Uhlíkové vlákno je anorganický polymérny vláknitý nový materiál s obsahom uhlíka nad 95 %, s nízkou hustotou, vysokou pevnosťou, odolnosťou voči vysokým teplotám, vysokou chemickou stabilitou, odolnosťou proti únave, opotrebovaniu a ďalšími vynikajúcimi základnými fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami, ako aj vysokým tlmením vibrácií, dobrou tepelnou vodivosťou, elektromagnetickým tienením, nízkym koeficientom tepelnej rozťažnosti a ďalšími charakteristikami. Vďaka týmto vynikajúcim vlastnostiam sa uhlíkové vlákno široko používa v leteckom a kozmickom priemysle, železničnej doprave, výrobe vozidiel, zbraniach a vybavení, stavebných strojoch, výstavbe infraštruktúry, námornom inžinierstve, ropnom inžinierstve, veternej energii, športových potrieb a ďalších oblastiach.
Na základe národných strategických potrieb uhlíkových vlákien ich Čína zaradila medzi základné technológie rozvíjajúcich sa odvetví, na ktoré sa zameriava. V národnom vedecko-technickom plánovaní „Dvanásť-päť“ je technológia prípravy a aplikácie vysokovýkonných uhlíkových vlákien jednou z hlavných technológií strategických rozvíjajúcich sa odvetví podporovaných štátom. V máji 2015 Štátna rada oficiálne zverejnila program „Vyrobené v Číne 2025“, v ktorom sa nové materiály považujú za jednu z kľúčových oblastí intenzívnej podpory a rozvoja, vrátane vysokovýkonných konštrukčných materiálov a pokročilých kompozitov, ktoré sú zamerané na rozvoj nových materiálov. V októbri 2015 Ministerstvo priemyslu a informačného priemyslu oficiálne zverejnilo „Plán technológií pre kľúčové oblasti výroby v Číne do roku 2025“, v ktorom „vysokovýkonné vlákna a ich kompozity“ označilo za kľúčový strategický materiál a cieľom do roku 2020 je „domáci uhlíkový kompozit spĺňajúci technické požiadavky veľkých lietadiel a iných dôležitých zariadení“. V novembri 2016 Štátna rada vydala národný strategický plán rozvoja vznikajúcich odvetví „Trinásťpäť“, v ktorom jasne poukázala na posilnenie podpory spolupráce v oblasti nových materiálov v oblasti kompozitov z uhlíkových vlákien a ďalších oblastí s cieľom uskutočniť pilotné demonštrácie spoločných aplikácií a vybudovať platformu pre spoločné aplikácie. V januári 2017 Ministerstvo priemyslu a rozvoja, NDRC, veda a technika a Ministerstvo financií spoločne sformulovali „Sprievodcu rozvojom odvetví nových materiálov“ a navrhli, aby sa od roku 2020 „v oblasti kompozitov z uhlíkových vlákien, vysoko kvalitnej špeciálnej ocele, pokročilých ľahkých zliatin a ďalších oblastí dosiahlo viac ako 70 kľúčových industrializácií a aplikácií nových materiálov a aby sa vybudoval systém podpory procesných zariadení, ktorý zodpovedá úrovni rozvoja čínskeho priemyslu nových materiálov.“
Keďže uhlíkové vlákna a ich kompozity zohrávajú dôležitú úlohu v národnej obrane a živobytí ľudí, mnohí odborníci sa zameriavajú na ich vývoj a analýzu výskumných trendov. Dr. Zhou Hong zhodnotil vedecké a technologické príspevky amerických vedcov v raných fázach vývoja vysokovýkonnej technológie uhlíkových vlákien a preskúmal a podal správu o 16 hlavných aplikáciách a nedávnych technologických pokrokoch uhlíkových vlákien. Dr. Wei Xin a ďalší zhodnotili výrobnú technológiu, vlastnosti a aplikáciu polyakrylonitrilových uhlíkových vlákien a ich súčasný technologický vývoj. Predložil tiež niekoľko konštruktívnych návrhov na riešenie problémov existujúcich pri vývoji uhlíkových vlákien v Číne. Okrem toho mnoho ľudí vykonalo výskum v oblasti metrologickej analýzy článkov a patentov v oblasti uhlíkových vlákien a ich kompozitov. Napríklad Ma Xianglin a ďalší z hľadiska metrológie z obdobia 1998 – 2017, zaoberajúci sa distribúciou a aplikáciou patentov na uhlíkové vlákna v oblasti analýzy; Yang Sisi a ďalší analyzujú na základe platformy Innography globálne vyhľadávanie patentov a štatistík údajov o uhlíkových vláknach z ročného trendu vývoja patentov, držiteľov patentov, hotspotu patentových technológií a hlavného patentu technológie.
Z hľadiska trajektórie výskumu a vývoja v oblasti uhlíkových vlákien je čínsky výskum takmer synchronizovaný so svetom, ale vývoj je pomalý, v porovnaní so zahraničím existuje medzera v rozsahu a kvalite výroby vysokovýkonných uhlíkových vlákien. Existuje naliehavá potreba urýchliť proces výskumu a vývoja, posunúť strategické plánovanie a využiť budúce príležitosti rozvoja priemyslu. Preto sa tento článok najprv zaoberá rozložením projektov v jednotlivých krajinách v oblasti výskumu uhlíkových vlákien, aby sa pochopilo plánovanie trás výskumu a vývoja v rôznych krajinách. Po druhé, keďže základný výskum a aplikačný výskum uhlíkových vlákien je veľmi dôležitý pre technický výskum a vývoj uhlíkových vlákien, vykonávame metrologickú analýzu výsledkov akademického výskumu – článkov SCI a výsledkov aplikovaného výskumu – patentov, aby sme získali komplexné pochopenie pokroku výskumu a vývoja v oblasti uhlíkových vlákien a aby sme preskúmali najnovší vývoj výskumu v tejto oblasti s cieľom porovnať pokrok výskumu a vývoja spoločnosti Peep International Frontier. Na základe vyššie uvedených výsledkov výskumu sa nakoniec predkladajú niektoré návrhy pre smerovanie výskumu a vývoja v oblasti uhlíkových vlákien v Číne.
