Serat karbon adalah serat polimer anorganik, material baru anorganik dengan kandungan karbon di atas 95%, dengan kepadatan rendah, kekuatan tinggi, ketahanan suhu tinggi, stabilitas kimia tinggi, anti-kelelahan, tahan aus, dan sifat fisik dan kimia dasar lainnya yang sangat baik, serta memiliki redaman getaran tinggi, konduktivitas termal konduktif yang baik, kinerja pelindung elektromagnetik, dan koefisien ekspansi termal rendah serta karakteristik lainnya. Sifat-sifat yang sangat baik ini membuat serat karbon banyak digunakan dalam bidang kedirgantaraan, angkutan kereta api, pembuatan kendaraan, senjata dan peralatan, mesin konstruksi, konstruksi infrastruktur, teknik kelautan, teknik perminyakan, energi angin, barang olahraga, dan bidang lainnya.
Berdasarkan kebutuhan strategis nasional akan bahan serat karbon, Tiongkok telah mencantumkannya sebagai salah satu teknologi inti industri yang sedang berkembang yang difokuskan pada dukungan. Dalam perencanaan Sains dan teknologi "Dua Belas Lima" nasional, teknologi persiapan dan penerapan serat karbon berkinerja tinggi merupakan salah satu teknologi inti industri strategis yang sedang berkembang yang didukung oleh negara. Mei 2015, Dewan Negara secara resmi merilis "Buatan Tiongkok 2025", bahan-bahan baru sebagai salah satu bidang utama promosi dan pengembangan yang gencar, termasuk bahan struktural berkinerja tinggi, komposit canggih merupakan fokus pengembangan di bidang bahan-bahan baru. Pada Oktober 2015, Kementerian Perindustrian dan Industri Informasi secara resmi menerbitkan "Peta Jalan Teknologi Bidang Utama Manufaktur Tiongkok 2025", "serat berkinerja tinggi dan kompositnya" sebagai bahan strategis utama, tujuan tahun 2020 adalah "komposit serat karbon domestik untuk memenuhi persyaratan teknis pesawat besar dan peralatan penting lainnya." November 2016, Dewan Negara menerbitkan rencana Pengembangan Industri Strategis Nasional "Tiga Belas Lima", yang secara jelas menunjukkan penguatan dukungan kerja sama hulu dan hilir industri material baru, dalam komposit serat karbon dan bidang lainnya untuk melaksanakan demonstrasi percontohan aplikasi kolaboratif, membangun platform aplikasi kolaboratif. Pada Januari 2017, Kementerian Perindustrian dan Pembangunan, NDRC, sains dan teknologi, dan Kementerian Keuangan bersama-sama merumuskan "Panduan untuk pengembangan industri material baru", dan mengusulkan bahwa mulai tahun 2020, "dalam komposit serat karbon, baja khusus berkualitas tinggi, material paduan ringan canggih, dan bidang lainnya untuk mencapai lebih dari 70 industrialisasi dan aplikasi material baru utama, Membangun sistem pendukung peralatan proses yang sesuai dengan tingkat pengembangan industri material baru Tiongkok."
Karena serat karbon dan kompositnya memainkan peran penting dalam pertahanan nasional dan mata pencaharian Rakyat, banyak ahli fokus pada pengembangan dan analisis tren penelitian mereka. Dr. Zhou Hong meninjau kontribusi ilmiah dan teknologi yang dibuat oleh ilmuwan Amerika pada tahap awal pengembangan teknologi serat karbon berkinerja tinggi, dan memindai dan melaporkan 16 aplikasi utama dan kemajuan teknologi serat karbon terkini, dan teknologi produksi, sifat dan aplikasi serat karbon poliakrilonitril dan perkembangan teknologinya saat ini ditinjau oleh Dr. Wei Xin, dll. Ini juga mengajukan beberapa saran konstruktif untuk masalah yang ada dalam pengembangan serat karbon di Tiongkok. Selain itu, banyak orang telah melakukan penelitian tentang analisis metrologi makalah dan paten di bidang serat karbon dan kompositnya. Misalnya, Ma Xianglin dan lainnya dari sudut pandang metrologi dari distribusi paten serat karbon 1998-2017 dan aplikasi bidang analisis; Yang Sisi dan lainnya berdasarkan platform innografi untuk pencarian paten kain serat karbon global dan statistik data, dari tren perkembangan paten tahunan, pemegang paten, hotspot teknologi paten dan paten inti teknologi dianalisis.
Dari perspektif lintasan penelitian dan pengembangan serat karbon, penelitian Tiongkok hampir sinkron dengan dunia, tetapi perkembangannya lambat, skala produksi serat karbon berkinerja tinggi dan kualitasnya dibandingkan dengan negara-negara asing memiliki kesenjangan, ada kebutuhan mendesak untuk mempercepat proses R&D, memajukan tata letak strategis, memanfaatkan peluang pengembangan industri masa depan. Oleh karena itu, makalah ini pertama-tama menyelidiki tata letak proyek negara-negara di bidang penelitian serat karbon, untuk memahami perencanaan rute R&D di berbagai negara, dan kedua, karena penelitian dasar dan penelitian aplikasi serat karbon sangat penting untuk penelitian dan pengembangan teknis serat karbon, oleh karena itu, Kami melakukan analisis metrologi dari hasil penelitian akademis-makalah SCI dan hasil penelitian terapan-paten pada saat yang sama untuk mendapatkan pemahaman yang komprehensif tentang kemajuan R&D di bidang serat karbon, dan untuk memindai perkembangan penelitian terkini di bidang ini untuk Peep International Frontier R&D. Akhirnya, berdasarkan hasil penelitian di atas, beberapa saran untuk rute penelitian dan pengembangan di bidang serat karbon di Tiongkok diajukan.
