Koolstofvezel is een anorganisch polymeervezel, een nieuw materiaal met een koolstofgehalte van meer dan 95%. Het heeft een lage dichtheid, hoge sterkte, hoge temperatuurbestendigheid, hoge chemische stabiliteit, antivermoeidheid, slijtvastheid en andere uitstekende fysische en chemische basiseigenschappen. Het heeft een hoge trillingsdemping, goede thermische geleidbaarheid, elektromagnetische afscherming en een lage thermische uitzettingscoëfficiënt. Deze uitstekende eigenschappen maken koolstofvezel breed toepasbaar in de lucht- en ruimtevaart, spoorvervoer, voertuigbouw, wapen- en uitrustingsstukken, bouwmachines, infrastructuur, maritieme techniek, petroleumtechniek, windenergie, sportartikelen en andere sectoren.
Op basis van de nationale strategische behoeften aan koolstofvezelmaterialen heeft China het aangemerkt als een van de kerntechnologieën van de opkomende industrieën die op ondersteuning gericht zijn. In de nationale "Twaalf-Vijf"-planning voor wetenschap en technologie is de technologie voor de voorbereiding en toepassing van hoogwaardige koolstofvezel een van de kerntechnologieën van strategische opkomende industrieën die door de staat worden ondersteund. In mei 2015 publiceerde de Staatsraad officieel "Made in China 2025", waarin nieuwe materialen worden beschouwd als een van de belangrijkste gebieden van krachtige promotie en ontwikkeling, waaronder hoogwaardige structurele materialen. Geavanceerde composieten staan centraal in de ontwikkeling van nieuwe materialen. In oktober 2015 publiceerde het Ministerie van Industrie en Informatie-industrie officieel de "China Manufacturing 2025 key Areas Technology Roadmap", waarin "hoogwaardige vezels en de bijbehorende composieten" worden beschouwd als een belangrijk strategisch materiaal. Het doel voor 2020 is "binnenlandse koolstofvezelcomposieten die voldoen aan de technische eisen van grote vliegtuigen en andere belangrijke apparatuur." In november 2016 publiceerde de Staatsraad het nationale strategische ontwikkelingsplan voor opkomende industrieën "Dertien-vijf", dat duidelijk aangaf de ondersteuning van de upstream- en downstream-samenwerking in de nieuwe materialenindustrie te versterken, in koolstofvezelcomposieten en andere sectoren, door gezamenlijke pilot-demonstraties uit te voeren en een platform voor gezamenlijke toepassingen te bouwen. In januari 2017 stelden het ministerie van Industrie en Ontwikkeling, de NDRC, Wetenschap en Technologie en het ministerie van Financiën gezamenlijk de "Gids voor de ontwikkeling van nieuwe materialenindustrieën" op en stelden voor om vanaf 2020 "in koolstofvezelcomposieten, hoogwaardig speciaal staal, geavanceerde lichtmetalen materialen en andere sectoren meer dan 70 belangrijke nieuwe materialen te industrialiseren en toe te passen, en een ondersteuningssysteem voor procesapparatuur te bouwen dat aansluit bij het ontwikkelingsniveau van de Chinese nieuwe materialenindustrie."
Omdat koolstofvezels en de composieten daarvan een belangrijke rol spelen in de nationale defensie en het levensonderhoud van de bevolking, richten veel experts zich op hun ontwikkeling en analyse van onderzoekstrends. Dr. Zhou Hong beoordeelde de wetenschappelijke en technologische bijdragen van Amerikaanse wetenschappers in de vroege stadia van de ontwikkeling van hoogwaardige koolstofvezeltechnologie, en scande en rapporteerde over 16 belangrijke toepassingen en recente technologische ontwikkelingen van koolstofvezel, en de productietechnologie, eigenschappen en toepassing van polyacrylonitrilkoolstofvezel en de huidige technologische ontwikkeling ervan werden beoordeeld door Dr. Wei Xin, enz. Het doet ook enkele constructieve suggesties voor de problemen die bestaan in de ontwikkeling van koolstofvezel in China. Daarnaast hebben velen onderzoek gedaan naar de metrologische analyse van artikelen en patenten op het gebied van koolstofvezels en composieten. Bijvoorbeeld Ma Xianglin en anderen vanuit het oogpunt van metrologie van de distributie van koolstofvezelpatent en toepassing op het gebied van analyse van 1998-2017; Yang Sisi en anderen baseren hun onderzoek op een innografieplatform voor wereldwijd onderzoek naar patenten en datastatistieken op het gebied van koolstofvezelstoffen, van de jaarlijkse ontwikkelingstrend van patenten, patenthouders, de hotspot van patenttechnologie en het kernpatent van de technologie.
Vanuit het perspectief van het onderzoek en de ontwikkeling van koolstofvezels loopt China's onderzoek vrijwel synchroon met de rest van de wereld. De ontwikkeling verloopt echter traag. De productieschaal en kwaliteit van hoogwaardige koolstofvezels in vergelijking met het buitenland vertonen een kloof. Er is een dringende behoefte om het R&D-proces te versnellen, de strategische planning te verbeteren en toekomstige kansen voor industriële ontwikkeling te grijpen. Daarom onderzoekt dit artikel eerst de projectopzet van landen op het gebied van onderzoek naar koolstofvezels, om de planning van R&D-routes in verschillende landen te begrijpen. Ten tweede, omdat fundamenteel onderzoek en toepassingsonderzoek van koolstofvezels erg belangrijk zijn voor technisch onderzoek en ontwikkeling van koolstofvezels, voeren we tegelijkertijd metrologische analyses uit op basis van academische onderzoeksresultaten - SCI-papers en toegepaste onderzoeksresultaten - patenten om een volledig inzicht te krijgen in de R&D-voortgang op het gebied van koolstofvezels en om recente onderzoeksontwikkelingen op dit gebied te scannen naar Peep International Frontier R&D-voortgang. Ten slotte worden, op basis van de bovenstaande onderzoeksresultaten, enkele suggesties gedaan voor de R&D-route op het gebied van koolstofvezels in China.
