Јаглеродните влакна се неоргански полимерни влакна, нов неоргански материјал со содржина на јаглерод над 95%, со мала густина, висока цврстина, отпорност на високи температури, висока хемиска стабилност, отпорност на замор, отпорност на абење и други одлични основни физички и хемиски својства, и имаат високо слабеење на вибрации, добра спроводлива топлинска спроводливост, перформанси на електромагнетна заштита и низок коефициент на топлинска експанзија и други карактеристики. Овие одлични својства ги прават јаглеродните влакна широко користени во воздухопловството, железничкиот транспорт, производството на возила, оружје и опрема, градежните машини, изградбата на инфраструктура, поморското инженерство, нафтено инженерство, енергијата на ветерот, спортската опрема и други области.
Врз основа на националните стратешки потреби за материјали од јаглеродни влакна, Кина ги наведе како една од основните технологии на новите индустрии што се фокусирани на поддршка. Во националното „Дванаесет и пет“ научно и технолошко планирање, технологијата за подготовка и примена на високо-перформансни јаглеродни влакна е една од основните технологии на стратешките нови индустрии што ги поддржува државата. Во мај 2015 година, Државниот совет официјално го објави „Произведено во Кина 2025“, новите материјали како една од клучните области на енергична промоција и развој, вклучувајќи ги високо-перформансните структурни материјали, напредните композити се фокусот на развој во областа на новите материјали. Во октомври 2015 година, Министерството за индустрија и информатичка индустрија официјално го објави „Кинескиот патоказ за клучни области на производство 2025“, „високо-перформансни влакна и нивните композити“ како клучен стратешки материјал, целта за 2020 година е „домашните композити од јаглеродни влакна да ги задоволат техничките барања на големите авиони и друга важна опрема“. Во ноември 2016 година, Државниот совет го издаде националниот стратешки план за развој на нови индустрии „Тринаесет и пет“, во кој јасно се посочува зајакнување на поддршката за соработка во индустријата за нови материјали, спроведување пилот-демонстрации за соработка во композитите од јаглеродни влакна и други области, изградба на платформа за соработка во апликациите. Во јануари 2017 година, Министерството за индустрија и развој, NDRC, наука и технологија и Министерството за финансии заеднички го формулираа „Водичот за развој на индустриите за нови материјали“ и предложија од 2020 година „во композитите од јаглеродни влакна, висококвалитетниот специјален челик, напредните материјали од лесни легури и други области да се постигне повеќе од 70 клучни нови материјали во индустријализацијата и примената, изградба на систем за поддршка на процесна опрема што одговара на нивото на развој на кинеската индустрија за нови материјали“.
Бидејќи јаглеродните влакна и нивните композити играат важна улога во националната одбрана и егзистенцијата на народот, многу експерти се фокусираат на нивниот развој и анализа на истражувачките трендови. Д-р Џоу Хонг ги разгледа научните и технолошките придонеси направени од американските научници во раните фази на развојот на технологијата за високо-перформансни јаглеродни влакна, и скенираше и извести за 16 главни примени и неодамнешни технолошки достигнувања на јаглеродните влакна, а технологијата на производство, својствата и примената на полиакрилонитрилните јаглеродни влакна и нивниот тековен технолошки развој беа разгледани од д-р Веи Син итн. Исто така, се даваат некои конструктивни предлози за проблемите што постојат во развојот на јаглеродни влакна во Кина. Покрај тоа, многу луѓе спроведоа истражувања за метролошка анализа на трудови и патенти во областа на јаглеродните влакна и нивните композити. На пример, Ма Сјанглин и други од гледна точка на метрологијата од 1998-2017 година за дистрибуцијата на патенти за јаглеродни влакна и примената на полето на анализа; Јанг Сиси и други, врз основа на инографската платформа за глобално пребарување патенти за ткаенини од јаглеродни влакна и статистика на податоци, се анализираат од годишниот тренд на развој на патенти, носители на патенти, жариштето на патентната технологија и основниот патент на технологијата.
Од перспектива на траекторијата за истражување и развој на јаглеродни влакна, истражувањето на Кина е речиси синхронизирано со светот, но развојот е бавен, обемот и квалитетот на производството на јаглеродни влакна со високи перформанси во споредба со странските земји имаат јаз, постои итна потреба да се забрза процесот на истражување и развој, да се унапреди стратешкиот распоред и да се искористат идните можности за развој на индустријата. Затоа, овој труд прво го истражува распоредот на проектите на земјите во областа на истражувањето на јаглеродни влакна, со цел да се разбере планирањето на рутите за истражување и развој во различни земји, и второ, бидејќи основните истражувања и применетите истражувања на јаглеродните влакна се многу важни за техничкото истражување и развој на јаглеродни влакна, затоа спроведуваме метролошка анализа од резултатите од академските истражувања - трудови од SCI и резултатите од применетите истражувања - патенти во исто време за да добиеме сеопфатно разбирање на напредокот во истражувањето и развојот во областа на јаглеродните влакна, и да ги скенираме неодамнешните истражувачки случувања во оваа област за напредокот во истражувањето и развојот на Peep International Frontier. Конечно, врз основа на горенаведените истражувачки резултати, се предлагаат неколку предлози за рутата на истражување и развој во областа на јаглеродните влакна во Кина.
