La fibra di carbonio è un nuovo materiale polimerico inorganico con un contenuto di carbonio superiore al 95%, caratterizzato da bassa densità, elevata resistenza, resistenza alle alte temperature, elevata stabilità chimica, proprietà antifatica, resistenza all'usura e altre eccellenti proprietà fisiche e chimiche di base. Presenta inoltre un'elevata attenuazione delle vibrazioni, una buona conduttività termica, ottime prestazioni di schermatura elettromagnetica e un basso coefficiente di dilatazione termica, tra le altre caratteristiche. Queste eccellenti proprietà rendono la fibra di carbonio ampiamente utilizzata in settori quali l'industria aerospaziale, il trasporto ferroviario, la produzione di veicoli, armi e attrezzature, macchinari edili, infrastrutture, ingegneria navale, ingegneria petrolifera, energia eolica, articoli sportivi e altri ancora.
Sulla base delle esigenze strategiche nazionali dei materiali in fibra di carbonio, la Cina li ha inseriti tra le tecnologie chiave delle industrie emergenti che si concentrano sul loro supporto. Nel piano nazionale "Dodici-Cinque" per la scienza e la tecnologia, la tecnologia di preparazione e applicazione della fibra di carbonio ad alte prestazioni è una delle tecnologie chiave delle industrie emergenti strategiche supportate dallo Stato. Nel maggio 2015, il Consiglio di Stato ha ufficialmente pubblicato il piano "Made in China 2025", indicando i nuovi materiali come una delle aree chiave della vigorosa promozione e sviluppo, inclusi i materiali strutturali ad alte prestazioni e i compositi avanzati, al centro dello sviluppo nel campo dei nuovi materiali. Nell'ottobre 2015, il Ministero dell'Industria e dell'Informazione ha pubblicato ufficialmente la "China Manufacturing 2025 Key Areas Technology Roadmap", indicando "fibre ad alte prestazioni e i loro compositi" come materiale strategico chiave, con l'obiettivo per il 2020 di "compositi in fibra di carbonio nazionali per soddisfare i requisiti tecnici di aeromobili di grandi dimensioni e altre importanti attrezzature". Nel novembre 2016, il Consiglio di Stato ha emanato il piano nazionale di sviluppo strategico delle industrie emergenti "Tredici-cinque", indicando chiaramente il rafforzamento del supporto alla cooperazione a monte e a valle dell'industria dei nuovi materiali, nei compositi in fibra di carbonio e in altri settori, per realizzare dimostrazioni pilota di applicazioni collaborative e costruire una piattaforma applicativa collaborativa. Nel gennaio 2017, il Ministero dell'Industria e dello Sviluppo, la NDRC, la Scienza e la Tecnologia e il Ministero delle Finanze hanno formulato congiuntamente la "Guida allo sviluppo dell'industria dei nuovi materiali", proponendo che entro il 2020, "nei compositi in fibra di carbonio, negli acciai speciali di alta qualità, nei materiali in lega leggera avanzati e in altri settori, si raggiunga l'industrializzazione e l'applicazione di oltre 70 nuovi materiali chiave, e si crei un sistema di supporto alle attrezzature di processo all'altezza del livello di sviluppo dell'industria cinese dei nuovi materiali".
Poiché la fibra di carbonio e i suoi compositi svolgono un ruolo importante nella difesa nazionale e nel sostentamento della popolazione, molti esperti si concentrano sul loro sviluppo e sull'analisi delle tendenze della ricerca. Il Dott. Zhou Hong ha esaminato i contributi scientifici e tecnologici forniti dagli scienziati americani nelle prime fasi dello sviluppo della tecnologia della fibra di carbonio ad alte prestazioni, analizzando e riportando 16 principali applicazioni e recenti progressi tecnologici della fibra di carbonio, mentre il Dott. Wei Xin ha esaminato la tecnologia di produzione, le proprietà e l'applicazione della fibra di carbonio poliacrilonitrile e il suo attuale sviluppo tecnologico. Vengono inoltre presentati alcuni suggerimenti costruttivi per i problemi esistenti nello sviluppo della fibra di carbonio in Cina. Inoltre, molti hanno condotto ricerche sull'analisi metrologica di documenti e brevetti nel campo della fibra di carbonio e dei suoi compositi. Ad esempio, Ma Xianglin e altri hanno analizzato la metrologia dal 1998 al 2017, la distribuzione e l'applicazione dei brevetti in fibra di carbonio nel campo di analisi; Yang Sisi e altri, sulla base della piattaforma Innography per la ricerca di brevetti e statistiche sui dati relativi ai tessuti in fibra di carbonio a livello globale, analizzano il trend di sviluppo annuale dei brevetti, i titolari dei brevetti, il punto di riferimento della tecnologia brevettuale e il brevetto principale della tecnologia.
Dal punto di vista della traiettoria di ricerca e sviluppo sulla fibra di carbonio, la ricerca cinese è quasi sincronizzata con quella mondiale, ma lo sviluppo è lento, la scala di produzione e la qualità della fibra di carbonio ad alte prestazioni presentano un divario rispetto ai paesi stranieri. Vi è un'urgente necessità di accelerare il processo di ricerca e sviluppo, migliorare la disposizione strategica e cogliere le future opportunità di sviluppo del settore. Pertanto, questo articolo analizza innanzitutto la disposizione dei progetti dei paesi nel campo della ricerca sulla fibra di carbonio, al fine di comprendere la pianificazione dei percorsi di ricerca e sviluppo nei vari paesi e, in secondo luogo, poiché la ricerca di base e la ricerca applicativa sulla fibra di carbonio sono molto importanti per la ricerca e lo sviluppo tecnico della fibra di carbonio, conduciamo contemporaneamente un'analisi metrologica dei risultati della ricerca accademica (articoli SCI) e dei risultati della ricerca applicata (brevetti) per ottenere una comprensione completa dei progressi della ricerca e sviluppo nel campo della fibra di carbonio e per analizzare i recenti sviluppi della ricerca in questo campo alla luce dei progressi della ricerca e sviluppo di Peep International Frontier. Infine, sulla base dei risultati della ricerca di cui sopra, vengono presentati alcuni suggerimenti per il percorso di ricerca e sviluppo nel campo della fibra di carbonio in Cina.