2. C.uhlíkové vláknorozloženie výskumného projektuhlavné krajiny/regióny
Medzi hlavné krajiny produkujúce uhlíkové vlákna patria Japonsko, Spojené štáty, Južná Kórea, niektoré európske krajiny a Taiwan a Čína. Krajiny s pokročilou technológiou si v počiatočnej fáze vývoja technológie uhlíkových vlákien uvedomili dôležitosť tohto materiálu, uskutočnili strategické plánovanie a dôrazne podporovali vývoj materiálov z uhlíkových vlákien.
2.1 Japonsko
Japonsko je najrozvinutejšia krajina v oblasti technológie uhlíkových vlákien. Tri spoločnosti v Toray, Bong a Mitsubishi Liyang v Japonsku predstavujú približne 70 % až 80 % podiel na celosvetovom trhu s produkciou uhlíkových vlákien. Japonsko však prikladá veľký význam udržaniu si svojich silných stránok v tejto oblasti, najmä vývoju vysokovýkonných uhlíkových vlákien na báze panvových vlákien a energeticky a ekologických technológií, so silnou ľudskou a finančnou podporou a v niekoľkých základných politikách, vrátane základného energetického plánu, strategického plánu hospodárskeho rastu a Kjótskeho protokolu, sa z tohto strategického projektu urobilo, že by sa mal rozvíjať. Na základe základnej národnej energetickej a environmentálnej politiky predložilo Ministerstvo hospodárstva, priemyslu a majetku Japonska „Program výskumu a vývoja energeticky úsporných technológií“. S podporou vyššie uvedenej politiky bol japonský priemysel s uhlíkovými vláknami schopný efektívnejšie centralizovať všetky aspekty zdrojov a podporovať riešenie bežných problémov v priemysle s uhlíkovými vláknami.
„Technologický rozvoj, ako napríklad inovatívne nové konštrukčné materiály“ (2013 – 2022) je projekt realizovaný v rámci „Výskumného projektu budúceho rozvoja“ v Japonsku s cieľom výrazne dosiahnuť rozvoj potrebnej inovatívnej technológie konštrukčných materiálov a kombinácie rôznych materiálov s hlavným cieľom znížiť hmotnosť dopravných prostriedkov (polovicu hmotnosti automobilu). A nakoniec dosiahnuť ich praktické uplatnenie. Po prevzatí výskumného a vývojového projektu v roku 2014 Agentúra pre rozvoj priemyselných technológií (NEDO) vyvinula niekoľko podprojektov, v ktorých boli celkové ciele výskumného projektu uhlíkových vlákien „Inovatívny základný výskum a vývoj uhlíkových vlákien“: vyvinúť nové prekurzorové zlúčeniny uhlíkových vlákien; objasniť mechanizmus tvorby karbonizačných štruktúr; a vyvinúť a štandardizovať metódy hodnotenia uhlíkových vlákien. Projekt, vedený Tokjskou univerzitou a do ktorého sa spoločne zapojili Inštitút priemyselných technológií (NEDO), spoločnosti Toray, Teijin, Dongyuan a Mitsubishi Liyang, dosiahol v januári 2016 významný pokrok a predstavuje ďalší významný prielom v oblasti panvových uhlíkových vlákien po vynáleze „Kondo módu“ v Japonsku v roku 1959.
2.2 Spojené štáty
Americká agentúra pre predvýskum v oblasti obrany (DARPA) spustila v roku 2006 projekt Advanced Structural Fiber s cieľom spojiť dominantné vedecké výskumné sily krajiny a vyvinúť štrukturálne vlákna novej generácie na báze uhlíkových vlákien. S podporou tohto projektu výskumný tím Technologického inštitútu v Georgii v Spojených štátoch v roku 2015 prelomil technológiu prípravy surového drôtu, pričom zvýšil jeho modul pružnosti o 30 %, čím Spojené štáty získali vývojovú kapacitu tretej generácie uhlíkových vlákien.
V roku 2014 Ministerstvo energetiky Spojených štátov (DOE) oznámilo dotáciu vo výške 11,3 milióna dolárov na dva projekty zamerané na „viacstupňové katalytické procesy premeny nejedlých cukrov z biomasy na akrylonitril“ a „výskum a optimalizáciu akrylonitrilu získaného z produkcie biomasy“ s cieľom podporiť využívanie poľnohospodárskych zvyškov, výskum cenovo konkurencieschopných obnoviteľných vysokovýkonných materiálov z uhlíkových vlákien na výrobu obnoviteľných surovín nepotravinárskeho pôvodu, ako je drevná biomasa, a plány na zníženie výrobných nákladov na obnoviteľné uhlíkové vlákna z biomasy na menej ako 5 USD/lb do roku 2020.
V marci 2017 americké ministerstvo energetiky opäť oznámilo financovanie „výskumného a vývojového projektu nízkonákladových komponentov z uhlíkových vlákien“ vo výške 3,74 milióna dolárov pod vedením Západoamerického inštitútu (WRI), ktorý sa zameriava na vývoj nízkonákladových komponentov z uhlíkových vlákien na báze zdrojov, ako je uhlie a biomasa.
V júli 2017 americké ministerstvo energetiky oznámilo financovanie vo výške 19,4 milióna dolárov na podporu výskumu a vývoja pokročilých energeticky úsporných vozidiel, z čoho 6,7 milióna sa použije na financovanie prípravy lacných uhlíkových vlákien pomocou výpočtových materiálov vrátane vývoja viacrozmerných hodnotiacich metód pre integrovanú počítačovú technológiu na posúdenie entuziazmu nových prekurzorov uhlíkových vlákien, pokročilej teórie funkcionálu hustoty asistovanej molekulárnou dynamikou, strojového učenia a ďalších nástrojov, ktoré sa používajú na vývoj najmodernejších počítačových nástrojov na zlepšenie efektívnosti výberu lacných surovín z uhlíkových vlákien.
