamint a Pénzügyminisztérium közösen kidolgozta az „Új anyagok iparágainak fejlesztésére vonatkozó útmutatót”, és azt javasolta, hogy 2020-tól „a szénszálas kompozitok, a kiváló minőségű speciális acél, a fejlett könnyűfém anyagok és más területek területén több mint 70 kulcsfontosságú új anyag iparosítását és alkalmazását érjék el, és olyan folyamatberendezés-támogatási rendszert építsenek ki, amely megfelel Kína új anyagok iparágának fejlettségi szintjének”.
Mivel a szénszál és kompozitjai fontos szerepet játszanak a nemzetvédelemben és az emberek megélhetésében, számos szakértő összpontosít a fejlesztésükre és a kutatási trendek elemzésére. Dr. Zhou Hong áttekintette az amerikai tudósok tudományos és technológiai hozzájárulásait a nagy teljesítményű szénszálas technológia fejlesztésének korai szakaszában, és áttekintette és beszámolt a szénszál 16 fő alkalmazásáról és legújabb technológiai fejlesztéseiről. A poliakrilnitril szénszál gyártástechnológiáját, tulajdonságait és alkalmazását, valamint jelenlegi technológiai fejlődését Dr. Wei Xin stb. áttekintette. Emellett konstruktív javaslatokat is megfogalmaz a szénszál Kínában történő fejlesztésében fennálló problémákra. Emellett sokan végeztek kutatásokat a szénszál és kompozitjai területén megjelent cikkek és szabadalmak metrológiai elemzésével kapcsolatban. Például Ma Xianglin és mások a metrológia szempontjából vizsgálták az 1998-2017 közötti szénszálas szabadalmak elosztását és alkalmazását az elemzés területén; Yang Sisi és mások az innográfiai platformon alapuló globális szénszálas szövet szabadalmi keresési és adatstatisztikákat elemezték a szabadalmak, a szabadalmasok, a szabadalmi technológiai hotspot és a technológia alapvető szabadalmának éves fejlődési trendje alapján.
A szénszálas kutatás és fejlesztés szempontjából Kína kutatása szinte szinkronban van a világgal, de a fejlődés lassú, a nagy teljesítményű szénszálak gyártási volumene és minősége elmarad a külföldi országokétól, ezért sürgősen fel kell gyorsítani a K+F folyamatot, elő kell mozdítani a stratégiai elrendezést, és meg kell ragadni a jövőbeli iparági fejlődési lehetőségeket. Ezért ez a tanulmány először is a szénszálas kutatás területén működő országok projektjeinek elrendezését vizsgálja, hogy megértse a különböző országok K+F útvonalainak tervezését, másodszor pedig, mivel a szénszál alapkutatása és alkalmazáskutatása nagyon fontos a szénszál műszaki kutatása és fejlesztése szempontjából, metrológiai elemzést végzünk az akadémiai kutatási eredmények, az SCI cikkek és az alkalmazott kutatási eredmények, valamint a szabadalmak alapján, hogy átfogó képet kapjunk a szénszálas kutatás-fejlesztési eredményekről, és hogy összevethessük a terület legújabb kutatási fejleményeit a Peep International Frontier K+F előrehaladásával. Végül a fenti kutatási eredmények alapján javaslatokat teszünk a szénszálas kutatás-fejlesztési útvonalra Kínában.
2. C.szénszálkutatási projekt elrendezésefőbb országok/régiók
A szénszál fő termelő országai közé tartozik Japán, az Egyesült Államok, Dél-Korea, néhány európai ország, valamint Tajvan és Kína. A fejlett technológiai országok a szénszálas technológia fejlesztésének korai szakaszában felismerték ennek az anyagnak a fontosságát, stratégiai tervezést végeztek, és erőteljesen támogatták a szénszálas anyagok fejlesztését.
2.1 Japán
Japán a legfejlettebb ország a szénszálas technológia terén. A Toray, a Bong és a Mitsubishi Liyang nevű japán vállalat a szénszálgyártás globális piaci részesedésének körülbelül 70–80%-át teszi ki. Japán ennek ellenére nagy hangsúlyt fektet arra, hogy megőrizze erősségeit ezen a területen, különösen a nagy teljesítményű, pan-alapú szénszálak, valamint az energia- és környezetbarát technológiák fejlesztését, erős emberi és pénzügyi támogatással, és számos alapvető politikában, beleértve az alapvető energiatervet, a gazdasági növekedés stratégiai vázlatát és a Kiotói Jegyzőkönyvet, ezt stratégiai projektté tette, amelyet elő kell mozdítani. Az alapvető nemzeti energia- és környezetvédelmi politikára alapozva a japán Gazdasági, Ipari és Vagyonügyi Minisztérium benyújtotta az „Energiatakarékos Technológiai Kutatási és Fejlesztési Programot”. A fenti politika támogatásával a japán szénszálas iparág hatékonyabban tudta központosítani az erőforrások minden aspektusát, és előmozdítani a szénszálas iparágban felmerülő közös problémák megoldását.