2. Cfibra di arbonlayout del progetto di ricerca diprincipali paesi/regioni
I principali paesi produttori di fibra di carbonio includono Giappone, Stati Uniti, Corea del Sud, alcuni paesi europei, Taiwan e Cina. I paesi con tecnologie avanzate, nelle prime fasi dello sviluppo della fibra di carbonio, hanno compreso l'importanza di questo materiale, hanno adottato una strategia e promuovono attivamente lo sviluppo di materiali in fibra di carbonio.
2.1 Giappone
Il Giappone è il paese più sviluppato nella tecnologia della fibra di carbonio. Le tre aziende giapponesi Toray, Bong e Mitsubishi Liyang rappresentano circa il 70-80% del mercato globale della produzione di fibra di carbonio. Ciononostante, il Giappone attribuisce grande importanza al mantenimento dei propri punti di forza in questo settore, in particolare allo sviluppo di fibre di carbonio ad alte prestazioni e di tecnologie ecocompatibili ed energetiche, con un forte supporto umano e finanziario. Diverse politiche fondamentali, tra cui il piano energetico di base, il piano strategico per la crescita economica e il Protocollo di Kyoto, hanno reso questo progetto strategico da promuovere. Sulla base della politica energetica e ambientale nazionale di base, il Ministero dell'Economia, dell'Industria e dei Beni del Giappone ha avviato il "Programma di ricerca e sviluppo per le tecnologie di risparmio energetico". Grazie a questa politica, l'industria giapponese della fibra di carbonio è stata in grado di centralizzare più efficacemente tutti gli aspetti delle risorse e promuovere la soluzione dei problemi comuni del settore.
"Sviluppo tecnologico come nuovi materiali strutturali innovativi" (2013-2022) è un progetto implementato nell'ambito del "Progetto di ricerca Sviluppo Futuro" in Giappone per raggiungere un significativo sviluppo della necessaria tecnologia per materiali strutturali innovativi e la combinazione di diversi materiali, con l'obiettivo principale di ridurre la leggerezza (metà del peso di un'automobile) dei mezzi di trasporto e, infine, di realizzarne l'applicazione pratica. Dopo aver assunto la direzione del progetto di ricerca e sviluppo nel 2014, l'Agenzia per lo Sviluppo Tecnologico Industriale (NEDO) ha sviluppato diversi sottoprogetti i cui obiettivi generali del progetto di ricerca sulla fibra di carbonio "Ricerca e sviluppo di base sulla fibra di carbonio innovativa" erano: sviluppare nuovi composti precursori della fibra di carbonio; chiarire il meccanismo di formazione delle strutture di carbonizzazione; e sviluppare e standardizzare metodi di valutazione della fibra di carbonio. Il progetto, guidato dall'Università di Tokyo e a cui partecipano congiuntamente l'Istituto di tecnologia industriale (NEDO), Toray, Teijin, Dongyuan e Mitsubishi Liyang, ha compiuto notevoli progressi nel gennaio 2016 e rappresenta un'altra importante svolta nel campo della fibra di carbonio a base di pannelli, dopo l'invenzione del "modo Kondo" in Giappone nel 1959.
2.2 Stati Uniti
L'Agenzia statunitense per la pre-ricerca in difesa (DARPA) ha lanciato il progetto Advanced Structural Fiber nel 2006 con l'obiettivo di riunire la principale forza di ricerca scientifica del Paese per sviluppare fibre strutturali di nuova generazione basate sulle fibre di carbonio. Grazie al supporto di questo progetto, il team di ricerca del Georgia Institute of Technology negli Stati Uniti ha rivoluzionato la tecnologia di preparazione del filo grezzo nel 2015, aumentandone il modulo elastico del 30% e consentendo agli Stati Uniti di sviluppare la terza generazione di fibre di carbonio.
Nel 2014, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha annunciato un sussidio di 11,3 milioni di dollari per due progetti su "processi catalitici multi-step per la conversione di zuccheri di biomassa non commestibili in acrilonitrile" e "ricerca e ottimizzazione dell'acrilonitrile derivato dalla produzione di biomassa" per promuovere l'uso di residui agricoli, la ricerca su materiali in fibra di carbonio ad alte prestazioni e rinnovabili a costi competitivi per la produzione di materie prime rinnovabili non alimentari, come la biomassa legnosa, e piani per ridurre il costo di produzione delle fibre di carbonio rinnovabili da biomassa a meno di 5 $/libbra entro il 2020.
Nel marzo 2017, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha annunciato nuovamente lo stanziamento di 3,74 milioni di dollari per finanziare un "progetto di ricerca e sviluppo di componenti in fibra di carbonio a basso costo" guidato dal Western American Institute (WRI), che si concentra sullo sviluppo di componenti in fibra di carbonio a basso costo basati su risorse quali carbone e biomassa.
Nel luglio 2017, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha annunciato lo stanziamento di 19,4 milioni di dollari per sostenere la ricerca e lo sviluppo di veicoli avanzati a basso consumo energetico, di cui 6,7 milioni sono stati utilizzati per finanziare la preparazione di fibre di carbonio a basso costo utilizzando materiali computazionali, compreso lo sviluppo di metodi di valutazione multiscala per la tecnologia informatica integrata per valutare l'entusiasmo dei nuovi precursori della fibra di carbonio, la teoria funzionale della densità assistita da dinamiche molecolari avanzate, l'apprendimento automatico e altri strumenti sono utilizzati per sviluppare strumenti informatici all'avanguardia per migliorare l'efficienza di selezione delle materie prime in fibra di carbonio a basso costo.