2. Царбонски влакнараспоред на истражувачки проект наголеми земји/региони
Главните земји производители на јаглеродни влакна се Јапонија, САД, Јужна Кореја, некои европски земји и Тајван, Кина. Земјите со напредна технологија во раната фаза на развој на технологијата на јаглеродни влакна ја сфатија важноста на овој материјал, спроведоа стратешки распоред и енергично го промовираа развојот на материјали од јаглеродни влакна.
2.1 Јапонија
Јапонија е најразвиената земја за технологија на јаглеродни влакна. Трите компании во Торај, Бонг и Мицубиши Лијанг во Јапонија учествуваат со околу 70% до 80% од глобалниот пазарен удел во производството на јаглеродни влакна. Сепак, Јапонија придава големо значење на одржувањето на своите силни страни во оваа област, особено развојот на високо-перформансни јаглеродни влакна базирани на панаѓур и енергетски и еколошки технологии, со силна човечка и финансиска поддршка, како и во голем број основни политики, вклучувајќи го основниот енергетски план, стратешкиот план за економски раст и Кјото протоколот, што го направија ова стратешки проект кој треба да се унапреди. Врз основа на основната национална политика за енергија и животна средина, Министерството за економија, индустрија и имот на Јапонија ја предложи „Програмата за истражување и развој на технологија за заштеда на енергија“. Поддржана од горенаведената политика, јапонската индустрија за јаглеродни влакна успеа поефикасно да ги централизира сите аспекти на ресурсите и да го промовира решавањето на вообичаените проблеми во индустријата за јаглеродни влакна.
„Развој на технологијата како што се иновативни нови структурни материјали“ (2013-2022) е проект имплементиран во рамките на „Истражувачкиот проект за иден развој“ во Јапонија за значително постигнување на развојот на потребната иновативна технологија за структурни материјали и комбинацијата на различни материјали, со главна цел намалување на леснотијата (половина од тежината на автомобилот) на транспортните средства. И конечно реализација на нејзината практична примена. По преземањето на проектот за истражување и развој во 2014 година, Агенцијата за развој на индустриска технологија (NEDO) разви неколку подпроекти во кои главните цели на истражувачкиот проект за јаглеродни влакна „Иновативно основно истражување и развој на јаглеродни влакна“ беа: да се развијат нови соединенија прекурсори на јаглеродни влакна; да се разјасни механизмот на формирање на структурите на карбонизација; и да се развијат и стандардизираат методите за проценка на јаглеродни влакна. Проектот, предводен од Универзитетот во Токио, а во кој заеднички учествуваат Институтот за индустриска технологија (NEDO), Торај, Теиџин, Донгјуан и Мицубиши Лијанг, постигна значителен напредок во јануари 2016 година и претставува уште еден голем пробив во областа на јаглеродни влакна базирани на тава, по пронаоѓањето на „режимот Кондо“ во Јапонија во 1959 година.
2.2 Соединети Американски Држави
Агенцијата за предистражување на одбраната на САД (DARPA) го започна проектот „Напредни структурни влакна“ во 2006 година со цел да ги обедини доминантните научни истражувачки сили во земјата за развој на структурни влакна од следната генерација базирани на јаглеродни влакна. Поддржан од овој проект, истражувачкиот тим на Технолошкиот институт во Џорџија во Соединетите Американски Држави ја проби технологијата за подготовка на сурова жица во 2015 година, зголемувајќи го нејзиниот модул на еластичност за 30%, обележувајќи ги Соединетите Американски Држави со капацитет за развој на третата генерација јаглеродни влакна.
Во 2014 година, Министерството за енергетика на Соединетите Американски Држави (DOE) објави субвенција од 11,3 милиони долари за два проекта за „повеќестепени каталитички процеси за конверзија на шеќери од биомаса што не се јадат во акрилонитрил“ и „истражување и оптимизација на акрилонитрил добиен од производство на биомаса“ за промовирање на употребата на земјоделски остатоци, истражување на конкурентни обновливи високо-перформансни материјали од јаглеродни влакна за производство на обновливи суровини што не се хранат, како што е дрвена биомаса, и планови за намалување на трошоците за производство на обновливи јаглеродни влакна од биомаса на помалку од 5 долари/фунта до 2020 година.
Во март 2017 година, Министерството за енергетика на САД повторно објави 3,74 милиони долари за финансирање на „проект за истражување и развој на компоненти од јаглеродни влакна со ниска цена“ предводен од Западноамериканскиот институт (WRI), кој се фокусира на развој на компоненти од јаглеродни влакна со ниска цена базирани на ресурси како што се јаглен и биомаса.
Во јули 2017 година, Министерството за енергетика на САД објави финансирање од 19,4 милиони долари за поддршка на истражување и развој на напредни енергетски ефикасни возила, од кои 6,7 милиони се користат за финансирање на подготовка на нискобуџетни јаглеродни влакна со употреба на пресметковни материјали, вклучувајќи го и развојот на повеќескални методи за евалуација за интегрирана компјутерска технологија за проценка на ентузијазмот за нови прекурсори на јаглеродни влакна, напредна молекуларна динамика со потпомогната функционална теорија на густина, машинско учење и други алатки се користат за развој на најсовремени компјутерски алатки за подобрување на ефикасноста на селекцијата на нискобуџетни суровини од јаглеродни влакна.