2. Ckoolstofvezelonderzoeksproject lay-out vanbelangrijke landen/regio's
De belangrijkste productielanden van koolstofvezel zijn Japan, de Verenigde Staten, Zuid-Korea, enkele Europese landen, Taiwan en China. Geavanceerde technologielanden die zich in een vroeg stadium van de ontwikkeling van koolstofvezeltechnologie bevinden, hebben het belang van dit materiaal ingezien, strategische plannen ontwikkeld en de ontwikkeling van koolstofvezelmaterialen krachtig bevorderd.
2.1 Japan
Japan is het meest ontwikkelde land op het gebied van koolstofvezeltechnologie. De drie Japanse bedrijven Toray, Bong en Mitsubishi Liyang zijn goed voor een wereldwijd marktaandeel van 70% tot 80% in de koolstofvezelproductie. Desalniettemin hecht Japan veel waarde aan het behoud van zijn sterke punten op dit gebied, met name de ontwikkeling van hoogwaardige pan-gebaseerde koolstofvezels en energie- en milieuvriendelijke technologieën, met sterke menselijke en financiële ondersteuning, en in een aantal basisbeleidsmaatregelen, waaronder het basisenergieplan, de strategische schets voor economische groei en het Kyotoprotocol. Dit heeft dit tot een strategisch project gemaakt dat verder moet worden ontwikkeld. Op basis van het nationale basisenergie- en milieubeleid heeft het Japanse ministerie van Economie, Industrie en Vastgoed het "Onderzoeks- en ontwikkelingsprogramma voor energiebesparingstechnologie" opgezet. Gesteund door bovenstaand beleid is de Japanse koolstofvezelindustrie erin geslaagd alle aspecten van middelen effectiever te centraliseren en de oplossing van veelvoorkomende problemen in de koolstofvezelindustrie te bevorderen.
"Technologische ontwikkeling zoals innovatieve nieuwe structurele materialen" (2013-2022) is een project dat wordt uitgevoerd in het kader van het "Future Development Research Project" in Japan. Het doel is om de ontwikkeling van de benodigde innovatieve structurele materiaaltechnologie en de combinatie van verschillende materialen aanzienlijk te verbeteren, met als hoofddoel het verminderen van het gewicht (de helft van het autogewicht) van het vervoermiddel. En uiteindelijk de praktische toepassing ervan te realiseren. Na de overname van het onderzoeks- en ontwikkelingsproject in 2014 heeft het Industrial Technology Development Agency (NEDO) verschillende deelprojecten ontwikkeld. De algemene doelstellingen van het onderzoeksproject "Innovatieve basisontwikkeling van koolstofvezels" waren: het ontwikkelen van nieuwe precursorverbindingen voor koolstofvezels; het verduidelijken van het vormingsmechanisme van carbonisatiestructuren; en het ontwikkelen en standaardiseren van beoordelingsmethoden voor koolstofvezels. Het project, geleid door de Universiteit van Tokio en waaraan gezamenlijk het Institute of Industrial Technology (NEDO), Toray, Teijin, Dongyuan en Mitsubishi Liyang deelnamen, boekte in januari 2016 aanzienlijke vooruitgang en is een nieuwe grote doorbraak op het gebied van pan-gebaseerde koolstofvezels na de uitvinding van de "Kondo-modus" in Japan in 1959.
2.2 Verenigde Staten
Het Amerikaanse Defense Pre-Research Agency (DARPA) lanceerde in 2006 het Advanced Structural Fiber-project met als doel de belangrijkste wetenschappelijke onderzoeksgroep van het land samen te brengen om een nieuwe generatie structurele vezels op basis van koolstofvezels te ontwikkelen. Met steun van dit project baande het onderzoeksteam van het Georgia Institute of Technology in de Verenigde Staten in 2015 een doorbraak in de technologie voor de voorbereiding van ruwe draad, waardoor de elasticiteitsmodulus met 30% toenam. Hiermee beschikten de Verenigde Staten over de ontwikkelingscapaciteit voor de derde generatie koolstofvezels.
In 2014 kondigde het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) een subsidie van 11,3 miljoen dollar aan voor twee projecten op het gebied van 'meerstaps katalytische processen voor de omzetting van niet-eetbare biomassasuikers in acrylonitril' en 'onderzoek en optimalisatie van acrylonitril afkomstig van biomassaproductie' om het gebruik van landbouwresten te bevorderen. Ook werd onderzoek gedaan naar kosteneffectieve, hernieuwbare koolstofvezelmaterialen met hoge prestaties voor de productie van hernieuwbare grondstoffen die niet voor voedsel bestemd zijn, zoals houtachtige biomassa. Er zijn plannen om de productiekosten van hernieuwbare koolstofvezels op basis van biomassa tegen 2020 terug te brengen tot minder dan $ 5/lb.
In maart 2017 kondigde het Amerikaanse ministerie van Energie opnieuw 3,74 miljoen dollar aan voor de financiering van een "onderzoeks- en ontwikkelingsproject voor goedkope koolstofvezelcomponenten" onder leiding van het Western American Institute (WRI). Dit project richt zich op de ontwikkeling van goedkope koolstofvezelcomponenten op basis van grondstoffen zoals steenkool en biomassa.