2.3 Europa
L'industria europea della fibra di carbonio si è sviluppata in Giappone e negli Stati Uniti negli anni Settanta e Ottanta del XX secolo, ma a causa della tecnologia e del capitale, molte aziende produttrici di fibra di carbonio non hanno aderito al periodo di elevata crescita della domanda di fibra di carbonio dopo 2000 anni e sono scomparse. L'azienda tedesca SGL è l'unica azienda in Europa ad avere una quota importante del mercato mondiale della fibra di carbonio.
Nel novembre 2011, l'Unione Europea ha lanciato il progetto Eucarbon, che mira a potenziare le capacità produttive europee di fibra di carbonio e materiali preimpregnati per il settore aerospaziale. Il progetto è durato 4 anni, con un investimento totale di 3,2 milioni di euro, e nel maggio 2017 ha avviato con successo la prima linea di produzione europea di fibra di carbonio speciale per applicazioni spaziali come i satelliti, consentendo così all'Europa di abbandonare la dipendenza dalle importazioni di questo prodotto e di garantire la sicurezza dell'approvvigionamento dei materiali.
Il Settimo Programma Quadro dell'UE prevede di sostenere il progetto "Fibra di carbonio funzionale nella preparazione di un nuovo sistema precursore con prestazioni convenienti e gestibili" (FIBRALSPEC) (2014-2017) con 6,08 milioni di euro. Il progetto quadriennale, guidato dall'Università Tecnica Nazionale di Atene, in Grecia, con la partecipazione di aziende multinazionali come Italia, Regno Unito e Ucraina, è focalizzato sull'innovazione e il miglioramento del processo di preparazione continua di fibre di carbonio a base di poliacrilonitrile per ottenere una produzione sperimentale di fibre di carbonio a base di poliacrilonitrile. Il progetto ha completato con successo lo sviluppo e l'applicazione di fibre di carbonio e tecnologie composite avanzate a partire da risorse polimeriche organiche rinnovabili (come supercondensatori, rifugi di emergenza rapidi, nonché prototipi di macchine di rivestimento rotativo meccanico-elettrico e sviluppo di linee di produzione di nanofibre, ecc.).
Un numero crescente di settori industriali, come l'automotive, l'energia eolica e la cantieristica navale, richiede compositi leggeri e ad alte prestazioni, che rappresentano un enorme mercato potenziale per l'industria della fibra di carbonio. L'UE investe 5,968 milioni di euro per lanciare il progetto Carboprec (2014-2017), il cui obiettivo strategico è sviluppare precursori a basso costo a partire da materiali rinnovabili ampiamente presenti in Europa e migliorare la produzione di fibre di carbonio ad alte prestazioni attraverso i nanotubi di carbonio.
Il programma di ricerca Cleansky II dell'Unione Europea ha finanziato un progetto di "Ricerca e sviluppo di pneumatici compositi" (2017), guidato dal Fraunhofer Institute for Production and Systems Reliability (LBF) in Germania, che prevede di sviluppare componenti per ruote anteriori per aeromobili in composito rinforzato con fibra di carbonio per l'Airbus A320. L'obiettivo è ridurre il peso del 40% rispetto ai materiali metallici convenzionali. Il progetto è finanziato con circa 200.000 euro.
2.4 Corea
La ricerca e sviluppo e l'industrializzazione della fibra di carbonio in Corea del Sud sono iniziate tardi: la ricerca e sviluppo è iniziata nel 2006 e il 2013 ha formalmente iniziato a entrare nella fase pratica, invertendo la situazione della fibra di carbonio coreana, che dipendeva interamente dalle importazioni. Per il gruppo locale sudcoreano Xiaoxing e Taiguang Business, in qualità di rappresentanti di un'azienda pioniera del settore, attivamente impegnata nel settore della fibra di carbonio, lo sviluppo è forte. Inoltre, la base produttiva di fibra di carbonio creata da Toray Giappone in Corea ha contribuito allo sviluppo del mercato coreano della fibra di carbonio.
Il governo coreano ha scelto di fare del Gruppo Xiaoxing un punto di incontro per le industrie innovative della fibra di carbonio. L'obiettivo è quello di creare un cluster industriale per i materiali in fibra di carbonio e promuovere lo sviluppo di un ecosistema economico creativo in tutta la regione settentrionale. L'obiettivo finale è creare una catena di produzione integrata per materiali in fibra di carbonio → componenti → prodotto finito. La creazione di un cluster di incubazione per la fibra di carbonio può essere paragonata a quella della Silicon Valley negli Stati Uniti, aprendo nuovi mercati e creando nuovo valore aggiunto. L'obiettivo è raggiungere 10 miliardi di dollari di esportazioni di prodotti in fibra di carbonio (equivalenti a circa 55,2 miliardi di yuan) entro il 2020.
3. analisi della ricerca globale sulla fibra di carbonio e dei risultati della ricerca
Questa sottosezione elenca i documenti SCI relativi alla ricerca sulla fibra di carbonio e i risultati dei brevetti DII dal 2010, allo scopo di analizzare contemporaneamente la ricerca accademica e la ricerca e sviluppo industriale della tecnologia globale sulla fibra di carbonio e comprendere appieno i progressi della ricerca e dello sviluppo sulla fibra di carbonio a livello internazionale.
Dati derivati dal database Scie e dal database Dewent nel database Web of Science pubblicato da Clarivate Analytics; intervallo di tempo del recupero: 2010-2017; data del recupero: 1° febbraio 2018.