2.3 Европа
Европската индустрија за јаглеродни влакна се разви во Јапонија и САД во седумдесеттите или осумдесеттите години на 20 век, но поради технологијата и капиталот, многу компании за производство на еднојаглеродни влакна не се придржуваа до периодот на висок раст на побарувачката за јаглеродни влакна по 2000 години и исчезнаа. Германската компанија SGL е единствената компанија во Европа што има голем удел на светскиот пазар на јаглеродни влакна.
Во ноември 2011 година, Европската Унија го започна проектот „Еукарбон“, кој има за цел да ги надгради европските производствени капацитети за јаглеродни влакна и претходно импрегнирани материјали за воздухопловството. Проектот траеше 4 години, со вкупна инвестиција од 3,2 милиони евра, а во мај 2017 година успешно ја воспостави првата европска специјална линија за производство на јаглеродни влакна за вселенски апликации како што се сателити, со што ѝ овозможи на Европа да се ослободи од зависноста од увоз на производот и да ја обезбеди безбедноста на снабдувањето со материјали.
Седмата рамка на ЕУ планира да го поддржи проектот „функционални јаглеродни влакна во подготовката на нов систем прекурсори со економични и управливи перформанси“ (FIBRALSPEC) (2014-2017) во вредност од 6,08 милиони евра. 4-годишниот проект, предводен од Националниот технички универзитет во Атина, Грција, со учество на мултинационални компании како Италија, Обединетото Кралство и Украина, е фокусиран на иновации и подобрување на процесот на континуирана подготовка на јаглеродни влакна базирани на полиакрилонитрил за да се постигне експериментално производство на јаглеродни влакна базирани на континуиран пан. Проектот успешно го заврши развојот и примената на јаглеродни влакна и подобрена композитна технологија од обновливи органски полимерни ресурси (како што се суперкондензатори, засолништа за брзи итни случаи, како и прототипни механички електрични машини за ротирачки премачкувања и развој на производствена линија од нановлакна, итн.).
Сè поголем број индустриски сектори, како што се автомобилската индустрија, енергијата на ветерот и бродоградбата, бараат лесни, високо-перформансни композити, што претставува огромен потенцијален пазар за индустријата за јаглеродни влакна. ЕУ инвестира 5,968 милиони евра за да го започне проектот Carboprec (2014-2017), чија стратешка цел е да се развијат нискобуџетни прекурсори од обновливи материјали кои се широко присутни во Европа и да се подобри производството на високо-перформансни јаглеродни влакна преку јаглеродни наноцевки.
Истражувачката програма Cleansky II на Европската Унија финансираше проект „Истражување и развој на композитни гуми“ (2017), предводен од Институтот Фраунхофер за производство и сигурност на системи (LBF) во Германија, кој планира да развие компоненти на предните тркала за авиони од композитен состав зајакнати со јаглеродни влакна за Airbus A320. Целта е да се намали тежината за 40% во споредба со конвенционалните метални материјали. Проектот е финансиран со приближно 200.000 евра.
2.4 Кореја
Истражувањето и развојот на јаглеродни влакна во Јужна Кореја и индустријализацијата започнаа доцна, истражувањето и развојот започнаа во 2006 година, а во 2013 година формално влезе во практична фаза, менувајќи ја зависноста на корејските јаглеродни влакна од увозот. Локалната групација Xiaoxing и Taiguang Business во Јужна Кореја, како претставник на пионерската индустрија, активно се ангажираат во областа на распоредот на индустријата за јаглеродни влакна, а моментумот на развој е силен. Покрај тоа, производствената база на јаглеродни влакна, воспоставена од Toray Japan во Кореја, исто така придонесе за пазарот на јаглеродни влакна во самата Кореја.
Корејската влада одлучи да ја направи Групацијата Сјаоксинг место за собирање на иновативните индустрии за јаглеродни влакна. Целта е да се формира кластер за индустријата за материјали од јаглеродни влакна, да се промовира развојот на креативен економски екосистем во целиот Северен регион, крајната цел е да се формира синџир на производство на материјали од јаглеродни влакна → делови → готови производи на едно место, воспоставувањето кластер за инкубација на јаглеродни влакна може да се спореди со Силиконската долина во Соединетите Американски Држави, да се отворат нови пазари, да се создаде нова додадена вредност, да се постигне целта од 10 милијарди долари извоз на производи поврзани со јаглеродни влакна (еквивалентно на околу 55,2 милијарди јуани) до 2020 година.
3. анализа на глобалните истражувања и истражувачки резултати за јаглеродни влакна
Овој поддел ги опфаќа трудовите на SCI поврзани со истражувањето на јаглеродни влакна и резултатите од патентот на DII од 2010 година, со цел истовремено да се анализираат академските истражувања и индустриските истражувања и развој на глобалната технологија на јаглеродни влакна, и целосно да се разбере напредокот на истражувањето и развојот на јаглеродни влакна на меѓународно ниво.
Податоци добиени од базата на податоци Scie и базата на податоци Dewent во базата на податоци Web of Science објавени од Clarivate Analytics; временски опсег на пребарување: 2010-2017; датум на пребарување: 1 февруари 2018 година.
Стратегија за пребарување хартија на SCI: Ts=((јаглеродни влакна* или Јаглеродни влакна* или („Јаглеродни влакна*“ не „јаглеродни фиберглас“) или „јаглеродни влакна*“ или „јаглеродни влакна*“ или ((полиакрилонитрил или катран) и „прекурсор*“ и влакна*) или („графитни влакна*“)) не („бамбусови јаглерод“)).