2. Cserat arbontata letak proyek penelitiannegara/wilayah utama
Negara-negara penghasil utama serat karbon meliputi Jepang, Amerika Serikat, Korea Selatan, beberapa negara Eropa, Taiwan, dan Tiongkok. Negara-negara berteknologi maju yang masih dalam tahap awal pengembangan teknologi serat karbon telah menyadari pentingnya material ini, telah melakukan tata letak strategis, dan secara aktif mempromosikan pengembangan material serat karbon.
2.1 Jepang
Jepang merupakan negara yang paling maju dalam teknologi serat karbon. Ketiga perusahaan Jepang, Toray, Bong, dan Mitsubishi Liyang menguasai sekitar 70%~80% pangsa pasar produksi serat karbon global. Meskipun demikian, Jepang sangat mementingkan untuk mempertahankan kekuatannya di bidang ini, khususnya pengembangan serat karbon berbasis pan berkinerja tinggi dan teknologi ramah lingkungan dan energi, dengan dukungan sumber daya manusia dan finansial yang kuat, dan dalam sejumlah kebijakan dasar, termasuk rencana energi dasar, garis besar strategis untuk pertumbuhan ekonomi, dan Protokol Kyoto, telah menjadikan ini sebagai proyek strategis yang harus dimajukan. Berdasarkan Kebijakan Energi dan Lingkungan Nasional Dasar, Kementerian Ekonomi, Industri, dan Properti Jepang telah mengajukan "Program Penelitian dan Pengembangan Teknologi Hemat Energi". Didukung oleh kebijakan di atas, industri serat karbon Jepang telah mampu memusatkan semua aspek sumber daya secara lebih efektif dan mendorong penyelesaian masalah umum dalam industri serat karbon.
"Pengembangan teknologi seperti material struktural baru yang inovatif" (2013-2022) merupakan proyek yang dilaksanakan di bawah "Proyek penelitian Pengembangan Masa Depan" di Jepang untuk mencapai secara signifikan pengembangan teknologi material struktural inovatif yang diperlukan dan kombinasi berbagai material, dengan tujuan utama mengurangi bobot ringan (setengah dari bobot mobil) dari alat transportasi. Dan akhirnya mewujudkan aplikasi praktisnya. Setelah mengambil alih proyek penelitian dan pengembangan pada tahun 2014, Badan Pengembangan Teknologi Industri (NEDO) mengembangkan beberapa subproyek di mana tujuan keseluruhan dari proyek penelitian Serat Karbon "Penelitian dan pengembangan dasar serat karbon yang inovatif" adalah: untuk mengembangkan senyawa prekursor serat karbon baru; untuk menjelaskan mekanisme pembentukan struktur karbonisasi; dan untuk mengembangkan dan menstandardisasi metode penilaian serat karbon. Proyek ini, yang dipimpin oleh Universitas Tokyo dan melibatkan Institut Teknologi Industri (NEDO), Toray, Teijin, Dongyuan, dan Mitsubishi Liyang, telah membuat kemajuan signifikan pada bulan Januari 2016 dan merupakan terobosan besar lainnya di bidang serat karbon berbasis panci setelah penemuan "mode Kondo" di Jepang pada tahun 1959.
2.2 Amerika Serikat
Badan pra-penelitian pertahanan AS (DARPA) meluncurkan proyek Advanced Structural Fiber pada tahun 2006 dengan tujuan menyatukan kekuatan penelitian ilmiah yang dominan di negara tersebut untuk mengembangkan serat struktural generasi berikutnya berdasarkan serat karbon. Didukung oleh proyek ini, tim peneliti dari Georgia Institute of Technology di Amerika Serikat berhasil membuat terobosan dalam teknologi persiapan kawat mentah pada tahun 2015, meningkatkan modulus elastisitasnya hingga 30%, menandai Amerika Serikat dengan kapasitas pengembangan serat karbon generasi ketiga.
Pada tahun 2014, Departemen Energi Amerika Serikat (DOE) mengumumkan subsidi sebesar 11,3 juta dolar untuk dua proyek tentang "proses katalitik multi-tahap untuk mengubah gula biomassa yang tidak dapat dimakan menjadi akrilonitril" dan "penelitian dan optimalisasi akrilonitril yang berasal dari produksi biomassa" untuk mempromosikan penggunaan residu pertanian, Penelitian tentang bahan serat karbon terbarukan berkinerja tinggi yang kompetitif dari segi biaya untuk produksi bahan baku non-pangan terbarukan, seperti biomassa berkayu, dan rencana untuk mengurangi biaya produksi serat karbon terbarukan dari biomassa hingga kurang dari $5/lb pada tahun 2020.
Pada bulan Maret 2017, Departemen Energi AS kembali mengumumkan pendanaan sebesar 3,74 juta dolar untuk "proyek penelitian dan pengembangan komponen serat karbon berbiaya rendah" yang dipimpin oleh Western American Institute (WRI), yang berfokus pada pengembangan komponen serat karbon berbiaya rendah berdasarkan sumber daya seperti batu bara dan biomassa.
Juli 2017, Departemen Energi AS mengumumkan pendanaan sebesar 19,4 juta dolar untuk mendukung penelitian dan pengembangan kendaraan hemat energi yang canggih, 6,7 juta di antaranya digunakan untuk mendanai persiapan serat karbon berbiaya rendah menggunakan bahan komputasi, termasuk pengembangan metode evaluasi multiskala untuk teknologi komputer terintegrasi untuk menilai antusiasme prekursor serat karbon baru, teori fungsi kerapatan berbantuan dinamika molekuler canggih, pembelajaran mesin, dan alat-alat lainnya digunakan untuk mengembangkan alat-alat komputer canggih untuk meningkatkan efisiensi pemilihan bahan baku serat karbon berbiaya rendah.