Strategia di recupero della carta SCI: Ts=((fibra di carbonio* o fibra di carbonio* o ("fibra di carbonio*" non "fibra di vetro di carbonio") o "fibra di carbonio*" o "filamento di carbonio*" o ((poliacrilonitrile o pece) e "precursore*" e fibra*) o ("fibra di grafite*")) non ("carbonio di bambù"))。
Strategia di ricerca brevettuale Dewent: Ti=((fibra di carbonio* o fibra di carbonio* o ("fibra di carbonio*" non "fibra di vetro di carbonio") o "fibra di carbonio*" o "filamento di carbonio*" o ((poliacrilonitrile o pece) e "precursore*" e fibra*) o ("fibra di grafite*")) non ("carbonio di bambù")) o TS=((fibra di carbonio* o fibra di carbonio* o ("fibra di carbonio*" non "fibra di vetro di carbonio") o "fibra di carbonio*" o "filamento di carbonio*" o ((poliacrilonitrile o pece) e "precursore*" e fibra*) o ("fibra di grafite*")) non ("carbonio di bambù")) e IP=(D01F-009/12 o D01F-009/127 o D01F-009/133 o D01F-009/14 o D01F-009/145 o D01F-009/15 o D01F-009/155 o D01F-009/16 o D01F-009/17 o D01F-009/18 o D01F-009/20 o D01F-009/21 o D01F-009/22 o D01F-009/24 o D01F-009/26 o D01F-09/28 o D01F-009/30 o D01F-009/32 o C08K-007/02 o C08J-005/04 o C04B-035/83 o D06M-014/36 o D06M-101/40 o D21H-013/50 o H01H-001/027 oH01R-039/24)。
3.1 tendenza
Dal 2010 sono stati pubblicati in tutto il mondo 16.553 articoli pertinenti e sono stati richiesti 26.390 brevetti di invenzione, tutti in costante crescita anno dopo anno (Figura 1).
3.2 Distribuzione per paese o regione
Le prime 10 istituzioni con la maggiore produzione di articoli di ricerca sulla fibra di carbonio a livello globale provengono dalla Cina, di cui le prime 5 sono: Accademia Cinese delle Scienze, Harbin Institute of Technology, Northwestern University of Technology, Donghua University e Beijing Institute of Aeronautics and Astronautics. Tra le istituzioni straniere, l'Indian Institute of Technology, l'Università di Tokyo, l'Università di Bristol, la Monash University, l'Università di Manchester e il Georgia Institute of Technology si classificano tra la 10a e la 20a posizione (Fig. 3).
Numero di domande di brevetto nelle prime 30 istituzioni, il Giappone ne ha 5, e 3 di queste sono tra le prime cinque, la società Toray si è classificata al primo posto, seguita da Mitsubishi Liyang (2°), Teijin (4°), East State (10°), Japan Toyo Textile Company (24°), la Cina ha 21 istituzioni, il gruppo Sinopec ha il maggior numero di brevetti, classificandosi al terzo posto, al secondo posto l'Harbin Institute of Technology, la società di cavi Henan Ke Letter, la Donghua University, China Shanghai Petrochemical, Beijing Chemical Industry, ecc., la Chinese Academy of Sciences Shanxi Coal ha presentato il brevetto per invenzione n. 66, classificandosi al 27° posto, le istituzioni sudcoreane ne hanno 2, di cui la Xiaoxing Co., Ltd. si è classificata al primo posto, classificandosi all'8° posto.
Istituzioni di output, l'output della carta proviene principalmente da università e istituti di ricerca scientifica, l'output dei brevetti proviene principalmente dall'azienda, si può vedere che la produzione di fibra di carbonio è un settore ad alta tecnologia, come corpo principale di sviluppo del settore di ricerca e sviluppo della fibra di carbonio, l'azienda attribuisce grande importanza alla protezione della tecnologia di ricerca e sviluppo della fibra di carbonio, in particolare le 2 principali aziende in Giappone, il numero di brevetti è di gran lunga superiore.
3.4 Punti caldi della ricerca
Gli articoli di ricerca sulla fibra di carbonio coprono la maggior parte degli argomenti di ricerca: compositi in fibra di carbonio (inclusi compositi rinforzati con fibra di carbonio, compositi a matrice polimerica, ecc.), ricerca sulle proprietà meccaniche, analisi agli elementi finiti, nanotubi di carbonio, delaminazione, rinforzo, fatica, microstruttura, filatura elettrostatica, trattamento superficiale, adsorbimento e così via. Gli articoli che trattano queste parole chiave rappresentano il 38,8% del numero totale di articoli.
I brevetti per invenzioni in fibra di carbonio coprono la maggior parte degli argomenti relativi alla preparazione della fibra di carbonio, alle apparecchiature di produzione e ai materiali compositi. Tra queste, le aziende giapponesi Toray, Mitsubishi Liyang, Teijin e altre nel settore dei "composti polimerici rinforzati con fibra di carbonio" hanno un'importante copertura tecnica. Inoltre, Toray e Mitsubishi Liyang detengono una quota significativa di brevetti per "produzione di poliacrilonitrile in fibra di carbonio e apparecchiature di produzione", "con nitrile insaturo, come poliacrilonitrile, polivinilidene cianuro etilene per la produzione di fibra di carbonio" e altre tecnologie. Infine, la società giapponese Teijin detiene una quota maggiore di brevetti per "compositi in fibra di carbonio e composti di ossigeno".
China Sinopec Group, Università chimica di Pechino, Accademia cinese delle scienze Ningbo Materials nella "produzione di poliacrilonitrile in fibra di carbonio e relative apparecchiature di produzione" detiene una larga parte del layout dei brevetti; inoltre, Università di ingegneria chimica di Pechino, Istituto chimico del carbone dello Shanxi dell'Accademia cinese delle scienze e Accademia cinese delle scienze Ningbo Materials Key Layout "Utilizzo di fibre di elementi inorganici come ingredienti nella preparazione di composti polimerici" ha La tecnologia Harbin Institute of Technology si concentra sul layout del "trattamento della fibra di carbonio", "compositi in fibra di carbonio e composti contenenti ossigeno" e altre tecnologie.