In juli 2017 kondigde het Amerikaanse ministerie van Energie de financiering aan van 19,4 miljoen dollar ter ondersteuning van onderzoek en ontwikkeling van geavanceerde, energiezuinige voertuigen. Hiervan wordt 6,7 miljoen gebruikt voor de productie van goedkope koolstofvezels met behulp van computermaterialen, inclusief de ontwikkeling van multischaal-evaluatiemethoden voor geïntegreerde computertechnologie om het enthousiasme voor nieuwe koolstofvezelprecursoren te meten. Geavanceerde moleculaire dynamica-ondersteunde dichtheidsfunctionaaltheorie, machine learning en andere hulpmiddelen worden gebruikt om ultramoderne computerhulpmiddelen te ontwikkelen om de selectie-efficiëntie van goedkope koolstofvezelgrondstoffen te verbeteren.
2.3 Europa
De Europese koolstofvezelindustrie ontwikkelde zich in de jaren zeventig en tachtig van de 20e eeuw in Japan en de Verenigde Staten. Door technologie en kapitaal konden veel bedrijven die enkelvoudige koolstofvezels produceerden, de periode van sterke groei in de vraag naar koolstofvezels na 2000 jaar echter niet volhouden en verdwenen. Het Duitse bedrijf SGL is het enige bedrijf in Europa dat een groot aandeel heeft in de wereldwijde koolstofvezelmarkt.
In november 2011 lanceerde de Europese Unie het Eucarbon-project, dat tot doel heeft de Europese productiecapaciteit voor koolstofvezels en gepreïmpregneerde materialen voor de lucht- en ruimtevaart te verbeteren. Het project duurde vier jaar en vertegenwoordigt een totale investering van 3,2 miljoen euro. In mei 2017 werd met succes de eerste speciale productielijn voor koolstofvezels in Europa voor ruimtevaarttoepassingen zoals satellieten opgezet. Dit stelde Europa in staat om minder afhankelijk te worden van de import van het product en de leveringszekerheid van de materialen te waarborgen.
Het Zevende Kaderprogramma van de EU beoogt het project "Functionele koolstofvezel bij de voorbereiding van een nieuw precursorsysteem met kosteneffectieve en beheersbare prestaties" (FIBRALSPEC) (2014-2017) te ondersteunen met een bedrag van 6,08 miljoen euro. Het vierjarige project, onder leiding van de Nationale Technische Universiteit van Athene, Griekenland, met deelname van multinationals zoals Italië, het Verenigd Koninkrijk en Oekraïne, is gericht op het innoveren en verbeteren van het proces van continue voorbereiding van koolstofvezels op basis van polyacrylonitril om te komen tot experimentele productie van continu pan-gebaseerde koolstofvezels. Het project heeft de ontwikkeling en toepassing van koolstofvezel- en verbeterde composiettechnologie op basis van hernieuwbare organische polymeerbronnen (zoals supercondensatoren, snelle noodopvang, evenals prototypes van mechanische elektrische roterende coatingmachines en de ontwikkeling van productielijnen voor nanovezels, enz.) succesvol afgerond.
Steeds meer industriële sectoren, zoals de automobielindustrie, windenergie en scheepsbouw, hebben behoefte aan lichtgewicht, hoogwaardige composieten, een enorme potentiële markt voor de koolstofvezelindustrie. De EU investeert 5,968 miljoen euro in het Carboprec-project (2014-2017). Het strategische doel hiervan is om goedkope precursoren te ontwikkelen uit hernieuwbare materialen die in Europa wijdverspreid aanwezig zijn en de productie van hoogwaardige koolstofvezels met behulp van koolstofnanobuizen te verbeteren.
Het Cleansky II-onderzoeksprogramma van de Europese Unie financierde een project "Composite tire R&D" (2017), onder leiding van het Fraunhofer Institute for Production and Systems Reliability (LBF) in Duitsland. Het project is van plan voorwielcomponenten te ontwikkelen voor met koolstofvezel versterkte composietvliegtuigen voor de Airbus A320. Het doel is om het gewicht met 40% te verminderen ten opzichte van conventionele metalen materialen. Het project wordt gefinancierd met ongeveer € 200.000.
2.4 Korea
De R&D en industrialisatie van koolstofvezel in Zuid-Korea kwamen laat op gang. De R&D begon in 2006 en in 2013 begon de formele praktische fase, waardoor de Koreaanse koolstofvezel steeds afhankelijker werd van import. De Zuid-Koreaanse lokale Xiaoxing Group en Taiguang Business, als vertegenwoordigers van de pioniers in de industrie die actief betrokken zijn bij de ontwikkeling van koolstofvezel, tonen een sterke groei. Daarnaast heeft de koolstofvezelproductiebasis die Toray Japan in Korea heeft opgezet, ook bijgedragen aan de koolstofvezelmarkt in Korea zelf.
De Koreaanse overheid heeft ervoor gekozen om van de Xiaoxing Group een verzamelplaats te maken voor innovatieve koolstofvezelindustrieën. Het doel is om een cluster voor de koolstofvezelmaterialenindustrie te vormen en de ontwikkeling van een creatief economisch ecosysteem in de hele noordelijke regio te bevorderen. Het uiteindelijke doel is om een one-stop-productieketen te creëren voor koolstofvezelmaterialen → onderdelen → eindproducten. De oprichting van een koolstofvezelincubatiecluster kan worden vergeleken met Silicon Valley in de Verenigde Staten, nieuwe markten aanboren en nieuwe toegevoegde waarde creëren. Het doel is om in 2020 de export van koolstofvezelgerelateerde producten met een waarde van $ 10 miljard (omgerekend ongeveer 55,2 miljard yuan) te realiseren.
3. Analyse van wereldwijd onderzoek en onderzoeksresultaten op het gebied van koolstofvezels
In deze subsectie worden de SCI-documenten met betrekking tot koolstofvezelonderzoek en de DII-patentresultaten sinds 2010 opgenomen, om tegelijkertijd het academische onderzoek en het industriële onderzoek en de ontwikkeling van wereldwijde koolstofvezeltechnologie te analyseren en de voortgang van koolstofvezelonderzoek en -ontwikkeling internationaal volledig te begrijpen.
