Ogljikova vlakna so anorganski polimerni vlaknasti nov anorganski material z vsebnostjo ogljika nad 95 %, z nizko gostoto, visoko trdnostjo, odpornostjo na visoke temperature, visoko kemično stabilnostjo, odpornostjo proti utrujenosti, obrabi in drugimi odličnimi osnovnimi fizikalnimi in kemičnimi lastnostmi, poleg tega pa imajo visoko dušenje vibracij, dobro prevodno toplotno prevodnost, elektromagnetno zaščito in nizek koeficient toplotnega raztezanja ter druge značilnosti. Zaradi teh odličnih lastnosti se ogljikova vlakna pogosto uporabljajo v letalstvu, železniškem prometu, proizvodnji vozil, orožju in opremi, gradbenih strojih, gradnji infrastrukture, ladijskem inženirstvu, naftnem inženirstvu, vetrni energiji, športni opremi in drugih področjih.
Kitajska je na podlagi nacionalnih strateških potreb po materialih iz ogljikovih vlaken te materiale uvrstila med ključne tehnologije v nastajajočih panogah, ki so osredotočene na podporo. V nacionalnem načrtu znanosti in tehnologije "Pet dvanajstih" je tehnologija priprave in uporabe visokozmogljivih ogljikovih vlaken ena od ključnih tehnologij v strateških nastajajočih panogah, ki jih podpira država. Maja 2015 je državni svet uradno objavil program "Narejeno na Kitajskem 2025", pri čemer so novi materiali eno ključnih področij za aktivno promocijo in razvoj, vključno z visokozmogljivimi konstrukcijskimi materiali, napredni kompoziti pa so v središču razvoja na področju novih materialov. Oktobra 2015 je ministrstvo za industrijo in informacijsko industrijo uradno objavilo "Ključni tehnološki načrt za kitajsko proizvodnjo 2025", v katerem so "visokozmogljiva vlakna in njihovi kompoziti" opredeljeni kot ključni strateški material, cilj za leto 2020 pa je "domači kompoziti iz ogljikovih vlaken, ki izpolnjujejo tehnične zahteve velikih letal in druge pomembne opreme". Državni svet je novembra 2016 izdal nacionalni strateški načrt za razvoj nastajajočih industrij "Pet trinajst", v katerem je jasno poudaril krepitev podpore sodelovanju v industriji novih materialov na zgornjem in spodnjem nivoju, na področju kompozitov iz ogljikovih vlaken in drugih področij za izvedbo pilotnih demonstracij skupnih aplikacij ter izgradnjo platforme za skupne aplikacije. Januarja 2017 so Ministrstvo za industrijo in razvoj, NDRC, znanost in tehnologija ter Ministrstvo za finance skupaj oblikovali "Vodnik za razvoj industrije novih materialov" in predlagali, da se od leta 2020 "na področju kompozitov iz ogljikovih vlaken, visokokakovostnega posebnega jekla, naprednih lahkih zlitin in drugih področij doseže več kot 70 ključnih industrializacij in aplikacij novih materialov ter zgradi sistem podpore za procesno opremo, ki ustreza stopnji razvoja kitajske industrije novih materialov."
Ker imajo ogljikova vlakna in njihovi kompoziti pomembno vlogo pri nacionalni obrambi in preživetju ljudi, se mnogi strokovnjaki osredotočajo na njihov razvoj in analizo raziskovalnih trendov. Dr. Zhou Hong je pregledal znanstvene in tehnološke prispevke ameriških znanstvenikov v zgodnjih fazah razvoja visokozmogljive tehnologije ogljikovih vlaken ter pregledal in poročal o 16 glavnih aplikacijah in nedavnih tehnoloških dosežkih ogljikovih vlaken, dr. Wei Xin pa je pregledal proizvodno tehnologijo, lastnosti in uporabo poliakrilonitrilnih ogljikovih vlaken ter njihov trenutni tehnološki razvoj. Podal je tudi nekaj konstruktivnih predlogov za težave, ki obstajajo pri razvoju ogljikovih vlaken na Kitajskem. Poleg tega je veliko ljudi izvedlo raziskave o metrološki analizi člankov in patentov na področju ogljikovih vlaken in njihovih kompozitov. Na primer, Ma Xianglin in drugi z vidika metrologije od leta 1998 do 2017, ko so patenti za ogljikova vlakna distribuirali in uporabljali na področju analize; Yang Sisi in drugi so na podlagi platforme Innografy za globalno iskanje patentov in statističnih podatkov o tkaninah iz ogljikovih vlaken analizirali letni trend razvoja patentov, imetnike patentov, žarišče patentne tehnologije in osrednji patent tehnologije.
Z vidika poti raziskav in razvoja ogljikovih vlaken so kitajske raziskave skoraj sinhronizirane s svetovnimi, vendar je razvoj počasen, visokozmogljiva proizvodnja ogljikovih vlaken in kakovost v primerjavi s tujino zaostajata. Nujno je treba pospešiti proces raziskav in razvoja, izboljšati strateško zasnovo in izkoristiti prihodnje priložnosti za razvoj industrije. Zato ta članek najprej raziskuje postavitev projektov držav na področju raziskav ogljikovih vlaken, da bi razumel načrtovanje poti raziskav in razvoja v različnih državah, in drugič, ker so temeljne raziskave in uporabne raziskave ogljikovih vlaken zelo pomembne za tehnične raziskave in razvoj ogljikovih vlaken, zato hkrati izvajamo metrološko analizo akademskih rezultatov raziskav – člankov SCI – in rezultatov uporabnih raziskav – patentov, da bi pridobili celovito razumevanje napredka raziskav in razvoja na področju ogljikovih vlaken ter pregledali nedavni razvoj raziskav na tem področju za napredek raziskav in razvoja Peep International Frontier. Na podlagi zgornjih rezultatov raziskav je predstavljenih nekaj predlogov za pot raziskav in razvoja na področju ogljikovih vlaken na Kitajskem.
