Análise sobre o desenvolvimento da tecnologia global de fibra de carbono

3.3 Análise institucional

As 10 principais instituições com a maior produção global de artigos de pesquisa sobre fibra de carbono são da China, sendo as 5 principais: Academia Chinesa de Ciências, Instituto de Tecnologia de Harbin, Universidade de Tecnologia do Noroeste, Universidade Donghua e Instituto de Aeronáutica e Astronáutica de Pequim. Entre as instituições estrangeiras, o Instituto Indiano de Tecnologia, a Universidade de Tóquio, a Universidade de Bristol, a Universidade Monash, a Universidade de Manchester e o Instituto de Tecnologia da Geórgia estão classificados entre a 10ª e a 20ª posição (Fig. 3).

Número de pedidos de patentes nas 30 principais instituições, o Japão tem 5, e 3 delas estão entre as cinco primeiras, a empresa Toray ficou em primeiro lugar, seguida pela Mitsubishi Liyang (2ª), Teijin (4ª), East State (10ª), Japan Toyo Textile Company (24ª), a China tem 21 instituições, o Sinopec Group tem o maior número de patentes, ficando em terceiro lugar, em segundo lugar, o Instituto de Tecnologia de Harbin, a empresa de cabos Henan Ke Letter, a Universidade Donghua, a China Shanghai Petrochemical, a Beijing Chemical Industry, etc., a patente de invenção do pedido de carvão de Shanxi da Academia Chinesa de Ciências 66, ficou em 27º lugar, as instituições sul-coreanas têm 2, das quais a Xiaoxing Co., Ltd. ficou em primeiro lugar, ficando em 8º lugar.

Instituições de produção, a produção do papel principalmente de universidades e instituições de pesquisa científica, a produção de patentes principalmente da empresa, pode-se ver que a fabricação de fibra de carbono é uma indústria de alta tecnologia, como o principal órgão de desenvolvimento da indústria de P&D de fibra de carbono, a empresa atribui grande importância à proteção da tecnologia de P&D de fibra de carbono, especialmente as duas maiores empresas no Japão. O número de patentes está muito à frente.

3.4 Pontos de Pesquisa

Os artigos de pesquisa sobre fibra de carbono abrangem a maioria dos tópicos de pesquisa: compósitos de fibra de carbono (incluindo compósitos reforçados com fibra de carbono, compósitos de matriz polimérica, etc.), pesquisa de propriedades mecânicas, análise de elementos finitos, nanotubos de carbono, delaminação, reforço, fadiga, microestrutura, fiação eletrostática, tratamento de superfície, adsorção e assim por diante. Artigos que abordam essas palavras-chave representam 38,8% do total de artigos.

As patentes de invenção de fibra de carbono abrangem a maioria dos tópicos relacionados à preparação de fibra de carbono, equipamentos de produção e materiais compósitos. Entre elas, a japonesa Toray, a Mitsubishi Liyang e a Teijin, entre outras, possuem importante layout técnico em "compostos poliméricos reforçados com fibra de carbono". Além disso, a Toray e a Mitsubishi Liyang, em "Produção de poliacrilonitrila de fibra de carbono e equipamentos de produção", "Produção de fibra de carbono com nitrila insaturada, como poliacrilonitrila, cianeto de polivinilideno e etileno", possuem uma grande proporção de layouts de patentes. Já a japonesa Teijin, em "compósitos de fibra de carbono e compostos de oxigênio", possui uma proporção maior de layouts de patentes.

O China Sinopec Group, a Beijing Chemical University e a Academia Chinesa de Ciências Ningbo Materials têm uma grande proporção do layout de patente na "produção de poliacrilonitrila de fibra de carbono e equipamento de produção"; Além disso, a Universidade de Engenharia Química de Pequim, o Instituto Químico de Carvão de Shanxi da Academia Chinesa de Ciências e a tecnologia de Layout de materiais de Ningbo da Academia Chinesa de Ciências "Usando fibra de elemento inorgânico como ingredientes da preparação de composto de polímero" têm o Instituto de Tecnologia de Harbin focado no layout de "tratamento de fibra de carbono", "compósitos de fibra de carbono e compostos contendo oxigênio" e outras tecnologias.