A „Technológiafejlesztés, például innovatív új szerkezeti anyagok” (2013-2022) egy japán „Jövőbeli fejlesztési kutatási projekt” keretében megvalósított projekt, amelynek célja a szükséges innovatív szerkezeti anyagtechnológia és a különböző anyagok kombinációjának jelentős fejlesztése, azzal a fő céllal, hogy csökkentse a közlekedési eszközök könnyűsúlyát (a személygépkocsi súlyának felére). Végül pedig megvalósítsa a gyakorlati alkalmazást. Miután 2014-ben átvette a kutatási és fejlesztési projektet, az Ipari Technológiai Fejlesztési Ügynökség (NEDO) több alprojektet dolgozott ki, amelyekben az „Innovatív szénszálas alapkutatás és fejlesztés” szénszálas kutatási projekt átfogó célkitűzései a következők voltak: új szénszál prekurzor vegyületek fejlesztése; a karbonizációs szerkezetek képződési mechanizmusának tisztázása; valamint a szénszálak értékelési módszereinek kidolgozása és szabványosítása. A Tokiói Egyetem által vezetett és az Ipari Technológiai Intézet (NEDO), a Toray, a Teijin, a Dongyuan és a Mitsubishi Liyang közösen megvalósított projekt jelentős előrelépést ért el 2016 januárjában, és újabb jelentős áttörést jelent a pan-alapú szénszálak területén az 1959-es japán „Kondo-mód” feltalálását követően.
2.2 Egyesült Államok
Az amerikai védelmi előkutatási ügynökség (DARPA) 2006-ban indította el az Advanced Structural Fiber projektet azzal a céllal, hogy összefogja az ország meghatározó tudományos kutatóerejét a szénszálakon alapuló következő generációs szerkezeti szálak fejlesztése érdekében. A projekt támogatásával az egyesült államokbeli Georgia Institute of Technology kutatócsoportja 2015-ben áttörést ért el a nyershuzal-előkészítési technológiában, 30%-kal növelve annak rugalmassági modulusát, ezzel az Egyesült Államokat a szénszálak harmadik generációjának fejlesztési kapacitásával jelölve meg.
2014-ben az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma (DOE) 11,3 millió dolláros támogatást jelentett be két projektre, amelyek a "nem ehető biomassza-cukrok akrilnitrillé alakítására szolgáló többlépcsős katalitikus folyamatok" és a "biomassza-termelésből származó akrilnitril kutatása és optimalizálása" témákban foglalkoztak a mezőgazdasági maradványok felhasználásának előmozdítása érdekében. Kutatásokat folytattak a költségversenyképes, megújuló, nagy teljesítményű szénszálas anyagokról megújuló, nem élelmiszer-alapú nyersanyagok, például fás biomassza előállításához, valamint terveket tettek a biomasszából származó megújuló szénszálak előállítási költségének 2020-ra 5 dollár/font alá csökkentésére.
2017 márciusában az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma ismét 3,74 millió dolláros finanszírozást jelentett be egy, a Nyugat-amerikai Intézet (WRI) által vezetett „alacsony költségű szénszálas alkatrészek kutatás-fejlesztési projektjére”, amelynek középpontjában az alacsony költségű szénszálas alkatrészek fejlesztése áll olyan erőforrások felhasználásával, mint a szén és a biomassza.
2017 júliusában az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma 19,4 millió dolláros finanszírozást jelentett be a fejlett, energiahatékony járművek kutatásának és fejlesztésének támogatására, amelyből 6,7 millió dollárt alacsony költségű szénszálak előállítására használnak fel számítógépes anyagok felhasználásával, beleértve az integrált számítógépes technológia többléptékű értékelési módszereinek fejlesztését az új szénszál-prekurzorok lelkesedésének felmérésére. Fejlett molekuláris dinamikával segített sűrűségfunkcionál-elméletet, gépi tanulást és egyéb eszközöket használnak a legmodernebb számítógépes eszközök fejlesztéséhez az alacsony költségű szénszálas alapanyagok kiválasztási hatékonyságának javítása érdekében.
2.3 Európa
Az európai szénszálas iparág Japánban és az Egyesült Államokban fejlődött ki a 20. század hetvenes-nyolcvanas éveiben, de a technológia és a tőke hiánya miatt sok, egyetlen szénszálat gyártó vállalat nem tudta tartani magát a szénszálak iránti kereslet 2000 év utáni magas növekedési időszakához, és eltűnt. A német SGL vállalat az egyetlen olyan vállalat Európában, amely a világ szénszálas piacának jelentős részesedésével rendelkezik.
2011 novemberében az Európai Unió elindította az Eucarbon Projektet, amelynek célja az európai gyártási kapacitások korszerűsítése a szénszálak és az előre impregnált repülőgépipari anyagok terén. A projekt 4 évig tartott, teljes beruházása 3,2 millió euró volt, és 2017 májusában sikeresen létrehozta Európa első speciális szénszálas gyártósorát űralkalmazásokhoz, például műholdakhoz, lehetővé téve ezáltal Európa számára, hogy megszabaduljon a termékimport-függőségétől, és biztosítsa az anyagellátás biztonságát.
Az EU hetedik keretprogramja 6,08 millió euróval tervezi támogatni a „funkcionális szénszál egy költséghatékony és kezelhető teljesítményű új prekurzor rendszer előkészítésében” (FIBRALSPEC) projektet (2014-2017). A görögországi Athéni Nemzeti Műszaki Egyetem által vezetett, négyéves projekt, amelyben olyan multinacionális vállalatok vesznek részt, mint Olaszország, az Egyesült Királyság és Ukrajna, a poliakrilnitril alapú szénszálak folyamatos előállításának folyamatának innovációjára és fejlesztésére összpontosít, hogy kísérleti úton előállítsák a folyamatosan előállított, serpenyőalapú szénszálakat. A projekt sikeresen befejezte a szénszál és a továbbfejlesztett kompozit technológia fejlesztését és alkalmazását megújuló szerves polimer erőforrásokból (például szuperkondenzátorok, gyors vészhelyzeti menedékhelyek, valamint prototípus mechanikus elektromos forgó bevonógépek és nanoszálak gyártósorának fejlesztése stb.).