Gegevens afkomstig uit de Scie-database en de Dewent-database in de web of Science-database gepubliceerd door Clarivate Analytics; opvraagtijdbereik: 2010-2017; opvraagdatum: 1 februari 2018.
Strategie voor het ophalen van SCI-papieren: Ts = ((koolstofvezel* of koolstofvezel* of ("koolstofvezel*" niet "koolstofglas") of "koolstofvezel*" of "koolstoffilament*" of ((polyacrylonitril of pek) en "precursor*" en vezel*) of ("grafietvezel*")) niet ("bamboekoolstof")).
Dewent Patent Zoekstrategie: Ti = ((koolstofvezel* of koolstofvezel* of ("koolstofvezel*" niet "koolstofglasvezel") of "koolstofvezel*" of "koolstoffilament*" of ((polyacrylonitril of pek) en "voorloper*" en vezel*) of ("grafietvezel*")) niet ("bamboekoolstof")) of TS = ((koolstofvezel* of koolstofvezel* of ("koolstofvezel*" niet "koolstofglasvezel") of "koolstofvezel*" of "koolstoffilament*" of ((polyacrylonitril of pek) en "voorloper*" en vezel*) of ("grafietvezel*")) niet ("bamboekoolstof")) en IP = (D01F-009/12 of D01F-009/127 of D01F-009/133 of D01F-009/14 of D01F-009/145 of D01F-009/15 of D01F-009/155 of D01F-009/16 of D01F-009/17 of D01F-009/18 of D01F-009/20 of D01F-009/21 of D01F-009/22 of D01F-009/24 of D01F-009/26 of D01F-09/28 of D01F-009/30 of D01F-009/32 of C08K-007/02 of C08J-005/04 of C04B-035/83 of D06M-014/36 of D06M-101/40 of D21H-013/50 of H01H-001/027 of H01R-039/24).
3.1 trend
Sinds 2010 zijn er wereldwijd 16.553 relevante artikelen gepubliceerd en zijn er 26.390 octrooien op uitvindingen aangevraagd. Deze vertonen elk jaar een gestage opwaartse trend (Figuur 1).
3.2 Land- of regiodistributie
De top 10 instellingen met de grootste output van wereldwijd onderzoek naar koolstofvezels komen uit China, waarvan de top 5 bestaat uit: de Chinese Academie van Wetenschappen, het Harbin Institute of Technology, de Northwestern University of Technology, de Donghua University en het Beijing Institute of Aeronautics and Astronautics. Onder de buitenlandse instellingen bevinden zich het Indian Institute of Technology, de Universiteit van Tokio, de Universiteit van Bristol, de Monash University, de Universiteit van Manchester en het Georgia Institute of Technology op de ranglijst tussen de 10 en 20 (Fig. 3).
Aantal patentaanvragen bij de top 30-instellingen, Japan heeft er 5 en 3 daarvan staan in de top vijf, Toray Company staat op de eerste plaats, gevolgd door Mitsubishi Liyang (2e), Teijin (4e), East State (10e), Japan Toyo Textile Company (24e), China heeft 21 instellingen, Sinopec Group heeft het grootste aantal patenten en staat op de derde plaats, op de tweede plaats, Harbin Institute of Technology, Henan Ke Letter Cable Company, Donghua University, China Shanghai Petrochemical, Beijing Chemical Industry, enz., de Chinese Academie van Wetenschappen Shanxi Coal-toepassingsuitvinding Patent 66, op de 27e plaats, Zuid-Koreaanse instellingen hebben er 2, waarvan Xiaoxing Co., Ltd. op de eerste plaats staat, op de 8e plaats.
Output-instellingen, de output van het papier voornamelijk van universiteiten en wetenschappelijke onderzoeksinstellingen, patentoutput voornamelijk van het bedrijf, het kan worden gezien dat koolstofvezelproductie een hightechindustrie is, als het belangrijkste orgaan van koolstofvezel R & D-industrieontwikkeling, hecht het bedrijf veel belang aan de bescherming van koolstofvezel R & D-technologie, met name de 2 grote bedrijven in Japan, Het aantal patenten ligt ver voor.
3.4 Onderzoekshotspots
Onderzoeksartikelen over koolstofvezels bestrijken de meeste onderzoeksonderwerpen: koolstofvezelcomposieten (waaronder koolstofvezelversterkte composieten, polymeermatrixcomposieten, enz.), onderzoek naar mechanische eigenschappen, eindige-elementenanalyse, koolstofnanotubes, delaminatie, versterking, vermoeiing, microstructuur, elektrostatisch spinnen, oppervlaktebehandeling, adsorptie, enzovoort. Artikelen die betrekking hebben op deze trefwoorden vormen 38,8% van het totale aantal artikelen.
Octrooien op uitvindingen van koolstofvezels bestrijken de meeste onderwerpen met betrekking tot de productie van koolstofvezels, productieapparatuur en composietmaterialen. Onder hen zijn Japan Toray, Mitsubishi Liyang, Teijin en andere bedrijven in de sector "koolstofvezelversterkte polymeerverbindingen" met belangrijke technische kenmerken. Daarnaast hebben Toray en Mitsubishi Liyang een groot aandeel in de octrooiaanvragen voor "Polyacrylonitrilproductie van koolstofvezels en productieapparatuur", "productie van koolstofvezels met onverzadigd nitril, zoals polyacrylonitril, polyvinylideencyanide-ethyleen" en andere technologieën. Het Japanse Teijin heeft een groter aandeel in de octrooiaanvragen voor "koolstofvezel- en zuurstofcomposietverbindingen".