Além disso, constatou-se nas estatísticas anuais de distribuição estatística de patentes globais que uma série de novos pontos críticos começaram a surgir nos últimos três anos, como: "Composições de poliamidas obtidas a partir da formação de reação de ligação carboxilato na cadeia principal", "composições de poliéster a partir da formação de ligações éster de ácido carboxílico 1 na cadeia principal", "material compósito à base de materiais sintéticos", "ácido carboxílico cíclico contendo compostos de oxigênio como ingredientes de compósitos de fibra de carbono", "na forma tridimensional de solidificação ou tratamento de materiais têxteis", "éter insaturado, acetal, semiacetal, cetona ou aldeído por meio apenas da reação de ligação insaturada carbono-carbono para a produção de compostos poliméricos", "tubo ou cabo de material adiabático", "compósitos de fibra de carbono com ésteres de fosfato como ingredientes" e assim por diante.

Nos últimos anos, a P&D no setor de fibra de carbono tem se destacado, com a maioria dos avanços vindos dos Estados Unidos e do Japão. As tecnologias de ponta mais recentes concentram-se não apenas na produção e preparação de fibra de carbono, mas também em aplicações em uma gama mais ampla de materiais automotivos, como materiais leves, impressão 3D e geração de energia. Além disso, a reciclagem e a reciclagem de materiais de fibra de carbono, a preparação de fibra de carbono a partir de lignina de madeira e outras conquistas têm apresentado desempenho brilhante. Os resultados representativos são descritos abaixo:

1) O Instituto de Tecnologia da Geórgia dos EUA inova na tecnologia de fibra de carbono de terceira geração

Em julho de 2015, com financiamento da DARPA, o Instituto de Tecnologia da Geórgia, com sua inovadora técnica de fiação de gel de fibra de carbono baseada em panela, aumentou significativamente seu módulo, superando a fibra de carbono Hershey IM7, que agora é amplamente usada em aeronaves militares, marcando o segundo país do mundo a dominar a terceira geração da tecnologia de fibra de carbono depois do Japão.

A resistência à tração da fibra de carbono para fiação em gel fabricada pela Kumarz atinge de 5,5 a 5,8 Gpa, e o módulo de tração está entre 354 e 375 Gpa. "Esta é a fibra contínua que apresenta a maior resistência e módulo de desempenho abrangente. No feixe de filamentos curtos, a resistência à tração chega a 12,1 Gpa, sendo a mesma da fibra de carbono de poliacrilonitrila mais alta."

2) Tecnologia de aquecimento por ondas eletromagnéticas

Em 2014, a Nedo desenvolveu a tecnologia de aquecimento por ondas eletromagnéticas. A tecnologia de carbonização por ondas eletromagnéticas refere-se ao uso da tecnologia de aquecimento por ondas eletromagnéticas para carbonizar a fibra à pressão atmosférica. O desempenho da fibra de carbono obtida é basicamente o mesmo da fibra de carbono produzida por aquecimento em alta temperatura, com módulo de elasticidade superior a 240 GPA e alongamento na ruptura superior a 1,5%, o que representa um sucesso inédito no mundo.

O material fibroso é carbonizado por ondas eletromagnéticas, dispensando o uso de fornos de carbonização para aquecimento em alta temperatura. Esse processo não só reduz o tempo de carbonização, como também o consumo de energia e as emissões de CO2.

3) controle fino do processo de carbonização

Em março de 2014, a Toray anunciou o desenvolvimento bem-sucedido da fibra de carbono t1100g. A Toray utiliza a tecnologia tradicional de fiação em solução de panela para controlar com precisão o processo de carbonização, aprimorar a microestrutura da fibra de carbono em nanoescala e controlar a orientação microcristalina da grafite, o tamanho microcristalino, os defeitos e outros aspectos da fibra após a carbonização, permitindo um aumento significativo na resistência e no módulo de elasticidade. A resistência à tração da t1100g é de 6,6 GPa, 12% superior à da T800, e o módulo de elasticidade é de 324 GPa, com um aumento de 10%, entrando em fase de industrialização.