Egyre több ipari ágazat, mint például az autóipar, a szélenergia és a hajógyártás, igényel könnyű, nagy teljesítményű kompozitokat, ami hatalmas potenciális piacot jelent a szénszálas ipar számára. Az EU 5,968 millió eurót fektet be a Carboprec projekt (2014-2017) elindításába, amelynek stratégiai célja alacsony költségű prekurzorok fejlesztése megújuló anyagokból, amelyek széles körben jelen vannak Európában, valamint a nagy teljesítményű szénszálak előállításának fokozása szén nanocsövek segítségével.
Az Európai Unió Cleansky II kutatási programja finanszírozott egy „Kompozit gumiabroncs K+F” projektet (2017), amelyet a németországi Fraunhofer Termelési és Rendszermegbízhatósági Intézet (LBF) vezetett, és amelynek célja az Airbus A320 szénszálas erősítésű kompozit repülőgépének első kerékalkatrészeinek fejlesztése. A cél a hagyományos fém anyagokhoz képest 40%-os súlycsökkentés. A projekt finanszírozását körülbelül 200 000 euró teszi ki.
2.4 Korea
Dél-Korea szénszálas K+F és iparosítása későn indult, a K+F 2006-ban kezdődött, és 2013-ban hivatalosan is a gyakorlati szakaszba lépett, ezzel megfordítva a koreai szénszál importfüggőségét. A dél-koreai helyi xiaoxing csoport és a Taiguang Business, mint az iparág úttörő képviselője, aktívan részt vesz a szénszálas ipar elrendezésében, lendületes fejlődést mutat. Ezenkívül a Toray Japan által Koreában létrehozott szénszálas gyártóbázis is hozzájárult a koreai szénszálas piachoz.
A koreai kormány úgy döntött, hogy a xiaoxing csoportot teszi gyűjtőhellyé a szénszálas innovatív iparágak számára. A cél egy szénszálas anyagipari klaszter létrehozása, egy kreatív gazdasági ökoszisztéma fejlődésének előmozdítása az egész északi régióban, a végső cél egyablakos szénszálas anyag → alkatrészek → késztermék termelési lánc kialakítása, egy szénszálas inkubációs klaszter létrehozása, amely az Egyesült Államok Szilícium-völgyéhez hasonlítható, új piacokat tár fel, új hozzáadott értéket teremt, és 2020-ra eléri a szénszálas termékek exportjának 10 milliárd dolláros célját (ami körülbelül 55,2 milliárd jüannak felel meg).
3. a globális szénszálas kutatások és kutatási eredmények elemzése
Ez az alfejezet a szénszálas kutatással kapcsolatos SCI-cikkeket és a DII szabadalmi eredményeket mutatja be 2010 óta, annak érdekében, hogy elemezze a globális szénszálas technológia tudományos kutatását és ipari kutatását és fejlesztését, valamint teljes mértékben megértse a szénszálas kutatás és fejlesztés nemzetközi előrehaladását.
A Clarivate Analytics által közzétett Web of Science adatbázisban található Scie és Dewent adatbázisokból származó adatok; lekérdezési időtartomány: 2010-2017; lekérés dátuma: 2018. február 1.
SCI papír-visszakeresési stratégia: Ts=((szénszál* vagy szénszál* vagy ("szénszál*" nem "üvegszál") vagy "szénszál*" vagy "szénfilament*" vagy ((poliakrilnitril vagy szurok) és "prekurzor*" ésszál*) vagy ("grafitszál*")) nem ("bambuszszén")).
Dewent szabadalmi kutatási stratégia: Ti=((szénszál* vagy szénszál* vagy ("Szénszál*" nem "szénüvegszál") vagy "szénszál*" vagy "szénfilament*" vagy ((poliakrilnitril vagy szurok) és "prekurzor*" ésszál*) vagy ("grafitszál*")) nem ("bambuszszén")) vagyTS=((szénszál* vagy szénszál* vagy ("Szénszál*" nem "szénüvegszál") vagy "szénszál*" vagy "szénfilament*" vagy ((poliakrilnitril vagy szurok) és "prekurzor*" ésszál*) vagy ("grafitszál*")) nem ("bambuszszén")) ésIP=(D01F-009/12 vagy D01F-009/127 vagy D01F-009/133 vagy D01F-009/14 vagy D01F-009/145 vagy D01F-009/15 vagy D01F-009/155 vagy D01F-009/16 vagy D01F-009/17 vagy D01F-009/18 vagy D01F-009/20 vagy D01F-009/21 vagy D01F-009/22 vagy D01F-009/24 vagy D01F-009/26 vagy D01F-09/28 vagy D01F-009/30 vagy D01F-009/32 vagy C08K-007/02 vagy C08J-005/04 vagy C04B-035/83 vagy D06M-014/36 vagy D06M-101/40 vagy D21H-013/50 vagy H01H-001/027 vagy H01R-039/24).
