Karbonfiber er et nytt uorganisk polymerfibermateriale med et karboninnhold på over 95 %, med lav tetthet, høy styrke, høy temperaturbestandighet, høy kjemisk stabilitet, anti-tretthet, slitesterk avtørking og andre utmerkede grunnleggende fysiske og kjemiske egenskaper, og har høy vibrasjonsdemping, god ledende varmeledningsevne, elektromagnetisk skjermingsytelse og lav termisk ekspansjonskoeffisient og andre egenskaper. Disse utmerkede egenskapene gjør karbonfiber mye brukt innen luftfart, jernbanetransport, kjøretøyproduksjon, våpen og utstyr, anleggsmaskiner, infrastrukturbygging, marinteknikk, petroleumsteknikk, vindenergi, sportsutstyr og andre felt.
Basert på de nasjonale strategiske behovene for karbonfibermaterialer, har Kina listet det opp som en av kjerneteknologiene til de fremvoksende industriene som er fokusert på støtte. I den nasjonale "Tolv-fem" vitenskaps- og teknologiplanleggingen er forberedelses- og anvendelsesteknologi for høyytelseskarbonfiber en av kjerneteknologiene til strategisk fremvoksende industrier som støttes av staten. I mai 2015 lanserte statsrådet offisielt "Made in China 2025", der nye materialer er et av nøkkelområdene for kraftig promotering og utvikling, inkludert høyytelsesstrukturmaterialer, og avanserte kompositter er fokus for utvikling innen nye materialer. I oktober 2015 publiserte departementet for industri og informasjonsindustri offisielt "China Manufacturing 2025 key Areas Technology Roadmap", der "høyytelsesfiber og dets kompositter" er et sentralt strategisk materiale, og målet for 2020 er "innenlandske karbonfiberkompositter som oppfyller de tekniske kravene til store fly og annet viktig utstyr." I november 2016 utstedte Statsrådet den nasjonale strategiske utviklingsplanen for nye industrier, «Tretten-fem», som tydelig pekte på å styrke støtten til samarbeid oppstrøms og nedstrøms innen ny materialindustri, og å gjennomføre pilotdemonstrasjoner av samarbeidende applikasjoner innen karbonfiberkompositter og andre felt, samt bygge en samarbeidende applikasjonsplattform. I januar 2017 formulerte Industri- og utviklingsdepartementet, NDRC, vitenskap og teknologi og Finansdepartementet i fellesskap «Veiledningen for utvikling av nye materialindustrier», og foreslo at man fra og med 2020 skal «innen karbonfiberkompositter, spesialstål av høy kvalitet, avanserte lettlegeringsmaterialer og andre felt oppnå mer enn 70 viktige industrialiseringer og anvendelser av nye materialer, og bygge et støttesystem for prosessutstyr som samsvarer med utviklingsnivået til Kinas nye materialindustri.»
Fordi karbonfiber og kompositter spiller en viktig rolle i nasjonalt forsvar og folkets levebrød, fokuserer mange eksperter på utvikling og analyse av forskningstrender. Dr. Zhou Hong gjennomgikk de vitenskapelige og teknologiske bidragene som ble gitt av amerikanske forskere i de tidlige stadiene av utviklingen av høyytelses karbonfiberteknologi, og skannet og rapporterte om 16 hovedapplikasjoner og nylige teknologiske fremskritt for karbonfiber, og produksjonsteknologien, egenskapene og anvendelsen av polyakrylonitrilkarbonfiber og dens nåværende teknologiske utvikling ble gjennomgått av Dr. Wei Xin, etc. Den legger også frem noen konstruktive forslag til problemene som eksisterer i utviklingen av karbonfiber i Kina. I tillegg har mange forsket på metrologisk analyse av artikler og patenter innen karbonfiber og kompositter. For eksempel, Ma Xianglin og andre fra et metrologisk synspunkt fra 1998-2017 patentdistribusjon og anvendelse av karbonfiberanalysefeltet; Yang Sisi og andre analyserer patentsøk og datastatistikk for globale patenter for karbonfiberstoffer basert på innografiplattformen, fra den årlige utviklingstrenden for patenter, patentinnehavere, patentteknologiens hotspot og kjernepatentet til teknologien.
Fra et forsknings- og utviklingsperspektiv for karbonfiber er Kinas forskning nesten synkronisert med resten av verden, men utviklingen er langsom. Det er et gap i produksjonsskalaen og kvaliteten på høy ytelse for karbonfiber sammenlignet med utlandet. Det er derfor et presserende behov for å fremskynde FoU-prosessen, fremme strategisk planlegging og gripe mulighetene for fremtidig industriutvikling. Derfor undersøker denne artikkelen først prosjektplanleggingen i ulike land innen karbonfiberforskning for å forstå planleggingen av FoU-ruter i ulike land. For det andre, fordi grunnleggende forskning og anvendelsesforskning av karbonfiber er svært viktig for teknisk forskning og utvikling av karbonfiber, gjennomfører vi derfor metrologiske analyser fra akademiske forskningsresultater - SCI-artikler og anvendte forskningsresultater - patenter samtidig for å få en omfattende forståelse av FoU-fremdriften innen karbonfiber, og for å skanne den siste forskningsutviklingen på dette feltet i forhold til Peep International Frontier FoU-fremdriften. Til slutt, basert på forskningsresultatene ovenfor, legges det frem noen forslag til forsknings- og utviklingsruten innen karbonfiber i Kina.