2. Cogljikova vlaknapostavitev raziskovalnega projektaglavne države/regije
Glavne države proizvajalke ogljikovih vlaken so Japonska, Združene države Amerike, Južna Koreja, nekatere evropske države ter Tajvan in Kitajska. Države z napredno tehnologijo so se v zgodnji fazi razvoja tehnologije ogljikovih vlaken zavedale pomena tega materiala, izvedle strateško načrtovanje in odločno spodbujale razvoj materialov iz ogljikovih vlaken.
2.1 Japonska
Japonska je najbolj razvita država na področju tehnologije ogljikovih vlaken. Tri podjetja v Torayu, Bongu in Mitsubishi Liyangu na Japonskem predstavljajo približno 70–80 % svetovnega tržnega deleža v proizvodnji ogljikovih vlaken. Kljub temu Japonska pripisuje velik pomen ohranjanju svojih prednosti na tem področju, zlasti razvoju visokozmogljivih ogljikovih vlaken na osnovi pana ter energetsko in okolju prijaznih tehnologij, z močno človeško in finančno podporo, in v številnih temeljnih politikah, vključno z osnovnim energetskim načrtom, strateškim okvirom za gospodarsko rast in Kjotskim protokolom, je to strateški projekt, ki ga je treba nadaljevati. Na podlagi temeljne nacionalne energetske in okoljske politike je japonsko ministrstvo za gospodarstvo, industrijo in nepremičnine predstavilo "Program raziskav in razvoja energetsko varčnih tehnologij". S podporo zgoraj navedene politike je japonska industrija ogljikovih vlaken uspela učinkoviteje centralizirati vse vidike virov in spodbujati reševanje pogostih težav v industriji ogljikovih vlaken.
"Tehnološki razvoj, kot so inovativni novi konstrukcijski materiali" (2013–2022) je projekt, ki se izvaja v okviru "raziskovalnega projekta prihodnjega razvoja" na Japonskem, da bi znatno dosegli razvoj potrebne inovativne tehnologije konstrukcijskih materialov in kombinacije različnih materialov, z glavnim ciljem zmanjšanja lahkotnosti (polovica teže avtomobila) prevoznih sredstev in končne uresničitve njegove praktične uporabe. Agencija za razvoj industrijske tehnologije (NEDO) je po prevzemu raziskovalnega in razvojnega projekta leta 2014 razvila več podprojektov, v katerih so bili splošni cilji raziskovalnega projekta ogljikovih vlaken "Inovativne osnovne raziskave in razvoj ogljikovih vlaken": razvoj novih predhodnih spojin ogljikovih vlaken; razjasnitev mehanizma nastajanja karbonizacijskih struktur; ter razvoj in standardizacija metod za ocenjevanje ogljikovih vlaken. Projekt, ki ga vodi Univerza v Tokiu, v njem pa sodelujejo Inštitut za industrijsko tehnologijo (NEDO), podjetja Toray, Teijin, Dongyuan in Mitsubishi Liyang, je januarja 2016 dosegel pomemben napredek in je še en pomemben preboj na področju ogljikovih vlaken na osnovi pan-made po izumu "Kondo načina" na Japonskem leta 1959.
2.2 Združene države Amerike
Ameriška agencija za obrambne predraziskave (DARPA) je leta 2006 začela projekt Advanced Structural Fiber z namenom združitve prevladujoče znanstvene raziskovalne sile v državi za razvoj strukturnih vlaken naslednje generacije na osnovi ogljikovih vlaken. S podporo tega projekta je raziskovalna ekipa Tehnološkega inštituta Georgia v Združenih državah Amerike leta 2015 prebila tehnologijo priprave surove žice in povečala njen elastični modul za 30 %, s čimer so Združene države Amerike postale nosilke razvojne zmogljivosti tretje generacije ogljikovih vlaken.
Leta 2014 je ameriško ministrstvo za energijo (DOE) napovedalo subvencijo v višini 11,3 milijona dolarjev za dva projekta o "večstopenjskih katalitičnih procesih za pretvorbo neužitnih sladkorjev iz biomase v akrilonitril" in "raziskavah in optimizaciji akrilonitrila, pridobljenega iz proizvodnje biomase", da bi spodbudili uporabo kmetijskih ostankov, raziskave stroškovno konkurenčnih obnovljivih visokozmogljivih materialov iz ogljikovih vlaken za proizvodnjo obnovljivih surovin, ki niso namenjene prehrani, kot je lesna biomasa, in načrte za zmanjšanje proizvodnih stroškov obnovljivih ogljikovih vlaken iz biomase na manj kot 5 USD/funt do leta 2020.
Marca 2017 je ameriško ministrstvo za energijo ponovno napovedalo 3,74 milijona dolarjev za financiranje "raziskovalno-razvojnega projekta nizkocenovnih komponent iz ogljikovih vlaken", ki ga vodi Zahodnoameriški inštitut (WRI) in se osredotoča na razvoj nizkocenovnih komponent iz ogljikovih vlaken na osnovi virov, kot sta premog in biomasa.
Julija 2017 je ameriško ministrstvo za energijo napovedalo financiranje v višini 19,4 milijona dolarjev za podporo raziskavam in razvoju naprednih energetsko učinkovitih vozil, od tega 6,7 milijona dolarjev za financiranje priprave nizkocenovnih ogljikovih vlaken z uporabo računalniških materialov, vključno z razvojem večstopenjskih metod ocenjevanja za integrirano računalniško tehnologijo za oceno navdušenja nad novimi predhodniki ogljikovih vlaken, napredno teorijo funkcionalne gostote s pomočjo molekularne dinamike, strojno učenje in druga orodja se uporabljajo za razvoj najsodobnejših računalniških orodij za izboljšanje učinkovitosti izbire nizkocenovnih surovin iz ogljikovih vlaken.