Inoltre, dalle statistiche annuali sulla distribuzione dei brevetti globali si evince che negli ultimi tre anni hanno iniziato a emergere diversi nuovi punti caldi, come: "Composizioni di poliammidi ottenute dalla formazione di una reazione di legame carbossilato nella catena principale", "composizioni di poliestere dalla formazione di 1 legame estere di acido carbossilico nella catena principale", "materiale composito a base di materiali sintetici", "composti di ossigeno contenenti acido carbossilico ciclico come ingredienti di compositi in fibra di carbonio", "in forma tridimensionale di solidificazione o trattamento di materiali tessili", "etere insaturo, acetale, semi-acetale, chetone o aldeide tramite la sola reazione di legame insaturo carbonio-carbonio alla produzione di composti polimerici", "tubo o cavo in materiale adiabatico", "Compositi in fibra di carbonio con esteri fosfatici come ingredienti" e così via.
Negli ultimi anni, la ricerca e sviluppo nel settore della fibra di carbonio è emersa, con la maggior parte delle innovazioni provenienti da Stati Uniti e Giappone. Le ultime tecnologie all'avanguardia si concentrano non solo sulla produzione e la preparazione della fibra di carbonio, ma anche su applicazioni in una gamma più ampia di materiali per l'industria automobilistica, come materiali leggeri, per la stampa 3D e per la generazione di energia. Inoltre, il riciclaggio e il riciclo di materiali in fibra di carbonio, la preparazione della fibra di carbonio con lignina del legno e altri risultati hanno prestazioni brillanti. I risultati rappresentativi sono descritti di seguito:
1) Il Georgia Institute of Technology degli Stati Uniti sfonda le tecnologie in fibra di carbonio di terza generazione
Nel luglio 2015, grazie ai finanziamenti della DARPA, il Georgia Institute of Technology, con la sua innovativa tecnica di filatura in gel di fibra di carbonio su base pan, ha aumentato significativamente il suo modulo, superando la fibra di carbonio Hershey IM7, ora ampiamente utilizzata negli aerei militari, diventando il secondo paese al mondo, dopo il Giappone, a padroneggiare la terza generazione della tecnologia della fibra di carbonio.
La resistenza alla trazione della fibra di carbonio ottenuta tramite filatura in gel prodotta da Kumarz raggiunge i 5,5-5,8 GPa, mentre il modulo elastico è compreso tra 354 e 375 GPa. "Questa è la fibra continua che è stata segnalata con la resistenza e il modulo più elevati in termini di prestazioni complessive. Nel fascio di filamenti corti, la resistenza alla trazione arriva fino a 12,1 GPa, la stessa che caratterizza la fibra di carbonio in poliacrilonitrile con la resistenza più elevata."
2) Tecnologia di riscaldamento ad onde elettromagnetiche
Nel 2014, Nedo ha sviluppato la tecnologia di riscaldamento a onde elettromagnetiche. La tecnologia di carbonizzazione a onde elettromagnetiche si riferisce all'utilizzo di tale tecnologia per la carbonizzazione della fibra a pressione atmosferica. Le prestazioni della fibra di carbonio ottenuta sono sostanzialmente le stesse della fibra di carbonio prodotta mediante riscaldamento ad alta temperatura: il modulo elastico può superare i 240 GPA e l'allungamento a rottura è superiore all'1,5%, il che rappresenta il primo successo al mondo.
Il materiale fibroso viene carbonizzato tramite onde elettromagnetiche, eliminando così la necessità di un forno di carbonizzazione ad alta temperatura. Questo processo non solo riduce i tempi di carbonizzazione, ma riduce anche il consumo energetico e le emissioni di CO2.
3) controllo preciso del processo di carbonizzazione
Nel marzo 2014, Toray ha annunciato il successo dello sviluppo della fibra di carbonio T1100G. Toray utilizza la tradizionale tecnologia di filatura in soluzione pan per controllare con precisione il processo di carbonizzazione, migliorare la microstruttura della fibra di carbonio su scala nanometrica, controllare l'orientamento dei microcristalli di grafite, le dimensioni dei microcristalli, i difetti e così via nella fibra dopo la carbonizzazione, in modo da migliorarne notevolmente la resistenza e il modulo elastico. La resistenza alla trazione della T1100G è di 6,6 GPa, superiore del 12% rispetto alla T800, e il modulo elastico è di 324 GPa, aumentato del 10%, e sta entrando nella fase di industrializzazione.
4) Tecnologia di trattamento superficiale
Teijin East State ha sviluppato con successo una tecnologia di trattamento superficiale al plasma in grado di controllare l'aspetto della fibra di carbonio in pochi secondi. Questa nuova tecnologia semplifica significativamente l'intero processo produttivo e riduce il consumo energetico del 50% rispetto alle attuali tecnologie di trattamento superficiale per soluzioni acquose elettrolitiche. Inoltre, dopo il trattamento al plasma, si è riscontrato un miglioramento anche dell'adesione tra fibra e matrice di resina.