4) Tecnologia de Tratamento de Superfície

A Teijin East State desenvolveu com sucesso uma tecnologia de tratamento de superfície por plasma que permite controlar a aparência da fibra de carbono em apenas alguns segundos. Essa nova tecnologia simplifica significativamente todo o processo de produção e reduz o consumo de energia em 50% em comparação com a tecnologia de tratamento de superfície existente para soluções aquosas de eletrólitos. Além disso, após o tratamento por plasma, constatou-se que a adesão da fibra à matriz de resina também melhorou.

5) estudo sobre a taxa de retenção da resistência à tração da fibra de carbono em ambiente de grafite de alta temperatura

A Ningbo Materials realizou com sucesso um estudo detalhado sobre análise de processo, pesquisa estrutural e otimização de desempenho de fibras de carbono de alta resistência e modo alto nacionais, especialmente o trabalho de pesquisa sobre a taxa de retenção da resistência à tração da fibra de carbono em ambiente de grafite de alta temperatura e a recente preparação bem-sucedida de fibra de carbono de alta resistência e módulo mais alto com resistência à tração de 5,24 GPa e volume de módulo de tração de 593 GPa. Ela continua a ter a vantagem de resistência à tração em comparação com a fibra de carbono altamente moldada de alta resistência Toray m60j do Japão (resistência à tração de 3,92 GPa, módulo de tração de 588 GPa).

6) Grafite de micro-ondas

A Yongda Advanced Materials desenvolveu com sucesso a tecnologia de grafite ultra-alta temperatura patenteada exclusivamente nos Estados Unidos, produzindo fibras de carbono de média e alta ordem, superando com sucesso os três gargalos no desenvolvimento de fibras de carbono de alta ordem. O equipamento de grafite é caro e está sob controle internacional, as dificuldades da tecnologia química da seda crua e o baixo rendimento da produção e o alto custo. Até o momento, a Yongda desenvolveu três tipos de fibras de carbono, todos os quais elevaram a resistência e o módulo da fibra de carbono original de grau relativamente baixo a um novo patamar.

7) Novo processo de fiação por fusão de fio bruto de fibra de carbono à base de panela pela Fraunhofer, Alemanha

O Instituto Fraunhofer de Polímeros Aplicados (Pesquisa de Polímeros Aplicados, IAP) anunciou recentemente que apresentará a mais recente tecnologia Comcarbon no Berlin Air Show Ila, nos dias 25 e 29 de abril de 2018. Essa tecnologia reduz significativamente o custo de produção da fibra de carbono produzida em massa.

Fig. 4 Fiação por fusão de fio bruto.

É sabido que, em processos tradicionais, metade do custo de produção da fibra de carbono à base de panela é consumida na produção do fio bruto. Dada a incapacidade do fio bruto de fundir, ele precisa ser produzido usando um processo caro de fiação por solubilização (Solution Spinning). "Para isso, desenvolvemos um novo processo para a produção de seda crua à base de panela, que pode reduzir o custo de produção do fio bruto em 60%. Este é um processo de fiação por fusão econômico e viável, utilizando um copolímero à base de panela fundido especialmente desenvolvido", explicou o Dr. Johannes Ganster, Ministro de Polímeros Biológicos do Instituto Fraunhofer IAP.

8) Tecnologia de oxidação de plasma

A 4M Carbon Fiber anunciou que utilizará a tecnologia de oxidação por plasma para fabricar e vender fibras de carbono de alta qualidade e baixo custo como foco estratégico, e não apenas para licenciar a tecnologia. A 4M afirma que a tecnologia de oxidação por plasma é três vezes mais rápida do que a tecnologia de oxidação convencional, enquanto o consumo de energia é inferior a um terço da tecnologia tradicional. Essas declarações foram validadas por diversos produtores internacionais de fibra de carbono, que estão em consulta com alguns dos maiores fabricantes de fibra de carbono e montadoras do mundo para participar como iniciadores da produção de fibras de carbono de baixo custo.

9) Nanofibra de celulose

A Universidade de Kyoto, no Japão, em conjunto com diversos fornecedores importantes de componentes, como a empresa de instalação elétrica (maior fornecedora da Toyota) e a Daikyonishikawa Corp., está trabalhando no desenvolvimento de materiais plásticos que combinam nanofibras de celulose. Esse material é obtido pela quebra da polpa de madeira em alguns micrômetros (1 por mil mm). O peso do novo material é apenas um quinto do peso do aço, mas sua resistência é cinco vezes maior que a do aço.