2.3 Evropa
Evropska industrija ogljikovih vlaken se je razvila na Japonskem in v Združenih državah Amerike v sedemdesetih ali osemdesetih letih 20. stoletja, vendar se zaradi tehnologije in kapitala mnoga podjetja, ki proizvajajo posamezna ogljikova vlakna, niso držala obdobja visoke rasti povpraševanja po ogljikovih vlaknih po 2000 letih in so izginila. Nemško podjetje SGL je edino podjetje v Evropi, ki ima pomemben delež na svetovnem trgu ogljikovih vlaken.
Novembra 2011 je Evropska unija začela projekt Eucarbon, katerega cilj je nadgraditi evropske proizvodne zmogljivosti ogljikovih vlaken in predhodno impregniranih materialov za vesoljsko industrijo. Projekt je trajal 4 leta, skupna naložba pa je znašala 3,2 milijona evrov, maja 2017 pa je uspešno vzpostavil prvo evropsko posebno proizvodno linijo ogljikovih vlaken za vesoljske aplikacije, kot so sateliti, s čimer je Evropi omogočil, da se odmakne od uvozne odvisnosti od izdelka in zagotovi varnost oskrbe z materiali.
Sedmi okvir EU načrtuje podporo projektu "funkcionalna ogljikova vlakna pri pripravi novega predhodnega sistema s stroškovno učinkovito in obvladljivo zmogljivostjo" (FIBRALSPEC) (2014–2017) v višini 6,08 milijona evrov. Štiriletni projekt, ki ga vodi Nacionalna tehnična univerza v Atenah v Grčiji, v njem pa sodelujejo multinacionalke, kot so Italija, Združeno kraljestvo in Ukrajina, je osredotočen na inovacije in izboljšanje postopka neprekinjene priprave ogljikovih vlaken na osnovi poliakrilonitrila za doseganje eksperimentalne proizvodnje neprekinjeno izdelanih ogljikovih vlaken. Projekt je uspešno zaključil razvoj in uporabo ogljikovih vlaken in izboljšane kompozitne tehnologije iz obnovljivih organskih polimernih virov (kot so superkondenzatorji, hitra zasilna zavetišča, pa tudi prototipni mehansko-električni rotacijski stroji za premazovanje in razvoj proizvodne linije nanovlaken itd.).
Vse večje število industrijskih sektorjev, kot so avtomobilska industrija, vetrna energija in ladjedelništvo, zahteva lahke, visokozmogljive kompozite, kar predstavlja ogromen potencialni trg za industrijo ogljikovih vlaken. EU je vložila 5,968 milijona evrov v začetek projekta Carboprec (2014–2017), katerega strateški cilj je razvoj nizkocenovnih predhodnikov iz obnovljivih materialov, ki so široko prisotni v Evropi, in povečanje proizvodnje visokozmogljivih ogljikovih vlaken z ogljikovimi nanocevkami.
Raziskovalni program Evropske unije Cleansky II je financiral projekt "Raziskave in razvoj kompozitnih pnevmatik" (2017), ki ga vodi Fraunhoferjev inštitut za proizvodnjo in zanesljivost sistemov (LBF) v Nemčiji. V okviru tega projekta bodo razvite komponente sprednjih koles za letala iz kompozitnih materialov, ojačanih z ogljikovimi vlakni, za Airbus A320. Cilj je zmanjšati težo za 40 % v primerjavi s konvencionalnimi kovinskimi materiali. Projekt je financiran s približno 200.000 EUR.
2.4 Koreja
Južnokorejski razvoj in industrializacija ogljikovih vlaken sta se začela pozno, raziskave in razvoj so se začele leta 2006, formalno pa so leta 2013 začele vstopati v praktično fazo, s čimer so se korejska ogljikova vlakna spremenila v povsem odvisno od uvoza. Južnokorejska lokalna skupina Xiaoxing in podjetje Taiguang Business kot predstavnik pionirja v industriji, ki aktivno sodelujeta na področju postavitve industrije ogljikovih vlaken, sta zagotovila močan razvojni zagon. Poleg tega je proizvodna baza ogljikovih vlaken, ki jo je v Koreji vzpostavil Toray Japan, prav tako prispevala k razvoju trga ogljikovih vlaken v Koreji.
Korejska vlada se je odločila, da bo skupina Xiaoxing postala zbirališče inovativnih industrij ogljikovih vlaken. Cilj je oblikovati grozd industrije ogljikovih vlaken, spodbujati razvoj ustvarjalnega gospodarskega ekosistema v celotni severni regiji, končni cilj pa je oblikovati enotno proizvodno verigo ogljikovih vlaken → deli → končni izdelek. Vzpostavitev inkubacijskega grozda ogljikovih vlaken se lahko ujema s Silicijevo dolino v Združenih državah Amerike, izkoristiti nove trge, ustvariti novo dodano vrednost in doseči cilj 10 milijard dolarjev izvoza izdelkov, povezanih z ogljikovimi vlakni (kar ustreza približno 55,2 milijarde juanov) do leta 2020.
3. analiza globalnih raziskav in raziskovalnih rezultatov ogljikovih vlaken
Ta podrazdelek našteva članke SCI, povezane z raziskavami ogljikovih vlaken, in rezultate patentov DII od leta 2010, da bi hkrati analizirali akademske raziskave in industrijske raziskave ter razvoj globalne tehnologije ogljikovih vlaken ter v celoti razumeli napredek raziskav in razvoja ogljikovih vlaken na mednarodni ravni.
Podatki, pridobljeni iz podatkovnih baz Scie in Dewent v podatkovni bazi Web of Science, ki jo je objavil Clarivate Analytics; časovni razpon pridobitve: 2010–2017; datum pridobitve: 1. februar 2018.