5) studio sul tasso di ritenzione della resistenza alla trazione della fibra di carbonio in un ambiente di grafite ad alta temperatura
Ningbo Materials ha condotto con successo uno studio dettagliato sull'analisi dei processi, la ricerca strutturale e l'ottimizzazione delle prestazioni della fibra di carbonio nazionale ad alta resistenza e in modalità alta, in particolare il lavoro di ricerca sul tasso di ritenzione della resistenza alla trazione della fibra di carbonio in un ambiente di grafite ad alta temperatura e la recente preparazione di successo di fibra di carbonio ad alta resistenza e modulo più elevato con resistenza alla trazione di 5,24 GPa e volume del modulo di trazione di 593 GPa. Continua ad avere il vantaggio della resistenza alla trazione rispetto alla fibra di carbonio altamente stampata ad alta resistenza Toray m60j del Giappone (resistenza alla trazione 3,92 GPa, modulo di trazione 588 GPa).
6) Grafite a microonde
Yongda Advanced Materials ha sviluppato con successo la tecnologia brevettata esclusiva statunitense della grafite ad altissima temperatura, che consente la produzione di fibra di carbonio di ordine medio e superiore, superando con successo i tre colli di bottiglia nello sviluppo della fibra di carbonio di ordine superiore: le attrezzature per la grafite sono costose e soggette a controllo internazionale, le difficoltà nella tecnologia chimica della seta grezza, la bassa resa produttiva e l'alto costo. Finora, Yongda ha sviluppato tre tipi di fibre di carbonio, ognuno dei quali ha portato a nuovi livelli la resistenza e il modulo della fibra di carbonio originale, di qualità relativamente bassa.
7) Nuovo processo di fusione e filatura di filo grezzo in fibra di carbonio a base di pan di Fraunhofer, Germania
Il Fraunhofer Institute of Applied Polymers (Applied Polymer Research, IAP) ha recentemente annunciato che presenterà la più recente tecnologia Comcarbon al Berlin Air Show Ila, che si terrà il 25 e 29 aprile 2018. Questa tecnologia riduce notevolmente i costi di produzione della fibra di carbonio prodotta in serie.
Fig. 4 Filatura per fusione del filo grezzo.
È noto che nei processi tradizionali, metà del costo di produzione della fibra di carbonio a base di fibra di carbonio pan viene assorbito dalla produzione del filo grezzo. Data l'incapacità del filo grezzo di fondersi, è necessario produrlo utilizzando un costoso processo di filatura in soluzione (Solution Spinning). "A tal fine, abbiamo sviluppato un nuovo processo per la produzione di seta grezza a base di fibra di carbonio pan, che può ridurre i costi di produzione del filo grezzo del 60%. Si tratta di un processo di filatura per fusione economico e fattibile, che utilizza un copolimero a base di fibra di carbonio pan fuso appositamente sviluppato", ha spiegato il Dott. Johannes Ganster, Ministro dei Polimeri Biologici presso il Fraunhofer IAP Institute.
8) Tecnologia di ossidazione al plasma
4M Carbon Fiber ha annunciato che utilizzerà la tecnologia di ossidazione al plasma per produrre e vendere fibra di carbonio di alta qualità a basso costo come obiettivo strategico, non solo per ottenere la licenza della tecnologia. 4M afferma che la tecnologia di ossidazione al plasma è 3 volte più veloce della tecnologia di ossidazione convenzionale, mentre il consumo energetico è inferiore a un terzo rispetto alla tecnologia tradizionale. Queste affermazioni sono state convalidate da numerosi produttori internazionali di fibra di carbonio, che stanno consultando diversi tra i maggiori produttori di fibra di carbonio e case automobilistiche al mondo per partecipare come promotori della produzione di fibre di carbonio a basso costo.
9) Fibra nano di cellulosa
L'Università di Kyoto in Giappone, insieme a diversi importanti fornitori di componenti come l'azienda di installazioni elettriche (il principale fornitore di Toyota) e Daikyonishikawa Corp., sta lavorando allo sviluppo di materiali plastici che combinano nanofibre di cellulosa. Questo materiale viene prodotto scomponendo la polpa di legno in pochi micron (1 per mille mm). Il peso del nuovo materiale è solo un quinto di quello dell'acciaio, ma la sua resistenza è cinque volte superiore.
10) Corpo anteriore in fibra di carbonio di materie prime poliolefiniche e lignina
Dal 2007, l'Oak Ridge National Laboratory negli Stati Uniti lavora alla ricerca sulla fibra di carbonio a basso costo e ha sviluppato corpi anteriori in fibra di carbonio per materie prime a base di poliolefina e lignina, nonché tecnologie avanzate di preossidazione al plasma e di carbonizzazione a microonde.
11) Il nuovo polimero (polimero precursore) è stato sviluppato rimuovendo il trattamento refrattario
Con il metodo di produzione guidato dall'Università di Tokyo, è stato sviluppato un nuovo polimero (polimero precursore) per eliminare il trattamento refrattario. Il punto principale è che, dopo la filatura in seta, il polimero non subisce il trattamento refrattario originale, ma lo ossida nel solvente. Il dispositivo di riscaldamento a microonde viene quindi riscaldato a oltre 1000 °C per la carbonizzazione. Il tempo di riscaldamento è di soli 2-3 minuti. Dopo il trattamento di carbonizzazione, il plasma viene utilizzato anche per eseguire il trattamento superficiale, in modo da poter produrre fibra di carbonio. Il trattamento al plasma richiede meno di 2 minuti. In questo modo, il tempo di sinterizzazione originale di 30-60 minuti può essere ridotto a circa 5 minuti. Nel nuovo metodo di produzione, il trattamento al plasma viene eseguito per migliorare l'adesione tra la fibra di carbonio e la resina termoplastica come materiale di base CFRP. Il modulo elastico a trazione della fibra di carbonio prodotta con il nuovo metodo di produzione è di 240 GPa, la resistenza alla trazione è di 3,5 GPa e l'allungamento raggiunge l'1,5%. Questi valori sono gli stessi della fibra di carbonio Toray Universal grade T300 utilizzata per articoli sportivi, ecc.