China Sinopec Group, Beijing Chemical University en de Chinese Academie van Wetenschappen Ningbo Materials hebben een groot deel van de patenten in handen in de "polyacrylonitrilproductie van koolstofvezels en productieapparatuur". Daarnaast hebben de Beijing University of Chemical Engineering, de Chinese Academie van Wetenschappen Shanxi Coal Chemical Institute en de Chinese Academie van Wetenschappen Ningbo Materials Key Layout "Gebruik van anorganische elementvezels als ingrediënten voor de bereiding van polymeerverbindingen". Het Harbin Institute of Technology richt zich op de lay-out van "koolstofvezelbehandeling", "koolstofvezels en zuurstofhoudende samengestelde composieten" en andere technologieën.
Bovendien blijkt uit de jaarlijkse statistische verspreidingsstatistieken van wereldwijde patenten dat er de afgelopen drie jaar een aantal nieuwe hot spots zijn ontstaan, zoals: "Samenstellingen van polyamiden verkregen door de vorming van een carboxylaatbindingsreactie in de hoofdketen", "polyestersamenstellingen door de vorming van 1 carbonzuuresterbindingen in de hoofdketen", "composietmateriaal op basis van synthetische materialen", "cyclische carbonzuurbevattende zuurstofverbindingen als ingrediënten van koolstofvezelcomposieten", "in driedimensionale vorm van stolling of behandeling van textielmaterialen", "onverzadigde ether, acetaal, semi-acetaal, keton of aldehyde door alleen de koolstof-koolstof onverzadigde bindingsreactie tot de productie van polymeerverbindingen", "adiabatisch materiaal voor buizen of kabels", "Koolstofvezelcomposieten met fosfaatesters als ingrediënten" enzovoort.
De afgelopen jaren is er veel onderzoek en ontwikkeling gedaan in de koolstofvezelsector, waarbij de meeste doorbraken afkomstig zijn uit de Verenigde Staten en Japan. De nieuwste geavanceerde technologieën richten zich niet alleen op de productie en verwerking van koolstofvezels, maar ook op toepassingen in een breder scala aan automaterialen, zoals lichtgewicht materialen, 3D-printmaterialen en materialen voor energieopwekking. Daarnaast hebben recycling en recycling van koolstofvezelmaterialen, de verwerking van houtligninekoolstofvezel en andere prestaties uitstekende resultaten opgeleverd. De representatieve resultaten worden hieronder beschreven:
1) Het Amerikaanse Georgia Institute of Technology maakt een doorbraak met koolstofvezeltechnologieën van de derde generatie
In juli 2015 heeft het Georgia Institute of Technology met financiering van DARPA de modulus van zijn innovatieve, op pannen gebaseerde koolstofvezel-gel-spintechniek aanzienlijk vergroot. Daarmee overtrof het de Hershey IM7-koolstofvezel, die nu veelvuldig wordt gebruikt in militaire vliegtuigen. Het is daarmee het tweede land ter wereld dat de derde generatie koolstofvezeltechnologie beheerst, na Japan.
De treksterkte van de gel-spinning koolstofvezel van Kumarz bedraagt 5,5 tot 5,8 GPa en de trekmodulus ligt tussen 354 en 375 GPa. "Dit is de continue vezel die naar verluidt de hoogste sterkte en modulus voor uitgebreide prestaties heeft. In de korte filamentbundel, met een treksterkte tot 12,1 GPa, is dit de hoogste polyacrylonitril koolstofvezel."
2) Elektromagnetische golfverwarmingstechnologie
In 2014 ontwikkelde Nedo de technologie voor elektromagnetische golfverhitting. Elektromagnetische golfcarbonisatietechnologie verwijst naar het gebruik van elektromagnetische golfverhittingstechnologie om de vezel te carboniseren bij atmosferische druk. De verkregen koolstofvezelprestaties zijn in principe gelijk aan die van koolstofvezels geproduceerd door verhitting op hoge temperatuur. De elasticiteitsmodulus kan meer dan 240 GPA bereiken en de rek bij breuk bedraagt meer dan 1,5%, wat een wereldwijd succes is.
Het vezelachtige materiaal wordt gecarboniseerd door elektromagnetische golven, waardoor de apparatuur voor het carboniseren van de oven voor verhitting op hoge temperatuur niet nodig is. Dit proces verkort niet alleen de carbonisatietijd, maar vermindert ook het energieverbruik en de CO2-uitstoot.
3) fijne controle van het carbonisatieproces
In maart 2014 kondigde Toray de succesvolle ontwikkeling van de t1100g koolstofvezel aan. Toray gebruikt de traditionele pan-solution spinningtechnologie om het carbonisatieproces nauwkeurig te regelen, de microstructuur van de koolstofvezel op nanoschaal te verbeteren en de microkristallijne oriëntatie van het grafiet, de microkristallijne grootte, defecten, enz. in de vezel na carbonisatie te controleren, waardoor de sterkte en elasticiteitsmodulus aanzienlijk kunnen worden verbeterd. De treksterkte van de t1100g is 6,6 GPa, wat 12% hoger is dan die van de T800, en de elasticiteitsmodulus is 324 GPa, een toename van 10%, waarmee de vezel de industrialisatiefase ingaat.
4) Oppervlaktebehandelingstechnologie
Teijin East State heeft met succes een plasma-oppervlaktebehandelingstechnologie ontwikkeld waarmee het uiterlijk van koolstofvezels in slechts enkele seconden kan worden aangepast. Deze nieuwe technologie vereenvoudigt het gehele productieproces aanzienlijk en verlaagt het energieverbruik met 50% ten opzichte van de bestaande oppervlaktebehandelingstechnologie voor waterige elektrolytoplossingen. Bovendien bleek na plasmabehandeling de hechting van de vezels en de harsmatrix te zijn verbeterd.