Стратегија за пребарување патенти на Dewent: Ti=((јаглеродни влакна* или карбонски влакна* или („јаглеродни влакна*“ не „јаглеродни фиберглас“) или „јаглеродни влакна*“ или „јаглеродна нишка*“ или ((полиакрилонитрил или смола) и „прекурсор*“ и влакна*) или („графитно влакно*“)) не („бамбусов јаглерод“)) или TS=((јаглеродни влакна* или карбонски влакна* или („јаглеродни влакна*“ не „јаглеродни фиберглас“) или „јаглеродни влакна*“ или „јаглеродна нишка*“ или ((полиакрилонитрил или смола) и „прекурсор*“ и влакна*) или („графитно влакно*“)) не („бамбусов јаглерод“)) и IP=(D01F-009/12 или D01F-009/127 или D01F-009/133 или D01F-009/14 или D01F-009/145 или D01F-009/15 или D01F-009/155 или D01F-009/16 или D01F-009/17 или D01F-009/18 или D01F-009/20 или D01F-009/21 или D01F-009/22 или D01F-009/24 или D01F-009/26 или D01F-09/28 или D01F-009/30 или D01F-009/32 или C08K-007/02 или C08J-005/04 или C04B-035/83 или D06M-014/36 или D06M-101/40 или D21H-013/50 или H01H-001/027 или H01R-039/24).
3.1 тренд
Од 2010 година, објавени се 16.553 релевантни трудови низ целиот свет, а поднесени се барања за 26390 патенти за пронајдоци, сите покажуваат постојан тренд на пораст од година во година (Слика 1).
3.2 Распределба по земја или регион
Топ 10 институции со најголемо производство на истражувачки трудови за јаглеродни влакна во светот се од Кина, од кои првите 5 се: Кинеската академија на науките, Технолошкиот институт Харбин, Северозападниот универзитет за технологија, Универзитетот Донгхуа, Пекиншкиот институт за аеронаутика и астронаутика. Меѓу странските институции, Индискиот институт за технологија, Универзитетот во Токио, Универзитетот во Бристол, Универзитетот Монаш, Универзитетот во Манчестер и Технолошкиот институт во Џорџија се рангираат помеѓу 10-то и 20-то место (сл. 3).
Бројот на пријави за патенти во првите 30 институции, Јапонија има 5, а 3 од нив се во првите пет, компанијата Торај е рангирана на прво место, проследена од Мицубиши Лијанг (2-ро), Теиџин (4-то), Ист Стејт (10-то), Јапан Тојо Текстилна Компани (24-то), Кина има 21 институција, Синопек Груп има најголем број патенти, рангирајќи се на третото место, На второ место се Харбин Технолошкиот институт, компанијата за кабли Хенан Ке Летер, Универзитетот Донгхуа, Кина Шангај Петрохемикалии, Пекиншка Хемиска Индустрија, итн., Кинеската академија на науките Шанкси за јаглен со патент за пронајдок 66, рангирана на 27-мо место, јужнокорејските институции имаат 2, од кои Xiaoxing Co., Ltd. е рангирана на прво место, рангирана на 8-мо место.
Излезни институции, излезот на трудот главно од универзитети и научно-истражувачки институции, излезот на патенти главно од компанијата, може да се види дека производството на јаглеродни влакна е високотехнолошка индустрија, како главно тело на развој на индустријата за истражување и развој на јаглеродни влакна, компанијата придава големо значење на заштитата на технологијата за истражување и развој на јаглеродни влакна, особено на двете големи компании во Јапонија, бројот на патенти е далеку понапред.
3.4 Истражувачки жаришта
Истражувачките трудови за јаглеродни влакна опфаќаат најголем број истражувачки теми: композити од јаглеродни влакна (вклучувајќи композити зајакнати со јаглеродни влакна, композити со полимерна матрица итн.), истражување на механички својства, анализа на конечни елементи, јаглеродни наноцевки, деламинација, засилување, замор, микроструктура, електростатско предење, површинска обработка, адсорпција и така натаму. Трудовите што се занимаваат со овие клучни зборови сочинуваат 38,8% од вкупниот број трудови.
Патентите за пронајдоци од јаглеродни влакна опфаќаат најголем дел од темите поврзани со подготовка на јаглеродни влакна, опрема за производство и композитни материјали. Меѓу нив, Japan Toray, Mitsubishi Liyang, Teijin и други компании во областа на „полимерни соединенија зајакнати со јаглеродни влакна“ во областа на важен технички распоред, покрај тоа, Toray и Mitsubishi Liyang во „производство на јаглеродни влакна од полиакрилонитрил и опрема за производство“, „со незаситен нитрил, како што се полиакрилонитрил, производство на јаглеродни влакна од поливинилиден цијанид етилен“ и други технологии имаат голем дел од распоредот на патентите, а јапонската компанија Teijin во „композити од јаглеродни влакна и кислородни соединенија“ има поголем дел од распоредот на патентите.