2. Ckarbonfiberoppsett av forskningsprosjektetstore land/regioner
De viktigste produksjonslandene for karbonfiber er Japan, USA, Sør-Korea, noen europeiske land, Taiwan og Kina. Avanserte teknologiland i den tidlige fasen av utviklingen av karbonfiberteknologi har innsett viktigheten av dette materialet, har gjennomført strategisk planlegging og kraftig fremmet utviklingen av karbonfibermaterialer.
2.1 Japan
Japan er det mest utviklede landet innen karbonfiberteknologi. De tre selskapene Toray, Bong og Mitsubishi Liyang i Japan står for omtrent 70–80 % av den globale markedsandelen av karbonfiberproduksjonen. Likevel legger Japan stor vekt på å opprettholde sine styrker på dette feltet, spesielt utviklingen av høypresterende panbaserte karbonfibre og energi- og miljøvennlige teknologier, med sterk menneskelig og økonomisk støtte, og i en rekke grunnleggende politikker, inkludert den grunnleggende energiplanen, den strategiske oversikten for økonomisk vekst og Kyoto-protokollen, har dette gjort til et strategisk prosjekt som bør videreføres. Basert på den grunnleggende nasjonale energi- og miljøpolitikken har Japans departement for økonomi, industri og eiendom fremmet "forsknings- og utviklingsprogrammet for energisparende teknologi". Støttet av ovennevnte politikk har den japanske karbonfiberindustrien vært i stand til å sentralisere alle aspekter av ressurser mer effektivt og fremme løsningen på vanlige problemer i karbonfiberindustrien.
«Teknologiutvikling som innovative nye strukturelle materialer» (2013-2022) er et prosjekt implementert under «Future Development Research Project» i Japan for å oppnå betydelig utvikling av nødvendig innovativ strukturell materialteknologi og kombinasjonen av forskjellige materialer, med hovedmål å redusere lettvekten (halvparten av bilvekten) til transportmidler. Og endelig realisere den praktiske anvendelsen. Etter å ha overtatt forsknings- og utviklingsprosjektet i 2014, utviklet Industrial Technology Development Agency (NEDO) flere delprosjekter der de overordnede målene for karbonfiberforskningsprosjektet «Innovativ karbonfibergrunnforskning og -utvikling» var: å utvikle nye karbonfiberforløperforbindelser; å belyse dannelsesmekanismen for karboniseringsstrukturer; og å utvikle og standardisere metoder for vurdering av karbonfiber. Prosjektet, ledet av Universitetet i Tokyo og med samarbeid mellom Institute of Industrial Technology (NEDO), Toray, Teijin, Dongyuan og Mitsubishi Liyang, har gjort betydelige fremskritt i januar 2016 og er et nytt stort gjennombrudd innen panbasert karbonfiber etter oppfinnelsen av «Kondo-modusen» i Japan i 1959.
2.2 USA
Det amerikanske forsvarsforskningsbyrået DARPA lanserte prosjektet Advanced Structural Fiber i 2006 med mål om å samle landets dominerende vitenskapelige forskningsstyrke for å utvikle neste generasjons strukturfibre basert på karbonfibre. Støttet av dette prosjektet brøt forskerteamet ved Georgia Institute of Technology i USA gjennom teknologien for fremstilling av råtråd i 2015, og økte elastisitetsmodulen med 30 %, noe som ga USA utviklingskapasiteten til tredje generasjon karbonfiber.
I 2014 annonserte det amerikanske energidepartementet (DOE) en subsidie på 11,3 millioner dollar til to prosjekter om «flertrinnskatalytiske prosesser for omdannelse av ikke-spiselige biomassesukkerarter til akrylnitril» og «forskning og optimalisering av akrylnitril avledet fra biomasseproduksjon» for å fremme bruken av landbruksrester, forskning på kostnadskonkurransedyktige fornybare høypresterende karbonfibermaterialer for produksjon av fornybare ikke-matbaserte råvarer, som trebasert biomasse, og planer om å redusere produksjonskostnadene for fornybare biomassekarbonfibre til under 5 dollar/lb innen 2020.
I mars 2017 annonserte det amerikanske energidepartementet igjen 3,74 millioner dollar i finansiering av et "rimelig FoU-prosjekt for karbonfiberkomponenter" ledet av Western American Institute (WRI), som fokuserer på utvikling av rimelige karbonfiberkomponenter basert på ressurser som kull og biomasse.
I juli 2017 annonserte det amerikanske energidepartementet finansiering på 19,4 millioner dollar for å støtte forskning og utvikling av avanserte energieffektive kjøretøy, hvorav 6,7 millioner dollar brukes til å finansiere utarbeidelse av rimelige karbonfibre ved hjelp av beregningsmaterialer, inkludert utvikling av flerskala evalueringsmetoder for integrert datateknologi for å vurdere entusiasmen til nye karbonfiberforløpere. Avansert molekylær dynamikk assistert tetthetsfunksjonsteori, maskinlæring og andre verktøy brukes til å utvikle toppmoderne dataverktøy for å forbedre utvelgelseseffektiviteten til rimelige karbonfiberråvarer.