Strategija iskanja dokumentov SCI: Ts = ((ogljikova vlakna* ali ogljikova vlakna* ali ("ogljikova vlakna*" ne "ogljikova steklena vlakna") ali "ogljikova vlakna*" ali "ogljikova nitka*" ali ((poliakrilonitril ali smola) in "predhodnik*" in vlakna*) ali ("grafitna vlakna*")) ne ("bambusov ogljik"))。
Strategija iskanja patentov Dewent: Ti=((ogljikova vlakna* ali ogljikova vlakna* ali ("ogljikova vlakna*" ne "ogljikova steklena vlakna") ali "ogljikova vlakna*" ali "ogljikova nitka*" ali ((poliakrilonitril ali smola) in "predhodnik*" in vlakna*) ali ("grafitna vlakna*")) ne ("bambusov ogljik")) ali TS=((ogljikova vlakna* ali ogljikova vlakna* ali ("ogljikova vlakna*" ne "ogljikova steklena vlakna") ali "ogljikova vlakna*" ali "ogljikova nitka*" ali ((poliakrilonitril ali smola) in "predhodnik*" in vlakna*) ali ("grafitna vlakna*")) ne ("bambusov ogljik")) in IP=(D01F-009/12 ali D01F-009/127 ali D01F-009/133 ali D01F-009/14 ali D01F-009/145 ali D01F-009/15 ali D01F-009/155 ali D01F-009/16 ali D01F-009/17 ali D01F-009/18 ali D01F-009/20 ali D01F-009/21 ali D01F-009/22 ali D01F-009/24 ali D01F-009/26 ali D01F-09/28 ali D01F-009/30 ali D01F-009/32 ali C08K-007/02 ali C08J-005/04 ali C04B-035/83 ali D06M-014/36 ali D06M-101/40 ali D21H-013/50 ali H01H-001/027 ali H01R-039/24).
3.1 trend
Od leta 2010 je bilo po vsem svetu objavljenih 16.553 ustreznih člankov in prijavljenih 26.390 patentov za izume, pri čemer vsi kažejo stalen naraščajoči trend iz leta v leto (slika 1).
3.2 Porazdelitev po državah ali regijah
Deset najboljših institucij z največjo svetovno produkcijo raziskovalnih člankov o ogljikovih vlaknih prihaja iz Kitajske, med katerimi je pet najboljših: Kitajska akademija znanosti, Tehnološki inštitut Harbin, Tehnološka univerza Northwestern, Univerza Donghua in Pekinški inštitut za aeronavtiko in astronavtiko. Med tujimi institucijami se med 10 in 20 uvrščajo Indijski tehnološki inštitut, Univerza v Tokiu, Univerza v Bristolu, Univerza Monash, Univerza v Manchestru in Tehnološki inštitut Georgie (slika 3).
Med 30 najboljšimi ustanovami jih je 5 na Japonskem, od tega 3 med prvimi petimi. Na prvem mestu je podjetje Toray, sledijo mu Mitsubishi Liyang (2. mesto), Teijin (4. mesto), East State (10. mesto) in Japan Toyo Textile Company (24. mesto). Kitajska ima 21 ustanov. Največje število patentov ima skupina Sinopec, ki se uvršča na tretje mesto. Na drugem mestu so Tehnološki inštitut Harbin, kabelsko podjetje Henan Ke Letter, Univerza Donghua, Kitajska petrokemična industrija Shanghai, Pekinška kemična industrija itd. Kitajska akademija znanosti Shanxi Coal je patentirala izum s 66 patenti, ki se uvršča na 27. mesto. Južnokorejske ustanove imajo 2, od tega se je Xiaoxing Co., Ltd. uvrstila na prvo mesto in se uvrstila na 8. mesto.
Izhodne institucije, proizvodnja papirja predvsem z univerz in znanstvenoraziskovalnih ustanov, patentna proizvodnja predvsem s strani podjetja, je razvidno, da je proizvodnja ogljikovih vlaken visokotehnološka panoga, kot glavni del razvoja industrije ogljikovih vlaken, podjetje pripisuje velik pomen zaščiti tehnologije raziskav in razvoja ogljikovih vlaken, zlasti dvema največjima japonskima podjetjema, število patentov pa je daleč pred drugimi.
3.4 Raziskovalna žarišča
Raziskovalni članki o ogljikovih vlaknih pokrivajo največ raziskovalnih tem: kompoziti iz ogljikovih vlaken (vključno s kompoziti, ojačanimi z ogljikovimi vlakni, kompoziti s polimerno matrico itd.), raziskave mehanskih lastnosti, analiza končnih elementov, ogljikove nanocevke, delaminacija, ojačitev, utrujenost, mikrostruktura, elektrostatično predenje, površinska obdelava, adsorpcija in tako naprej. Članki, ki obravnavajo te ključne besede, predstavljajo 38,8 % celotnega števila člankov.
Patenti za izume iz ogljikovih vlaken pokrivajo največ tem, povezanih s pripravo ogljikovih vlaken, proizvodno opremo in kompozitnimi materiali. Med njimi so japonska podjetja Toray, Mitsubishi Liyang, Teijin in druga podjetja na področju "polimernih spojin, ojačanih z ogljikovimi vlakni", ki imajo pomembno tehnično zasnovo. Poleg tega imata Toray in Mitsubishi Liyang velik delež patentne zasnove na področju "proizvodnje ogljikovih vlaken iz poliakrilonitrila in proizvodne opreme", "proizvodnje ogljikovih vlaken z nenasičenim nitrilom, kot je poliakrilonitril, poliviniliden cianid etilen" in drugih tehnologij, japonsko podjetje Teijin pa ima večji delež patentne zasnove na področju "kompozitov iz ogljikovih vlaken in kisikovih spojin".