Кинеската група „Синопек“, Пекиншкиот хемиски универзитет, Кинеската академија на науките „Нингбо материјали“ во „производство на полиакрилонитрил од јаглеродни влакна и опрема за производство“ имаат голем дел од распоредот на патентите; Покрај тоа, Пекиншкиот универзитет за хемиско инженерство, Кинеската академија на науките „Шанкси“ Институт за јаглен за хемија и Кинеската академија на науките „Нингбо материјали“ во клучниот распоред „Користење на неоргански елементи влакна како состојки за подготовка на полимерни соединенија“ технологијата го има Харбин Технолошкиот институт се фокусира на распоредот на „третман на јаглеродни влакна“, „композити од јаглеродни влакна и соединенија што содржат кислород“ и други технологии.
Покрај тоа, од годишната статистичка статистика за распределба на глобалните патенти се открива дека во последните три години почнале да се појавуваат голем број нови жаришта, како што се: „Составки на полиамиди добиени со формирање на реакција на карбоксилатно врзување во главниот ланец“, „полиестерски композиции од формирање на естерски врски на карбоксилна киселина во главниот ланец“, „композитен материјал базиран на синтетички материјали“, „циклична карбоксилна киселина што содржи кислородни соединенија како состојки на композити од јаглеродни влакна“, „во тридимензионална форма на стврднување или третман на текстилни материјали“, „незаситен етер, ацетал, полуацетал, кетон или алдехид само преку реакција на незаситена врска јаглерод-јаглерод до производство на полимерни соединенија“, „адијабатски материјал цевка или кабел“, „Композити од јаглеродни влакна со фосфатни естри како состојки“ и така натаму.
Во последниве години, се појави истражување и развој во секторот за јаглеродни влакна, при што повеќето откритија доаѓаат од Соединетите Американски Држави и Јапонија. Најновите најсовремени технологии се фокусираат не само на технологијата за производство и подготовка на јаглеродни влакна, туку и на апликации во поширок спектар на автомобилски материјали, како што се лесни материјали, 3D печатење и материјали за производство на енергија. Покрај тоа, рециклирањето и рециклирањето на материјали од јаглеродни влакна, подготовката на дрво лигнин јаглеродни влакна и други достигнувања имаат одлични резултати. Репрезентативните резултати се опишани подолу:
1) Технолошкиот институт на САД во Џорџија ги пробива технологиите од трета генерација јаглеродни влакна
Во јули 2015 година, со финансирање од DARPA, Технолошкиот институт во Џорџија, со својата иновативна техника на предење гел од јаглеродни влакна базирана на тава, значително го зголеми својот модул, надминувајќи го јаглеродното влакно Hershey IM7, кое сега е широко користено во воените авиони, означувајќи ја втората земја во светот што ја совлада третата генерација на технологија на јаглеродни влакна по Јапонија.
Цврстината на истегнување на карбонските влакна со гел-предење произведени од Кумарз достигнува 5,5 до 5,8 Gpa, а модулот на истегнување е помеѓу 354-375 gpa. „Ова е континуирано влакно за кое е пријавено највисока јачина и модул на сеопфатни перформанси. Во краткиот филаментен сноп, цврстината на истегнување е до 12,1 Gpa, што е највисока кај полиакрилонитрилните карбонски влакна.“
2) Технологија за загревање со електромагнетни бранови
Во 2014 година, Nedo разви технологија за загревање со електромагнетни бранови. Технологијата за карбонизација со електромагнетни бранови се однесува на употребата на технологија за загревање со електромагнетни бранови за карбонизација на влакната при атмосферски притисок. Добиените перформанси на јаглеродните влакна се во основа исти како и кај јаглеродните влакна произведени со загревање на висока температура, модулот на еластичност може да достигне повеќе од 240GPA, а издолжувањето при кинење е повеќе од 1,5%, што е прв успех во светот.
Материјалот сличен на влакна се карбонизира со електромагнетни бранови, така што опремата за печка за карбонизација што се користи за загревање на висока температура не е потребна. Овој процес не само што го намалува времето потребно за карбонизација, туку и ја намалува потрошувачката на енергија и ги намалува емисиите на CO2.
3) фина контрола на процесот на карбонизација
Во март 2014 година, Тореј го објави успешниот развој на јаглеродните влакна t1100g. Тореј ја користи традиционалната технологија на предење во тава за фина контрола на процесот на карбонизација, подобрување на микроструктурата на јаглеродните влакна на наноскала, контрола на ориентацијата на микрокристалните графити, големината на микрокристалите, дефектите и така натаму во влакната по карбонизацијата, така што цврстината и модулот на еластичност можат значително да се подобрат. Затегнувачката цврстина на t1100g е 6,6GPa, што е за 12% повисока од онаа на T800, а модулот на еластичност е 324GPa и е зголемен за 10%, што влегува во фаза на индустријализација.
4) Технологија за површинска обработка
Тејџин Ист Стејт успешно разви технологија за површинска обработка со плазма која може да го контролира изгледот на јаглеродните влакна за само неколку секунди. Оваа нова технологија значително го поедноставува целиот процес на производство и ја намалува потрошувачката на енергија за 50% во споредба со постојната технологија за површинска обработка за водени раствори на електролити. Покрај тоа, по третманот со плазма, беше откриено дека е подобрена и адхезијата на влакната и смолестата матрица.