2.3 Európa
Európsky priemysel s uhlíkovými vláknami sa rozvinul v Japonsku a Spojených štátoch v sedemdesiatych alebo osemdesiatych rokoch 20. storočia, ale kvôli technológiám a kapitálu mnohé spoločnosti vyrábajúce jednotlivé uhlíkové vlákna nedodržali obdobie vysokého rastu dopytu po uhlíkových vláknach po 2000 rokoch a zanikli. Nemecká spoločnosť SGL je jedinou spoločnosťou v Európe, ktorá má významný podiel na svetovom trhu s uhlíkovými vláknami.
V novembri 2011 Európska únia spustila projekt Eucarbon, ktorého cieľom je modernizovať európske výrobné kapacity v oblasti uhlíkových vlákien a predimpregnovaných materiálov pre letecký priemysel. Projekt trval 4 roky s celkovou investíciou 3,2 milióna eur a v máji 2017 úspešne zriadil prvú európsku špeciálnu výrobnú linku na uhlíkové vlákna pre vesmírne aplikácie, ako sú satelity, čo Európe umožnilo zbaviť sa závislosti od dovozu tohto produktu a zabezpečiť bezpečnosť dodávok materiálov.
Siedmy rámec EÚ plánuje podporiť projekt „funkčné uhlíkové vlákno pri príprave nového prekurzorového systému s nákladovo efektívnym a zvládnuteľným výkonom“ (FIBRALSPEC) (2014 – 2017) sumou 6,08 milióna eur. Štvorročný projekt, ktorý vedie Národná technická univerzita v Aténach v Grécku za účasti nadnárodných spoločností ako Taliansko, Spojené kráľovstvo a Ukrajina, sa zameriava na inováciu a zlepšenie procesu kontinuálnej prípravy uhlíkových vlákien na báze polyakrylonitrilu s cieľom dosiahnuť experimentálnu výrobu kontinuálne panvových uhlíkových vlákien. Projekt úspešne dokončil vývoj a aplikáciu uhlíkových vlákien a vylepšenú kompozitnú technológiu z obnoviteľných organických polymérnych zdrojov (ako sú superkondenzátory, rýchle núdzové prístrešky, ako aj prototypy mechanických elektrických rotačných nanášacích strojov a vývoj výrobnej linky nanovlákien atď.).
Rastúci počet priemyselných odvetví, ako napríklad automobilový priemysel, veterná energia a lodiarstvo, vyžaduje ľahké, vysokovýkonné kompozity, čo predstavuje obrovský potenciálny trh pre priemysel uhlíkových vlákien. EÚ investuje 5,968 milióna eur do spustenia projektu Carboprec (2014 – 2017), ktorého strategickým cieľom je vyvinúť nízkonákladové prekurzory z obnoviteľných materiálov, ktoré sú v Európe široko rozšírené, a zvýšiť produkciu vysokovýkonných uhlíkových vlákien prostredníctvom uhlíkových nanorúrok.
Výskumný program Európskej únie Cleansky II financoval projekt „Výskum a vývoj kompozitných pneumatík“ (2017), ktorý vedie Fraunhoferov inštitút pre výrobu a spoľahlivosť systémov (LBF) v Nemecku. V rámci neho sa plánuje vývoj komponentov predných kolies pre lietadlo Airbus A320 s kompozitnou výstužou vystuženou uhlíkovými vláknami. Cieľom je znížiť hmotnosť o 40 % v porovnaní s konvenčnými kovovými materiálmi. Projekt je financovaný sumou približne 200 000 EUR.
2.4 Kórea
Výskum a vývoj v oblasti uhlíkových vlákien a industrializácia v Južnej Kórei sa začali neskoro, výskum a vývoj sa začal v roku 2006 a v roku 2013 formálne vstúpil do praktickej fázy, čím sa zvrátila situácia, keď boli kórejské uhlíkové vlákna úplne závislé od dovozu. Vďaka miestnej skupine Xiaoxing a spoločnosti Taiguang Business, ktorá sa aktívne zapája do oblasti rozloženia priemyslu uhlíkových vlákien, je rozvoj silný. Okrem toho, spoločnosť Toray Japan, ktorá v Kórei vytvorila výrobnú základňu uhlíkových vlákien, tiež prispela k rastu trhu s uhlíkovými vláknami v samotnej Kórei.
Kórejská vláda sa rozhodla urobiť zo skupiny Xiaoxing miesto stretávania inovatívnych odvetví uhlíkových vlákien. Cieľom je vytvoriť klaster priemyslu uhlíkových vlákien, podporiť rozvoj kreatívneho ekonomického ekosystému v celom severnom regióne. Konečným cieľom je vytvoriť komplexný výrobný reťazec materiálov z uhlíkových vlákien → súčiastky → hotový výrobok. Vytvorenie inkubačného klastra uhlíkových vlákien sa môže porovnať so Silicon Valley v Spojených štátoch, osloviť nové trhy, vytvoriť novú pridanú hodnotu a dosiahnuť cieľ exportu produktov súvisiacich s uhlíkovými vláknami vo výške 10 miliárd USD (čo zodpovedá približne 55,2 miliardám juanov) do roku 2020.
3. analýza globálneho výskumu a výskumných výstupov v oblasti uhlíkových vlákien
Táto podsekcia uvádza zoznam článkov SCI týkajúcich sa výskumu uhlíkových vlákien a výsledky patentov DII od roku 2010 s cieľom analyzovať akademický výskum a priemyselný výskum a vývoj globálnej technológie uhlíkových vlákien súčasne a plne pochopiť pokrok výskumu a vývoja uhlíkových vlákien na medzinárodnej úrovni.
Dáta odvodené z databázy Scie a databázy Dewent v databáze Web of Science publikovanej spoločnosťou Clarivate Analytics; časové rozpätie vyhľadávania: 2010 – 2017; dátum vyhľadávania: 1. február 2018.
