Karbon fiber, %95'in üzerinde karbon içeriğine sahip, düşük yoğunluklu, yüksek mukavemetli, yüksek sıcaklık dayanımlı, yüksek kimyasal kararlılığa sahip, yorulmaya karşı dayanıklı, aşınmaya dayanıklı ve diğer mükemmel temel fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip inorganik polimer fiber inorganik yeni bir malzemedir ve yüksek titreşim azaltma, iyi iletken termal iletkenlik, elektromanyetik koruma performansı ve düşük termal genleşme katsayısı ve diğer özelliklere sahiptir. Bu mükemmel özellikler karbon fiberin havacılık, demiryolu taşımacılığı, araç üretimi, silah ve ekipman, inşaat makineleri, altyapı inşaatı, deniz mühendisliği, petrol mühendisliği, rüzgar enerjisi, spor malzemeleri ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmasını sağlar.
Çin, karbon fiber malzemelerin ulusal stratejik ihtiyaçlarına dayanarak, onu desteğe odaklanan gelişmekte olan endüstrilerin temel teknolojilerinden biri olarak listelemiştir. Ulusal "Oniki Beş" Bilim ve teknoloji planlamasında, yüksek performanslı karbon fiberin hazırlanması ve uygulama teknolojisi, devlet tarafından desteklenen stratejik gelişmekte olan endüstrilerin temel teknolojilerinden biridir. Mayıs 2015'te Devlet Konseyi, yeni malzemeleri güçlü tanıtım ve geliştirmenin temel alanlarından biri olarak resmen "Made in China 2025" yayınladı, yüksek performanslı yapısal malzemeler, gelişmiş kompozitler de dahil olmak üzere yeni malzemeler, yeni malzemeler alanında geliştirmenin odak noktasıdır. Ekim 2015'te Sanayi ve Enformasyon Sanayi Bakanlığı, "Çin Üretimi 2025 Temel Alanlar Teknoloji Yol Haritası"nı, "yüksek performanslı fiber ve kompozitleri"ni temel stratejik malzeme olarak resmen yayınladı, 2020 hedefi "büyük uçakların ve diğer önemli ekipmanların teknik gereksinimlerini karşılamak için yerli karbon fiber kompozitler"dir. Kasım 2016'da Devlet Konseyi, yeni malzeme endüstrisinin yukarı ve aşağı akış iş birliği desteğini güçlendirmek, karbon fiber kompozitler ve diğer alanlarda işbirlikçi uygulama pilot gösterisi yapmak, işbirlikçi bir uygulama platformu oluşturmak için açıkça belirtilen "On Üç Beş" ulusal Stratejik Gelişen Endüstriler Geliştirme planını yayınladı. Ocak 2017'de Sanayi ve Kalkınma Bakanlığı, NDRC, bilim ve teknoloji ve Maliye Bakanlığı ortaklaşa "Yeni malzeme endüstrilerinin geliştirilmesine yönelik kılavuz"u formüle etti ve 2020 itibarıyla "karbon fiber kompozitler, yüksek kaliteli özel çelik, gelişmiş hafif alaşımlı malzemeler ve diğer alanlarda 70'ten fazla temel yeni malzeme endüstrileşmesi ve uygulaması elde etmek, Çin'in yeni malzeme endüstrisinin gelişim düzeyine uyan bir proses ekipmanı destek sistemi oluşturmak" önerdi.
Karbon fiber ve kompozitleri ulusal savunma ve halkın geçiminde önemli bir rol oynadığı için birçok uzman bunların geliştirilmesine ve araştırma eğilimlerinin analizine odaklanmaktadır. Dr. Zhou Hong, yüksek performanslı karbon fiber teknolojisinin geliştirilmesinin ilk aşamalarında Amerikalı bilim insanları tarafından yapılan bilimsel ve teknolojik katkıları gözden geçirmiş, karbon fiberin 16 ana uygulaması ve son teknolojik gelişmeleri tarayıp raporlamış ve poliakrilonitril karbon fiberin üretim teknolojisi, özellikleri ve uygulaması ile mevcut teknolojik gelişimi Dr. Wei Xin vb. tarafından incelenmiştir. Ayrıca Çin'de karbon fiberin geliştirilmesinde var olan sorunlara yönelik bazı yapıcı önerilerde bulunmuştur. Ayrıca birçok kişi karbon fiber ve kompozitleri alanındaki makalelerin ve patentlerin metroloji analizi üzerine araştırmalar yapmıştır. Örneğin, Ma Xianglin ve diğerleri 1998-2017 karbon fiber patent dağıtımı ve analiz alanının uygulanması açısından metroloji açısından; Yang Sisi ve diğerleri, küresel karbon fiber kumaş patent arama ve veri istatistikleri için Innography platformunu temel alarak, patentlerin yıllık gelişim trendinden, patent sahiplerinden, patent teknolojisi sıcak noktasından ve teknolojinin çekirdek patentinden analiz ediyor.