2.3 Europa
Den europeiske karbonfiberindustrien utviklet seg i Japan og USA på sytti- eller åttitallet av 1900-tallet, men på grunn av teknologi og kapital klarte mange selskaper som produserte enkeltkarbonfiber ikke å følge med på den høye veksten i karbonfiberetterspørselen etter 2000 år og forsvant. Det tyske selskapet SGL er det eneste selskapet i Europa som har en stor andel av verdens karbonfibermarked.
I november 2011 lanserte EU Eucarbon-prosjektet, som har som mål å oppgradere europeisk produksjonskapasitet innen karbonfiber og preimpregnerte materialer for luftfart. Prosjektet varte i fire år, med en total investering på 3,2 millioner euro, og i mai 2017 ble Europas første spesielle karbonfiberproduksjonslinje for romfartsapplikasjoner som satellitter etablert, og dermed kunne Europa bevege seg bort fra sin importavhengighet av produktet og sikre sikkerheten ved materialforsyningen.
EUs syvende rammeverk planlegger å støtte prosjektet «funksjonell karbonfiber i utarbeidelsen av et nytt forløpersystem med kostnadseffektiv og håndterbar ytelse» (FIBRALSPEC) (2014-2017) med 6,08 millioner euro. Det fireårige prosjektet, ledet av National Technical University of Athens, Hellas, med deltakelse fra multinasjonale selskaper som Italia, Storbritannia og Ukraina, fokuserer på å innovere og forbedre prosessen med kontinuerlig fremstilling av polyakrylonitrilbaserte karbonfibre for å oppnå eksperimentell produksjon av kontinuerlig panbaserte karbonfibre. Prosjektet har fullført utviklingen og anvendelsen av karbonfiber og forbedret komposittteknologi fra fornybare organiske polymerressurser (som superkondensatorer, hurtige nødboliger, samt prototype mekaniske elektriske roterende belegningsmaskiner og produksjonslinjeutvikling av nanofibre, etc.).
Et økende antall industrisektorer, som bilindustrien, vindkraft og skipsbygging, trenger lette kompositter med høy ytelse, noe som er et enormt potensielt marked for karbonfiberindustrien. EU investerer 5,968 millioner euro for å lansere Carboprec-prosjektet (2014–2017), der det strategiske målet er å utvikle rimelige forløpere fra fornybare materialer som er bredt tilstede i Europa, og å forbedre produksjonen av høyytelseskarbonfibre gjennom karbonnanorør.
EUs forskningsprogram Cleansky II finansierte et prosjekt med navnet «FoU på komposittdekk» (2017), ledet av Fraunhofer Institute for Production and Systems Reliability (LBF) i Tyskland, som planlegger å utvikle forhjulskomponenter for karbonfiberforsterkede komposittfly for Airbus A320. Målet er å redusere vekten med 40 % sammenlignet med konvensjonelle metallmaterialer. Prosjektet er finansiert med omtrent 200 000 euro.
2.4 Korea
Sør-Koreas forskning og utvikling og industrialisering av karbonfiber startet sent, forskning og utvikling startet i 2006, og i 2013 gikk man formelt inn i den praktiske fasen, og snudde dermed den koreanske karbonfiberproduksjonen til en helt importavhengig situasjon. For den lokale sørkoreanske Xiaoxing-gruppen og Taiguang Business som representant for industrien, er momentumet i utviklingen sterkt, og pionerene er aktivt engasjert innen utforming av karbonfiberindustrien. I tillegg har karbonfiberproduksjonsbasen som er etablert av Toray Japan i Korea, også bidratt til karbonfibermarkedet i Korea.
Den koreanske regjeringen har valgt å gjøre Xiaoxing-gruppen til et samlingssted for innovative karbonfiberindustrier. Målet er å danne en klynge for karbonfibermaterialer, fremme utviklingen av et kreativt økonomisk økosystem i hele Nord-regionen. Det endelige målet er å danne en samlet produksjonskjede for karbonfibermaterialer → deler → ferdige produkter. Etableringen av en karbonfiberinkubasjonsklynge kan matches med Silicon Valley i USA, åpne nye markeder, skape ny merverdi og nå målet om 10 milliarder dollar i eksport av karbonfiberrelaterte produkter (tilsvarende omtrent 55,2 milliarder yuan) innen 2020.
3. analyse av global forskning og forskningsresultater innen karbonfiber
Denne underavsnittet teller SCI-artiklene relatert til karbonfiberforskning og DII-patentresultatene siden 2010, for å analysere den akademiske forskningen og industrielle forskningen og utviklingen av global karbonfiberteknologi samtidig, og fullt ut forstå fremdriften innen karbonfiberforskning og -utvikling internasjonalt.
Data hentet fra Scie-databasen og Dewent-databasen i Web of Science-databasen, publisert av Clarivate Analytics; hentetidspunkt: 2010–2017; hentingsdato: 1. februar 2018.
SCI-strategi for gjenfinning av papir: Ts = ((karbonfiber* eller karbonfiber* eller ("Karbonfiber*" ikke "karbonfiberglass") eller "karbonfiber*" eller "karbonfilament*" eller ((polyakrylonitril eller bek) og "forløper*" ogfiber*) eller ("grafittfiber*")) ikke ("bambuskarbon")).