10) Corpo frontal de fibra de carbono com matérias-primas de poliolefina e lignina

O Laboratório Nacional de Oak Ridge, nos Estados Unidos, vem trabalhando em pesquisas de fibra de carbono de baixo custo desde 2007 e desenvolveu corpos frontais de fibra de carbono para matérias-primas de poliolefina e lignina, bem como tecnologias avançadas de pré-oxidação de plasma e carbonização por micro-ondas.

11) O novo polímero (polímero precursor) foi desenvolvido pela remoção do tratamento refratário

No método de fabricação liderado pela Universidade de Tóquio, um novo polímero (polímero precursor) foi desenvolvido para remover o tratamento refratário. O ponto principal é que, após a fiação do polímero em seda, ele não realiza o tratamento refratário original, mas faz com que ele oxide no solvente. O dispositivo de aquecimento por micro-ondas é então aquecido a mais de 1000 ℃ para carbonização. O tempo de aquecimento leva apenas 2 a 3 minutos. Após o tratamento de carbonização, o plasma também é usado para realizar o tratamento de superfície, de modo que a fibra de carbono possa ser fabricada. O tratamento de plasma leva menos de 2 minutos. Dessa forma, o tempo original de sinterização de 30 a 60 minutos pode ser reduzido para cerca de 5 minutos. No novo método de fabricação, o tratamento de plasma é realizado para melhorar a ligação entre a fibra de carbono e a resina termoplástica como material base do CFRP. O módulo de elasticidade à tração da fibra de carbono fabricada pelo novo método de fabricação é de 240 GPa, a resistência à tração é de 3,5 GPa e o alongamento atinge 1,5%. Esses valores são do mesmo nível da fibra de carbono T300 de grau universal da Toray, usada em artigos esportivos, etc.

12) reciclagem e utilização de materiais de fibra de carbono usando processo de leito fluidizado

Mengran Meng, o primeiro autor do estudo, afirmou: "A recuperação de fibras de carbono reduz o impacto ambiental em comparação com a produção de fibra de carbono bruta, mas há pouca conscientização sobre as potenciais tecnologias de reciclagem e a viabilidade econômica da reciclagem da utilização de fibras de carbono. A reciclagem ocorre em duas etapas: as fibras devem primeiro ser recuperadas dos compósitos de fibra de carbono e decompostas termicamente por trituração mecânica dos materiais ou por meio de processos de pirólise ou leito fluidizado. Esses métodos removem a parte plástica do material compósito, restando a fibra de carbono, que pode então ser convertida em mantas de fibras emaranhadas usando a tecnologia de fabricação de papel úmido ou reorganizada em fibras direcionais.

Os pesquisadores calcularam que a fibra de carbono poderia ser recuperada de resíduos de compósitos de fibra de carbono usando um processo de leito fluidizado, exigindo apenas 5 dólares/kg e menos de 10% da energia necessária para fabricar a fibra de carbono primária. As fibras de carbono recicladas produzidas por processos de leito fluidizado praticamente não reduzem o módulo, e a resistência à tração é reduzida de 18% a 50% em relação às fibras de carbono primárias, tornando-as adequadas para aplicações que exigem alta rigidez em vez de alta resistência. "As fibras de carbono recicladas podem ser adequadas para aplicações não estruturais que exigem baixo peso, como as indústrias automotiva, de construção, eólica e esportiva", disse Meng.

13) Nova tecnologia de reciclagem de fibra de carbono desenvolvida nos Estados Unidos

Em junho de 2016, pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia, nos Estados Unidos, embeberam fibra de carbono em um solvente contendo álcool para dissolver a resina epóxi. As fibras separadas e as resinas epóxi podem ser reutilizadas, o que resultou na recuperação bem-sucedida da fibra de carbono.

Em julho de 2017, a Universidade Estadual de Washington também desenvolveu uma tecnologia de recuperação de fibra de carbono, usando ácido fraco como catalisador, o uso de etanol líquido em temperaturas relativamente baixas para decompor materiais termoendurecíveis, a fibra de carbono decomposta e a resina são preservadas separadamente e podem ser reproduzidas.