3.1 trend
2010 óta világszerte 16 553 releváns publikáció jelent meg, és 26 390 találmányi szabadalmat jelentettek be, amelyek mindegyike évről évre folyamatosan növekvő tendenciát mutat (1. ábra).
3.2 Ország- vagy régióeloszlás
A szénszálas kutatási eredmények tekintetében a 10 legnagyobb globális eredményt hozó intézmény Kínából származik, amelyek közül az első 5 a következő: Kínai Tudományos Akadémia, Harbini Műszaki Intézet, Északnyugati Műszaki Egyetem, Donghua Egyetem, Pekingi Repülési és Űrhajózási Intézet. A külföldi intézmények közül az Indiai Műszaki Intézet, a Tokiói Egyetem, a Bristoli Egyetem, a Monash Egyetem, a Manchesteri Egyetem és a Georgiai Műszaki Intézet a 10-20. helyre sorolható (3. ábra).
A szabadalmi bejelentések száma a top 30 intézményben Japánban 5, ebből 3 az első ötben van. Az első helyen a Toray vállalat áll, ezt követi a Mitsubishi Liyang (2.), a Teijin (4.), az East State (10.) és a Japan Toyo Textile Company (24.). Kínában 21 intézmény található. A legtöbb szabadalommal a Sinopec Group rendelkezik, a harmadik helyen. Másodszor, a Harbini Műszaki Intézet, a Henan Ke Letter kábeltársaság, a Donghua Egyetem, a Kínai Sanghaji Petrolkémiai Gyár, a Pekingi Vegyipari Vállalat stb. következik. A Kínai Tudományos Akadémia Shanxi Szénipari Bejelentése a 66. számú találmányi szabadalommal a 27. helyen áll. Dél-koreai intézményben 2 található, amelyek közül a Xiaoxing Co., Ltd. az első, a 8. helyen áll.
A kibocsátó intézmények, a papírok főként egyetemektől és tudományos kutatóintézetektől származnak, a szabadalmak főként a vállalattól származnak, látható, hogy a szénszálas gyártás egy high-tech iparág, mivel a szénszálas K+F iparfejlesztés fő szerveként a vállalat nagy hangsúlyt fektet a szénszálas K+F technológia védelmére, különösen a két legnagyobb japán vállalat esetében, a szabadalmak száma messze megelőzi azt.
3.4 Kutatási gócpontok
A szénszálas kutatási cikkek a legtöbb kutatási témát lefedik: szénszálas kompozitok (beleértve a szénszállal erősített kompozitokat, a polimer mátrixú kompozitokat stb.), mechanikai tulajdonságok kutatása, végeselemes analízis, szén nanocsövek, delamináció, erősítés, kifáradás, mikroszerkezet, elektrosztatikus szálképzés, felületkezelés, adszorpció stb. Az ezekkel a kulcsszavakkal foglalkozó cikkek a teljes cikkszám 38,8%-át teszik ki.
A szénszálas találmányok szabadalmai a szénszálak előállításával, gyártóberendezésekkel és kompozit anyagokkal kapcsolatos legtöbb témát lefedik. Közülük a Japan Toray, a Mitsubishi Liyang, a Teijin és más vállalatok a "szénszállal erősített polimer vegyületek" területén fontos műszaki megoldásokat találnak, továbbá a Toray és a Mitsubishi Liyang a "Poliakrilnitril szénszál és gyártóberendezések gyártása", a "telítetlen nitril, például poliakrilnitril, polivinilidén-cianid, etilén szénszál gyártása" és más technológiák terén rendelkezik nagy arányú szabadalmi elrendezéssel, míg a japán Teijin vállalat a "szénszál és oxigénvegyület kompozitok" területén rendelkezik nagyobb arányú szabadalmi elrendezéssel.
A China Sinopec Group, a Pekingi Vegyészeti Egyetem és a Kínai Tudományos Akadémia Ningbo Materials vállalata a "poliakrilnitril szénszálak és gyártóberendezések gyártása" területén nagy arányban rendelkezik szabadalmi elrendezéssel; emellett a Pekingi Vegyészmérnöki Egyetem, a Kínai Tudományos Akadémia Shanxi Szénkémiai Intézete és a Kínai Tudományos Akadémia Ningbo Materials vállalat kulcselrendezési technológiája, a "szervetlen elemi szálak felhasználása polimer vegyület előállításának összetevőjeként" a Harbini Műszaki Intézet a "szénszálas kezelés", a "szénszálas és oxigéntartalmú vegyületkompozitok" és más technológiák elrendezésére összpontosít.
Ezenkívül a globális szabadalmak éves statisztikai eloszlási statisztikáiból kiderül, hogy az elmúlt három évben számos új, gócpont kezdett megjelenni, mint például: „A főláncban karboxilátkötési reakció kialakulásával kapott poliamid-összetételek”, „a főláncban 1-karbonsav-észter kötések kialakulásával kapott poliészter-összetételek”, „szintetikus anyagokon alapuló kompozit anyag”, „ciklikus karbonsav-tartalmú oxigénvegyületek szénszálas kompozitok összetevőjeként”, „textilanyagok háromdimenziós megszilárdítása vagy kezelése formájában”, „telítetlen éter, acetál, fél-acetál, keton vagy aldehid kizárólag szén-szén telítetlen kötési reakción keresztül polimer vegyületek előállításához”, „adiabatikus anyag csőben vagy kábelben”, „foszfát-észtereket tartalmazó szénszálas kompozitok összetevőként” és így tovább.