5) onderzoek naar de retentiegraad van de treksterkte van koolstofvezels in een omgeving met hoge temperaturen van grafiet
Ningbo Materials heeft met succes een gedetailleerde studie uitgevoerd naar de procesanalyse, structuuronderzoek en prestatie-optimalisatie van binnenlandse koolstofvezels met hoge sterkte en hoge modus, met name het onderzoekswerk naar de retentiegraad van de treksterkte van koolstofvezels in een omgeving met hoge temperaturen van grafiet, en de recente succesvolle voorbereiding van koolstofvezels met hoge sterkte en hogere modulus met een treksterkte van 5,24 GPa en een trekmodulusvolume van 593 GPa. Het blijft het voordeel van treksterkte hebben in vergelijking met de Japanse Toray m60j koolstofvezel met hoge sterkte en hoge vervorming (treksterkte 3,92 GPa, trekmodulus 588 GPa).
6) Magnetrongrafiet
Yongda Advanced Materials heeft met succes de exclusieve Amerikaanse patenttechnologie voor ultrahogetemperatuurgrafiet ontwikkeld voor de productie van koolstofvezels van gemiddelde en hogere orde. Het bedrijf doorbrak drie knelpunten in de ontwikkeling van koolstofvezels van hogere orde: de dure grafietapparatuur die onder internationale controle staat, de moeilijkheden met de chemische technologie voor ruwe zijde en de lage en hoge productiekosten. Tot nu toe heeft Yongda drie soorten koolstofvezels ontwikkeld, die allemaal de sterkte en modulus van de oorspronkelijke, relatief laagwaardige koolstofvezel naar een nieuw niveau hebben getild.
7) Nieuw proces voor het smelten en spinnen van ruwe koolstofvezeldraad op panbasis door Fraunhofer, Duitsland
Het Fraunhofer Instituut voor Toegepaste Polymeren (Toegepast Polymeeronderzoek, IAP) heeft onlangs aangekondigd dat het de nieuwste Comcarbon-technologie zal presenteren op de Berlin Air Show Ila op 25 en 29 april 2018. Deze technologie verlaagt de productiekosten van massaal geproduceerde koolstofvezels aanzienlijk.
Afbeelding 4 Ruwe draadsmeltende spin.
Het is bekend dat bij traditionele processen de helft van de productiekosten van pangebaseerde koolstofvezels wordt verbruikt bij de productie van ruw draad. Omdat ruw draad niet smelt, moet het worden geproduceerd met behulp van een duur oplossingspinproces (Solution Spinning). "Daarom hebben we een nieuw proces ontwikkeld voor de productie van pangebaseerde ruwe zijde, waarmee de productiekosten van ruw draad met 60% kunnen worden verlaagd. Dit is een economisch en haalbaar smeltspinproces, waarbij gebruik wordt gemaakt van een speciaal ontwikkeld gesmolten pangebaseerd copolymeer", aldus Dr. Johannes Ganster, minister van Biologische Polymeren aan het Fraunhofer IAP Instituut.
8) Plasma-oxidatietechnologie
4M Carbon Fiber heeft aangekondigd dat het de inzet van plasma-oxidatietechnologie voor de productie en verkoop van hoogwaardige, goedkope koolstofvezels als strategische focus zal gebruiken, en niet alleen om de technologie in licentie te geven. 4M beweert dat plasma-oxidatietechnologie drie keer sneller is dan conventionele oxidatietechnologie, terwijl het energieverbruik minder dan een derde bedraagt van dat van traditionele technologie. Deze beweringen zijn bevestigd door vele internationale producenten van koolstofvezels, die in overleg zijn met een aantal van 's werelds grootste koolstofvezelfabrikanten en autofabrikanten om als initiatiefnemers deel te nemen aan de productie van goedkope koolstofvezels.
9) Cellulose nanovezel
De Universiteit van Kyoto in Japan werkt samen met diverse grote leveranciers van componenten, zoals het elektrotechnische installatiebedrijf (Toyota's grootste leverancier) en Daikyonishikawa Corp., aan de ontwikkeling van kunststofmaterialen die cellulose-nanovezels combineren. Dit materiaal wordt gemaakt door houtpulp te vermalen tot enkele micrometers (1 per duizend mm). Het nieuwe materiaal weegt slechts een vijfde van het gewicht van staal, maar is vijf keer sterker dan staal.
10) koolstofvezel voorlichaam van polyolefine- en lignine-grondstoffen
Het Oak Ridge National Laboratory in de Verenigde Staten houdt zich sinds 2007 bezig met onderzoek naar koolstofvezels met lage kosten. Het laboratorium heeft koolstofvezelfrontlichamen ontwikkeld voor polyolefine- en ligninegrondstoffen, evenals geavanceerde plasma-pre-oxidatie- en microgolfcarbonisatietechnologieën.
11) Het nieuwe polymeer (precursorpolymeer) werd ontwikkeld door het verwijderen van de vuurvaste behandeling
In de productiemethode van de Universiteit van Tokio is een nieuw polymeer (precursorpolymeer) ontwikkeld om de vuurvaste behandeling te verwijderen. Het belangrijkste punt is dat na het spinnen van het polymeer tot zijde, het niet de oorspronkelijke vuurvaste behandeling uitvoert, maar het oxideert in het oplosmiddel. Het microgolfverwarmingsapparaat wordt vervolgens verhit tot meer dan 1000 ℃ voor carbonisatie. De verwarmingstijd bedraagt slechts 2-3 minuten. Na de carbonisatiebehandeling wordt ook plasma gebruikt voor de oppervlaktebehandeling, zodat koolstofvezel kan worden gemaakt. Plasmabehandeling duurt minder dan 2 minuten. Op deze manier kan de oorspronkelijke sintertijd van 30-60 minuten worden teruggebracht tot ongeveer 5 minuten. In de nieuwe productiemethode wordt plasmabehandeling uitgevoerd om de hechting tussen koolstofvezel en thermoplastische hars als CFRP-basismateriaal te verbeteren. De treksterktemodulus van koolstofvezel geproduceerd met de nieuwe productiemethode is 240 GPa, de treksterkte is 3,5 GPa en de rek bereikt 1,5%. Deze waarden komen overeen met die van de Toray Universal-koolstofvezel T300 die wordt gebruikt voor sportartikelen en dergelijke.