14) Desenvolvimento de tecnologia de tinta de fibra de carbono para impressão 3D no laboratório LLNL, EUA

Em março de 2017, o Laboratório Nacional Lawrence Livemore (LLNL), nos Estados Unidos, desenvolveu os primeiros compósitos de fibra de carbono de alto desempenho impressos em 3D, de grau aeronáutico. Eles utilizaram um método de impressão 3D de transmissão direta de tinta (DIW) para criar estruturas tridimensionais complexas que melhoraram significativamente a velocidade de processamento para uso em competições automotivas, aeroespaciais, de defesa, motociclísticas e surfe.

15) Estados Unidos, Coreia e China cooperam no desenvolvimento de fibra de carbono para geração de energia

Em agosto de 2017, o campus de Dallas da Universidade do Texas, a Universidade Hanyang, na Coreia, a Universidade Nankai, na China, e outras instituições colaboraram no desenvolvimento de um material de fio de fibra de carbono para geração de energia. O fio é primeiramente imerso em soluções eletrolíticas, como salmoura, permitindo que os íons presentes no eletrólito se fixem à superfície dos nanotubos de carbono, que podem ser convertidos em energia elétrica quando o fio é esticado ou esticado. O material pode ser usado em qualquer lugar com energia cinética confiável e é adequado para fornecer energia a sensores de IoT.

16) Novos avanços na pesquisa de fibra de carbono de lignina de madeira obtida por chineses e americanos, respectivamente

Em março de 2017, a equipe de fibras especiais do Instituto de Tecnologia de Materiais e Engenharia de Ningbo preparou um copolímero de lignina-acrilonitrila com boa fiabilidade e estabilidade térmica, utilizando a tecnologia de modificação em duas etapas de esterificação e copolimerização por radicais livres. Filamentos contínuos de alta qualidade foram obtidos utilizando o processo de copolímero e fiação úmida, e a fibra de carbono compacta foi obtida após estabilização térmica e tratamento de carbonização.

Em agosto de 2017, a equipe de pesquisa Birgitte ahring da Universidade de Washington, nos Estados Unidos, misturou lignina e poliacrilonitrila em diferentes proporções e, em seguida, utilizou a tecnologia de fiação por fusão para converter os polímeros misturados em fibras de carbono. O estudo constatou que a lignina adicionada à proporção de 20% a 30% não afetou a resistência da fibra de carbono e esperava-se que fosse utilizada na produção de materiais de fibra de carbono de menor custo para peças automotivas ou aeronáuticas.

No final de 2017, o Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) divulgou uma pesquisa sobre a fabricação de acrilonitrila a partir de resíduos de plantas, como palha de milho e palha de trigo. Inicialmente, os materiais vegetais são decompostos em açúcares, que depois são convertidos em ácidos e combinados com catalisadores baratos para produzir os produtos desejados.

17) O Japão desenvolve o primeiro chassi de carro composto termoplástico reforçado com fibra de carbono

Em outubro de 2017, a Agência de Pesquisa e Desenvolvimento Integrado de Novas Tecnologias da Indústria de Energia do Japão e o Centro Nacional de Pesquisa em Compósitos da Universidade de Nagoya desenvolveram com sucesso o primeiro chassi automotivo de compósito termoplástico reforçado com fibra de carbono do mundo. Utilizando um processo automático de moldagem on-line direta de compósitos termoplásticos reforçados com fibra longa, mistura contínua de partículas de fibra de carbono e resina termoplástica, fabricando compósitos reforçados com fibra e, em seguida, por meio de conexão por aquecimento e fusão, produzindo com sucesso chassis automotivos de CFRP termoplástico.

5. sugestões sobre P&D de tecnologia de fibra de carbono na China

5.1 Layout voltado para o futuro, orientado a objetivos, com foco em romper com a terceira geração da tecnologia de fibra de carbono

A tecnologia de fibra de carbono de segunda geração da China ainda não é um avanço abrangente; nosso país deve tentar ter um layout voltado para o futuro que reúna nossas instituições de pesquisa relevantes, com foco na captura de tecnologias-chave, o foco da terceira geração de pesquisa e desenvolvimento de tecnologia de preparação de fibra de carbono de alto desempenho (ou seja, aplicável à tecnologia de fibra de carbono de alta resistência e alto módulo aeroespacial) e a tecnologia de material composto de fibra de carbono desenvolvida, incluindo para os setores automotivo, construção e reparo e outros, preparação de fibra de carbono de grande porte leve e de baixo custo, tecnologia de manufatura aditiva, material composto de fibra de carbono, tecnologia de reciclagem e tecnologias de prototipagem rápida.