5) студија за стапката на задржување на затегнувачката цврстина на јаглеродните влакна во графитна средина со висока температура
Ningbo материјалите успешно спроведоа детална студија за анализа на процесот, истражување на структурата и оптимизација на перформансите на домашните јаглеродни влакна со висока цврстина и висок мод, особено истражувачката работа за стапката на задржување на затегнувачката цврстина на јаглеродните влакна во графитна средина со висока температура, како и неодамнешната успешна подготовка на јаглеродни влакна со висока цврстина и повисок модул со затегнувачка цврстина од 5,24GPa и волумен на модул на затегнување од 593GPa. Тие продолжуваат да имаат предност во затегнувачката цврстина во споредба со јапонските Toray m60j високоцврсти, високо обликувани јаглеродни влакна (затегнувачка цврстина 3,92GPa, модул на затегнување 588GPa).
6) Графит за микробранова печка
Yongda Advanced Materials успешно го разви ексклузивниот патент на САД за ултра-висока температура на графитна технологија, производство на среден и повисок јаглеродни влакна, успешно ги проби трите тесни грла во развојот на висок јаглеродни влакна, графитната опрема е скапа и под меѓународна контрола, тешкотиите во хемиската технологија на сурова свила, приносот на производство е низок и висок. Досега, Yongda разви 3 вида јаглеродни влакна, од кои сите ја подигнаа цврстината и модулот на оригиналните релативно нискоквалитетни јаглеродни влакна на ново ниво.
7) Нов процес на топење на предење на сурова жица од јаглеродни влакна базирана на тава од Фраунхофер, Германија
Институтот за применети полимери Фраунхофер (истражување на применети полимери, IAP) неодамна објави дека ќе ја претстави најновата технологија Comcarbon на аеро-саемот во Берлин Ila на 25 и 29 април 2018 година. Оваа технологија значително ги намалува трошоците за производство на масовно произведени јаглеродни влакна.
Сл. 4 Предење со топење на сурова жица.
Добро е познато дека во традиционалните процеси, половина од трошоците за производство на јаглеродни влакна на база на тава се трошат во процесот на производство на сурова жица. Со оглед на неможноста на суровата жица да се стопи, таа мора да се произведува со користење на скап процес на предење во раствор (Solution Spinning). „За таа цел, развивме нов процес за производство на сурова свила на база на тава, кој може да ги намали трошоците за производство на сурова жица за 60%. Ова е економичен и изводлив процес на предење со топење, со користење на специјално развиен фузиран кополимер на база на тава.“ објасни д-р Јоханес Ганстер, министер за биолошки полимери во Институтот Фраунхофер ИАП.
8) Технологија на оксидација на плазма
4M Carbon Fiber објави дека ќе ја користи технологијата за плазма оксидација за производство и продажба на висококвалитетни, нискобуџетни јаглеродни влакна како стратешки фокус, а не само за лиценцирање на технологијата. 4M тврди дека технологијата за плазма оксидација е 3 пати побрза од конвенционалната технологија за оксидација, додека потрошувачката на енергија е помала од една третина од традиционалната технологија. А изјавите се потврдени од многу меѓународни производители на јаглеродни влакна, кои се консултираат со голем број од најголемите светски производители на јаглеродни влакна и производители на автомобили за да учествуваат како иницијатори на производство на нискобуџетни јаглеродни влакна.
9) Целулозни нано влакна
Универзитетот во Кјото во Јапонија, заедно со неколку главни добавувачи на компоненти, како што се компанијата за електрични инсталации (најголемиот добавувач на Тојота) и Daikyonishikawa Corp., работи на развој на пластични материјали што комбинираат целулозни нановлакна. Овој материјал се прави со кршење на дрвената пулпа на неколку микрони (1 на илјада мм). Тежината на новиот материјал е само една петтина од тежината на челикот, но неговата цврстина е пет пати поголема од онаа на челикот.
10) предно тело од јаглеродни влакна од полиолефин и лигнин суровини
Националната лабораторија „Оук Риџ“ во Соединетите Американски Држави работи на истражување на ефтини јаглеродни влакна од 2007 година, и тие развија предни тела од јаглеродни влакна за суровини од полиолефин и лигнин, како и напредни технологии за плазма преоксидација и микробранова карбонизација.
11) Новиот полимер (прекурсорски полимер) е развиен со отстранување на огноотпорниот третман
Во методот на производство предводен од Универзитетот во Токио, развиен е нов полимер (прекурсорски полимер) за отстранување на огноотпорниот третман. Главната поента е дека по предењето на полимерот во свила, не се извршува оригиналниот огноотпорен третман, туку се предизвикува негова оксидација во растворувачот. Уредот за микробраново греење потоа се загрева на повеќе од 1000 ℃ за карбонизација. Времето на загревање трае само 2-3 минути. По третманот со карбонизација, плазмата се користи и за површинска обработка, така што може да се направат јаглеродни влакна. Третманот со плазма трае помалку од 2 минути. На овој начин, оригиналното време на синтерување од 30-60 минути може да се намали на околу 5 минути. Во новиот метод на производство, се врши третман со плазма за да се подобри поврзувањето помеѓу јаглеродните влакна и термопластичната смола како основен материјал од CFRP. Модулот на затезна еластичност на јаглеродните влакна произведени со новиот метод на производство е 240GPa, цврстината на затегнување е 3,5GPa, а издолжувањето достигнува 1,5%. Овие вредности се на исто ниво како и јаглеродните влакна T300 од класата Toray Universal што се користат за спортска опрема итн.