Karbon fiber araştırma ve geliştirme yörüngesi perspektifinden bakıldığında, Çin'in araştırması neredeyse dünyayla senkronize, ancak gelişme yavaş, yüksek performanslı karbon fiber üretim ölçeği ve kalitesi yabancı ülkelerle karşılaştırıldığında bir boşluk var, Ar-Ge sürecini hızlandırmak, stratejik düzeni geliştirmek, gelecekteki endüstri geliştirme fırsatını yakalamak için acil bir ihtiyaç var. Bu nedenle, bu makale öncelikle karbon fiber araştırma alanında ülkelerin proje düzenini araştırıyor, çeşitli ülkelerdeki Ar-Ge rotalarının planlamasını anlamak için ve ikincisi, karbon fiberin temel araştırma ve uygulama araştırması karbon fiberin teknik araştırma ve geliştirmesi için çok önemli olduğundan, bu nedenle, Karbon fiber alanında Ar-Ge ilerlemesi hakkında kapsamlı bir anlayış elde etmek ve bu alandaki son araştırma gelişmelerini Peep International Frontier Ar-Ge ilerlemesine taramak için aynı anda akademik araştırma sonuçlarından-SCI makalelerinden ve uygulamalı araştırma sonuçlarından-patentlerden metroloji analizi yürütüyoruz. Son olarak, yukarıdaki araştırma sonuçlarına dayanarak, Çin'de karbon fiber alanında araştırma ve geliştirme rotası için bazı önerilerde bulunulmaktadır.
2.Çkarbon elyafıaraştırma projesi düzenibüyük ülkeler/bölgeler
Karbon fiberin başlıca üretim ülkeleri arasında Japonya, Amerika Birleşik Devletleri, Güney Kore, bazı Avrupa ülkeleri ve Tayvan, Çin yer almaktadır. Karbon fiber teknolojisinin geliştirilmesinin erken aşamasında olan ileri teknoloji ülkeleri bu malzemenin önemini fark etmiş, stratejik bir düzenleme gerçekleştirmiş, karbon fiber malzemelerin geliştirilmesini şiddetle teşvik etmiştir.
2.1 Japonya
Japonya karbon fiber teknolojisi için en gelişmiş ülkedir. Japonya'daki Toray, Bong ve Mitsubishi Liyang'daki 3 şirket, karbon fiber üretiminin küresel pazar payının yaklaşık %70~80'ini oluşturmaktadır. Bununla birlikte, Japonya bu alandaki güçlü yönlerini, özellikle yüksek performanslı tava bazlı karbon fiberlerin ve enerji ve çevre dostu teknolojilerin geliştirilmesine, güçlü insan ve finansal desteğe ve temel enerji planı, ekonomik büyüme için stratejik ana hatlar ve Kyoto Protokolü dahil olmak üzere bir dizi temel politikaya büyük önem vermektedir. Bunu ilerletilmesi gereken stratejik bir proje haline getirmiştir. Temel ulusal enerji ve Çevre Politikası temelinde, Japonya Ekonomi, Sanayi ve Mülkiyet Bakanlığı "Enerji tasarrufu teknolojisi araştırma ve geliştirme programı"nı ortaya koymuştur. Yukarıdaki politika tarafından desteklenen Japon karbon fiber endüstrisi, kaynakların tüm yönlerini daha etkili bir şekilde merkezileştirebilmiş ve karbon fiber endüstrisindeki ortak sorunların çözümünü teşvik edebilmiştir.