Stratégia vyhľadávania SCI papiera: Ts = ((uhlíkové vlákno* alebo uhlíkové vlákno* alebo („uhlíkové vlákno*“ nie „uhlíkové sklo“) alebo „uhlíkové vlákno*“ alebo „uhlíkové vlákno*“ alebo ((polyakrylonitril alebo smola) a „prekurzor*“ a vlákno*) alebo („grafitové vlákno*“)) nie („bambusový uhlík“))。
Stratégia vyhľadávania patentov Dewent: Ti=((uhlíkové vlákno* alebo Uhlíkové vlákno* alebo („Uhlíkové vlákno*“ nie „uhlíkové sklo“) alebo „uhlíkové vlákno*“ alebo „uhlíkové vlákno*“ alebo ((polyakrylonitril alebo smola) a „prekurzor*“ a vlákno*) alebo („grafitové vlákno*“)) nie („bambusové uhlík“)) alebo TS=((uhlíkové vlákno* alebo Uhlíkové vlákno* alebo („Uhlíkové vlákno*“ nie „uhlíkové sklo“) alebo „uhlíkové vlákno*“ alebo „uhlíkové vlákno*“ alebo ((polyakrylonitril alebo smola) a „prekurzor*“ a vlákno*) alebo („grafitové vlákno*“)) nie („bambusové uhlík“)) a IP=(D01F-009/12 alebo D01F-009/127 alebo D01F-009/133 alebo D01F-009/14 alebo D01F-009/145 alebo D01F-009/15 alebo D01F-009/155 alebo D01F-009/16 alebo D01F-009/17 alebo D01F-009/18 alebo D01F-009/20 alebo D01F-009/21 alebo D01F-009/22 alebo D01F-009/24 alebo D01F-009/26 alebo D01F-09/28 alebo D01F-009/30 alebo D01F-009/32 alebo C08K-007/02 alebo C08J-005/04 alebo C04B-035/83 alebo D06M-014/36 alebo D06M-101/40 alebo D21H-013/50 alebo H01H-001/027 alebo H01R-039/24).
3.1 trend
Od roku 2010 bolo na celom svete publikovaných 16 553 relevantných prác a bolo podaných 26 390 patentov na vynálezy, pričom všetky vykazujú stabilný rastúci trend z roka na rok (obrázok 1).
3.2 Rozdelenie podľa krajiny alebo regiónu
Desať najlepších inštitúcií s najväčším globálnym výstupom výskumných prác o uhlíkových vláknach pochádza z Číny, z ktorých prvých 5 je: Čínska akadémia vied, Harbinský technologický inštitút, Severozápadná technologická univerzita, Univerzita Donghua a Pekinský inštitút pre letectvo a astronautiku. Spomedzi zahraničných inštitúcií sa v rebríčku 10 až 20 umiestnili Indický technologický inštitút, Tokijská univerzita, Bristolská univerzita, Monashova univerzita, Manchesterská univerzita a Technologický inštitút v Georgii (obr. 3).
Podľa počtu patentových prihlášok v top 30 inštitúciách má Japonsko 5, z ktorých 3 sú v prvej päťke. Na prvom mieste sa umiestnila spoločnosť Toray, nasledovaná spoločnosťou Mitsubishi Liyang (2.), Teijin (4.), East State (10.), japonskou textilnou spoločnosťou Toyo (24.). Čína má 21 inštitúcií. Najväčší počet patentov má skupina Sinopec, ktorá sa umiestnila na treťom mieste. Na druhom mieste sú Harbin Institute of Technology, Henan Ke Letter cable company, Donghua University, China Shanghai Petrochemical, Beijing Chemical Industry atď. Čínska akadémia vied Shanxi Coal s patentom na vynález č. 66, ktorý sa umiestnil na 27. mieste. Juhokórejské inštitúcie majú 2, z ktorých spoločnosť Xiaoxing Co., Ltd. sa umiestnila na prvom mieste a na 8. mieste.
Výstupné inštitúcie, výstupy článkov pochádzajú najmä z univerzít a vedeckých výskumných inštitúcií, patenty pochádzajú najmä od spoločností, čo ukazuje, že výroba uhlíkových vlákien je high-tech odvetvím. Ako hlavný orgán rozvoja výskumu a vývoja v oblasti uhlíkových vlákien spoločnosť kladie veľký dôraz na ochranu technológií výskumu a vývoja v oblasti uhlíkových vlákien, najmä dve hlavné spoločnosti v Japonsku. Počet patentov je ďaleko za hranicami.
3.4 Výskumné horúce miesta
Výskumné práce o uhlíkových vláknach pokrývajú najviac výskumných tém: kompozity z uhlíkových vlákien (vrátane kompozitov vystužených uhlíkovými vláknami, kompozitov s polymérnou matricou atď.), výskum mechanických vlastností, analýza metódou konečných prvkov, uhlíkové nanorúrky, delaminácia, vystužovanie, únava materiálu, mikroštruktúra, elektrostatické zvlákňovanie, povrchová úprava, adsorpcia atď. Práce zaoberajúce sa týmito kľúčovými slovami tvoria 38,8 % z celkového počtu prác.
Patenty na vynálezy uhlíkových vlákien pokrývajú najviac tém súvisiacich s prípravou uhlíkových vlákien, výrobnými zariadeniami a kompozitnými materiálmi. Medzi nimi sú japonské spoločnosti Toray, Mitsubishi Liyang, Teijin a ďalšie v oblasti „polymérnych zlúčenín vystužených uhlíkovými vláknami“ v oblasti dôležitého technického usporiadania. Okrem toho majú Toray a Mitsubishi Liyang v oblasti „výroby polyakrylonitrilu z uhlíkových vlákien a výrobných zariadení“, „výroby uhlíkových vlákien s nenasýtenými nitrilmi, ako je polyakrylonitril, polyvinylidénkyanidom a etylénom“ a ďalšie technológie, zatiaľ čo japonská spoločnosť Teijin má v oblasti „kompozitov z uhlíkových vlákien a kyslíkových zlúčenín“ väčší podiel.