12) recycling en gebruik van koolstofvezelmaterialen met behulp van het wervelbedproces
Mengran Meng, de eerste auteur van de studie, zei: "De terugwinning van koolstofvezels vermindert de impact op het milieu in vergelijking met de productie van ruwe koolstofvezels, maar er is weinig bekend over potentiële recyclingtechnologieën en de economische haalbaarheid van het recyclen van koolstofvezels. Recycling bestaat uit twee fasen: de vezels moeten eerst uit de koolstofvezelcomposieten worden gewonnen en thermisch worden afgebroken door mechanische vermaling of door pyrolyse of wervelbedprocessen. Deze methoden verwijderen het plastic deel van het composietmateriaal, waardoor koolstofvezels overblijven die vervolgens kunnen worden omgezet in verstrengelde vezelmatten met behulp van natte papierproductietechnologie, of kunnen worden gereorganiseerd tot directionele vezels.
De onderzoekers berekenden dat koolstofvezels uit koolstofvezelcomposietafval gewonnen konden worden met behulp van een wervelbedproces. Dit vereist slechts 5 dollar per kg en minder dan 10% van de energie die nodig is voor de productie van primaire koolstofvezels. Gerecyclede koolstofvezels geproduceerd met wervelbedprocessen verlagen de modulus nauwelijks en de treksterkte neemt met 18% tot 50% af ten opzichte van primaire koolstofvezels, waardoor ze geschikt zijn voor toepassingen die een hoge stijfheid in plaats van sterkte vereisen. "Gerecyclede koolstofvezels kunnen geschikt zijn voor niet-structurele toepassingen die lichtgewicht vereisen, zoals de auto-, bouw-, wind- en sportindustrie", aldus Meng.
13) Nieuwe technologie voor het recyclen van koolstofvezels, ontwikkeld in de Verenigde Staten
In juni 2016 hebben onderzoekers van het Georgia Institute of Technology in de Verenigde Staten koolstofvezels geweekt in een oplosmiddel dat alcohol bevatte, om de epoxyhars op te lossen. De gescheiden vezels en epoxyharsen kunnen worden hergebruikt, wat een succesvolle realisatie van koolstofvezelwinning betekent.
In juli 2017 ontwikkelde Washington State University ook een technologie voor het terugwinnen van koolstofvezels, waarbij een zwak zuur als katalysator wordt gebruikt. Daarbij wordt vloeibare ethanol bij relatief lage temperaturen gebruikt om thermohardende materialen te ontbinden. Ontbonden koolstofvezels en hars worden apart geconserveerd en kunnen worden gereproduceerd.
14) Ontwikkeling van 3D-printtechnologie met koolstofvezelinkt in het LLNL-laboratorium, VS
In maart 2017 ontwikkelde het Lawrence Livemore National Laboratory (LLNL) in de Verenigde Staten de eerste 3D-geprinte, hoogwaardige koolstofvezelcomposieten van luchtvaartkwaliteit. Ze gebruikten een 3D-printmethode met directe inkttransmissie (DIW) om complexe driedimensionale structuren te creëren die de verwerkingssnelheid aanzienlijk verbeterden voor gebruik in de auto-, ruimtevaart-, defensie- en motorsport en surfsport.
15) De Verenigde Staten, Korea en China werken samen aan de ontwikkeling van koolstofvezel voor energieopwekking
In augustus 2017 werkten de campussen van de Universiteit van Texas in Dallas, Hanyang University in Korea, Nankai University in China en andere instellingen samen aan de ontwikkeling van een koolstofvezelgaren voor energieopwekking. Het garen wordt eerst geweekt in elektrolytoplossingen zoals pekel, waardoor de ionen in de elektrolyt zich hechten aan het oppervlak van de koolstofnanobuisjes. Deze ionen kunnen worden omgezet in elektrische energie wanneer het garen wordt aangespannen of uitgerekt. Het materiaal kan overal worden gebruikt waar betrouwbare kinetische energie beschikbaar is en is geschikt voor het leveren van stroom aan IoT-sensoren.
16) Nieuwe vooruitgang in het onderzoek naar houtligninekoolstofvezels verkregen door respectievelijk Chinese en Amerikaanse
In maart 2017 ontwikkelde het speciale vezelteam van het Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering een lignine-acrylonitrilcopolymeer met goede spinbaarheid en thermische stabiliteit door middel van tweestapsmodificatietechnologie met verestering en vrije-radicalencopolymerisatie. Door middel van het copolymeer- en natspinproces werden hoogwaardige continue filamenten verkregen, en na thermische stabilisatie en carbonisatiebehandeling werd de compacte koolstofvezel verkregen.
In augustus 2017 mengde het onderzoeksteam van Birgitte Ahring aan de Universiteit van Washington in de Verenigde Staten lignine en polyacrylonitril in verschillende verhoudingen en gebruikte vervolgens smeltspintechnologie om gemengde polymeren om te zetten in koolstofvezels. Uit het onderzoek bleek dat de lignine die aan de 20% tot 30% werd toegevoegd, de sterkte van de koolstofvezel niet beïnvloedde en naar verwachting gebruikt zou worden bij de productie van goedkopere koolstofvezelmaterialen voor auto- of vliegtuigonderdelen.
Eind 2017 publiceerde het National Renewable Energy Laboratory (NREL) onderzoek naar de productie van acrylonitril met behulp van plantenresten, zoals maïsstro en tarwestro. Eerst breken ze plantenmateriaal af tot suiker, vervolgens zetten ze het om in zuren en combineren ze dit met goedkope katalysatoren om de gewenste producten te produceren.