Az elmúlt években a szénszálas szektorban jelentős kutatás-fejlesztés indult el, a legtöbb áttörést az Egyesült Államok és Japán érte el. A legújabb élvonalbeli technológiák nemcsak a szénszálak gyártási és előkészítési technológiájára összpontosítanak, hanem az autóipari anyagok szélesebb körében történő alkalmazására is, mint például a könnyűszerkezetes, 3D nyomtatási és energiatermelő anyagok. Ezenkívül a szénszálas anyagok újrahasznosítása és újrahasznosítása, a fa lignin szénszál előkészítése és más eredmények is kiemelkedő teljesítményt nyújtanak. A reprezentatív eredményeket az alábbiakban ismertetjük:
1) Az amerikai Georgia Institute of Technology áttörést ért el a harmadik generációs szénszálas technológiák terén
2015 júliusában a DARPA finanszírozásával a Georgia Institute of Technology innovatív, serpenyőalapú szénszálas gélfonási technikájával jelentősen megnövelte modulusát, meghaladva a Hershey IM7 szénszálat, amelyet ma már széles körben használnak katonai repülőgépekben, és ezzel Japán után a világon a második ország lett, amely elsajátította a szénszálas technológia harmadik generációját.
A Kumarz által gyártott gélfonó szénszál szakítószilárdsága eléri az 5,5-5,8 Gpa értéket, a szakító modulusa pedig 354-375 gpa között van. „Ez a folytonos szál, amelyről a legnagyobb szilárdsággal és átfogó teljesítménymodulussal számoltak be. A rövid szálú kötegben a szakítószilárdság akár 12,1 Gpa is lehet, ami a legmagasabb poliakrilnitril szénszálé.”
2) Elektromágneses hullámfűtési technológia
2014-ben a Nedo kifejlesztette az elektromágneses hullámfűtési technológiát. Az elektromágneses hullámú karbonizálási technológia elektromágneses hullámfűtési technológia alkalmazását jelenti a szál légköri nyomáson történő karbonizálására. Az így kapott szénszál teljesítménye alapvetően megegyezik a magas hőmérsékletű hevítéssel előállított szénszáléval, a rugalmassági modulus elérheti a 240 GPA-t, a szakadási nyúlás pedig meghaladja az 1,5%-ot, ami világszerte első siker.
A rostszerű anyagot elektromágneses hullámmal karbonizálják, így nincs szükség a magas hőmérsékletű hevítéshez használt karbonizáló kemence berendezésre. Ez a folyamat nemcsak a karbonizáláshoz szükséges időt csökkenti, hanem az energiafogyasztást és a CO2-kibocsátást is csökkenti.
3) a karbonizációs folyamat finomszabályozása
2014 márciusában a Toray bejelentette a t1100g szénszál sikeres kifejlesztését. A Toray a hagyományos serpenyős oldatfonási technológiát alkalmazza a karbonizálási folyamat finomszabályozására, a szénszál nanoskálájú mikroszerkezetének javítására, a grafit mikrokristályos orientációjának, a mikrokristályok méretének, a hibák stb. szabályozására a szálban a karbonizálás után, így a szilárdság és a rugalmassági modulus jelentősen javítható. A t1100g szakítószilárdsága 6,6 GPa, ami 12%-kal magasabb, mint a T800-é, a rugalmassági modulus pedig 324 GPa, ami 10%-os növekedés, ami az iparosodás szakaszába lép.
4) Felületkezelési technológia
A Teijin East State sikeresen kifejlesztett egy plazma felületkezelési technológiát, amely mindössze néhány másodperc alatt képes szabályozni a szénszálak megjelenését. Ez az új technológia jelentősen leegyszerűsíti a teljes gyártási folyamatot, és 50%-kal csökkenti az energiafogyasztást az elektrolit vizes oldatok meglévő felületkezelési technológiájához képest. Ezenkívül a plazmakezelés után azt tapasztalták, hogy a szál és a gyantamátrix tapadása is javult.
5) a szénszál szakítószilárdságának megtartási sebességének vizsgálata magas hőmérsékletű grafit környezetben
A Ningbo materials sikeresen végzett részletes tanulmányt a hazai nagy szilárdságú és magas módusú szénszálak folyamatelemzéséről, szerkezetkutatásáról és teljesítményoptimalizálásáról, különös tekintettel a szénszál szakítószilárdságának megtartási sebességére vonatkozó kutatásokra magas hőmérsékletű grafit környezetben, valamint a nagy szilárdságú és nagyobb modulusú szénszálak nemrégiben sikeres előállítására, amelyek szakítószilárdsága 5,24 GPa, szakító modulusa pedig 593 GPa. Továbbra is előnyben van a szakítószilárdság tekintetében a japán Toray m60j nagy szilárdságú, erősen öntött szénszállal szemben (szakítószilárdság 3,92 GPa, szakító modulusa 588 GPa).
6) Mikrohullámú grafit
A Yongda Advanced Materials sikeresen kifejlesztette az Egyesült Államokban kizárólagosan szabadalmaztatott ultramagas hőmérsékletű grafit technológiát, a közepes és magasabb rendű szénszálak gyártását, sikeresen áttörve a magas rendű szénszálak fejlesztésének három szűk keresztmetszetét: a grafitberendezések drágák és nemzetközi ellenőrzés alatt állnak, a nyers selyem kémiai technológiája nehézkes, a termelési hozam alacsony és magas. A Yongda eddig 3féle szénszálat fejlesztett ki, amelyek mindegyike új magasságokba emelte az eredeti, viszonylag alacsony minőségű szénszál szilárdságát és modulusát.