Skupina China Sinopec, Pekinská chemická univerzita a Čínska akadémia vied v Ningbo Materials majú v oblasti „výroby polyakrylonitrilu z uhlíkových vlákien a výrobných zariadení“ veľký podiel na patentovom rozložení; Okrem toho sa Pekinská univerzita chemického inžinierstva, Čínska akadémia vied Shanxi Coal Chemical Institute a Čínska akadémia vied v Ningbo Materials Key Layout „Použitie anorganických prvkov vlákien ako zložiek na prípravu polymérnych zlúčenín“ zameriavajú na rozloženie technológií „spracovania uhlíkových vlákien“, „kompozitov z uhlíkových vlákien a zlúčenín obsahujúcich kyslík“ a ďalších.
Okrem toho z ročných štatistických štatistík distribúcie globálnych patentov vyplýva, že v posledných troch rokoch sa začalo objavovať množstvo nových problematických oblastí, ako napríklad: „Polyamidové kompozície získané reakciou karboxylátových väzieb v hlavnom reťazci“, „Polyesterové kompozície získané reakciou 1 karboxylátových esterových väzieb v hlavnom reťazci“, „Kompozitný materiál na báze syntetických materiálov“, „Kyslíkaté zlúčeniny obsahujúce cyklické karboxylové kyseliny ako zložky uhlíkových vlákien“, „V trojrozmernej forme tuhnutia alebo úpravy textilných materiálov“, „Nenasýtený éter, acetal, semiacetal, ketón alebo aldehyd iba reakciou nenasýtenej väzby uhlík-uhlík na výrobu polymérnych zlúčenín“, „Adiabatický materiál na potrubie alebo kábel“, „Kompozity z uhlíkových vlákien s fosfátovými estermi ako zložkami“ atď.
V posledných rokoch sa objavil výskum a vývoj v sektore uhlíkových vlákien, pričom väčšina prelomových objavov pochádza zo Spojených štátov a Japonska. Najnovšie špičkové technológie sa zameriavajú nielen na technológiu výroby a prípravy uhlíkových vlákien, ale aj na aplikácie v širšej škále automobilových materiálov, ako sú ľahké materiály, 3D tlač a materiály na výrobu energie. Okrem toho recyklácia a spracovanie materiálov z uhlíkových vlákien, príprava drevného lignínu a uhlíkových vlákien a ďalšie úspechy majú vynikajúci výkon. Reprezentatívne výsledky sú opísané nižšie:
1) Americký technologický inštitút v Georgii prelomil technológiu uhlíkových vlákien tretej generácie
V júli 2015, s financovaním DARPA, Georgijský technologický inštitút pomocou inovatívnej techniky zvlákňovania uhlíkových vlákien na báze panvice výrazne zvýšil svoj modul pružnosti a prekonal uhlíkové vlákno Hershey IM7, ktoré sa v súčasnosti široko používa vo vojenských lietadlách, čím sa stal druhou krajinou na svete, ktorá po Japonsku zvládla tretiu generáciu technológie uhlíkových vlákien.
Pevnosť v ťahu gélového zvlákňovacieho uhlíkového vlákna vyrobeného spoločnosťou Kumarz dosahuje 5,5 až 5,8 Gpa a modul pružnosti v ťahu sa pohybuje medzi 354 a 375 gpa. „Toto je kontinuálne vlákno, ktoré má najvyššiu pevnosť a modul komplexného výkonu. V krátkom zväzku vlákien dosahuje pevnosť v ťahu až 12,1 Gpa, čo je rovnaká hodnota ako u polyakrylonitrilového uhlíkového vlákna s najvyššou pevnosťou.“
2) Technológia ohrevu elektromagnetickými vlnami
V roku 2014 spoločnosť Nedo vyvinula technológiu ohrevu elektromagnetickými vlnami. Technológia karbonizácie elektromagnetickými vlnami označuje použitie technológie ohrevu elektromagnetickými vlnami na karbonizáciu vlákna pri atmosférickom tlaku. Získané vlastnosti uhlíkových vlákien sú v podstate rovnaké ako pri uhlíkových vláknach vyrobených ohrevom pri vysokej teplote, modul pružnosti môže dosiahnuť viac ako 240 GPA a predĺženie pri pretrhnutí je viac ako 1,5 %, čo je prvý úspech na svete.
Vláknitý materiál sa karbonizuje elektromagnetickými vlnami, takže nie je potrebné zariadenie na karbonizačnú pec používané na ohrev pri vysokej teplote. Tento proces nielen skracuje čas potrebný na karbonizáciu, ale tiež znižuje spotrebu energie a znižuje emisie CO2.
3) jemná kontrola procesu karbonizácie
V marci 2014 spoločnosť Toray oznámila úspešný vývoj uhlíkových vlákien t1100g. Toray využíva tradičnú technológiu zvlákňovania v pan-solution na jemné riadenie procesu karbonizácie, zlepšenie mikroštruktúry uhlíkových vlákien v nanorozmeroch, kontrolu orientácie grafitových mikrokryštálov, veľkosti mikrokryštálov, defektov atď. vo vlákne po karbonizácii, čím sa výrazne zlepšuje pevnosť a modul pružnosti. Pevnosť v ťahu t1100g je 6,6 GPa, čo je o 12 % viac ako u T800, a modul pružnosti je 324 GPa, čo je o 10 % viac, čo predstavuje vstup do fázy industrializácie.
4) Technológia povrchovej úpravy
Spoločnosť Teijin East State úspešne vyvinula technológiu plazmovej povrchovej úpravy, ktorá dokáže kontrolovať vzhľad uhlíkových vlákien v priebehu niekoľkých sekúnd. Táto nová technológia výrazne zjednodušuje celý výrobný proces a znižuje spotrebu energie o 50 % v porovnaní s existujúcou technológiou povrchovej úpravy pre vodné roztoky elektrolytov. Okrem toho sa po plazmovej úprave zistilo, že sa zlepšila aj adhézia vlákien a živicovej matrice.