12) рециклирање и искористување на материјали од јаглеродни влакна со користење на процес на флуидизиран слој
Менгран Менг, првиот автор на студијата, рече: „Обновувањето на јаглеродни влакна го намалува влијанието врз животната средина во споредба со производството на сурови јаглеродни влакна, но постои ограничена свест за потенцијалните технологии за рециклирање и економската изводливост на рециклирањето на користењето на јаглеродни влакна.“ Рециклирањето се одвива во две фази: влакната прво мора да се обноват од композитите од јаглеродни влакна и термички да се разградат со механичко мелење материјали или со употреба на пиролиза или процеси со флуидизиран слој. Овие методи го отстрануваат пластичниот дел од композитниот материјал, оставајќи јаглеродни влакна, кои потоа можат да се претворат во заплеткани душеци од влакна со помош на технологија за влажно производство на хартија или да се реорганизираат во насочени влакна.
Истражувачите пресметале дека јаглеродните влакна можат да се добијат од композитен отпад од јаглеродни влакна со помош на процес на флуидизиран слој, што бара само 5 долари/кг и помалку од 10% од енергијата потребна за производство на примарното јаглеродно влакно. Рециклираните јаглеродни влакна произведени со процеси на флуидизиран слој едвај го намалуваат модулот на еластичност, а затегнувачката цврстина е намалена за 18% до 50% во однос на примарните јаглеродни влакна, што ги прави погодни за апликации што бараат висока цврстина, а не цврстина. „Рециклираните јаглеродни влакна може да бидат погодни за неструктурни апликации што бараат лесна тежина, како што се автомобилската, градежната, ветерната и спортската индустрија“, рече Менг.
13) Нова технологија за рециклирање на јаглеродни влакна развиена во Соединетите Американски Држави
Во јуни 2016 година, истражувачите од Технолошкиот институт во Џорџија во Соединетите Американски Држави натопија јаглеродни влакна во растворувач што содржи алкохол за да ја растворат епоксидната смола, по што одвоените влакна и епоксидните смоли можеа повторно да се употребат, со што се постигна успешна реализација на обновувањето на јаглеродните влакна.
Во јули 2017 година, Државниот универзитет во Вашингтон, исто така, разви технологија за обновување на јаглеродни влакна, користејќи слаба киселина како катализатор, употреба на течен етанол на релативно ниски температури за распаѓање на термореактивни материјали, распаднатите јаглеродни влакна и смолата се зачувуваат одделно и можат да се репродуцираат.
14) Развој на технологија за мастило од јаглеродни влакна за 3D печатење во лабораторијата LLNL, САД
Во март 2017 година, Националната лабораторија „Лоренс Ливмор“ (LLNL) во Соединетите Американски Држави ги разви првите 3D печатени високо-перформансни композити од јаглеродни влакна за авијација. Тие користеа метод на 3D печатење со директен пренос на мастило (DIW) за да создадат сложени тродимензионални структури што значително ја подобрија брзината на обработка за употреба во автомобилските, воздухопловните, одбранбените и мотоциклистичките натпревари и сурфањето.
15) Соединетите Американски Држави, Кореја и Кина соработуваат во развојот на јаглеродни влакна за производство на електрична енергија
Во август 2017 година, кампусот во Далас на Универзитетот во Тексас, Универзитетот Ханјанг во Кореја, Универзитетот Нанкаи во Кина и други институции соработуваа во развојот на материјал од предиво од јаглеродни влакна за производство на енергија. Преѓата прво се натопува во раствори на електролити како што е саламура, овозможувајќи им на јоните во електролитот да се закачат на површината на јаглеродните наноцевки, што може да се претвори во електрична енергија кога преѓата е затегната или растегната. Материјалот може да се користи на кое било место со сигурна кинетичка енергија и е погоден за обезбедување енергија за IoT сензори.
16) Нов напредок во истражувањето на дрвени лигнински јаглеродни влакна добиени од Кинезите и Американците, соодветно
Во март 2017 година, специјалниот тим за влакна од Институтот за технологија и инженерство на материјали Нингбо подготви лигнин-акрилонитрил кополимер со добра способност за предење и термичка стабилност со користење на технологија на двостепена модификација на естерификација и кополимеризација на слободни радикали. Висококвалитетни континуирани филаменти беа добиени со користење на процесот на кополимер и влажно предење, а компактните јаглеродни влакна беа добиени по термичка стабилизација и третман со карбонизација.
Во август 2017 година, истражувачкиот тим „Биргите Аринг“ на Универзитетот во Вашингтон во Соединетите Американски Држави измешал лигнин и полиакрилонитрил во различни пропорции, а потоа користел технологија на топење на предење за да ги претвори мешаните полимери во јаглеродни влакна. Студијата покажала дека лигнинот додаден на 20%∼30% не влијаел на цврстината на јаглеродните влакна и се очекувало да се користи во производството на поевтини материјали од јаглеродни влакна за автомобилски или авионски делови.
На крајот на 2017 година, Националната лабораторија за обновлива енергија (NREL) објави истражување за производство на акрилонитрил со употреба на отпадни делови од растенија, како што се слама од пченка и слама од пченица. Тие прво ги разградуваат растителните материјали во шеќер, а потоа ги претвораат во киселини, и ги комбинираат со евтини катализатори за да произведат целни производи.