Skupina China Sinopec, Pekinška kemijska univerza in Kitajska akademija znanosti Ningbo Materials imajo velik delež patentne razporeditve v okviru "proizvodnje poliakrilonitrila iz ogljikovih vlaken in proizvodne opreme"; Poleg tega se je Tehnološki inštitut Harbin osredotočil na razporeditev "obdelave ogljikovih vlaken", "kompozitov iz ogljikovih vlaken in kisikovih spojin" ter drugih tehnologij v okviru ključne razporeditve materialov Pekinške kemijske univerze, Pekinške akademije znanosti Shanxi Coal Chemical Institute in Kitajske akademije znanosti Ningbo.
Poleg tega je iz letnih statističnih statistik porazdelitve svetovnih patentov razvidno, da se je v zadnjih treh letih začelo pojavljati več novih vročih točk, kot so: "Sestavine poliamidov, pridobljene z reakcijo nastanka karboksilatnih vezi v glavni verigi", "poliestrske sestavine z nastankom 1-esterske vezi karboksilne kisline v glavni verigi", "kompozitni material na osnovi sintetičnih materialov", "ciklične karboksilne kisline, ki vsebujejo kisikove spojine, kot sestavine kompozitov iz ogljikovih vlaken", "v tridimenzionalni obliki strjevanja ali obdelave tekstilnih materialov", "nenasičeni eter, acetal, pol-acetal, keton ali aldehid zgolj z reakcijo nenasičenih vezi ogljik-ogljik za proizvodnjo polimernih spojin", "adiabatski material za cevi ali kable", "kompoziti iz ogljikovih vlaken s fosfatnimi estri kot sestavinami" in tako naprej.
V zadnjih letih se je pojavilo veliko raziskav in razvoja v sektorju ogljikovih vlaken, večina prebojev pa prihaja iz Združenih držav Amerike in Japonske. Najnovejše vrhunske tehnologije se ne osredotočajo le na tehnologijo proizvodnje in priprave ogljikovih vlaken, temveč tudi na uporabo v širšem naboru avtomobilskih materialov, kot so lahka gradnja, 3D-tiskanje in materiali za proizvodnjo energije. Poleg tega so recikliranje in recikliranje materialov iz ogljikovih vlaken, priprava ogljikovih vlaken iz lesnega lignina in drugi dosežki dosegli odlične rezultate. Reprezentativni rezultati so opisani spodaj:
1) Ameriški tehnološki inštitut Georgia je prebil tehnologijo ogljikovih vlaken tretje generacije
Julija 2015 je Tehnološki inštitut Georgia s financiranjem DARPA s svojo inovativno tehniko predenja ogljikovih vlaken na osnovi posode znatno povečal svoj modul in presegel ogljikova vlakna Hershey IM7, ki se danes pogosto uporabljajo v vojaških letalih, s čimer je postal druga država na svetu, ki je po Japonski obvladala tretjo generacijo tehnologije ogljikovih vlaken.
Natezna trdnost gelskih ogljikovih vlaken, ki jih izdeluje Kumarz, doseže od 5,5 do 5,8 GPa, natezni modul pa je med 354 in 375 GPa. "To je neprekinjeno vlakno, za katero so poročali, da ima najvišjo trdnost in modul celovite zmogljivosti. V kratkem snopu filamentov je natezna trdnost do 12,1 GPa, kar je enako najvišji vrednosti med poliakrilonitrilnimi ogljikovimi vlakni."
2) Tehnologija ogrevanja z elektromagnetnimi valovi
Leta 2014 je Nedo razvil tehnologijo elektromagnetnega segrevanja. Tehnologija karbonizacije z elektromagnetnimi valovi se nanaša na uporabo tehnologije elektromagnetnega segrevanja za karbonizacijo vlaken pri atmosferskem tlaku. Dobljena zmogljivost ogljikovih vlaken je v osnovi enaka kot pri ogljikovih vlaknih, proizvedenih z visokotemperaturnim segrevanjem, elastični modul lahko doseže več kot 240 GPA, raztezek pri pretrgu pa je večji od 1,5 %, kar je prvi uspeh na svetu.
Vlaknast material se karbonizira z elektromagnetnim valovanjem, tako da oprema za karbonizacijsko peč, ki se uporablja za visokotemperaturno segrevanje, ni potrebna. Ta postopek ne le skrajša čas, potreben za karbonizacijo, temveč tudi zmanjša porabo energije in emisije CO2.
3) fina kontrola procesa karbonizacije
Marca 2014 je Toray napovedal uspešen razvoj ogljikovih vlaken t1100g. Toray uporablja tradicionalno tehnologijo predenja v raztopini posode za natančen nadzor procesa karbonizacije, izboljšanje mikrostrukture ogljikovih vlaken na nanoskali, nadzor orientacije grafitnih mikrokristalov, velikosti mikrokristalov, napak in tako naprej v vlaknu po karbonizaciji, tako da se lahko močno izboljšata trdnost in modul elastičnosti. Natezna trdnost t1100g je 6,6 GPa, kar je 12 % več kot pri T800, modul elastičnosti pa je 324 GPa in se je povečal za 10 %, kar pomeni vstop v fazo industrializacije.
4) Tehnologija površinske obdelave
Podjetje Teijin East State je uspešno razvilo tehnologijo površinske obdelave s plazmo, ki lahko v le nekaj sekundah nadzoruje videz ogljikovih vlaken. Ta nova tehnologija znatno poenostavi celoten proizvodni proces in zmanjša porabo energije za 50 % v primerjavi z obstoječo tehnologijo površinske obdelave za vodne raztopine elektrolitov. Poleg tega se je po plazemski obdelavi izkazalo, da se je izboljšala tudi adhezija vlaken in smolne matrice.