5) štúdia miery zachovania pevnosti v ťahu uhlíkových vlákien v grafitovom prostredí s vysokou teplotou
Spoločnosť Ningbo Materials úspešne vykonala podrobnú štúdiu o analýze procesov, výskume štruktúry a optimalizácii výkonu domácich vysokopevnostných a vysokomódových uhlíkových vlákien, najmä výskumnú prácu o miere zachovania pevnosti v ťahu uhlíkových vlákien v prostredí grafitu s vysokou teplotou a nedávnu úspešnú prípravu vysokopevnostných a modulovo pružných uhlíkových vlákien s pevnosťou v ťahu 5,24 GPa a objemovým modulom pružnosti v ťahu 593 GPa. V porovnaní s japonskými vysokopevnostnými vysoko lisovanými uhlíkovými vláknami Toray m60j (pevnosť v ťahu 3,92 GPa, modul pružnosti v ťahu 588 GPa) má naďalej výhodu pevnosti v ťahu.
6) Mikrovlnný grafit
Spoločnosť Yongda Advanced Materials úspešne vyvinula exkluzívnu patentovanú technológiu grafitu pre ultravysoké teploty, ktorá je súčasťou Spojených štátov a je určená na výrobu uhlíkových vlákien stredného a vyššieho rádu. Úspešne prekonala tri úzke miesta vo vývoji uhlíkových vlákien vyššieho rádu: drahé grafitové zariadenia pod medzinárodnou kontrolou, ťažkosti s chemickou technológiou surového hodvábu, nízke a vysoké náklady na výrobu. Spoločnosť Yongda doteraz vyvinula tri druhy uhlíkových vlákien, ktoré všetky pozdvihli pevnosť a modul pôvodných uhlíkových vlákien relatívne nízkej kvality na novú úroveň.
7) Nový proces tavného spriadania surového drôtu z uhlíkových vlákien na báze panvice od spoločnosti Fraunhofer, Nemecko
Fraunhoferov inštitút aplikovaných polymérov (Applied polymér Research, IAP) nedávno oznámil, že na berlínskej leteckej výstave 25. a 29. apríla 2018 predstaví najnovšiu technológiu Comcarbon. Táto technológia výrazne znižuje výrobné náklady hromadne vyrábaných uhlíkových vlákien.
Obr. 4 Tavenie surového drôtu pri spriadaní.
Je dobre známe, že v tradičných procesoch sa polovica výrobných nákladov na uhlíkové vlákna na báze panvice spotrebuje v procese výroby surového drôtu. Vzhľadom na to, že surový drôt sa nedá roztaviť, musí sa vyrábať pomocou drahého procesu zvlákňovania v roztoku (Solution Spinning). „Na tento účel sme vyvinuli nový proces výroby surového hodvábu na báze panvice, ktorý dokáže znížiť výrobné náklady na surový drôt o 60 %. Ide o ekonomický a uskutočniteľný proces tavenia a zvlákňovania s použitím špeciálne vyvinutého taveného kopolyméru na báze panvice,“ vysvetlil Dr. Johannes Ganster, minister pre biologické polyméry v Fraunhofer IAP Institute.
8) Technológia plazmovej oxidácie
Spoločnosť 4M Carbon fiber oznámila, že strategickým cieľom bude využívať technológiu plazmovej oxidácie na výrobu a predaj vysokokvalitných a lacných uhlíkových vlákien, nielen na licencovanie tejto technológie. Spoločnosť 4M tvrdí, že technológia plazmovej oxidácie je trikrát rýchlejšia ako konvenčná oxidačná technológia, pričom spotreba energie je v porovnaní s tradičnou technológiou menšia ako tretina. Tieto tvrdenia potvrdili mnohí medzinárodní výrobcovia uhlíkových vlákien, ktorí konzultujú s niekoľkými najväčšími svetovými výrobcami uhlíkových vlákien a automobilkami, aby sa podieľali na výrobe lacných uhlíkových vlákien ako iniciátori.
9) Celulózové nanovlákno
Japonská Kjótska univerzita spolu s niekoľkými významnými dodávateľmi komponentov, ako je spoločnosť zaoberajúca sa elektroinštaláciami (najväčší dodávateľ spoločnosti Toyota) a spoločnosť Daikyonishikawa Corp., pracuje na vývoji plastových materiálov, ktoré kombinujú celulózové nanovlákna. Tento materiál sa vyrába rozdrvením drevnej buničiny na niekoľko mikrónov (1 na tisíc mm). Hmotnosť nového materiálu je len jedna pätina hmotnosti ocele, ale jeho pevnosť je päťkrát vyššia ako pevnosť ocele.
10) predné telo z uhlíkových vlákien z polyolefínových a lignínových surovín
Národné laboratórium Oak Ridge v Spojených štátoch pracuje na výskume nízkonákladových uhlíkových vlákien od roku 2007 a vyvinulo predné časti z uhlíkových vlákien pre polyolefínové a lignínové suroviny, ako aj pokročilé technológie plazmovej predoxidácie a mikrovlnnej karbonizácie.
11) Nový polymér (prekurzorový polymér) bol vyvinutý odstránením žiaruvzdornej úpravy
V rámci výrobnej metódy vedenej Tokjskou univerzitou bol vyvinutý nový polymér (prekurzorový polymér) na odstránenie žiaruvzdornej úpravy. Hlavným bodom je, že po zvlákňovaní polyméru do hodvábu sa nevykonáva pôvodná žiaruvzdorná úprava, ale spôsobuje jeho oxidáciu v rozpúšťadle. Mikrovlnné ohrievacie zariadenie sa potom zahrieva na viac ako 1000 ℃ pre karbonizáciu. Čas ohrevu trvá iba 2-3 minúty. Po karbonizácii sa na povrchovú úpravu použije aj plazma, aby sa mohli vyrobiť uhlíkové vlákna. Plazmové spracovanie trvá menej ako 2 minúty. Týmto spôsobom sa pôvodný čas spekania 30-60 minút môže skrátiť na približne 5 minút. V novej výrobnej metóde sa plazmové spracovanie vykonáva na zlepšenie väzby medzi uhlíkovými vláknami a termoplastickou živicou ako základným materiálom CFRP. Modul pružnosti v ťahu uhlíkových vlákien vyrobených novou výrobnou metódou je 240 GPa, pevnosť v ťahu je 3,5 GPa a predĺženie dosahuje 1,5 %. Tieto hodnoty sú na rovnakej úrovni ako u uhlíkových vlákien Toray Universal triedy T300 používaných na športové potreby atď.