"Yenilikçi yeni yapısal malzemeler gibi teknoloji geliştirme" (2013-2022), Japonya'da "Geleceğin Gelişimi araştırma projesi" kapsamında uygulanan, gerekli yenilikçi yapısal malzeme teknolojisinin geliştirilmesini ve farklı malzemelerin kombinasyonunu önemli ölçüde başarmayı amaçlayan bir projedir ve temel amacı ulaşım araçlarının hafifliğini (araba ağırlığının yarısı) azaltmaktır. Ve son olarak pratik uygulamasını gerçekleştirmektir. 2014 yılında araştırma ve geliştirme projesini devraldıktan sonra, Endüstriyel Teknoloji Geliştirme Ajansı (NEDO), karbon fiber araştırma projesi "Yenilikçi karbon fiber temel araştırma ve geliştirme"nin genel hedeflerinin şunlar olduğu birkaç alt proje geliştirdi: yeni karbon fiber öncü bileşikleri geliştirmek; karbonizasyon yapılarının oluşum mekanizmasını açıklamak; ve karbon fiber değerlendirme yöntemlerini geliştirmek ve standartlaştırmak. Tokyo Üniversitesi öncülüğünde ve Endüstriyel Teknoloji Enstitüsü (NEDO), Toray, Teijin, Dongyuan ve Mitsubishi Liyang'ın ortak katılımıyla yürütülen proje, Ocak 2016'da önemli ilerleme kaydetti ve Japonya'da 1959'da "Kondo modu"nun icat edilmesinin ardından tava bazlı karbon fiber alanında bir başka önemli atılım oldu.
2.2 Amerika Birleşik Devletleri
ABD savunma ön araştırma Ajansı (DARPA), ülkenin baskın bilimsel araştırma gücünü bir araya getirerek karbon fiberlere dayalı yeni nesil yapısal fiberler geliştirmek amacıyla 2006 yılında Gelişmiş Yapısal Fiber projesini başlattı. Bu projeyle desteklenen ABD'deki Georgia Teknoloji Enstitüsü'nün araştırma ekibi, 2015 yılında ham tel hazırlama teknolojisini aşarak elastik modülünü %30 oranında artırdı ve ABD'yi üçüncü nesil karbon fiberin geliştirme kapasitesiyle işaretledi.
2014 yılında, ABD Enerji Bakanlığı (DOE), tarımsal kalıntıların kullanımını teşvik etmek amacıyla "yenmeyen biyokütle şekerlerinin akrilonitrile dönüştürülmesi için çok adımlı katalitik prosesler" ve "biyokütle üretiminden elde edilen akrilonitrilin araştırılması ve optimizasyonu" üzerine iki proje için 11,3 milyon dolarlık bir sübvansiyon duyurdu. Odunsu biyokütle gibi yenilenebilir gıda dışı hammaddelerin üretimi için maliyet açısından rekabetçi yenilenebilir yüksek performanslı karbon fiber malzemeler üzerine araştırma yapılması ve biyokütle yenilenebilir karbon fiberlerinin üretim maliyetinin 2020 yılına kadar 5$/lb'nin altına düşürülmesi planlanıyor.
ABD Enerji Bakanlığı, Mart 2017'de Batı Amerika Enstitüsü (WRI) liderliğinde, kömür ve biyokütle gibi kaynaklara dayalı düşük maliyetli karbon fiber bileşenlerin geliştirilmesine odaklanan "düşük maliyetli karbon fiber bileşen Ar-Ge projesi" için 3,74 milyon dolarlık fon sağladığını duyurdu.
Temmuz 2017'de ABD Enerji Bakanlığı, gelişmiş enerji tasarruflu araçların araştırma ve geliştirilmesini desteklemek için 19,4 milyon dolarlık bir fon sağladığını duyurdu; bunun 6,7 milyonu, hesaplamalı malzemeler kullanılarak düşük maliyetli karbon fiberlerin hazırlanmasını finanse etmek için kullanıldı. Bu kapsamda, yeni karbon fiber öncüllerinin coşkusunu değerlendirmek için entegre bilgisayar teknolojisi için çok ölçekli değerlendirme yöntemlerinin geliştirilmesi amaçlandı. Gelişmiş moleküler dinamik destekli yoğunluk fonksiyonel teorisi, makine öğrenimi ve diğer araçlar, düşük maliyetli karbon fiber hammaddelerinin seçim verimliliğini artırmak için son teknoloji bilgisayar araçları geliştirmek için kullanıldı.