5) študija o stopnji ohranjanja natezne trdnosti ogljikovih vlaken v grafitnem okolju pri visoki temperaturi
Podjetje Ningbo Materials je uspešno izvedlo podrobno študijo o analizi procesov, strukturnih raziskavah in optimizaciji delovanja domačih visoko trdnostnih in visokomodnih ogljikovih vlaken, zlasti raziskovalno delo o stopnji zadrževanja natezne trdnosti ogljikovih vlaken v visokotemperaturnem grafitnem okolju ter nedavno uspešno pripravo visoko trdnostnih in višjemodulnih ogljikovih vlaken z natezno trdnostjo 5,24 GPa in volumskim nateznim modulom 593 GPa. Še vedno imajo prednost natezne trdnosti v primerjavi z japonskimi visoko trdnostnimi visoko oblikovanimi ogljikovimi vlakni Toray m60j (natezna trdnost 3,92 GPa, natezni modul 588 GPa).
6) Mikrovalovni grafit
Yongda Advanced Materials je uspešno razvil ekskluzivno patentirano tehnologijo grafita za ultra visoke temperature v Združenih državah Amerike, proizvodnjo ogljikovih vlaken srednjega in višjega reda, uspešno pa je prebil tri ozka grla pri razvoju ogljikovih vlaken višjega reda: draga oprema za grafit in pod mednarodnim nadzorom, težave s kemično tehnologijo surove svile, nizki in visoki proizvodni donos. Do sedaj je Yongda razvil tri vrste ogljikovih vlaken, ki so vse dvignile trdnost in modul prvotnih relativno nizkokakovostnih ogljikovih vlaken na novo višino.
7) Nov postopek talilnega predenja surove žice iz ogljikovih vlaken na osnovi posode, Fraunhofer, Nemčija
Fraunhoferjev inštitut za uporabne polimere (Applied polymer Research, IAP) je nedavno napovedal, da bo na letalskem sejmu v Berlinu 25. in 29. aprila 2018 predstavil najnovejšo tehnologijo Comcarbon. Ta tehnologija močno zmanjša proizvodne stroške množično proizvedenih ogljikovih vlaken.
Slika 4 Predenje s taljenjem surove žice.
Dobro je znano, da se pri tradicionalnih postopkih polovica proizvodnih stroškov ogljikovih vlaken na osnovi pan porabi v procesu proizvodnje surove žice. Ker se surova žica ne more taliti, jo je treba proizvajati z dragim postopkom predenja v raztopini (Solution Spinning). "V ta namen smo razvili nov postopek za proizvodnjo surove svile na osnovi pan, ki lahko zmanjša proizvodne stroške surove žice za 60 %. Gre za ekonomičen in izvedljiv postopek talilnega predenja z uporabo posebej razvitega taljenega kopolimera na osnovi pan," je pojasnil dr. Johannes Ganster, minister za biološke polimere na inštitutu Fraunhofer IAP.
8) Tehnologija plazemske oksidacije
Podjetje 4M Carbon fiber je sporočilo, da bo tehnologijo plazemske oksidacije strateški usmerilo v proizvodnjo in prodajo visokokakovostnih in poceni ogljikovih vlaken, ne le za licenciranje tehnologije. 4M trdi, da je tehnologija plazemske oksidacije trikrat hitrejša od običajne tehnologije oksidacije, medtem ko poraba energije znaša manj kot tretjino pri tradicionalni tehnologiji. Te izjave so potrdili številni mednarodni proizvajalci ogljikovih vlaken, ki se posvetujejo s številnimi največjimi svetovnimi proizvajalci ogljikovih vlaken in avtomobilskimi proizvajalci, da bi sodelovali kot pobudniki proizvodnje poceni ogljikovih vlaken.
9) Celulozna nano vlakna
Japonska univerza v Kjotu skupaj z več večjimi dobavitelji komponent, kot sta podjetje za električne inštalacije (največji dobavitelj Toyote) in Daikyonishikawa Corp., dela na razvoju plastičnih materialov, ki združujejo celulozna nanovlakna. Ta material je izdelan z razbitjem lesne celuloze na nekaj mikronov (1 na tisoč mm). Teža novega materiala je le petina teže jekla, vendar je njegova trdnost petkrat večja od trdnosti jekla.
10) sprednje telo iz ogljikovih vlaken iz poliolefinskih in ligninskih surovin
Nacionalni laboratorij Oak Ridge v Združenih državah Amerike se od leta 2007 ukvarja z raziskavami nizkocenovnih ogljikovih vlaken in razvili so sprednja telesa iz ogljikovih vlaken za poliolefinske in ligninske surovine ter napredne tehnologije plazemske predoksidacije in mikrovalovne karbonizacije.
11) Novi polimer (predhodnik polimera) je bil razvit z odstranitvijo ognjevzdržne obdelave
V proizvodni metodi, ki jo vodi Univerza v Tokiu, je bil razvit nov polimer (predhodni polimer) za odstranitev ognjevzdržne obdelave. Glavna stvar je, da se po predenju polimera v svilo ne izvede prvotne ognjevzdržne obdelave, temveč se ta oksidira v topilu. Mikrovalovna grelna naprava se nato segreje na več kot 1000 ℃ za karbonizacijo. Čas segrevanja traja le 2-3 minute. Po karbonizaciji se za površinsko obdelavo uporabi tudi plazma, tako da se lahko izdelajo ogljikova vlakna. Obdelava s plazmo traja manj kot 2 minuti. Na ta način se lahko prvotni čas sintranja 30-60 minut skrajša na približno 5 minut. V novi proizvodni metodi se plazemska obdelava izvaja za izboljšanje vezi med ogljikovimi vlakni in termoplastično smolo kot osnovnim materialom CFRP. Natezni elastični modul ogljikovih vlaken, izdelanih po novi proizvodni metodi, je 240 GPa, natezna trdnost je 3,5 GPa, raztezek pa doseže 1,5 %. Te vrednosti so enake kot pri ogljikovih vlaknih Toray Universal razreda T300, ki se uporabljajo za športno opremo itd.