2.3 Eropa
Industri serat karbon Eropa berkembang di Jepang dan Amerika Serikat pada tahun tujuh puluhan atau delapan puluhan abad ke-20, tetapi karena teknologi dan modal, banyak perusahaan penghasil serat karbon tunggal tidak mengikuti periode pertumbuhan tinggi permintaan serat karbon setelah 2000 tahun dan menghilang. Perusahaan Jerman SGL adalah satu-satunya perusahaan di Eropa yang memiliki pangsa utama pasar serat karbon dunia.
Pada bulan November 2011, Uni Eropa meluncurkan Proyek Eucarbon, yang bertujuan untuk meningkatkan kemampuan manufaktur Eropa dalam serat karbon dan material pra-impregnasi untuk kedirgantaraan. Proyek ini berlangsung selama 4 tahun, dengan total investasi sebesar 3,2 juta euro, dan pada bulan Mei 2017 berhasil membangun jalur produksi serat karbon khusus pertama di Eropa untuk aplikasi luar angkasa seperti satelit, sehingga memungkinkan Eropa untuk menjauh dari ketergantungan impornya pada produk tersebut dan memastikan keamanan pasokan material.
Kerangka kerja Ketujuh UE berencana untuk mendukung proyek "serat karbon fungsional dalam persiapan sistem prekursor baru dengan kinerja yang hemat biaya dan dapat dikelola" (FIBRALSPEC) (2014-2017) dalam 6,08 juta euro. Proyek 4 tahun ini, yang dipimpin oleh Universitas Teknik Nasional Athena, Yunani, dengan partisipasi perusahaan multinasional seperti Italia, Inggris Raya, dan Ukraina, difokuskan pada inovasi dan peningkatan proses persiapan berkelanjutan serat karbon berbasis poliakrilonitril untuk mencapai produksi eksperimental serat karbon berbasis pan berkelanjutan. Proyek ini telah berhasil menyelesaikan pengembangan dan penerapan serat karbon dan teknologi komposit yang disempurnakan dari sumber daya polimer organik terbarukan (seperti superkapasitor, tempat penampungan darurat cepat, serta prototipe mesin pelapis putar elektrik mekanis dan pengembangan lini produksi serat nano, dll.).
Semakin banyak sektor industri, seperti otomotif, tenaga angin, dan pembuatan kapal, membutuhkan komposit yang ringan dan berkinerja tinggi, yang merupakan pasar potensial yang besar bagi industri serat karbon. Uni Eropa menginvestasikan 5,968 juta euro untuk meluncurkan proyek Carboprec (2014-2017), yang tujuan strategisnya adalah untuk mengembangkan prekursor berbiaya rendah dari bahan terbarukan yang banyak terdapat di Eropa dan untuk meningkatkan produksi serat karbon berkinerja tinggi melalui nanotube karbon.
Program penelitian Cleansky II Uni Eropa mendanai proyek "R & d ban komposit" (2017), yang dipimpin oleh Institut Fraunhofer untuk Produksi dan Keandalan Sistem (LBF) di Jerman, yang berencana untuk mengembangkan komponen roda depan untuk pesawat komposit yang diperkuat serat karbon untuk Airbus A320. Tujuannya adalah untuk mengurangi berat hingga 40% dibandingkan dengan bahan logam konvensional. Proyek ini didanai sekitar EUR 200.000.
2.4 Korea
R & D dan industrialisasi serat karbon Korea Selatan dimulai terlambat, R & D dimulai pada tahun 2006, tahun 2013 mulai memasuki tahap praktis secara formal, membalikkan keadaan serat karbon Korea yang semuanya bergantung pada impor. Sebagai perwakilan pelopor industri yang aktif terlibat dalam tata letak industri serat karbon, Grup Xiaoxing dan Taiguang Business Korea Selatan memiliki momentum perkembangan yang kuat. Selain itu, basis produksi serat karbon yang didirikan oleh Toray Jepang di Korea juga telah berkontribusi terhadap pasar serat karbon di Korea sendiri.
Pemerintah Korea telah memilih untuk menjadikan Grup Xiaoxing sebagai tempat berkumpulnya industri inovatif serat karbon. Tujuannya adalah untuk membentuk klaster industri bahan serat karbon, mempromosikan pengembangan ekosistem ekonomi kreatif di seluruh wilayah Utara, tujuan utamanya adalah untuk membentuk rantai produksi satu atap dari bahan serat karbon → suku cadang → produk jadi, pembentukan klaster inkubasi serat karbon dapat disandingkan dengan Lembah Silikon di Amerika Serikat, memanfaatkan pasar baru, menciptakan nilai tambah baru, mencapai target ekspor produk terkait serat karbon senilai $10 miliar (setara dengan sekitar 55,2 miliar yuan) pada tahun 2020.
3. Analisis penelitian serat karbon global dan hasil penelitian
Subbagian ini menghitung makalah SCI yang terkait dengan penelitian serat karbon dan hasil paten DII sejak 2010, untuk menganalisis penelitian akademis dan penelitian industri serta pengembangan teknologi serat karbon global pada saat yang sama, dan memahami sepenuhnya kemajuan penelitian dan pengembangan serat karbon internasional.
Data berasal dari basis data Scie dan basis data Dewent dalam basis data web of Science yang diterbitkan oleh Clarivate Analytics; rentang waktu pengambilan: 2010-2017; tanggal pengambilan: 1 Februari 2018.