Dewent patentsøkestrategi: Ti=((karbonfiber* eller karbonfiber* eller ("Karbonfiber*" ikke"karbonfiberglass") eller "karbonfiber*" eller "karbonfilament*" eller ((polyakrylonitril eller bek) og "forløper*" ogfiber*) eller ("grafittfiber*")) ikke ("bambuskarbon")) eller TS=((karbonfiber* eller karbonfiber* eller ("Karbonfiber*" ikke"karbonfiberglass") eller "karbonfiber*" eller "karbonfilament*" eller ((polyakrylonitril eller bek) og "forløper*" ogfiber*) eller ("grafittfiber*")) ikke ("bambuskarbon")) og IP=(D01F-009/12 eller D01F-009/127 eller D01F-009/133 eller D01F-009/14 eller D01F-009/145 eller D01F-009/15 eller D01F-009/155 eller D01F-009/16 eller D01F-009/17 eller D01F-009/18 eller D01F-009/20 eller D01F-009/21 eller D01F-009/22 eller D01F-009/24 eller D01F-009/26 eller D01F-09/28 eller D01F-009/30 eller D01F-009/32 eller C08K-007/02 eller C08J-005/04 eller C04B-035/83 eller D06M-014/36 eller D06M-101/40 eller D21H-013/50 eller H01H-001/027 eller H01R-039/24).
3.1 trend
Siden 2010 har 16 553 relevante artikler blitt publisert over hele verden, og 26 390 oppfinnelsespatenter har blitt søkt om, og alle viser en jevn oppadgående trend år for år (figur 1).
3.2 Land- eller regionfordeling
De 10 beste institusjonene med størst produksjon av global forskning på karbonfiber er fra Kina, hvorav de 5 beste er: Chinese Academy of Sciences, Harbin Institute of Technology, Northwestern University of Technology, Donghua University, Beijing Institute of Aeronautics and Astronautics. Blant de utenlandske institusjonene rangerer Indian Institute of Technology, University of Tokyo, University of Bristol, Monash University, University of Manchester og Georgia Institute of Technology mellom 10 og 20 (fig. 3).
Antall patentsøknader blant de 30 beste institusjonene, Japan har 5, og 3 av dem er blant de fem beste. Toray-selskapet er rangert først, etterfulgt av Mitsubishi Liyang (2.), Teijin (4.), East State (10.), Japan Toyo Textile Company (24.). Kina har 21 institusjoner. Sinopec Group har det største antallet patenter, rangert som nummer tre. For det andre er Harbin Institute of Technology, Henan Ke Letter kabelselskap, Donghua University, China Shanghai Petrochemical, Beijing Chemical Industry, etc., og det kinesiske vitenskapsakademiets Shanxi Coal Application Invention Patent 66, rangert som nummer 27. Sørkoreanske institusjoner har 2, hvorav Xiaoxing Co., Ltd. er rangert som nummer 8.
Produksjonsinstitusjoner, produksjonen av artikkelen hovedsakelig fra universiteter og vitenskapelige forskningsinstitusjoner, patentproduksjon hovedsakelig fra selskapet, kan det sees at karbonfiberproduksjon er en høyteknologisk industri, som hoveddelen av karbonfiber FoU-industriutvikling, legger selskapet stor vekt på beskyttelse av karbonfiber FoU-teknologi, spesielt de to store selskapene i Japan, antallet patenter er langt foran.
3.4 Forskningsområder
Forskningsartikler om karbonfiber dekker de fleste forskningstemaene: Karbonfiberkompositter (inkludert karbonfiberforsterkede kompositter, polymermatrisekompositter, etc.), forskning på mekaniske egenskaper, elementanalyse, karbonnanorør, delaminering, forsterkning, utmatting, mikrostruktur, elektrostatisk spinning, overflatebehandling, adsorpsjon og så videre. Artikler som omhandler disse nøkkelordene utgjør 38,8 % av det totale antallet artikler.
Patenter på karbonfiberoppfinnelser dekker de fleste emner knyttet til fremstilling av karbonfiber, produksjonsutstyr og komposittmaterialer. Blant dem har Japan Toray, Mitsubishi Liyang, Teijin og andre selskaper en viktig teknisk utforming innen "karbonfiberforsterkede polymerforbindelser". I tillegg har Toray og Mitsubishi Liyang en stor andel av patentutformingen innen "polyakrylonitrilproduksjon av karbonfiber og produksjonsutstyr", "produksjon av karbonfiber med umettet nitril, som polyakrylonitril, polyvinylidencyanid og etylen", og det japanske selskapet Teijin har en større andel av patentutformingen innen "karbonfiber- og oksygenforbindelseskompositter".
China Sinopec Group, Beijing Chemical University og Chinese Academy of Sciences Ningbo Materials har en stor andel patentoppsett innen "polyakrylonitrilproduksjon av karbonfiber og produksjonsutstyr". I tillegg har Beijing University of Chemical Engineering, Chinese Academy of Sciences Shanxi Coal Chemical Institute og Chinese Academy of Sciences Ningbo Materials nøkkeloppsett for "Bruk av uorganisk elementfiber som ingredienser i polymerforbindelsesforberedelse"-teknologi, fokusert på oppsettet av "karbonfiberbehandling", "karbonfiber og oksygenholdige forbindelseskompositter" og andre teknologier.