12) recikliranje in uporaba ogljikovih vlaken z uporabo postopka fluidiziranega sloja
Mengran Meng, prvi avtor študije, je dejal: »Pridobivanje ogljikovih vlaken zmanjša vpliv na okolje v primerjavi s proizvodnjo surovih ogljikovih vlaken, vendar je ozaveščenost o potencialnih tehnologijah recikliranja in ekonomski izvedljivosti recikliranja ogljikovih vlaken omejena. Recikliranje poteka v dveh fazah: vlakna je treba najprej pridobiti iz kompozitov iz ogljikovih vlaken in jih termično razgraditi z mehanskim mletjem materialov ali s pirolizo ali postopki fluidiziranega sloja. Te metode odstranijo plastični del kompozitnega materiala, tako da ostanejo ogljikova vlakna, ki jih je nato mogoče pretvoriti v prepletene vlaknene podloge z uporabo tehnologije mokre izdelave papirja ali reorganizirati v usmerjena vlakna.«
Raziskovalci so izračunali, da bi lahko ogljikova vlakna pridobili iz odpadkov kompozitov iz ogljikovih vlaken z uporabo postopka s fluidiziranim slojem, kar bi zahtevalo le 5 dolarjev/kg in manj kot 10 % energije, potrebne za proizvodnjo primarnih ogljikovih vlaken. Reciklirana ogljikova vlakna, proizvedena s postopki s fluidiziranim slojem, komajda zmanjšajo modul, natezna trdnost pa se zmanjša za 18 % do 50 % v primerjavi s primarnimi ogljikovimi vlakni, zaradi česar so primerna za aplikacije, ki zahtevajo visoko togost in ne trdnost. "Reciklirana ogljikova vlakna so lahko primerna za nekonstrukcijske aplikacije, ki zahtevajo lahko težo, kot so avtomobilska, gradbena, vetrna in športna industrija," je dejal Meng.
13) V Združenih državah Amerike razvita nova tehnologija recikliranja ogljikovih vlaken
Junija 2016 so raziskovalci na Tehnološkem inštitutu Georgia v Združenih državah Amerike ogljikova vlakna namočili v topilu, ki vsebuje alkohol, da bi raztopili epoksi smolo, ločena vlakna in epoksi smole pa se lahko ponovno uporabijo, kar je uspešno pripeljalo do predelave ogljikovih vlaken.
Julija 2017 je Univerza v Washingtonu razvila tudi tehnologijo za pridobivanje ogljikovih vlaken, pri čemer je kot katalizator uporabila šibko kislino in tekoči etanol pri relativno nizkih temperaturah razgradila termoreaktivne materiale. Razgrajena ogljikova vlakna in smola se ločeno hranijo in se lahko ponovno uporabijo.
14) Razvoj tehnologije 3D-tiskanja z ogljikovimi vlakni in črnilom v laboratoriju LLNL, ZDA
Marca 2017 je Nacionalni laboratorij Lawrence Livemore (LLNL) v Združenih državah Amerike razvil prve 3D-natisnjene visokozmogljive kompozite iz ogljikovih vlaken letalske kakovosti. Uporabili so metodo 3D-tiskanja z neposrednim prenosom črnila (DIW) za ustvarjanje kompleksnih tridimenzionalnih struktur, ki so močno izboljšale hitrost obdelave za uporabo v avtomobilski, letalski, obrambni in motociklistični industriji ter deskanju na vodi.
15) Združene države Amerike, Koreja in Kitajska sodelujejo pri razvoju ogljikovih vlaken za proizvodnjo energije.
Avgusta 2017 so kampus Univerze v Teksasu v Dallasu, Univerza Hanyang v Koreji, Univerza Nankai na Kitajskem in druge institucije sodelovale pri razvoju materiala iz ogljikovih vlaken za proizvodnjo energije. Preja se najprej namaka v elektrolitnih raztopinah, kot je slanica, kar omogoča, da se ioni v elektrolitu pritrdijo na površino ogljikovih nanocevk, ki se lahko pretvorijo v električno energijo, ko se preja zategne ali raztegne. Material se lahko uporablja kjer koli z zanesljivo kinetično energijo in je primeren za napajanje senzorjev interneta stvari.
16) Nov napredek v raziskavah ogljikovih vlaken iz lesnega lignina, ki so ga dosegli Kitajci oziroma Američani
Marca 2017 je ekipa za posebna vlakna na Inštitutu za materialno tehnologijo in inženirstvo v Ningbu pripravila kopolimer lignina in akrilonitrila z dobro predljivostjo in toplotno stabilnostjo z uporabo tehnologije esterifikacije in dvostopenjske modifikacije s kopolimerizacijo prostih radikalov. Z uporabo kopolimera in postopka mokrega predenja so bili pridobljeni visokokakovostni neprekinjeni filamenti, kompaktna ogljikova vlakna pa so bila pridobljena po toplotni stabilizaciji in karbonizaciji.
Avgusta 2017 je raziskovalna ekipa Birgitte Ahring na Univerzi v Washingtonu v Združenih državah Amerike zmešala lignin in poliakrilonitril v različnih razmerjih ter nato s tehnologijo talilnega predenja pretvorila mešane polimere v ogljikova vlakna. Študija je pokazala, da lignin, dodan 20 % do 30 %, ni vplival na trdnost ogljikovih vlaken in naj bi se uporabljal pri proizvodnji cenejših materialov iz ogljikovih vlaken za avtomobilske ali letalske dele.
Konec leta 2017 je Nacionalni laboratorij za obnovljivo energijo (NREL) objavil raziskavo o proizvodnji akrilonitrila z uporabo odpadnih delov rastlin, kot sta koruzna in pšenična slama. Rastlinske materiale najprej razgradijo v sladkor, nato pa jih pretvorijo v kisline in jih združijo s poceni katalizatorji za proizvodnjo ciljnih produktov.