Strategi Pengambilan Kertas SCI: Ts=((serat karbon* atau Serat karbon* atau ("Serat karbon*" bukan "Fiberglass karbon") atau "serat karbon*" atau "filamen karbon*" atau ((poliakrilonitril atau pitch) dan "prekursor*" dan serat*) atau ("serat grafit*")) bukan ("karbon bambu")).
Strategi Pencarian Paten Dewent: Ti=((serat karbon* atau serat karbon* atau ("serat karbon*" bukan "serat kaca karbon") atau "serat karbon*" atau "filamen karbon*" atau ((poliakrilonitril atau pitch) dan "prekursor*" dan serat*) atau ("serat grafit*")) bukan ("karbon bambu")) atau TS=((serat karbon* atau serat karbon* atau ("serat karbon*" bukan "serat kaca karbon") atau "serat karbon*" atau "filamen karbon*" atau ((poliakrilonitril atau pitch) dan "prekursor*" dan serat*) atau ("serat grafit*")) bukan ("karbon bambu")) dan IP=(D01F-009/12 atau D01F-009/127 atau D01F-009/133 atau D01F-009/14 atau D01F-009/145atau D01F-009/15 atau D01F-009/155 atau D01F-009/16 atau D01F-009/17 atau D01F-009/18 atau D01F-009/20 atau D01F-009/21 atau D01F-009/22 atau D01F-009/24 atau D01F-009/26 atau D01F-09/28 atau D01F-009/30 atau D01F-009/32 atau C08K-007/02 atau C08J-005/04 atau C04B-035/83 atau D06M-014/36 atau D06M-101/40 atau D21H-013/50 atau H01H-001/027 atauH01R-039/24)。
Tren 3.1
Sejak 2010, 16.553 makalah relevan telah diterbitkan di seluruh dunia, dan 26.390 paten penemuan telah diajukan, semuanya menunjukkan tren peningkatan yang stabil dari tahun ke tahun (Gambar 1).
3.2 Distribusi negara atau wilayah
10 institusi teratas dengan hasil penelitian serat karbon global terbesar berasal dari Tiongkok, yang 5 teratasnya adalah: Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, Institut Teknologi Harbin, Universitas Teknologi Northwestern, Universitas Donghua, Institut Aeronautika dan Astronautika Beijing. Di antara institusi asing, Institut Teknologi India, Universitas Tokyo, Universitas Bristol, Universitas Monash, Universitas Manchester, dan Institut Teknologi Georgia berada di peringkat 10~20 (Gbr. 3).
Jumlah aplikasi paten di 30 institusi teratas, Jepang memiliki 5, dan 3 di antaranya berada di lima teratas, perusahaan Toray berada di peringkat pertama, diikuti oleh Mitsubishi Liyang (ke-2), Teijin (ke-4), East State (ke-10), Perusahaan Tekstil Toyo Jepang (ke-24), Tiongkok memiliki 21 institusi, Sinopec Group memiliki jumlah paten terbanyak, peringkat ketiga, Kedua, Institut Teknologi Harbin, perusahaan kabel Henan Ke Letter, Universitas Donghua, Petrokimia Shanghai Tiongkok, Industri Kimia Beijing, dll., Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, Aplikasi penemuan Batubara Shanxi Paten 66, peringkat ke-27, institusi Korea Selatan memiliki 2, yang mana Xiaoxing Co., Ltd. peringkat pertama, peringkat ke-8.
Lembaga keluaran, keluaran kertas terutama dari universitas dan lembaga penelitian ilmiah, keluaran paten terutama dari perusahaan, dapat dilihat bahwa manufaktur serat karbon adalah industri berteknologi tinggi, sebagai badan utama Pengembangan Industri R&D serat karbon, perusahaan sangat mementingkan perlindungan teknologi R&D serat karbon, terutama 2 perusahaan besar di Jepang, Jumlah patennya jauh di depan.
3.4 Titik Panas Penelitian
Makalah penelitian serat karbon mencakup sebagian besar topik penelitian: Komposit serat karbon (termasuk komposit yang diperkuat serat karbon, komposit matriks polimer, dll.), penelitian sifat mekanik, analisis elemen hingga, nanotube karbon, delaminasi, penguatan, kelelahan, struktur mikro, pemintalan elektrostatik, perawatan permukaan, penyerapan, dan sebagainya. Makalah yang membahas kata kunci ini mencakup 38,8% dari total jumlah makalah.
Paten penemuan serat karbon mencakup sebagian besar topik yang terkait dengan persiapan serat karbon, peralatan produksi, dan material komposit. Di antara mereka, Toray Jepang, Mitsubishi Liyang, Teijin, dan perusahaan lain dalam "senyawa polimer yang diperkuat serat karbon" di bidang tata letak teknis yang penting, selain itu, Toray dan Mitsubishi Liyang dalam "Produksi poliakrilonitril serat karbon dan peralatan produksi", "dengan nitril tak jenuh, seperti poliakrilonitril, produksi polivinilidena sianida etilena serat karbon" dan teknologi lainnya memiliki proporsi besar tata letak paten, dan perusahaan Teijin Jepang dalam "komposit serat karbon dan senyawa oksigen" memiliki proporsi tata letak paten yang lebih besar.
China Sinopec Group, Universitas Kimia Beijing, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok Ningbo Materials dalam "produksi poliakrilonitril serat karbon dan peralatan produksi" memiliki proporsi besar tata letak paten; Selain itu, Universitas Teknik Kimia Beijing, Institut Kimia Batubara Shanxi Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, dan Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok Ningbo Materials Tata Letak Utama "Menggunakan serat elemen anorganik sebagai bahan persiapan senyawa polimer" teknologi telah Institut Teknologi Harbin berfokus pada tata letak "perlakuan serat karbon", "serat karbon dan komposit senyawa yang mengandung oksigen" dan teknologi lainnya.