5.2 Coordenar a organização, fortalecer o apoio, estabelecer grandes projetos técnicos para apoiar continuamente a pesquisa colaborativa

Atualmente, existem muitas instituições dedicadas à pesquisa em fibra de carbono na China, mas o poder está disperso e não existe um mecanismo unificado de organização de P&D nem um forte apoio financeiro para uma coordenação eficaz. A julgar pela experiência de desenvolvimento de países avançados, a organização e o planejamento de grandes projetos desempenham um papel fundamental na promoção do desenvolvimento desta área técnica. Devemos nos concentrar na Força de P&D da China, tendo em vista a tecnologia de P&D inovadora em fibra de carbono da China, para iniciar grandes projetos, fortalecer a inovação tecnológica colaborativa e promover constantemente o nível de tecnologia de pesquisa em fibra de carbono da China, competindo por fibra de carbono e compósitos internacionais.

5.3 Melhorar o mecanismo de avaliação da orientação do efeito da aplicação das realizações técnicas

Do ponto de vista da análise econométrica de artigos científicos sobre o tema, a fibra de carbono chinesa é um material de alto desempenho e alta resistência utilizado em diversas áreas de pesquisa. No entanto, a tecnologia de produção e preparação de fibra de carbono, com foco especial na redução de custos e na melhoria da eficiência da produção, requer menos pesquisa. O processo de produção de fibra de carbono é longo, com pontos-chave tecnológicos, altas barreiras de produção, sendo uma integração multidisciplinar e multitecnológica. É necessário superar os obstáculos técnicos para promover efetivamente a pesquisa e o desenvolvimento da tecnologia de preparação de núcleo de "baixo custo e alto desempenho". Por um lado, é necessário fortalecer o investimento em pesquisa e, por outro, é necessário enfraquecer o campo da avaliação de desempenho da pesquisa científica, fortalecer a orientação da avaliação do efeito da aplicação de conquistas técnicas e mudar da avaliação "quantitativa", que se concentra na publicação de artigos, para a avaliação "qualitativa" do valor dos resultados.

5.4 Fortalecimento do cultivo de talentos compostos em tecnologia de ponta

O atributo de alta tecnologia da tecnologia de fibra de carbono determina a importância de talentos especializados, se eles têm pessoal técnico de ponta, o que determina diretamente o nível de P&D de uma instituição.

Como resultado dos elos de P&D da tecnologia de fibra de carbono, devemos nos concentrar no treinamento da equipe de compostos, a fim de garantir a coordenação e o desenvolvimento de todos os elos. Além disso, considerando o histórico de desenvolvimento da pesquisa em fibra de carbono na China, o fluxo de especialistas em tecnologia é frequentemente um fator-chave que afeta o nível de P&D de uma instituição de pesquisa. Manter a concentração de especialistas e equipes de P&D nos processos de produção, compósitos e principais produtos é fundamental para a atualização tecnológica contínua.

Devemos continuar a fortalecer o treinamento e o uso de pessoal especializado de alta tecnologia neste campo, melhorar a política de avaliação e tratamento de talentos de P&D em Tecnologia, fortalecer o cultivo de jovens talentos, apoiar ativamente a cooperação e os intercâmbios com instituições estrangeiras de P&D avançado e introduzir vigorosamente talentos estrangeiros avançados, etc. Isso desempenhará um grande papel na promoção do desenvolvimento da pesquisa de fibra de carbono na China.
Citado de-
Análise sobre o desenvolvimento da tecnologia global de fibra de carbono e sua introdução na China. Tian Yajuan, Zhang Zhiqiang, Tao Cheng, Yang Ming, Ba Jin, Chen Yunwei.Pesquisa e desenvolvimento científico e tecnológico mundial.2018