2.3 Avrupa
Avrupa karbon elyaf endüstrisi, 20. yüzyılın yetmişli veya seksenli yıllarında Japonya ve ABD'de gelişti, ancak teknoloji ve sermaye nedeniyle, birçok tek karbon elyaf üreten şirket, 2000'li yıllardan sonraki karbon elyaf talebinin yüksek büyüme dönemine uymadı ve ortadan kayboldu. Alman şirketi SGL, dünya karbon elyaf pazarında önemli bir paya sahip olan Avrupa'daki tek şirkettir.
Kasım 2011'de Avrupa Birliği, havacılık için karbon fiber ve önceden emdirilmiş malzemelerde Avrupa üretim kapasitelerini yükseltmeyi amaçlayan Eucarbon Projesi'ni başlattı. Proje 4 yıl sürdü ve toplam 3,2 milyon avro yatırım yapıldı ve Mayıs 2017'de uydular gibi uzay uygulamaları için Avrupa'nın ilk özel karbon fiber üretim hattı başarıyla kuruldu ve böylece Avrupa'nın ürüne olan ithalat bağımlılığından uzaklaşması ve malzeme tedarikinin güvenliğini sağlaması sağlandı.
AB Yedinci Çerçeve Planı, "maliyet etkin ve yönetilebilir performansa sahip yeni bir öncül sistemin hazırlanmasında işlevsel karbon fiber" (FIBRALSPEC) projesini (2014-2017) 6,08 milyon avro ile desteklemeyi planlıyor. Yunanistan, Atina Ulusal Teknik Üniversitesi tarafından yönetilen ve İtalya, Birleşik Krallık ve Ukrayna gibi çok uluslu şirketlerin katılımıyla gerçekleştirilen 4 yıllık proje, sürekli pan bazlı karbon fiberlerin deneysel üretimini elde etmek için poliakrilonitril bazlı karbon fiberlerin sürekli hazırlanması sürecini yenilemeye ve iyileştirmeye odaklanmıştır. Proje, yenilenebilir organik polimer kaynaklarından (süper kapasitörler, hızlı acil durum barınakları ve prototip mekanik elektrikli döner kaplama makineleri ve nanofiberlerin üretim hattı geliştirme vb. gibi) karbon fiber ve geliştirilmiş kompozit teknolojisinin geliştirilmesini ve uygulanmasını başarıyla tamamlamıştır.
Otomotiv, rüzgar enerjisi ve gemi yapımı gibi giderek artan sayıda endüstriyel sektör, karbon fiber endüstrisi için büyük bir potansiyel pazar olan hafif, yüksek performanslı kompozitlere ihtiyaç duymaktadır. AB, stratejik hedefi Avrupa'da yaygın olarak bulunan yenilenebilir malzemelerden düşük maliyetli öncüller geliştirmek ve karbon nanotüpler aracılığıyla yüksek performanslı karbon fiberlerin üretimini artırmak olan Carboprec projesini (2014-2017) başlatmak için 5,968 milyon avro yatırım yapmaktadır.
Avrupa Birliği'nin Cleansky II araştırma programı, Almanya'daki Fraunhofer Üretim ve Sistem Güvenilirliği Enstitüsü (LBF) tarafından yönetilen ve Airbus A320 için karbon fiber takviyeli kompozit uçaklar için ön tekerlek bileşenleri geliştirmeyi planlayan bir "Kompozit lastik Ar-Ge" projesini (2017) finanse etti. Amaç, geleneksel metal malzemelere kıyasla ağırlığı %40 oranında azaltmaktır. Proje yaklaşık 200.000 Avro ile finanse edilmektedir.
2.4 Kore
Güney Kore'nin karbon fiber Ar-Ge ve Endüstrileşmesi geç başladı, Ar-Ge 2006'da başladı, 2013 resmen pratik aşamaya girmeye başladı, Kore karbon fiberinin ithalata bağlı olduğu durumu tersine çevirdi. Güney Kore'nin yerel xiaoxing grubu ve Taiguang Business, karbon fiber endüstri düzeni alanında aktif olarak yer alan endüstri öncüsünün temsilcisi olarak, momentum gelişimi güçlüdür. Ayrıca, Toray Japan tarafından Kore'de kurulan karbon fiber üretim üssü de Kore'deki karbon fiber pazarına katkıda bulunmuştur.