Selain itu, ditemukan dari statistik distribusi statistik tahunan paten global bahwa sejumlah hot spot baru telah mulai muncul dalam tiga tahun terakhir, seperti: "Komposisi poliamida yang diperoleh dari pembentukan reaksi ikatan karboksilat dalam rantai utama", "komposisi poliester dari pembentukan ikatan ester asam karboksilat 1 dalam rantai utama", "material komposit berdasarkan material sintetis", "senyawa asam karboksilat siklik yang mengandung oksigen sebagai bahan komposit serat karbon", "dalam bentuk tiga dimensi pemadatan atau perawatan bahan tekstil", "eter tak jenuh, asetal, semi-asetal, keton atau aldehida hanya melalui reaksi ikatan karbon-karbon tak jenuh untuk produksi Senyawa polimer", "pipa atau kabel material adiabatik", "Komposit serat karbon dengan ester fosfat sebagai bahan" dan seterusnya.
Dalam beberapa tahun terakhir, penelitian dan pengembangan di sektor serat karbon telah muncul, dengan sebagian besar terobosan datang dari Amerika Serikat dan Jepang. Teknologi mutakhir terbaru tidak hanya berfokus pada teknologi produksi dan persiapan serat karbon, tetapi juga pada aplikasi dalam berbagai bahan otomotif yang lebih luas, seperti bahan ringan, pencetakan 3D, dan pembangkit listrik. Selain itu, daur ulang dan daur ulang bahan serat karbon, persiapan serat karbon lignin kayu dan prestasi lainnya memiliki kinerja mata yang cemerlang. Hasil representatif dijelaskan di bawah ini:
1) Institut Teknologi Georgia AS berhasil mengembangkan teknologi serat karbon generasi ketiga
Pada bulan Juli 2015, dengan pendanaan DARPA, Institut Teknologi Georgia, dengan teknik pemintalan gel serat karbon berbasis panci yang inovatif, secara signifikan meningkatkan modulusnya, melampaui serat karbon Hershey IM7, yang sekarang banyak digunakan dalam pesawat militer, menandai negara kedua di dunia yang menguasai teknologi serat karbon generasi ketiga setelah Jepang.
Kekuatan tarik serat karbon pemintalan gel buatan Kumarz mencapai 5,5 hingga 5,8Gpa, dan modulus tariknya antara 354-375gpa. "Ini adalah serat kontinu yang telah dilaporkan dengan kekuatan dan modulus kinerja komprehensif tertinggi. Dalam bundel filamen pendek, kekuatan tariknya mencapai 12,1Gpa, yang merupakan serat karbon poliakrilonitril tertinggi."
2) Teknologi pemanas gelombang elektromagnetik
Pada tahun 2014, Nedo mengembangkan teknologi pemanasan gelombang elektromagnetik. Teknologi karbonisasi gelombang elektromagnetik mengacu pada penggunaan teknologi pemanasan gelombang elektromagnetik untuk mengkarbonisasi serat pada tekanan atmosfer. Kinerja serat karbon yang diperoleh pada dasarnya sama dengan serat karbon yang diproduksi melalui pemanasan suhu tinggi, modulus elastisitasnya dapat mencapai lebih dari 240GPA, dan perpanjangan putusnya lebih dari 1,5%, yang merupakan keberhasilan pertama di dunia.
Bahan seperti serat dikarbonisasi oleh gelombang elektromagnetik, sehingga peralatan tungku karbonisasi yang digunakan untuk pemanasan suhu tinggi tidak diperlukan. Proses ini tidak hanya mengurangi waktu yang dibutuhkan untuk karbonisasi, tetapi juga mengurangi konsumsi energi dan mengurangi emisi CO2.
3) kontrol halus proses karbonisasi
Pada bulan Maret 2014, Toray mengumumkan keberhasilan pengembangan serat karbon t1100g. Toray menggunakan teknologi pemintalan larutan pan tradisional untuk mengontrol proses karbonisasi secara halus, memperbaiki struktur mikro serat karbon pada skala nano, mengendalikan orientasi mikrokristalin grafit, ukuran mikrokristalin, cacat, dan sebagainya pada serat setelah karbonisasi, sehingga kekuatan dan modulus elastisitasnya dapat ditingkatkan secara signifikan. Kekuatan tarik t1100g adalah 6,6GPa, yang 12% lebih tinggi dari T800, dan modulus elastisitasnya adalah 324GPa dan meningkat sebesar 10%, yang memasuki tahap industrialisasi.
4) Teknologi Perawatan Permukaan
Negara Bagian Timur Teijin telah berhasil mengembangkan teknologi perawatan permukaan plasma yang dapat mengendalikan tampilan serat karbon hanya dalam beberapa detik. Teknologi baru ini secara signifikan menyederhanakan seluruh proses produksi dan mengurangi konsumsi energi hingga 50% dibandingkan dengan teknologi perawatan permukaan yang ada untuk larutan elektrolit berair. Selain itu, setelah perawatan plasma, ditemukan bahwa daya rekat serat dan matriks resin juga meningkat.
5) Studi tentang tingkat retensi kekuatan tarik serat karbon dalam lingkungan grafit suhu tinggi
Ningbo Materials berhasil melakukan studi terperinci terhadap analisis proses, penelitian struktur dan optimalisasi performa serat karbon berkekuatan tinggi dan mode tinggi dalam negeri, terutama pekerjaan penelitian tentang tingkat retensi kekuatan tarik serat karbon di lingkungan grafit suhu tinggi, dan persiapan serat karbon berkekuatan tinggi dan modulus lebih tinggi yang sukses baru-baru ini dengan kekuatan tarik 5,24GPa dan volume modulus tarik 593GPa. Serat ini terus memiliki keunggulan kekuatan tarik dibandingkan dengan serat karbon cetakan tinggi Toray m60j Jepang yang berkekuatan tinggi (kekuatan tarik 3,92GPa, modulus tarik 588GPa).