12) recyklácia a využitie uhlíkových vlákien pomocou procesu s fluidným lôžkom
Mengran Meng, prvý autor štúdie, povedal: „Získavanie uhlíkových vlákien znižuje vplyv na životné prostredie v porovnaní s výrobou surových uhlíkových vlákien, ale povedomie o potenciálnych recyklačných technológiách a ekonomickej uskutočniteľnosti recyklácie uhlíkových vlákien je obmedzené. Recyklácia prebieha v dvoch fázach: vlákna sa musia najprv získať z kompozitov z uhlíkových vlákien a tepelne rozložiť mechanickým mletím materiálov alebo pomocou pyrolýzy alebo procesov s fluidným lôžkom. Tieto metódy odstraňujú plastovú časť kompozitného materiálu a zanechávajú uhlíkové vlákno, ktoré sa potom môže pomocou technológie mokrej výroby papiera premeniť na zamotané vláknité rohože alebo reorganizovať na smerové vlákna.“
Výskumníci vypočítali, že uhlíkové vlákno by sa dalo získať z odpadu z uhlíkových kompozitov pomocou procesu s fluidným lôžkom, čo si vyžaduje iba 5 dolárov/kg a menej ako 10 % energie potrebnej na výrobu primárneho uhlíkového vlákna. Recyklované uhlíkové vlákna vyrobené procesmi s fluidným lôžkom sotva znižujú modul a pevnosť v ťahu sa znižuje o 18 % až 50 % v porovnaní s primárnymi uhlíkovými vláknami, vďaka čomu sú vhodné pre aplikácie vyžadujúce skôr vysokú tuhosť ako pevnosť. „Recyklované uhlíkové vlákna môžu byť vhodné pre nekonštrukčné aplikácie, ktoré vyžadujú nízku hmotnosť, ako je automobilový priemysel, stavebníctvo, veterná energia a šport,“ povedal Meng.
13) V Spojených štátoch vyvinutá nová technológia recyklácie uhlíkových vlákien
V júni 2016 výskumníci z Technologického inštitútu v Georgii v Spojených štátoch namočili uhlíkové vlákna do rozpúšťadla obsahujúceho alkohol, aby rozpustili epoxidovú živicu. Oddelené vlákna a epoxidové živice sa dajú opätovne použiť, čo viedlo k úspešnej regenerácii uhlíkových vlákien.
V júli 2017 vyvinula Washingtonská štátna univerzita technológiu regenerácie uhlíkových vlákien, ktorá využíva slabú kyselinu ako katalyzátor a kvapalný etanol pri relatívne nízkych teplotách rozkladá termosetické materiály. Rozložené uhlíkové vlákno a živica sa uchovávajú oddelene a môžu sa ďalej reprodukovať.
14) Vývoj technológie 3D tlače s uhlíkovými vláknami atramentu v laboratóriu LLNL, USA
V marci 2017 vyvinulo Národné laboratórium Lawrence Livemore (LLNL) v Spojených štátoch prvé vysokovýkonné kompozity z uhlíkových vlákien leteckej kvality vytlačené 3D tlačou. Použili metódu 3D tlače s priamym prenosom atramentu (DIW) na vytvorenie zložitých trojrozmerných štruktúr, ktoré výrazne zrýchlili spracovanie pre použitie v automobilovom, leteckom, obrannom priemysle, motocyklových súťažiach a surfovaní.
15) Spojené štáty, Kórea a Čína spolupracujú na vývoji uhlíkových vlákien na výrobu energie
V auguste 2017 spolupracovali kampus Texaskej univerzity v Dallase, Hanyangská univerzita v Kórei, Nankaiská univerzita v Číne a ďalšie inštitúcie na vývoji materiálu z uhlíkových vlákien na výrobu energie. Priadza sa najskôr namáča do roztokov elektrolytov, ako je soľanka, čo umožňuje iónom v elektrolyte pripojiť sa k povrchu uhlíkových nanorúrok, ktoré sa potom môžu premeniť na elektrickú energiu, keď sa priadza napne alebo natiahne. Materiál sa dá použiť kdekoľvek so spoľahlivou kinetickou energiou a je vhodný na napájanie senzorov internetu vecí.
16) Nový pokrok vo výskume uhlíkových vlákien z dreveného lignínu, ktorý dosiahli Číňania a Američania
V marci 2017 pripravil špeciálny tím pre vlákna z Inštitútu materiálových technológií a inžinierstva v Ningbo kopolymér lignínu a akrylonitrilu s dobrou zvlákňovateľnosťou a tepelnou stabilitou pomocou dvojstupňovej modifikačnej technológie esterifikácie a kopolymerizácie voľnými radikálmi. Použitím kopolyméru a procesu mokrého zvlákňovania sa získali vysokokvalitné nekonečné vlákna a po tepelnej stabilizácii a karbonizácii sa získalo kompaktné uhlíkové vlákno.
V auguste 2017 výskumný tím Birgitte Ahringovej na Washingtonskej univerzite v Spojených štátoch zmiešal lignín a polyakrylonitril v rôznych pomeroch a potom pomocou technológie tavného zvlákňovania premenil zmiešané polyméry na uhlíkové vlákna. Štúdia zistila, že lignín pridaný do 20 % až 30 % neovplyvnil pevnosť uhlíkových vlákien a očakávalo sa, že sa použije pri výrobe lacnejších uhlíkových vlákien pre automobilové alebo letecké súčiastky.
Koncom roka 2017 Národné laboratórium pre obnoviteľnú energiu (NREL) zverejnilo výskum o výrobe akrylonitrilu s použitím odpadových častí rastlín, ako je kukuričná slama a pšeničná slama. Najprv rozložia rastlinné materiály na cukor a potom ich premenia na kyseliny a kombinujú ich s lacnými katalyzátormi na výrobu cieľových produktov.