7) Új eljárás a serpenyőalapú szénszálas nyershuzal olvasztására, fonásra a Fraunhofernél, Németországban
A Fraunhofer Alkalmazott Polimerek Intézete (Applied Polymer Research, IAP) a közelmúltban bejelentette, hogy a legújabb Comcarbon technológiát mutatja be a 2018. április 25-29-én megrendezésre kerülő Berlini Légibemutatón (ILA). Ez a technológia jelentősen csökkenti a tömeggyártású szénszálak előállítási költségeit.
4. ábra Nyers huzal olvasztása, fonás.
Köztudott, hogy a hagyományos eljárásokban a serpenyőalapú szénszál előállítási költségének felét a nyershuzal gyártása teszi ki. Mivel a nyershuzal nem olvad meg, drága oldatfonási eljárással (Solution Spinning) kell előállítani. „Ennek érdekében kifejlesztettünk egy új eljárást a serpenyőalapú nyersselyem előállítására, amely 60%-kal csökkentheti a nyershuzal előállítási költségét. Ez egy gazdaságos és megvalósítható olvasztási fonási eljárás, amely egy speciálisan kifejlesztett, olvasztott serpenyőalapú kopolimert használ.” – magyarázta Dr. Johannes Ganster, a Fraunhofer IAP Intézet biológiai polimerekért felelős minisztere.
8) Plazmaoxidációs technológia
A 4M Carbon fiber bejelentette, hogy stratégiai fókuszként a plazmaoxidációs technológia alkalmazását fogja alkalmazni kiváló minőségű, alacsony költségű szénszálak gyártásához és értékesítéséhez, nem csupán a technológia licencelésére. A 4M azt állítja, hogy a plazmaoxidációs technológia háromszor gyorsabb, mint a hagyományos oxidációs technológia, miközben az energiafelhasználás kevesebb, mint egyharmada a hagyományos technológiának. Ezeket az állításokat számos nemzetközi szénszál-gyártó is megerősítette, amelyek a világ számos legnagyobb szénszál-gyártójával és autógyártójával konzultálnak, hogy kezdeményezőként részt vegyenek az alacsony költségű szénszálak gyártásában.
9) Cellulóz nanoszál
A japán Kiotói Egyetem számos jelentős alkatrész-beszállítóval, például a villanyszerelő céggel (a Toyota legnagyobb beszállítója) és a Daikyonishikawa Corp.-vel együttműködve olyan műanyagok fejlesztésén dolgozik, amelyek cellulóz nanoszálakat kombinálnak. Ezt az anyagot a fa pép néhány mikronra (1/1000 mm) történő aprításával állítják elő. Az új anyag súlya mindössze egyötöde az acél súlyának, de szilárdsága ötszöröse az acélénak.
10) poliolefin és lignin alapanyagokból készült szénszálas előlap
Az egyesült államokbeli Oak Ridge Nemzeti Laboratórium 2007 óta foglalkozik alacsony költségű szénszálas kutatásokkal, és már fejlesztettek ki szénszálas előlapokat poliolefin és lignin alapanyagokhoz, valamint fejlett plazma előoxidációs és mikrohullámú karbonizálási technológiákat.
11) Az új polimert (prekurzor polimert) a tűzálló kezelés eltávolításával fejlesztették ki.
A Tokiói Egyetem által vezetett gyártási módszerben egy új polimert (prekurzor polimert) fejlesztettek ki a tűzálló kezelés eltávolítására. A lényeg az, hogy a polimer selyembe fonása után nem végzi el az eredeti tűzálló kezelést, hanem oxidálja azt az oldószerben. A mikrohullámú fűtőberendezést ezután több mint 1000 ℃-ra melegítik a karbonizáláshoz. A melegítési idő mindössze 2-3 percet vesz igénybe. A karbonizálási kezelés után plazmát is használnak a felületkezeléshez, így előállítható a szénszál. A plazmakezelés kevesebb mint 2 percet vesz igénybe. Így az eredeti 30-60 perces szinterelési idő körülbelül 5 percre csökkenthető. Az új gyártási módszerben plazmakezelést végeznek a szénszál és a CFRP alapanyagként használt hőre lágyuló gyanta közötti kötés javítása érdekében. Az új gyártási módszerrel gyártott szénszál szakító-rugalmassági modulusa 240 GPa, szakítószilárdsága 3,5 GPa, nyúlása pedig eléri az 1,5%-ot. Ezek az értékek megegyeznek a sportfelszerelésekhez stb. használt Toray Universal minőségű T300 szénszáléval.
12) szénszálas anyagok újrahasznosítása és hasznosítása fluidágyas eljárással
Mengran Meng, a tanulmány első szerzője elmondta: „A szénszálak kinyerése csökkenti a környezetre gyakorolt hatást a nyers szénszálak előállításához képest, de korlátozott az ismertség a lehetséges újrahasznosítási technológiákkal és a szénszálak újrahasznosításának gazdasági megvalósíthatóságával kapcsolatban. Az újrahasznosítás két szakaszból áll: a szálakat először ki kell nyerni a szénszálas kompozitokból, és termikusan le kell bontani mechanikus őrléssel, pirolízissel vagy fluidágyas eljárásokkal. Ezek a módszerek eltávolítják a kompozit anyag műanyag részét, így szénszál marad vissza, amelyet ezután nedves papírgyártási technológiával kusza szálas paplanokká lehet alakítani, vagy irányított szálakká lehet átszervezni.”