I tillegg viser den årlige statistiske distribusjonsstatistikken for globale patenter at en rekke nye hotspots har begynt å dukke opp de siste tre årene, for eksempel: "Polyamidblandinger oppnådd fra dannelsen av karboksylatbindingsreaksjon i hovedkjeden", "polyesterblandinger fra dannelsen av 1 karboksylsyreesterbindinger i hovedkjeden", "komposittmateriale basert på syntetiske materialer", "sykliske karboksylsyreholdige oksygenforbindelser som ingredienser i karbonfiberkompositter", "i tredimensjonal form for størkning eller behandling av tekstilmaterialer", "umettet eter, acetal, semiacetal, keton eller aldehyd gjennom kun karbon-karbon umettet bindingsreaksjon til produksjon av polymerforbindelser", "adiabatisk materiale i rør eller kabel", "Karbonfiberkompositter med fosfatestere som ingredienser" og så videre.
I de senere årene har det dukket opp forskning og utvikling innen karbonfibersektoren, og de fleste gjennombruddene kommer fra USA og Japan. De nyeste banebrytende teknologiene fokuserer ikke bare på produksjon og forberedelse av karbonfiber, men også på anvendelser i et bredere spekter av bilmaterialer, som lettvektsmaterialer, 3D-printing og kraftproduksjonsmaterialer. I tillegg har resirkulering og resirkulering av karbonfibermaterialer, forberedelse av trelignin-karbonfiber og andre prestasjoner vist seg å være imponerende. De representative resultatene er beskrevet nedenfor:
1) Det amerikanske Georgia Institute of Technology bryter gjennom tredje generasjons karbonfiberteknologi
I juli 2015, med DARPA-finansiering, økte Georgia Institute of Technology, med sin innovative panbaserte karbonfibergel-spinningsteknikk, modulen betydelig, og overgikk Hershey IM7-karbonfiberen, som nå er mye brukt i militærfly, og markerte dermed det andre landet i verden som mestret den tredje generasjonen av karbonfiberteknologi etter Japan.
Strekkfastheten til gelspinnende karbonfiber laget av Kumarz når 5,5 til 5,8 Gpa, og strekkmodulen er mellom 354–375 gpa. «Dette er den kontinuerlige fiberen som er rapportert med den høyeste styrken og modulusen for omfattende ytelse. I den korte filamentbunten er strekkfastheten opptil 12,1 Gpa, det samme som den høyeste polyakrylonitrilkarbonfiberen.»
2) Elektromagnetisk bølgeoppvarmingsteknologi
I 2014 utviklet Nedo teknologi for elektromagnetisk bølgeoppvarming. Elektromagnetisk bølgekarboniseringsteknologi refererer til bruk av elektromagnetisk bølgeoppvarmingsteknologi for å karbonisere fiberen ved atmosfærisk trykk. Ytelsen til karbonfiberen som oppnås er i utgangspunktet den samme som karbonfiber produsert ved høytemperaturoppvarming, elastisitetsmodulen kan nå mer enn 240 GPA, og bruddforlengelsen er mer enn 1,5 %, noe som er den første suksessen i verden.
Det fiberlignende materialet karboniseres av elektromagnetiske bølger, slik at karboniseringsovnutstyret som brukes til høytemperaturoppvarming ikke er nødvendig. Denne prosessen reduserer ikke bare tiden som kreves for karbonisering, men reduserer også energiforbruket og CO2-utslippene.
3) finkontroll av karboniseringsprosessen
I mars 2014 annonserte Toray den vellykkede utviklingen av t1100g karbonfiber. Toray bruker tradisjonell pan-løsningsspinningsteknologi for å finkontrollere karboniseringsprosessen, forbedre mikrostrukturen til karbonfiber på nanoskala, kontrollere grafittens mikrokrystallinske orientering, mikrokrystallinsk størrelse, defekter og så videre i fiberen etter karbonisering, slik at styrken og elastisitetsmodulen kan forbedres betraktelig. Strekkfastheten til t1100g er 6,6 GPa, som er 12 % høyere enn for T800, og elastisitetsmodulen er 324 GPa og økt med 10 %, noe som betyr at man går inn i industrialiseringsfasen.
4) Overflatebehandlingsteknologi
Teijin East State har med hell utviklet en teknologi for plasmaoverflatebehandling som kan kontrollere utseendet til karbonfiber på bare noen få sekunder. Denne nye teknologien forenkler hele produksjonsprosessen betydelig og reduserer energiforbruket med 50 % sammenlignet med eksisterende overflatebehandlingsteknologi for vandige elektrolyttløsninger. Dessuten ble det etter plasmabehandling funnet at adhesjonen mellom fiber og harpiksmatrise også ble forbedret.