17) Јапонија ја развива првата шасија за автомобили од композитен термопластичен материјал зајакнат со јаглеродни влакна
Во октомври 2017 година, јапонската агенција за истражување и развој (New Energy Industry) и Националниот истражувачки центар за композити на Универзитетот Нагоја успешно ја развија првата шасија за автомобили од термопластични композити зајакнати со јаглеродни влакна во светот. Тие користат автоматски процес на лиење со долги влакна зајакнати термопластични композити, континуирано мешање на честички од јаглеродни влакна и термопластична смола, производство на композити зајакнати со влакна, а потоа преку поврзување со загревање и топење, успешно производство на термопластични CFRP шасии за автомобили.
5. предлози за истражување и развој на технологијата од јаглеродни влакна во Кина
5.1 Напреден распоред, ориентиран кон целта, фокус на пробивање на третата генерација на технологија од јаглеродни влакна
Технологијата на јаглеродни влакна од втора генерација во Кина сè уште не е сеопфатен пробив, нашата земја треба да се обиде да биде напреден распоред кој ќе ги собере дополнително нашите релевантни истражувачки институции, фокусиран на фаќање на клучните технологии, фокусот на третата генерација на високо-перформансно истражување и развој на технологијата за подготовка на јаглеродни влакна (т.е. применливо за воздухопловство со висока јачина, висок модул на технологија на јаглеродни влакна) и развиената технологија на композитни материјали од јаглеродни влакна, вклучително и за автомобилската, градежништвото и поправката и други лесни, ниски цени за подготовка на големи јаглеродни влакна, технологија за адитивно производство на композитни материјали од јаглеродни влакна, технологија за рециклирање и технологии за брзо прототипирање.
5.2 Координирање на организацијата, зајакнување на поддршката, поставување големи технички проекти за континуирана поддршка на колаборативно истражување
Во моментов, во Кина постојат многу институции кои вршат истражувања за јаглеродни влакна, но моќта е дисперзирана и не постои унифициран механизам за организација на истражување и развој и силна финансиска поддршка за ефективна координација. Судејќи според искуството во развојот на развиените земји, организацијата и распоредот на големите проекти играат голема улога во промовирањето на развојот на оваа техничка област. Треба да се фокусираме на „Advantage R & D Force“ на Кина, со оглед на пробивот во технологијата за истражување и развој на јаглеродни влакна во Кина, за да започнеме големи проекти, да ја зајакнеме соработката во технолошките иновации и постојано да го промовираме нивото на технологијата за истражување на јаглеродни влакна во Кина, како и конкуренцијата за меѓународно јаглеродни влакна и композити.
5.3 Подобрување на механизмот за евалуација на ориентацијата кон ефектот на апликацијата на техничките достигнувања
Од гледна точка на економетриската анализа на трудовите на SCI, јаглеродните влакна во Кина се користат како материјал со висока цврстина и перформанси во различни области на истражување, но за производство и технологија на подготовка на јаглеродни влакна, особено фокусирајќи се на намалување на трошоците, подобрување на ефикасноста на производството, помалку истражувања. Процесот на производство на јаглеродни влакна е долг, технолошки клучни точки, високи производствени бариери, е мултидисциплинарна, мултитехнолошка интеграција, потребно е да се пробијат техничките пречки, ефикасно да се промовира истражувањето и развојот на „ниска цена, високи перформанси“ на технологијата за подготовка на јадрото, од една страна, потребно е да се зајакнат инвестициите во истражувањето, од друга страна, потребно е да се ослабне полето на евалуација на перформансите на научното истражување, да се зајакне водството на примената на евалуацијата на техничките достигнувања и да се премине од „квантитативна“ евалуација, која обрнува внимание на објавувањето на трудот, кон „квалитетна“ евалуација на вредноста на резултатите.
5.4 Зајакнување на одгледувањето на таленти од најсовремена технологија
Високотехнолошкиот атрибут на технологијата од јаглеродни влакна ја одредува важноста на специјализираните таленти, а дали имаат најсовремен технички персонал директно го одредува нивото на истражување и развој на една институција.
Како резултат на врските за истражување и развој на технологијата на јаглеродни влакна, треба да обрнеме внимание на обуката на персоналот во комплексот, со цел да се обезбеди координација и развој на сите врски. Покрај тоа, од историјата на развој на истражувањето на јаглеродни влакна во Кина, протокот на експерти за основна технологија често е клучен фактор што влијае на нивото на истражување и развој на истражувачката институција. Одржувањето на фиксацијата на клучните експерти и тимовите за истражување и развој во производствените процеси, композитите и главните производи е важно за континуирано надградување на технологијата.
Треба да продолжиме да ја зајакнуваме обуката и користењето на специјализиран високотехнолошки персонал во оваа област, да ја подобриме политиката за евалуација и третман на талентите за технолошко истражување и развој, да го зајакнеме негувањето на млади таленти, активно да ја поддржуваме соработката и размената со странски напредни институции за истражување и развој и енергично да воведуваме странски напредни таленти итн. Ова ќе игра голема улога во промовирањето на развојот на истражувањето на јаглеродни влакна во Кина.
Цитирано од-
Анализа на развојот на глобалната технологија на јаглеродни влакна и нејзиното просветлување во Кина. Тиан Јаџуан, Џанг Жичијанг, Тао Ченг, Јанг Минг, Ба Џин, Чен Јунвеи.Светско научно-технолошко истражување и развој.2018 година
Време на објавување: 04.12.2018