A kutatók kiszámították, hogy a szénszál kinyerhető szénszálas kompozit hulladékból fluidágyas eljárással, ami mindössze 5 dollár/kg-ot és az elsődleges szénszál gyártásához szükséges energia kevesebb mint 10%-át igényli. A fluidágyas eljárással előállított újrahasznosított szénszálak modulusa alig csökken, szakítószilárdsága pedig 18%-50%-kal csökken az elsődleges szénszálakhoz képest, így alkalmassá teszik őket olyan alkalmazásokhoz, amelyek nagy merevséget, nem pedig szilárdságot igényelnek. „Az újrahasznosított szénszálak alkalmasak lehetnek olyan nem szerkezeti alkalmazásokhoz, amelyek könnyű súlyt igényelnek, például az autóiparban, az építőiparban, a szélerőművekben és a sportágazatban” – mondta Meng.
13) Új szénszál-újrahasznosítási technológiát fejlesztettek ki az Egyesült Államokban
2016 júniusában az Egyesült Államokbeli Georgia Institute of Technology kutatói alkoholt tartalmazó oldószerben áztatták a szénszálakat, hogy feloldják az epoxigyantát, az elválasztott szálak és az epoxigyanták újra felhasználhatók legyenek, így a szénszálak kinyerése sikeresen megvalósult.
2017 júliusában a Washington Állami Egyetem kifejlesztett egy szénszálas visszanyerési technológiát is, amely gyenge savat használ katalizátorként, folyékony etanolt használ viszonylag alacsony hőmérsékleten a hőre keményedő anyagok lebontására, a lebontott szénszálat és a gyantát külön tárolják, és reprodukcióba helyezhetők.
14) 3D nyomtatású szénszálas tintatechnológia fejlesztése az LLNL laboratóriumában, USA
2017 márciusában az Egyesült Államokbeli Lawrence Livemore Nemzeti Laboratórium (LLNL) kifejlesztette az első 3D nyomtatással előállított, nagy teljesítményű, repüléstechnikai minőségű szénszálas kompozitokat. Közvetlen tintaátviteli (DIW) 3D nyomtatási módszert alkalmaztak komplex, háromdimenziós szerkezetek létrehozására, amelyek jelentősen javították a feldolgozási sebességet az autóiparban, a repülőgépiparban, a védelmi iparban, a motorkerékpár-versenyeken és a szörfözésben.
15) Az Egyesült Államok, Korea és Kína együttműködik a szénszálak energiatermelésre való fejlesztésében
2017 augusztusában a Texasi Egyetem dallasi kampusza, a koreai Hanyang Egyetem, a kínai Nankai Egyetem és más intézmények együttműködtek egy szénszálas fonalanyag fejlesztésében energiatermeléshez. A fonalat először elektrolitoldatokban, például sóoldatban áztatják, lehetővé téve, hogy az elektrolitban lévő ionok a szén nanocsövek felületéhez kapcsolódjanak, amelyek a fonal meghúzásakor vagy nyújtásakor elektromos energiává alakulhatnak. Az anyag bárhol használható, ahol megbízható mozgási energia áll rendelkezésre, és alkalmas IoT-érzékelők áramellátására.
16) Újabb eredmények a kínai, illetve amerikai fa lignin szénszál kutatásában
2017 márciusában a Ningbo Anyagtechnológiai és Mérnöki Intézet speciális szálakat kutató csapata észterezési és szabadgyökös kopolimerizációs kétlépéses módosítási technológiával előállított egy jó szálköthetőségű és hőstabilitású lignin-akrilnitril kopolimert. A kopolimer és a nedves szálkötözési eljárás alkalmazásával kiváló minőségű folytonos szálakat kaptak, a kompakt szénszálat pedig hőstabilizálás és karbonizálás után kapták meg.
2017 augusztusában a Washingtoni Egyetem Birgitte ahring kutatócsoportja különböző arányokban kevert lignint és poliakrilonitrilt, majd olvadékfonási technológiát alkalmazva a kevert polimereket szénszálakká alakította. A tanulmány megállapította, hogy a 20–30%-hoz hozzáadott lignin nem befolyásolta a szénszál szilárdságát, és várhatóan olcsóbb szénszálas anyagok gyártásához használják majd autóipari vagy repülőgép-alkatrészekhez.
2017 végén a Nemzeti Megújuló Energia Laboratórium (NREL) közzétett egy kutatást az akrilnitril előállításáról növényi hulladékok, például kukoricaszalma és búzaszalma felhasználásával. Először a növényi anyagokat cukorrá bontják, majd savakká alakítják, és olcsó katalizátorokkal kombinálva céltermékeket állítanak elő.
17) Japán kifejleszti az első szénszálas erősítésű, hőre lágyuló kompozit autóalvázat
2017 októberében Japán új energiaipari technológiai integrált K+F Ügynöksége és a Nagojai Egyetem Nemzeti Kompozit Kutatóközpontja sikeresen kifejlesztette a világ első szénszállal erősített, hőre lágyuló kompozit autóalvázát. Automatikus, hosszú szálakkal erősített, hőre lágyuló kompozitok közvetlen online öntési eljárását, folyamatos szénszál- és hőre lágyuló gyantarészecskék keverését alkalmazzák, szálerősítésű kompozitokat gyártanak, majd melegítés és olvasztás révén sikeresen előállítják a hőre lágyuló CFRP autóalvázat.