5) studie av retensjonshastigheten til karbonfibers strekkfasthet i grafittmiljøer med høy temperatur
Ningbo Materials har gjennomført en detaljert studie av prosessanalyse, strukturforskning og ytelsesoptimalisering av innenlandsk høyfast og høymodus karbonfiber, spesielt forskningsarbeidet på retensjonshastigheten til karbonfibers strekkfasthet i høytemperaturgrafittmiljø, og den nylige vellykkede fremstillingen av høyfast og høyere modul karbonfiber med strekkfasthet 5,24 GPa og strekkmodulvolum 593 GPa. Den har fortsatt fordelen med strekkfasthet sammenlignet med Japans Toray m60j høyfaste høystøpte karbonfiber (strekkfasthet 3,92 GPa, strekkmodul 588 GPa).
6) Mikrobølgeovnsgrafitt
Yongda Advanced Materials har med suksess utviklet USAs eksklusive patentteknologi for ultrahøy temperatur grafitt, og har dermed brutt gjennom de tre flaskehalsene i utviklingen av høyordens karbonfiber. Grafittutstyr er dyrt og under internasjonal kontroll, det er vanskelig med kjemisk råsilketeknologi, og produksjonsutbyttet er lavt og kostnadene er høye. Så langt har Yongda utviklet tre typer karbonfibre, som alle har økt styrken og modulen til den opprinnelige relativt lavgradige karbonfiberen til en ny høyde.
7) Ny prosess for smeltespinning av panbasert karbonfiberråtråd av Fraunhofer, Tyskland
Fraunhofer Institute of Applied Polymers (Applied polymer Research, IAP) annonserte nylig at de vil vise frem den nyeste Comcarbon-teknologien på Berlin Air Show IIa den 25. april 2018. Denne teknologien reduserer produksjonskostnadene for masseprodusert karbonfiber betraktelig.
Fig. 4 Spinning av råtråd med smelting.
Det er velkjent at i tradisjonelle prosesser forbrukes halvparten av produksjonskostnadene for panbasert karbonfiber i prosessen med råtrådproduksjon. Siden råtråden ikke kan smelte, må den produseres ved hjelp av en kostbar løsningsspinningsprosess (Solution Spinning). «For å oppnå dette har vi utviklet en ny prosess for produksjon av panbasert råsilke, som kan redusere produksjonskostnadene for råtråd med 60 %. Dette er en økonomisk og gjennomførbar smeltespinningsprosess, som bruker en spesialutviklet smeltet panbasert kopolymer.» forklarte Dr. Johannes Ganster, minister for biologiske polymerer ved Fraunhofer IAP-instituttet.
8) Plasmaoksidasjonsteknologi
4M Carbon Fiber annonserte at de vil bruke plasmaoksidasjonsteknologi til å produsere og selge karbonfiber av høy kvalitet til en lav pris som et strategisk fokus, ikke bare for å lisensiere teknologien. 4M hevder at plasmaoksidasjonsteknologi er tre ganger raskere enn konvensjonell oksidasjonsteknologi, mens energiforbruket er mindre enn en tredjedel av tradisjonell teknologi. Og uttalelsene har blitt bekreftet av mange internasjonale karbonfiberprodusenter, som konsulterer med en rekke av verdens største karbonfiberprodusenter og bilprodusenter for å delta som initiativtakere til produksjon av lavkostkarbonfibre.
9) Cellulose nanofiber
Kyoto-universitetet i Japan jobber sammen med flere store komponentleverandører, som det elektriske installasjonsfirmaet (Toyotas største leverandør) og Daikyonishikawa Corp., med utviklingen av plastmaterialer som kombinerer cellulose-nanofibre. Dette materialet lages ved å bryte ned tremassen i noen få mikrometer (1 per tusen mm). Vekten til det nye materialet er bare en femtedel av vekten av stål, men styrken er fem ganger så stor som stål.
10) Karbonfiberfrontkropp av polyolefin og ligninråmaterialer
Oak Ridge National Laboratory i USA har jobbet med lavkostnadsforskning på karbonfiber siden 2007, og de har utviklet frontlegemer av karbonfiber for råmaterialer av polyolefin og lignin, samt avanserte teknologier for plasmaforoksidasjon og mikrobølgekarbonisering.
11) Den nye polymeren (forløperpolymeren) ble utviklet ved å fjerne ildfast behandling
I produksjonsmetoden ledet av Universitetet i Tokyo er det utviklet en ny polymer (forløperpolymer) for å fjerne ildfast behandling. Hovedpoenget er at etter spinning av polymeren til silke, utfører den ikke den opprinnelige ildfaste behandlingen, men får den til å oksidere i løsningsmidlet. Mikrobølgeovnsoppvarmingsenheten varmes deretter opp til mer enn 1000 ℃ for karbonisering. Oppvarmingstiden tar bare 2-3 minutter. Etter karboniseringsbehandlingen brukes også plasma til å utføre overflatebehandling, slik at karbonfiber kan lages. Plasmabehandlingen tar mindre enn 2 minutter. På denne måten kan den opprinnelige sintringstiden på 30-60 minutter reduseres til omtrent 5 minutter. I den nye produksjonsmetoden utføres plasmabehandling for å forbedre bindingen mellom karbonfiber og termoplastharpiks som CFRP-basismateriale. Strekk-elastisitetsmodulen til karbonfiber produsert med den nye produksjonsmetoden er 240 GPa, strekkfastheten er 3,5 GPa og forlengelsen når 1,5 %. Disse verdiene er på samme nivå som Toray Universal-karbonfiberen T300 som brukes til sportsutstyr osv.