12) Riciclo e utilizzo di materiali in fibra di carbonio mediante processo a letto fluido
Mengran Meng, primo autore dello studio, ha affermato: "Il recupero della fibra di carbonio riduce l'impatto ambientale rispetto alla produzione di fibra di carbonio grezza, ma la consapevolezza delle potenziali tecnologie di riciclo e della fattibilità economica del suo utilizzo è limitata. Il riciclo avviene in due fasi: le fibre devono prima essere recuperate dai compositi di fibra di carbonio e decomposte termicamente mediante macinazione meccanica dei materiali o utilizzando processi di pirolisi o a letto fluido. Questi metodi rimuovono la parte plastica del materiale composito, lasciando la fibra di carbonio, che può quindi essere convertita in fibre aggrovigliate utilizzando la tecnologia di fabbricazione della carta a umido, oppure riorganizzata in fibre direzionali.
I ricercatori hanno calcolato che la fibra di carbonio potrebbe essere recuperata dagli scarti di compositi in fibra di carbonio utilizzando un processo a letto fluido, richiedendo solo 5 dollari al chilo e meno del 10% dell'energia necessaria per produrre la fibra di carbonio primaria. Le fibre di carbonio riciclate prodotte con processi a letto fluido riducono di poco il modulo e la resistenza alla trazione si riduce dal 18% al 50% rispetto alle fibre di carbonio primarie, rendendole adatte ad applicazioni che richiedono elevata rigidità piuttosto che resistenza. "Le fibre di carbonio riciclate potrebbero essere adatte ad applicazioni non strutturali che richiedono leggerezza, come l'industria automobilistica, edile, eolica e sportiva", ha affermato Meng.
13) Nuova tecnologia di riciclo della fibra di carbonio sviluppata negli Stati Uniti
Nel giugno 2016, i ricercatori del Georgia Institute of Technology negli Stati Uniti hanno immerso la fibra di carbonio in un solvente contenente alcol per sciogliere la resina epossidica; le fibre separate e le resine epossidiche possono essere riutilizzate, realizzando con successo il recupero della fibra di carbonio.
Nel luglio 2017, la Washington State University ha inoltre sviluppato una tecnologia di recupero della fibra di carbonio, utilizzando un acido debole come catalizzatore e l'etanolo liquido a temperature relativamente basse per decomporre i materiali termoindurenti; la fibra di carbonio decomposta e la resina vengono conservate separatamente e possono essere riprodotte.
14) Sviluppo della tecnologia di stampa 3D con inchiostro in fibra di carbonio nel laboratorio LLNL, USA
Nel marzo 2017, il Lawrence Livemore National Laboratory (LLNL) negli Stati Uniti ha sviluppato i primi compositi in fibra di carbonio ad alte prestazioni, di livello aeronautico, stampati in 3D. Hanno utilizzato un metodo di stampa 3D a trasmissione diretta di inchiostro (DIW) per creare complesse strutture tridimensionali che hanno notevolmente migliorato la velocità di elaborazione, adatte all'impiego nei settori automobilistico, aerospaziale, della difesa, motociclistico e del surf.
15) Stati Uniti, Corea e Cina collaborano allo sviluppo della fibra di carbonio per la produzione di energia
Nell'agosto 2017, il campus di Dallas dell'Università del Texas, l'Università di Hanyang in Corea, l'Università di Nankai in Cina e altre istituzioni hanno collaborato allo sviluppo di un materiale in filato di fibra di carbonio per la generazione di energia. Il filato viene inizialmente immerso in soluzioni elettrolitiche come la salamoia, consentendo agli ioni presenti nell'elettrolita di legarsi alla superficie dei nanotubi di carbonio, convertendosi in energia elettrica quando il filato viene teso o allungato. Il materiale può essere utilizzato in qualsiasi luogo con energia cinetica affidabile ed è adatto per alimentare i sensori IoT.
16) Nuovi progressi nella ricerca sulla fibra di carbonio derivata dalla lignina del legno, ottenuti rispettivamente da cinesi e americani
Nel marzo 2017, il team specializzato in fibre del Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering ha preparato un copolimero lignina-acrilonitrile con buona filabilità e stabilità termica utilizzando la tecnologia di esterificazione e copolimerizzazione a radicali liberi, una tecnologia di modifica in due fasi. Utilizzando il processo di copolimero e filatura a umido, sono stati ottenuti filamenti continui di alta qualità, mentre la fibra di carbonio compatta è stata ottenuta dopo il trattamento di stabilizzazione termica e carbonizzazione.
Nell'agosto 2017, il team di ricerca di Birgitte Ahring presso l'Università di Washington, negli Stati Uniti, ha miscelato lignina e poliacrilonitrile in diverse proporzioni, utilizzando poi la tecnologia di filatura a fusione per convertire i polimeri misti in fibre di carbonio. Lo studio ha rilevato che la lignina aggiunta al 20-30% non ha influenzato la resistenza della fibra di carbonio e si prevedeva che potesse essere utilizzata nella produzione di materiali in fibra di carbonio a basso costo per componenti automobilistici o aeronautici.
Alla fine del 2017, il National Renewable Energy Laboratory (NREL) ha pubblicato una ricerca sulla produzione di acrilonitrile utilizzando scarti vegetali, come paglia di mais e paglia di grano. Questi materiali vegetali vengono prima scomposti in zuccheri, poi convertiti in acidi e combinati con catalizzatori economici per produrre i prodotti desiderati.
17) Il Giappone sviluppa il primo telaio per auto in materiale composito termoplastico rinforzato con fibra di carbonio
Nell'ottobre 2017, l'Agenzia giapponese per la Ricerca e Sviluppo (R&D) e il Centro Nazionale di Ricerca sui Compositi dell'Università di Nagoya hanno sviluppato con successo il primo telaio per auto in composito termoplastico rinforzato con fibra di carbonio al mondo. Il processo di stampaggio diretto in linea automatico di compositi termoplastici rinforzati con fibre lunghe, la miscelazione continua di particelle di fibra di carbonio e resina termoplastica, la produzione di compositi rinforzati con fibre e, successivamente, la fusione e il riscaldamento, hanno portato alla produzione di telai per auto in CFRP termoplastico.