5. javaslatok a szénszálas technológia K+F-jére Kínában
5.1 Előretekintő elrendezés, céltudatos, a szénszálas technológia harmadik generációjának áttörésére összpontosítva
Kína második generációs szénszálas technológiája még nem hoz átfogó áttörést, országunknak meg kell próbálnia egy előremutató elrendezést kialakítani, amely összehozza a releváns kutatóintézeteinket, a kulcsfontosságú technológiák megragadására összpontosítva, a harmadik generációs nagy teljesítményű szénszál-előállítási technológia kutatására és fejlesztésére összpontosítva (azaz a repülőgépiparban alkalmazható nagy szilárdságú, nagy modulusú szénszálas technológia), valamint a kifejlesztett szénszálas kompozit anyagtechnológiára, beleértve az autóipar, az építőipar és a javítás, valamint egyéb könnyű, alacsony költségű, nagy vontatású szénszál-előállítás, az additív gyártástechnológia, a szénszálas kompozit anyag, az újrahasznosítási technológia és a gyors prototípusgyártás technológiáit.
5.2 Koordináló szervezet, a támogatás megerősítése, jelentős technikai projektek létrehozása az együttműködésen alapuló kutatás folyamatos támogatása érdekében
Jelenleg Kínában számos intézmény végez szénszálas kutatásokat, de a hatalom szétszórt, és nincs egységes K+F szervezési mechanizmus, valamint erős finanszírozási támogatás a hatékony koordinációhoz. A fejlett országok fejlesztési tapasztalatai alapján ítélve a nagyobb projektek szervezése és elrendezése nagy szerepet játszik e műszaki terület fejlődésének előmozdításában. Kína Advantage K+F erőire kell összpontosítanunk, tekintettel Kína szénszálas K+F technológiájának áttörésére, hogy nagyprojekteket indítsunk, megerősítsük az együttműködésen alapuló technológiai innovációt, és folyamatosan előmozdítsuk Kína szénszálas kutatási technológiai szintjét, a nemzetközi szénszálas és kompozit kutatási versenyt.
5.3 A műszaki eredmények alkalmazás-hatásorientáltságának értékelési mechanizmusának fejlesztése
Az SCI-tanulmányok ökonometriai elemzésének szempontjából Kína szénszálait, mint nagy szilárdságú, nagy teljesítményű anyagait, a kutatás különböző területein alkalmazzák, de a szénszál gyártási és előkészítési technológiája különösen a költségek csökkentésére és a termelési hatékonyság javítására összpontosít, kevesebb kutatást igényel. A szénszál gyártási folyamata hosszú, a technológia kulcsfontosságú pontjai, a termelési korlátok magasak, multidiszciplináris, több technológiát felölelő integrációt igényel, át kell törni a technikai akadályokat, hatékonyan elő kell mozdítani az „alacsony költségű, nagy teljesítményű” mag-előkészítési technológiai kutatást és fejlesztést, egyrészt erősíteni kell a kutatási beruházásokat, másrészt gyengíteni kell a tudományos kutatás teljesítményértékelésének területét, meg kell erősíteni a műszaki eredmények alkalmazáshatás-értékelésének iránymutatását, és a „kvantitatív” értékelésről, amely a tanulmány publikálására összpontosít, az eredmények értékének „minőségi” értékelésére kell áttérni.
5.4 A legmodernebb technológiai összetett tehetségek fejlesztésének erősítése
A szénszálas technológia high-tech jellege meghatározza a speciális tehetségek fontosságát, az pedig, hogy rendelkeznek-e élvonalbeli műszaki személyzettel, közvetlenül meghatározza egy intézmény K+F szintjét.
A szénszálas technológia K+F kapcsolatainak eredményeként figyelmet kell fordítanunk a vegyületgyártó személyzet képzésére, hogy biztosítsuk az összes kapcsolat koordinációját és fejlesztését. Ezenkívül a kínai szénszálas kutatás fejlődéstörténetéből adódóan a technológiai szakértők áramlása gyakran kulcsfontosságú tényező, amely befolyásolja a kutatóintézet K+F szintjét. A folyamatos technológiai fejlesztések szempontjából fontos, hogy a szakértők és a K+F csapatok továbbra is jelen legyenek a termelési folyamatokban, a kompozitokban és a főbb termékekben.
Tovább kell erősítenünk a szakosodott high-tech személyzet képzését és alkalmazását ezen a területen, javítanunk kell a technológiai K+F tehetségek értékelési és kezelési politikáját, erősítenünk kell a fiatal tehetségek gondozását, aktívan támogatnunk kell az együttműködést és a cseréket a külföldi fejlett K+F intézményekkel, és erőteljesen be kell vezetnünk a külföldi fejlett tehetségeket stb. Ez nagy szerepet fog játszani a szénszálas kutatás fejlesztésének előmozdításában Kínában.
Idézet innen:
Elemzés a globális szénszálas technológia fejlődéséről és annak kínai hatásáról. Tian Yajuan, Zhang Zhiqiang, Tao Cheng, Yang Ming, Ba Jin, Chen Yunwei.Világszintű tudományos-technológiai kutatás-fejlesztés2018
Közzététel ideje: 2018. dec. 4.