12) resirkulering og utnyttelse av karbonfibermaterialer ved bruk av fluidisert sjiktprosess
Mengran Meng, studiens førsteforfatter, sa: «Gjenvinning av karbonfiber reduserer miljøpåvirkningen sammenlignet med produksjon av rå karbonfiber, men det er begrenset bevissthet om potensielle resirkuleringsteknologier og den økonomiske gjennomførbarheten av resirkulering av karbonfiberutnyttelse. Resirkulering tar to trinn: fibrene må først gjenvinnes fra karbonfiberkomposittene og termisk dekomponeres ved mekanisk sliping av materialer eller ved bruk av pyrolyse eller fluidiserte sjiktprosesser. Disse metodene fjerner plastdelen av komposittmaterialet, og etterlater karbonfiber, som deretter kan omdannes til flokete fibermatter ved hjelp av våt papirfremstillingsteknologi, eller omorganiseres til retningsbestemte fibre.»
Forskerne beregnet at karbonfiber kunne gjenvinnes fra karbonfiberkomposittavfall ved hjelp av en fluidisert sjiktprosess, noe som bare krever 5 dollar/kg og mindre enn 10 % av energien som kreves for å produsere den primære karbonfiberen. Resirkulerte karbonfibre produsert ved fluidiserte sjiktprosesser reduserer knapt modulen, og strekkfastheten reduseres med 18 % til 50 % i forhold til primære karbonfibre, noe som gjør dem egnet for applikasjoner som krever høy stivhet snarere enn styrke. «Resirkulerte karbonfibre kan være egnet for ikke-strukturelle applikasjoner som krever lettvekt, for eksempel bil-, bygg-, vind- og sportsindustrien», sa Meng.
13) Ny teknologi for resirkulering av karbonfiber utviklet i USA
I juni 2016 dynket forskere ved Georgia Institute of Technology i USA karbonfiber i et løsemiddel som inneholdt alkohol for å løse opp epoksyharpiksen. De separerte fibrene og epoksyharpiksene kan gjenbrukes, noe som lykkes med gjenvinningen av karbonfiber.
I juli 2017 utviklet Washington State University også en teknologi for gjenvinning av karbonfiber, der svak syre brukes som katalysator. Flytende etanol brukes ved relativt lave temperaturer for å dekomponere termoherdende materialer. Dekomponert karbonfiber og harpiks bevares separat og kan reproduseres.
14) Utvikling av 3D-printing av karbonfiberblekkteknologi i LLNL-laboratoriet i USA
I mars 2017 utviklet Lawrence Livemore National Laboratory (LLNL) i USA de første 3D-printede høytytende karbonfiberkomposittene av luftfartskvalitet. De brukte en 3D-printmetode med direkte blekkoverføring (DIW) for å lage komplekse tredimensjonale strukturer som forbedret prosesseringshastigheten betraktelig for bruk i bil-, luftfarts-, forsvars-, motorsykkelkonkurranser og surfing.
15) USA, Korea og Kina samarbeider om utviklingen av karbonfiber for kraftproduksjon
I august 2017 samarbeidet Dallas-campusene ved University of Texas, Hanyang University i Korea, Nankai University i Kina og andre institusjoner om utviklingen av et karbonfibergarnmateriale for kraftproduksjon. Garnet blir først dynket i elektrolyttløsninger som saltlake, slik at ionene i elektrolytten fester seg til overflaten av karbonnanorørene, som kan omdannes til elektrisk energi når garnet strammes eller strekkes. Materialet kan brukes hvor som helst med pålitelig kinetisk energi og er egnet for å forsyne IoT-sensorer med strøm.
16) Nye fremskritt i forskningen på trelignin-karbonfiber oppnådd av henholdsvis kinesisk og amerikansk
I mars 2017 fremstilte spesialfiberteamet ved Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering en lignin-akrylonitril-kopolymer med god spinnbarhet og termisk stabilitet ved bruk av to-trinns modifikasjonsteknologi for forestring og fri radikal-kopolymerisering. Kontinuerlige filamenter av høy kvalitet ble oppnådd ved bruk av kopolymer og våtspinningsprosessen, og den kompakte karbonfiberen ble oppnådd etter termisk stabilisering og karboniseringsbehandling.
I august 2017 blandet Birgitte Ahring-forskerteamet ved University of Washington i USA lignin og polyakrylonitril i forskjellige proporsjoner, og brukte deretter smeltespinningsteknologi for å omdanne blandede polymerer til karbonfibre. Studien fant at ligninet som ble tilsatt 20 %–30 % ikke påvirket karbonfiberens styrke, og det var forventet at det ville bli brukt i produksjonen av rimeligere karbonfibermaterialer til bildeler eller flydeler.
På slutten av 2017 publiserte National Renewable Energy Laboratory (NREL) forskning på produksjon av akrylnitril ved bruk av planteavfallsdeler, som maisstrå og hvetestrå. De bryter først ned plantematerialer til sukker og omdanner dem deretter til syrer, og kombinerer dem med billige katalysatorer for å produsere målprodukter.