17) Japonsko vyvíja prvý podvozok auta z termoplastického kompozitu vystuženého uhlíkovými vláknami
V októbri 2017 japonská agentúra pre výskum a vývoj v oblasti nových technológií v energetickom priemysle a Národné výskumné centrum pre kompozity Univerzity v Nagoji úspešne vyvinuli prvý na svete termoplastický kompozitný podvozok automobilu vystužený uhlíkovými vláknami. Použili automatický proces priameho online lisovania dlhých vláknových termoplastických kompozitov, kontinuálne miešanie častíc uhlíkových vlákien a termoplastickej živice, výrobu vláknových kompozitov a následné spojenie zahrievaním a tavením úspešne vyrobili termoplastický podvozok automobilu z uhlíkových vlákien.
5. návrhy týkajúce sa výskumu a vývoja technológie uhlíkových vlákien v Číne
5.1 Progresívne usporiadanie, orientované na cieľ, zameranie na prelomenie tretej generácie technológie uhlíkových vlákien
Čínska technológia uhlíkových vlákien druhej generácie ešte nepredstavuje komplexný prelom. Naša krajina by sa mala snažiť o progresívne rozloženie, ktoré spojí naše relevantné výskumné inštitúcie a zameria sa na zachytenie kľúčových technológií. Zameranie sa na výskum a vývoj tretej generácie vysokovýkonných technológií na prípravu uhlíkových vlákien (t. j. použiteľných v leteckom priemysle s vysokou pevnosťou a vysokým modulom uhlíkových vlákien) a vyvinutú technológiu kompozitných materiálov z uhlíkových vlákien, vrátane automobilového priemyslu, stavebníctva a opráv a iných ľahkých, lacných veľkoobjemových technológií na prípravu uhlíkových vlákien, technológií aditívnej výroby, recyklácie a technológií rýchleho prototypovania.
5.2 Koordinácia organizácie, posilnenie podpory, vytvorenie hlavných technických projektov na nepretržitú podporu spoločného výskumu
V súčasnosti existuje v Číne mnoho inštitúcií, ktoré sa venujú výskumu uhlíkových vlákien, ale ich moc je rozptýlená a neexistuje jednotný mechanizmus organizácie výskumu a vývoja ani silná finančná podpora pre efektívnu koordináciu. Súdiac podľa skúseností s rozvojom vyspelých krajín, organizácia a rozvrhnutie veľkých projektov zohrávajú veľkú úlohu pri podpore rozvoja tejto technickej oblasti. Mali by sme sa zamerať na výhodu čínskej výskumnej a vývojovej sily, vzhľadom na prelomový výskum a vývoj technológií uhlíkových vlákien v Číne, aby sme mohli začať veľké projekty, posilniť spoločné technologické inovácie a neustále podporovať úroveň výskumu technológií uhlíkových vlákien v Číne, konkurenciu na medzinárodnej úrovni uhlíkových vlákien a kompozitov.
5.3 Zlepšenie mechanizmu hodnotenia orientácie technických úspechov na aplikačný efekt
Z hľadiska ekonometrickej analýzy článkov SCI sa čínske uhlíkové vlákna používajú ako vysokopevnostný výkonný materiál v rôznych oblastiach výskumu, ale v oblasti technológií výroby a prípravy uhlíkových vlákien sa vyžaduje menší výskum so zameraním na znižovanie nákladov a zlepšenie efektívnosti výroby. Výrobný proces uhlíkových vlákien je zdĺhavý, má kľúčové technologické aspekty, vysoké výrobné bariéry a je multidisciplinárnym a multitechnologickým integračným procesom. Je potrebné prekonať technické prekážky a efektívne podporovať výskum a vývoj v oblasti „nízkonákladovej a vysokovýkonnej“ technológie prípravy jadra. Na jednej strane je potrebné posilniť investície do výskumu a na druhej strane oslabiť oblasť hodnotenia výkonnosti vedeckého výskumu, posilniť usmernenia pre hodnotenie aplikačného efektu technických úspechov a prejsť od „kvantitatívneho“ hodnotenia, ktoré sa zameriava na publikovanie článku, k hodnoteniu „kvality“ a hodnoty výsledkov.
5.4 Posilnenie kultivácie zložených talentov v oblasti špičkových technológií
High-tech atribút technológie uhlíkových vlákien určuje dôležitosť špecializovaných talentov, a to, či majú špičkový technický personál, priamo určuje úroveň výskumu a vývoja inštitúcie.
V dôsledku prepojení výskumu a vývoja v oblasti technológie uhlíkových vlákien by sme mali venovať pozornosť školeniu zloženého personálu, aby sme zabezpečili koordináciu a rozvoj všetkých prepojení. Okrem toho, z histórie vývoja výskumu uhlíkových vlákien v Číne vyplýva, že tok kľúčových technologických expertov je často kľúčovým faktorom ovplyvňujúcim úroveň výskumu a vývoja vo výskumnej inštitúcii. Udržiavanie fixných kľúčových expertov a tímov výskumu a vývoja vo výrobných procesoch, kompozitoch a hlavných produktoch je dôležité pre neustálu modernizáciu technológií.
Mali by sme naďalej posilňovať odbornú prípravu a využívanie špecializovaného high-tech personálu v tejto oblasti, zlepšovať politiku hodnotenia a liečby talentov v oblasti technologického výskumu a vývoja, posilňovať rozvoj mladých talentov, aktívne podporovať spoluprácu a výmeny so zahraničnými inštitúciami zameranými na pokročilý výskum a vývoj a energicky zavádzať zahraničné pokročilé talenty atď. To zohrá veľkú úlohu pri podpore rozvoja výskumu uhlíkových vlákien v Číne.
Citované z -
Analýza vývoja globálnej technológie uhlíkových vlákien a jej priaznivého vplyvu na Čínu. Tian Yajuan, Zhang Zhiqiang, Tao Cheng, Yang ming, Ba jin, Chen Yunwei.Svetový vedecko-technický výskum a vývoj.2018
Čas uverejnenia: 4. decembra 2018