6) Grafit Gelombang Mikro
Yongda Advanced Materials telah berhasil mengembangkan teknologi grafit suhu ultra-tinggi yang dipatenkan secara eksklusif di Amerika Serikat, produksi serat karbon tingkat menengah dan tinggi, berhasil menembus tiga hambatan dalam pengembangan serat karbon tingkat tinggi, peralatan grafit mahal dan berada di bawah kendali internasional, kesulitan teknologi kimia sutra mentah, hasil produksi rendah dan biaya tinggi. Sejauh ini, Yongda telah mengembangkan 3 jenis serat karbon, yang semuanya telah meningkatkan kekuatan dan modulus serat karbon asli yang relatif rendah ke tingkat yang baru.
7) Proses baru peleburan pemintalan kawat serat karbon mentah berbasis panci oleh Fraunhofer, Jerman
Fraunhofer Institute of Applied Polymers (Applied Polymer Research, IAP) baru-baru ini mengumumkan akan memamerkan teknologi Comcarbon terbaru di Berlin Air Show Ila pada tanggal 25 dan 29 April 2018. Teknologi ini sangat mengurangi biaya produksi serat karbon yang diproduksi secara massal.
Gbr. 4. Peleburan kawat mentah, pemintalan.
Sudah diketahui umum bahwa dalam proses tradisional, setengah dari biaya produksi serat karbon berbasis wajan dikonsumsi dalam proses produksi kawat mentah. Mengingat ketidakmampuan kawat mentah untuk meleleh, maka kawat mentah tersebut harus diproduksi menggunakan proses pemintalan larutan yang mahal (Solution Spinning). "Untuk tujuan ini, kami telah mengembangkan proses baru untuk produksi sutra mentah berbasis wajan, yang dapat mengurangi biaya produksi kawat mentah hingga 60%. Ini adalah proses pemintalan leleh yang ekonomis dan layak, menggunakan kopolimer berbasis wajan yang dikembangkan secara khusus. "Dr. Johannes Ganster, Menteri Polimer Biologi di Fraunhofer IAP Institute, menjelaskan.
8) Teknologi oksidasi plasma
4M Carbon fiber mengumumkan bahwa mereka akan menggunakan teknologi oksidasi plasma untuk memproduksi dan menjual serat karbon berkualitas tinggi dan berbiaya rendah sebagai fokus strategis, bukan hanya untuk melisensikan teknologi tersebut. 4M mengklaim bahwa teknologi oksidasi plasma 3 kali lebih cepat daripada teknologi oksidasi konvensional, sementara penggunaan energinya kurang dari sepertiga dari teknologi tradisional. Dan pernyataan tersebut telah divalidasi oleh banyak produsen serat karbon internasional, yang berkonsultasi dengan sejumlah produsen serat karbon dan pembuat mobil terbesar di dunia untuk berpartisipasi sebagai pemrakarsa produksi serat karbon berbiaya rendah.
9) Serat Nano Selulosa
Universitas Kyoto Jepang, bersama dengan beberapa pemasok komponen utama seperti perusahaan instalasi listrik (pemasok terbesar Toyota) dan Daikyonishikawa Corp., tengah berupaya mengembangkan bahan plastik yang menggabungkan nanofiber selulosa. Bahan ini dibuat dengan memecah bubur kayu menjadi beberapa mikron (1 per seribu mm). Berat bahan baru ini hanya seperlima dari berat baja, tetapi kekuatannya lima kali lipat dari baja.
10) bodi depan serat karbon dari bahan baku poliolefin dan lignin
Laboratorium Nasional Oak Ridge di Amerika Serikat telah meneliti serat karbon berbiaya rendah sejak tahun 2007, dan mereka telah mengembangkan badan depan serat karbon untuk bahan baku poliolefin dan lignin, serta teknologi pra-oksidasi plasma dan karbonisasi gelombang mikro yang canggih.
11) Polimer baru (polimer prekursor) dikembangkan dengan menghilangkan perlakuan refraktori
Dalam metode manufaktur yang dipimpin oleh Universitas Tokyo, polimer baru (polimer prekursor) telah dikembangkan untuk menghilangkan perlakuan tahan api. Poin utamanya adalah bahwa setelah memintal polimer menjadi sutra, ia tidak melakukan perlakuan tahan api asli, tetapi menyebabkannya teroksidasi dalam pelarut. Perangkat pemanas gelombang mikro kemudian dipanaskan hingga lebih dari 1000 ℃ untuk karbonisasi. Waktu pemanasan hanya membutuhkan waktu 2-3 menit. Setelah perlakuan karbonisasi, plasma juga digunakan untuk melakukan perlakuan permukaan, sehingga serat karbon dapat dibuat. Perlakuan plasma membutuhkan waktu kurang dari 2 menit. Dengan cara ini, waktu sintering asli 30-60 menit dapat dikurangi menjadi sekitar 5 menit. Dalam metode manufaktur baru, perlakuan plasma dilakukan untuk meningkatkan ikatan antara serat karbon dan resin termoplastik sebagai bahan dasar CFRP. Modulus elastisitas tarik serat karbon yang diproduksi dengan metode manufaktur baru adalah 240GPa, kekuatan tariknya 3,5GPa dan perpanjangannya mencapai 1,5%. Nilai-nilai ini memiliki tingkat yang sama dengan serat karbon Toray Universal grade T300 yang digunakan untuk peralatan olahraga, dll.