Kore hükümeti, xiaoxing Grubunu karbon fiberin yenilikçi endüstrileri için bir buluşma yeri yapmayı seçti. Amaç, karbon fiber malzeme endüstrisi kümesi oluşturmak, tüm Kuzey bölgesinde yaratıcı ekonomik ekosistemin gelişimini teşvik etmektir, nihai hedef karbon fiber malzeme → parçalar → bitmiş ürün tek elden üretim zinciri oluşturmaktır, karbon fiber kuluçka kümesinin kurulması ABD'deki Silikon Vadisi ile eşleştirilebilir, yeni pazarlara ulaşabilir, yeni katma değer yaratabilir, 2020 yılına kadar karbon fiberle ilgili ürünlerin 10 milyar dolarlık ihracat hedefine (yaklaşık 55,2 milyar yuana eşdeğer) ulaşılabilir.
3. Küresel karbon elyaf araştırmalarının ve araştırma çıktılarının analizi
Bu alt bölümde, küresel karbon fiber teknolojisinin akademik ve endüstriyel araştırma ve geliştirme faaliyetlerini aynı anda analiz etmek ve uluslararası alanda karbon fiber araştırma ve geliştirme çalışmalarının ilerleyişini tam olarak anlamak amacıyla, 2010 yılından bu yana karbon fiber araştırmalarıyla ilgili SCI makaleleri ve DII patent sonuçları sayılmaktadır.
Veriler Clarivate Analytics tarafından yayımlanan Web of Science veri tabanında yer alan Scie veri tabanı ve Dewent veri tabanından elde edilmiştir; erişim zaman aralığı: 2010-2017; erişim tarihi: 1 Şubat 2018.
SCI Kağıt Alma Stratejisi: Ts=((karbonfiber* veya Karbonfiber* veya ("Karbon fiber*" değil "karbon Fiberglas") veya "karbon fiber*" veya "karbonfilament*" veya ((poliakrilonitril veya zift) ve "öncül*" ve elyaf*) veya ("grafit fiber*")) değil ("bambu karbon"))。
Dewent Patent Arama Stratejisi: Ti=((karbonfiber* veya Karbonfiber* veya ("Karbon fiber*" "karbon Fiberglas" değil) veya "karbon fiber*" veya "karbonfilament*" veya ((poliakrilonitril veya zift) ve "öncül*" ve elyaf*) veya ("grafit fiber*")) değil ("bambu karbon")) veyaTS=((karbonfiber* veya Karbonfiber* veya ("Karbon fiber*" "karbon Fiberglas" değil) veya "karbon fiber*" veya "karbonfilament*" veya ((poliakrilonitril veya zift) ve "öncül*" ve elyaf*) veya ("grafit fiber*")) değil ("bambu karbon")) ve IP=(D01F-009/12 veya D01F-009/127 veya D01F-009/133 veya D01F-009/14 veya D01F-009/145 veya D01F-009/15 veya D01F-009/155 veya D01F-009/16 veya D01F-009/17 veya D01F-009/18 veyaD01F-009/20 veya D01F-009/21 veya D01F-009/22 veya D01F-009/24 veya D01F-009/26 veyaD01F-09/28 veya D01F-009/30 veya D01F-009/32 veya C08K-007/02 veya C08J-005/04 veyaC04B-035/83 veya D06M-014/36 veya D06M-101/40 veya D21H-013/50 veya H01H-001/027 veya H01R-039/24)。
3.1 eğilim
2010 yılından bu yana dünya çapında konuyla ilgili 16.553 makale yayınlanmış ve 26.390 buluş patenti başvurusu yapılmış olup, bunların tümü her yıl istikrarlı bir artış eğilimi göstermektedir (Şekil 1).
3.2 Ülke veya bölge dağılımı
Küresel karbon fiber araştırma makalesinin en büyük çıktısına sahip ilk 10 kurum Çin'dendir ve bunların ilk 5'i şunlardır: Çin Bilimler Akademisi, Harbin Teknoloji Enstitüsü, Northwestern Teknoloji Üniversitesi, Donghua Üniversitesi, Pekin Havacılık ve Uzay Bilimleri Enstitüsü. Yabancı kurumlar arasında, Hindistan Teknoloji Enstitüsü, Tokyo Üniversitesi, Bristol Üniversitesi, Monash Üniversitesi, Manchester Üniversitesi ve Georgia Teknoloji Enstitüsü 10~20 arasında yer almaktadır (Şekil 3).