17) Japonska razvija prvo avtomobilsko šasijo iz termoplastičnega kompozita, ojačanega z ogljikovimi vlakni
Oktobra 2017 je japonska agencija za raziskave in razvoj, ki je združila novo tehnologijo energetske industrije, in Nacionalni center za raziskave kompozitov Univerze v Nagoji uspešno razvila prvo avtomobilsko šasijo iz termoplastičnega kompozita, ojačanega z ogljikovimi vlakni, na svetu. Z avtomatskim postopkom neposrednega brizganja termoplastičnih kompozitov, ojačanih z dolgimi vlakni, so neprekinjeno mešali delce ogljikovih vlaken in termoplastične smole, izdelali kompozite, ojačane z vlakni, in nato s segrevanjem in taljenjem uspešno izdelali avtomobilsko šasijo iz termoplastičnega CFRP.
5. predlogi za raziskave in razvoj tehnologije ogljikovih vlaken na Kitajskem
5.1 Napredna postavitev, usmerjena k ciljem, osredotočenost na preboj tretje generacije tehnologije ogljikovih vlaken
Kitajska tehnologija ogljikovih vlaken druge generacije še ni celovit preboj, zato bi si morala prizadevati za napredno zasnovo, ki bo združila naše ustrezne raziskovalne ustanove in se osredotočila na zajemanje ključnih tehnologij, s poudarkom na raziskavah in razvoju visokozmogljive tehnologije priprave ogljikovih vlaken tretje generacije (tj. uporabne za letalsko in vesoljsko industrijo z visoko trdnostjo in visokim modulom ogljikovih vlaken) ter razviti tehnologiji kompozitnih materialov iz ogljikovih vlaken, vključno z avtomobilsko industrijo, gradbeništvom in popravilom ter drugimi lahkimi, nizkocenovnimi in velikimi materiali za pripravo ogljikovih vlaken, tehnologijo aditivne proizvodnje, tehnologijo recikliranja in tehnologijo hitre izdelave prototipov.
5.2 Koordinacija organizacije, krepitev podpore, vzpostavitev večjih tehničnih projektov za stalno podporo skupnim raziskavam
Trenutno na Kitajskem obstaja veliko institucij, ki izvajajo raziskave ogljikovih vlaken, vendar je moč razpršena in ni enotnega mehanizma organizacije raziskav in razvoja ter močne finančne podpore za učinkovito koordinacijo. Sodeč po razvojnih izkušnjah razvitih držav imata organizacija in postavitev večjih projektov veliko vlogo pri spodbujanju razvoja tega tehničnega področja. Osredotočiti se moramo na prednost kitajske raziskovalne in razvojne sile, saj bi s prebojem kitajske tehnologije raziskav in razvoja ogljikovih vlaken lahko začeli večje projekte, okrepili skupne tehnološke inovacije in nenehno spodbujali raven kitajske tehnologije raziskav ogljikovih vlaken ter konkurenco na mednarodnem področju ogljikovih vlaken in kompozitov.
5.3 Izboljšanje mehanizma ocenjevanja usmerjenosti tehničnih dosežkov na učinek uporabe
Z vidika ekonometrične analize člankov SCI se kitajska ogljikova vlakna uporabljajo kot visokozmogljiv material na različnih področjih raziskav, vendar se pri proizvodnji in tehnologiji priprave ogljikovih vlaken, zlasti pri zmanjševanju stroškov, izboljšuje učinkovitost proizvodnje z manj raziskavami. Proizvodni proces ogljikovih vlaken je dolg, s ključnimi tehnološkimi točkami in visokimi proizvodnimi ovirami, kar pomeni multidisciplinarno in večtehnološko integracijo. Za učinkovito spodbujanje raziskav in razvoja "nizkocenovne in visokozmogljive" tehnologije priprave jeder je treba po eni strani okrepiti naložbe v raziskave, po drugi strani pa oslabiti področje ocenjevanja uspešnosti znanstvenih raziskav, okrepiti smernice za ocenjevanje učinka uporabe tehničnih dosežkov in preiti od "kvantitativnega" ocenjevanja, ki je osredotočeno na objavo članka, k "kakovostnemu" ocenjevanju vrednosti rezultatov.
5.4 Krepitev gojenja vrhunskih tehnološko naprednih talentov
Visokotehnološka lastnost tehnologije ogljikovih vlaken določa pomen specializiranih talentov, saj ali imajo najsodobnejše tehnično osebje, to neposredno določa raven raziskav in razvoja institucije.
Zaradi povezav med raziskavami in razvojem na področju tehnologije ogljikovih vlaken bi morali biti pozorni na usposabljanje osebja v sestavljenih okoljih, da bi zagotovili koordinacijo in razvoj vseh povezav. Poleg tega je iz zgodovine razvoja raziskav ogljikovih vlaken na Kitajskem razvidno, da je pretok ključnih tehnoloških strokovnjakov pogosto ključni dejavnik, ki vpliva na raven raziskav in razvoja raziskovalne ustanove. Ohranjanje stalne prisotnosti ključnih strokovnjakov in raziskovalnih ekip v proizvodnih procesih, kompozitih in glavnih izdelkih je pomembno za nenehno nadgradnjo tehnologije.
Še naprej bi morali krepiti usposabljanje in uporabo specializiranega visokotehnološkega osebja na tem področju, izboljšati politiko ocenjevanja in obravnave talentov na področju tehnoloških raziskav in razvoja, okrepiti gojenje mladih talentov, aktivno podpirati sodelovanje in izmenjave s tujimi naprednimi raziskovalnimi in razvojnimi ustanovami ter odločno uvajati tuje napredne talente itd. To bo imelo veliko vlogo pri spodbujanju razvoja raziskav ogljikovih vlaken na Kitajskem.
Citirano iz-
Analiza razvoja globalne tehnologije ogljikovih vlaken in njenega odkritja na Kitajskem. Tian Yajuan, Zhang Zhiqiang, Tao Cheng, Yang ming, Ba jin, Chen Yunwei.Svetovni znanstveno-tehnološki raziskavi in razvoj.2018
Čas objave: 4. dec. 2018