12) Daur ulang dan pemanfaatan bahan serat karbon menggunakan proses fluidized bed
Mengran Meng, penulis pertama studi tersebut, mengatakan: "Pemulihan serat karbon mengurangi dampak terhadap lingkungan dibandingkan dengan produksi serat karbon mentah, tetapi kesadaran akan teknologi daur ulang yang potensial dan kelayakan ekonomi dari pemanfaatan serat karbon daur ulang masih terbatas. "Daur ulang berlangsung dalam dua tahap: serat harus terlebih dahulu dipulihkan dari komposit serat karbon dan diurai secara termal dengan penggilingan mekanis bahan atau dengan menggunakan proses pirolisis atau fluidized bed. Metode ini menghilangkan bagian plastik dari bahan komposit, menyisakan serat karbon, yang kemudian dapat diubah menjadi tikar serat kusut menggunakan teknologi pembuatan kertas basah, atau ditata ulang menjadi serat terarah.
Para peneliti menghitung bahwa serat karbon dapat diperoleh kembali dari limbah komposit serat karbon menggunakan proses fluidized bed, yang hanya membutuhkan 5 dolar/kg dan kurang dari 10% energi yang dibutuhkan untuk memproduksi serat karbon primer. Serat karbon daur ulang yang diproduksi melalui proses fluidized bed hampir tidak mengurangi modulus, dan kekuatan tarik berkurang 18% hingga 50% relatif terhadap serat karbon primer, sehingga cocok untuk aplikasi yang membutuhkan kekakuan tinggi daripada kekuatan. "Serat karbon daur ulang mungkin cocok untuk aplikasi non-struktural yang membutuhkan bobot ringan, seperti industri otomotif, konstruksi, angin, dan olahraga," kata Meng.
13) Teknologi baru daur ulang serat karbon dikembangkan di Amerika Serikat
Juni 2016, para peneliti di Institut Teknologi Georgia di Amerika Serikat merendam serat karbon dalam pelarut yang mengandung alkohol untuk melarutkan resin epoksi, serat dan resin epoksi yang terpisah dapat digunakan kembali, realisasi pemulihan serat karbon yang sukses.
Juli 2017, Universitas Negeri Washington juga mengembangkan teknologi pemulihan serat karbon, menggunakan asam lemah sebagai katalis, penggunaan etanol cair pada suhu yang relatif rendah untuk menguraikan bahan termoset, serat karbon dan resin yang terurai diawetkan secara terpisah, dan dapat direproduksi.
14) Pengembangan teknologi tinta serat karbon cetak 3D di laboratorium LLNL, AS
Pada bulan Maret 2017, Laboratorium Nasional Lawrence Livemore (LLNL) di Amerika Serikat mengembangkan komposit serat karbon kelas penerbangan berkinerja tinggi yang dicetak 3D pertama. Mereka menggunakan metode pencetakan 3D transmisi tinta langsung (DIW) untuk menciptakan struktur tiga dimensi kompleks yang sangat meningkatkan kecepatan pemrosesan untuk digunakan dalam kompetisi otomotif, kedirgantaraan, pertahanan, dan sepeda motor serta selancar.
15) Amerika Serikat, Korea dan Tiongkok bekerja sama dalam pengembangan serat karbon untuk pembangkit listrik
Pada bulan Agustus 2017, kampus Dallas dari University of Texas, Hanyang University di Korea, Nankai University di Tiongkok, dan lembaga-lembaga lain berkolaborasi dalam pengembangan bahan benang serat karbon untuk pembangkit listrik. Benang tersebut pertama-tama direndam dalam larutan elektrolit seperti air garam, yang memungkinkan ion-ion dalam elektrolit menempel pada permukaan nanotube karbon, yang dapat diubah menjadi energi listrik saat benang dikencangkan atau diregangkan. Bahan tersebut dapat digunakan di tempat mana pun dengan energi kinetik yang andal dan cocok untuk menyediakan daya bagi sensor IoT.
16) Kemajuan baru dalam penelitian serat karbon lignin kayu diperoleh masing-masing oleh Cina dan Amerika
Pada bulan Maret 2017, tim serat khusus dari Institut Teknologi dan Rekayasa Material Ningbo menyiapkan kopolimer lignin-akrilonitril dengan kemampuan pemintalan dan stabilitas termal yang baik dengan menggunakan teknologi modifikasi dua tahap esterifikasi dan kopolimerisasi radikal bebas. Filamen kontinu berkualitas tinggi diperoleh dengan menggunakan kopolimer dan proses pemintalan basah, dan serat karbon kompak diperoleh setelah stabilisasi termal dan perlakuan karbonisasi.
Pada bulan Agustus 2017, tim peneliti Birgitte ahring di University of Washington di Amerika Serikat mencampur lignin dan poliakrilonitril dalam proporsi yang berbeda, lalu menggunakan teknologi melt spinning untuk mengubah polimer campuran menjadi serat karbon. Penelitian tersebut menemukan bahwa lignin yang ditambahkan ke 20%∼30% tidak memengaruhi kekuatan serat karbon dan diharapkan dapat digunakan dalam produksi bahan serat karbon berbiaya rendah untuk suku cadang otomotif atau pesawat terbang.
Pada akhir tahun 2017, Laboratorium Energi Terbarukan Nasional (NREL) merilis penelitian tentang pembuatan akrilonitril menggunakan bagian tanaman yang terbuang, seperti jerami jagung dan jerami gandum. Mereka pertama-tama memecah bahan tanaman menjadi gula, kemudian mengubahnya menjadi asam, dan menggabungkannya dengan katalis murah untuk menghasilkan produk target.