5. Suggerimenti sulla ricerca e sviluppo della tecnologia della fibra di carbonio in Cina
5.1 Layout lungimirante, orientato agli obiettivi, focalizzato sulla svolta della terza generazione della tecnologia in fibra di carbonio
La seconda generazione della tecnologia cinese in fibra di carbonio non è ancora una svolta radicale, il nostro Paese dovrebbe cercare di avere una disposizione lungimirante che riunisca i nostri istituti di ricerca più competenti, focalizzati sull'acquisizione di tecnologie chiave, l'attenzione sulla terza generazione di ricerca e sviluppo della tecnologia di preparazione della fibra di carbonio ad alte prestazioni (vale a dire applicabile alla tecnologia della fibra di carbonio ad alta resistenza e alto modulo aerospaziale) e la tecnologia dei materiali compositi in fibra di carbonio sviluppata, anche per l'industria automobilistica, edilizia e riparazione e altri materiali leggeri, a basso costo, di preparazione della fibra di carbonio di grandi dimensioni, tecnologia di produzione additiva, materiali compositi in fibra di carbonio, tecnologia di riciclaggio e tecnologie di prototipazione rapida.
5.2 Coordinare l'organizzazione, rafforzare il supporto, avviare importanti progetti tecnici per supportare costantemente la ricerca collaborativa
Attualmente, in Cina sono presenti numerose istituzioni impegnate nella ricerca sulla fibra di carbonio, ma il potere è disperso e non esiste un meccanismo unificato di organizzazione della ricerca e sviluppo né un solido supporto finanziario per un coordinamento efficace. A giudicare dall'esperienza di sviluppo dei paesi avanzati, l'organizzazione e la pianificazione dei grandi progetti svolgono un ruolo fondamentale nel promuovere lo sviluppo di questo settore tecnico. Dovremmo concentrarci sul vantaggio della Cina in termini di ricerca e sviluppo, in vista della sua rivoluzionaria tecnologia di ricerca e sviluppo nel settore della fibra di carbonio, per avviare importanti progetti, rafforzare l'innovazione tecnologica collaborativa e promuovere costantemente il livello di ricerca tecnologica cinese sulla fibra di carbonio e la concorrenza internazionale per la fibra di carbonio e i compositi.
5.3 Migliorare il meccanismo di valutazione dell'orientamento all'effetto applicativo dei risultati tecnici
Dal punto di vista dell'analisi econometrica degli articoli SCI, la fibra di carbonio cinese è un materiale ad alte prestazioni e ad alta resistenza utilizzato in vari campi di ricerca, ma per la tecnologia di produzione e preparazione della fibra di carbonio, concentrandosi in particolare sulla riduzione dei costi, si migliora l'efficienza produttiva con meno ricerca. Il processo di produzione della fibra di carbonio è lungo, presenta punti chiave tecnologici, presenta elevate barriere produttive ed è un'integrazione multidisciplinare e multitecnologica. È necessario superare gli ostacoli tecnici per promuovere efficacemente la ricerca e lo sviluppo di tecnologie di preparazione del nucleo a "basso costo e alte prestazioni". Da un lato, è necessario rafforzare gli investimenti nella ricerca, dall'altro, è necessario indebolire il campo della valutazione delle prestazioni della ricerca scientifica, rafforzare la guida alla valutazione dell'effetto applicativo dei risultati tecnici e passare dalla valutazione "quantitativa", che presta attenzione alla pubblicazione dell'articolo, alla valutazione "qualitativa" del valore dei risultati.
5.4 Rafforzare la coltivazione di talenti composti da tecnologie all'avanguardia
Le caratteristiche high-tech della tecnologia in fibra di carbonio determinano l'importanza dei talenti specializzati; la presenza o meno di personale tecnico di base all'avanguardia determina direttamente il livello di ricerca e sviluppo di un'istituzione.
Grazie ai collegamenti di ricerca e sviluppo nella tecnologia della fibra di carbonio, è fondamentale prestare attenzione alla formazione del personale addetto ai composti, al fine di garantire il coordinamento e lo sviluppo di tutti i collegamenti. Inoltre, data la storia dello sviluppo della ricerca sulla fibra di carbonio in Cina, il flusso di esperti di base in ambito tecnologico è spesso un fattore chiave che influenza il livello di ricerca e sviluppo di un istituto di ricerca. Mantenere il focus degli esperti di base e dei team di ricerca e sviluppo sui processi di produzione, sui compositi e sui prodotti principali è fondamentale per un continuo aggiornamento tecnologico.
Dobbiamo continuare a rafforzare la formazione e l'impiego di personale specializzato in alta tecnologia in questo campo, migliorare la politica di valutazione e trattamento dei talenti in ricerca e sviluppo tecnologico, rafforzare la coltivazione di giovani talenti, sostenere attivamente la cooperazione e gli scambi con istituti esteri di ricerca e sviluppo avanzati e introdurre vigorosamente talenti esteri avanzati, ecc. Ciò svolgerà un ruolo importante nel promuovere lo sviluppo della ricerca sulla fibra di carbonio in Cina.
Citato da-
Analisi sullo sviluppo della tecnologia globale della fibra di carbonio e la sua diffusione in Cina. Tian Yajuan, Zhang Zhiqiang, Tao Cheng, Yang Ming, Ba Jin, Chen Yunwei.Ricerca e sviluppo scientifico-tecnologico mondiale.2018
Data di pubblicazione: 04-12-2018