17) Japan utvikler det første karbonfiberforsterkede termoplastkomposittbilchassiset
I oktober 2017 utviklet Japans nye energiteknologi-integrerte FoU-byrå og Nagoya University National Composites Research Center verdens første bilchassis av karbonfiberforsterket termoplastkompositt. De bruker automatisk direkte online støpeprosess av langfiberforsterkede termoplastkompositter, kontinuerlig blanding av karbonfiber og termoplastharpikspartikler, produksjon av fiberforsterkede kompositter, og deretter gjennom oppvarming og smelting, vellykket produksjon av termoplastiske CFRP-bilchassis.
5. forslag til forskning og utvikling av karbonfiberteknologi i Kina
5.1 Fremtidsrettet layout, målrettet, fokus på å bryte gjennom tredje generasjon karbonfiberteknologi
Kinas andre generasjons karbonfiberteknologi er ennå ikke et omfattende gjennombrudd. Landet vårt bør forsøke å ha et fremtidsrettet opplegg som samler våre relevante forskningsinstitusjoner og fokuserer på å fange opp nøkkelteknologier. Fokuset er på forskning og utvikling av tredje generasjon høytytende karbonfiberteknologi (dvs. høyfast og høymodulert karbonfiberteknologi for luftfart), og utvikling av karbonfiberkomposittmaterialeteknologi, inkludert lette og rimelige store karbonfibermaterialer for bilindustrien, konstruksjon og reparasjon, samt additiv produksjonsteknologi for karbonfiberkomposittmaterialer, resirkuleringsteknologi og rask prototyping.
5.2 Koordinerende organisasjon, styrke støtten, sette opp store tekniske prosjekter for kontinuerlig å støtte samarbeidende forskning
For tiden finnes det mange institusjoner som utfører karbonfiberforskning i Kina, men makten er spredt, og det finnes ingen enhetlig FoU-organisasjonsmekanisme og sterk finansieringsstøtte for effektiv koordinering. Ut fra utviklingserfaringene i avanserte land spiller organisering og utforming av store prosjekter en stor rolle i å fremme utviklingen av dette tekniske feltet. Vi bør fokusere på Kinas fordelaktige FoU-styrke, i lys av Kinas gjennombrudd innen FoU-teknologi for karbonfiber for å starte store prosjekter, styrke samarbeidende teknologisk innovasjon og kontinuerlig fremme Kinas teknologiske nivå for karbonfiberforskning og internasjonal konkurranse om karbonfiber og kompositt.
5.3 Forbedring av evalueringsmekanismen for applikasjonseffektorientering av tekniske prestasjoner
Fra et økonometrisk perspektiv på SCI-artikler, er karbonfiber et høyfast materiale som brukes i ulike forskningsfelt. Men for produksjon og forberedelse av karbonfiberteknologi er det spesielt fokus på å redusere kostnader og forbedre produksjonseffektiviteten. Produksjonsprosessen for karbonfiber er lang, teknologiske nøkkelpunkter, høye produksjonsbarrierer, tverrfaglig og multiteknologisk integrering. Det er behov for å bryte gjennom tekniske hindringer for å effektivt fremme forskning og utvikling innen "lavkostnads-, høyytelses"-kjerneforberedelsesteknologi. På den ene siden er det behov for å styrke forskningsinvesteringene, og på den andre siden er det behov for å svekke feltet for evaluering av vitenskapelig forskningsytelse, styrke veiledningen for evaluering av applikasjonseffekter av tekniske prestasjoner, og gå fra "kvantitativ" evaluering, som fokuserer på publisering av artikler, til "kvalitets"-evaluering av verdien av resultatene.
5.4 Styrking av kultiveringen av banebrytende teknologiske sammensatte talenter
Den høyteknologiske egenskapen til karbonfiberteknologi bestemmer viktigheten av spesialiserte talenter, om de har banebrytende teknisk kjernepersonell bestemmer direkte nivået på FoU til en institusjon.
Som et resultat av FoU-koblinger innen karbonfiberteknologi, bør vi være oppmerksomme på opplæring av personell innen komposittmaterialer for å sikre koordinering og utvikling av alle koblinger. I tillegg, ut fra utviklingshistorien til karbonfiberforskning i Kina, er flyten av teknologiske kjerneeksperter ofte en nøkkelfaktor som påvirker FoU-nivået til en forskningsinstitusjon. Å opprettholde fikseringen av kjerneeksperter og FoU-team i produksjonsprosesser, kompositter og hovedprodukter er viktig for kontinuerlig teknologioppgradering.
Vi bør fortsette å styrke opplæringen og bruken av spesialisert høyteknologisk personell på dette feltet, forbedre evaluerings- og behandlingspolitikken for teknologiske FoU-talenter, styrke kultiveringen av unge talenter, aktivt støtte samarbeid og utveksling med utenlandske avanserte FoU-institusjoner, og kraftig introdusere utenlandske avanserte talenter, etc. Dette vil spille en stor rolle i å fremme utviklingen av karbonfiberforskning i Kina.
Sitert fra-
Analyse av utviklingen av global karbonfiberteknologi og dens innflytelse på Kina. Tian Yajuan, Zhang Zhiqiang, Tao Cheng, Yang Ming, Ba Jin, Chen Yunwei.Verdensvitenskapelig forskning og utvikling.2018
Publisert: 04. desember 2018