17) Jepang mengembangkan sasis mobil komposit termoplastik pertama yang diperkuat serat karbon
Oktober 2017, Badan Penelitian & Pengembangan Teknologi Industri Energi Baru Jepang dan Pusat Penelitian Komposit Nasional Universitas Nagoya berhasil mengembangkan sasis mobil komposit termoplastik bertulang serat karbon pertama di dunia. Mereka menggunakan proses pencetakan langsung on-line komposit termoplastik bertulang serat panjang otomatis, pencampuran partikel resin termoplastik dan serat karbon berkelanjutan, pembuatan komposit bertulang serat, dan kemudian melalui pemanasan dan peleburan, produksi sasis mobil CFRP termoplastik berhasil.
5. Saran tentang R & D teknologi serat karbon di Tiongkok
5.1 Tata letak berwawasan ke depan, berorientasi pada tujuan, fokus pada terobosan teknologi serat karbon generasi ketiga
Teknologi serat karbon generasi kedua Tiongkok belum merupakan terobosan yang komprehensif, negara kita harus mencoba tata letak berwawasan ke depan yang akan menyatukan dan melengkapi lembaga penelitian terkait, berfokus pada penangkapan teknologi utama, fokus pada penelitian dan pengembangan teknologi penyiapan serat karbon generasi ketiga yang berkinerja tinggi (yaitu berlaku untuk teknologi serat karbon modulus tinggi dan berkekuatan tinggi untuk dirgantara), dan teknologi material komposit serat karbon yang dikembangkan, termasuk untuk otomotif, konstruksi dan perbaikan serta penyiapan serat karbon derek besar yang ringan dan berbiaya rendah, teknologi manufaktur aditif material komposit serat karbon, teknologi daur ulang dan teknologi pembuatan prototipe cepat.
5.2 Mengkoordinasikan organisasi, memperkuat dukungan, menyiapkan proyek teknis utama untuk terus mendukung penelitian kolaboratif
Saat ini, ada banyak lembaga yang melakukan penelitian serat karbon di Tiongkok, tetapi kekuatannya tersebar, dan tidak ada mekanisme organisasi R&D yang terpadu dan dukungan pendanaan yang kuat untuk koordinasi yang efektif. Dilihat dari pengalaman pembangunan negara-negara maju, organisasi dan tata letak proyek-proyek besar memainkan peran besar dalam mempromosikan pengembangan bidang teknis ini. Kita harus fokus pada Kekuatan R&D Keunggulan Tiongkok, mengingat teknologi R&D terobosan serat karbon Tiongkok untuk memulai proyek-proyek besar, memperkuat inovasi teknologi kolaboratif, dan terus-menerus mempromosikan tingkat teknologi penelitian serat karbon Tiongkok, persaingan untuk serat karbon dan komposit internasional.
5.3 Peningkatan mekanisme evaluasi orientasi efek penerapan capaian teknis
Dari sudut pandang analisis ekonometrik makalah SCI, serat karbon Tiongkok sebagai material berkinerja tinggi digunakan dalam berbagai bidang penelitian, tetapi untuk teknologi produksi dan persiapan serat karbon, terutama berfokus pada pengurangan biaya, peningkatan efisiensi produksi dengan sedikit penelitian. Proses produksi serat karbon panjang, poin-poin utama teknologi, hambatan produksi tinggi, merupakan integrasi multidisiplin dan multiteknologi, perlu menerobos hambatan teknis, untuk secara efektif mempromosikan penelitian dan pengembangan teknologi persiapan inti "biaya rendah, berkinerja tinggi", di satu sisi, perlu memperkuat investasi penelitian, di sisi lain, perlu melemahkan bidang evaluasi kinerja penelitian ilmiah, memperkuat panduan evaluasi efek aplikasi pencapaian teknis, dan beralih dari evaluasi "kuantitatif", yang memperhatikan publikasi makalah, ke evaluasi "kualitas" dari nilai hasil.
5.4 Memperkuat pembinaan talenta gabungan teknologi mutakhir
Atribut teknologi tinggi dari teknologi serat karbon menentukan pentingnya bakat khusus, apakah mereka memiliki personel teknis inti yang mutakhir secara langsung menentukan tingkat R&D suatu institusi.
Sebagai hasil dari hubungan R & D teknologi serat karbon, kita harus memperhatikan pelatihan personel gabungan, untuk memastikan koordinasi dan pengembangan semua hubungan. Selain itu, dari sejarah perkembangan penelitian serat karbon di Tiongkok, aliran pakar inti teknologi sering kali menjadi faktor kunci yang memengaruhi tingkat R & D sebuah lembaga penelitian. Mempertahankan fiksasi pakar inti dan tim R & D dalam proses produksi, komposit, dan produk utama penting untuk peningkatan teknologi berkelanjutan.
Kita harus terus memperkuat pelatihan dan penggunaan personel berteknologi tinggi yang terspesialisasi di bidang ini, meningkatkan kebijakan evaluasi dan penanganan talenta R&D Teknologi, memperkuat pembinaan talenta muda, secara aktif mendukung kerja sama dan pertukaran dengan lembaga R&D maju di luar negeri, dan secara aktif memperkenalkan talenta maju di luar negeri, dsb. Ini akan memainkan peran besar dalam mendorong pengembangan penelitian serat karbon di Tiongkok.
Dikutip dari-
Analisis tentang perkembangan teknologi serat karbon global dan pencerahannya ke Tiongkok. Tian Yajuan, Zhang Zhiqiang, Tao Cheng, Yang Ming, Ba Jin, Chen Yunwei.Penelitian dan pengembangan sains-teknologi dunia.Tahun 2018
Waktu posting: 04-Des-2018