17) Japan ontwikkelt het eerste met koolstofvezel versterkte thermoplastische composiet autochassis
In oktober 2017 hebben het Japanse R&D-agentschap voor nieuwe technologie-integratie in de energiesector en het National Composites Research Center van de Universiteit van Nagoya met succes 's werelds eerste autochassis voor koolstofvezelversterkte thermoplastische composieten ontwikkeld. Ze maken gebruik van een automatisch direct online gietproces voor langvezelversterkte thermoplastische composieten, continue menging van koolstofvezels en thermoplastische harsdeeltjes, de productie van vezelversterkte composieten en vervolgens de succesvolle productie van thermoplastische CFRP-chassis door verhitting en smelten.
5. Suggesties voor onderzoek en ontwikkeling van koolstofvezeltechnologie in China
5.1 Toekomstgerichte lay-out, doelgericht, focus op het doorbreken van de derde generatie koolstofvezeltechnologie
China's tweede generatie koolstofvezeltechnologie is nog geen algehele doorbraak, ons land moet proberen een vooruitstrevende lay-out te zijn die onze relevante onderzoeksinstellingen zal samenbrengen, gericht op het vastleggen van sleuteltechnologieën, de focus van de derde generatie van hoogwaardige koolstofvezelvoorbereidingstechnologie R&D (d.w.z. toepasbaar op de lucht- en ruimtevaart, hoge sterkte, hoge modulus koolstofvezeltechnologie), en de koolstofvezelcomposietmateriaaltechnologie ontwikkeld, met inbegrip van de automobiel-, bouw- en reparatie- en andere lichtgewicht, goedkope grote sleepkoolstofvezelvoorbereiding, additieve productietechnologie koolstofvezelcomposietmateriaal, recyclingtechnologie en rapid prototyping-technologieën.
5.2 Coördinatie van de organisatie, versterking van de ondersteuning, opzetten van grote technische projecten ter continue ondersteuning van collaboratief onderzoek
Momenteel zijn er in China veel instellingen die onderzoek doen naar koolstofvezels, maar de macht is versnipperd en er is geen uniform R&D-organisatiemechanisme en geen sterke financiële ondersteuning voor effectieve coördinatie. Afgaande op de ontwikkelingservaring van ontwikkelde landen, spelen de organisatie en opzet van grote projecten een grote rol bij het bevorderen van de ontwikkeling van dit technische gebied. We moeten ons richten op China's R&D-voordeel, gezien China's baanbrekende R&D-technologie op het gebied van koolstofvezels, om grote projecten te starten, samenwerking op het gebied van technologische innovatie te versterken en het Chinese technologieniveau voor koolstofvezelonderzoek en -composieten continu te promoten, wat de concurrentie op internationaal niveau voor koolstofvezel en composieten bevordert.
5.3 Verbetering van het evaluatiemechanisme van de toepassingseffectoriëntatie van technische prestaties
Vanuit het oogpunt van econometrische analyse van SCI-artikelen wordt koolstofvezel in China beschouwd als een hoogwaardig en prestatiegericht materiaal dat wordt gebruikt in diverse onderzoeksgebieden. Wat betreft de productie en voorbereiding van koolstofvezels, ligt de nadruk echter met name op kostenverlaging en het verbeteren van de productie-efficiëntie met minder onderzoek. Het productieproces van koolstofvezels is lang, kent belangrijke technologische aspecten, kent hoge productiebarrières en is een multidisciplinaire, multi-technologische integratie. Technische obstakels moeten worden doorbroken en onderzoek en ontwikkeling van kerntechnologieën met lage kosten en hoge prestaties op het gebied van voorbereiding moeten effectief worden bevorderd. Aan de ene kant moeten de investeringen in onderzoek worden versterkt en aan de andere kant moet de evaluatie van wetenschappelijke onderzoeksresultaten worden verzwakken. De toepassing van technische prestaties moet worden verbeterd en de effectiviteit van de evaluatie moet worden verbeterd. Een verschuiving van kwantitatieve evaluatie, waarbij de publicatie van het artikel centraal staat, naar een kwalitatieve evaluatie van de waarde van de resultaten is noodzakelijk.
5.4 Het versterken van de ontwikkeling van talenten uit geavanceerde technologie
Het hightech-aspect van koolstofvezeltechnologie bepaalt het belang van gespecialiseerde talenten, en of ze beschikken over geavanceerd technisch kernpersoneel bepaalt direct het niveau van R&D van een instelling.
Vanwege de R&D-verbindingen in koolstofvezeltechnologie moeten we aandacht besteden aan de opleiding van compoundpersoneel om de coördinatie en ontwikkeling van alle verbindingen te waarborgen. Bovendien is, gezien de ontwikkelingsgeschiedenis van koolstofvezelonderzoek in China, de instroom van technologische kernexperts vaak een sleutelfactor die het R&D-niveau van een onderzoeksinstelling beïnvloedt. Het behouden van de focus van kernexperts en R&D-teams op productieprocessen, composieten en belangrijke producten is belangrijk voor continue technologische upgrades.
We moeten de opleiding en inzet van gespecialiseerd hightechpersoneel op dit gebied blijven versterken, het evaluatie- en behandelingsbeleid voor technologisch R&D-talent verbeteren, de ontwikkeling van jong talent versterken, actief samenwerking en uitwisselingen met geavanceerde buitenlandse R&D-instellingen ondersteunen en buitenlandse geavanceerde talenten krachtig introduceren, enz. Dit zal een grote rol spelen bij het bevorderen van de ontwikkeling van koolstofvezelonderzoek in China.
Geciteerd uit-
Analyse van de ontwikkeling van wereldwijde koolstofvezeltechnologie en de verlichting ervan in China. Tian Yajuan, Zhang Zhiqiang, Tao Cheng, Yang Ming, Ba Jin, Chen Yunwei.Wereldwijd wetenschappelijk en technologisch onderzoek en ontwikkeling.2018
Plaatsingstijd: 4 december 2018