İlk 30 kurumda patent başvuru sayısı, Japonya'nın 5'i var ve bunlardan 3'ü ilk beşte, Toray şirketi ilk sırada, ardından Mitsubishi Liyang (2.), Teijin (4.), Doğu Devleti (10.), Japonya Toyo Tekstil Şirketi (24.), Çin'in 21 kurumu var, Sinopec Grubu en fazla patente sahip, üçüncü sırada, İkinci olarak, Harbin Teknoloji Enstitüsü, Henan Ke Mektup kablosu şirketi, Donghua Üniversitesi, Çin Şanghay Petrokimya, Pekin Kimya Endüstrisi, vb., Çin Bilimler Akademisi Shanxi Kömür başvuru buluşu Patenti 66, 27. sırada, Güney Koreli kurumların 2'si var, bunlardan Xiaoxing Co., Ltd. ilk sırada, 8. sırada.
Çıktı kurumları, makale çıktısı ağırlıklı olarak üniversiteler ve bilimsel araştırma kurumlarından, patent çıktısı ağırlıklı olarak şirketten, karbon fiber üretiminin yüksek teknolojili bir endüstri olduğu görülebilir, karbon fiber Ar-Ge Endüstrisi Geliştirme'nin ana gövdesi olarak, şirket karbon fiber Ar-Ge teknolojisinin korunmasına büyük önem veriyor, özellikle Japonya'daki 2 büyük şirket, patent sayısı çok önde.
3.4 Araştırma Sıcak Noktaları
Karbon fiber araştırma makaleleri en çok araştırma konusunu kapsar: Karbon fiber kompozitler (karbon fiber takviyeli kompozitler, polimer matris kompozitler, vb. dahil), mekanik özellikler araştırması, sonlu elemanlar analizi, karbon nanotüpler, delaminasyon, takviye, yorulma, mikro yapı, elektrostatik eğirme, yüzey işleme, adsorpsiyon vb. Bu anahtar kelimelerle ilgilenen makaleler toplam makale sayısının %38,8'ini oluşturur.
Karbon fiber buluş patentleri, karbon fiberin hazırlanması, üretim ekipmanı ve kompozit malzemelerle ilgili en fazla konuyu kapsar. Bunlar arasında, Japonya Toray, Mitsubishi Liyang, Teijin ve diğer şirketler, önemli teknik düzen alanında "karbon fiber takviyeli polimer bileşikleri" alanında, ayrıca Toray ve Mitsubishi Liyang, "Karbon fiberin poliakrilonitril üretimi ve üretim ekipmanı", "doymamış nitril ile, poliakrilonitril, poliviniliden siyanür etilen gibi karbon fiber üretimi" ve diğer teknolojiler patent düzeninin büyük bir kısmına sahiptir ve Japon Teijin şirketi "karbon fiber ve oksijen bileşiği kompozitleri" alanında patent düzeninin daha büyük bir kısmına sahiptir.
Çin Sinopec Grubu, Pekin Kimya Üniversitesi, Çin Bilimler Akademisi Ningbo Malzemeleri'nde "karbon elyafının poliakrilonitril üretimi ve üretim ekipmanları" patent düzeninin büyük bir kısmına sahiptir; ayrıca, Pekin Kimya Mühendisliği Üniversitesi, Çin Bilimler Akademisi Shanxi Kömür Kimya Enstitüsü ve Çin Bilimler Akademisi Ningbo Malzemeleri'nin temel Düzeni "Polimer bileşik hazırlamanın bileşenleri olarak inorganik element elyafının kullanılması" teknolojisi Harbin Teknoloji Enstitüsü'nde "karbon elyaf işleme", "karbon elyaf ve oksijen içeren bileşik kompozitler" ve diğer teknolojilerin düzenine odaklanmıştır.
Ayrıca, küresel patentlerin yıllık istatistiksel dağılım istatistiklerinden, son üç yılda bir dizi yeni sıcak noktanın ortaya çıkmaya başladığı görülmektedir, bunlar arasında: "Ana zincirde karboksilat bağlama reaksiyonunun oluşumuyla elde edilen poliamid kompozisyonları", "Ana zincirde 1 karboksilik asit ester bağlarının oluşumuyla elde edilen polyester kompozisyonları", "Sentetik malzemelere dayalı kompozit malzeme", "Karbon fiber kompozitlerin bileşenleri olarak oksijen bileşikleri içeren siklik karboksilik asit", "Tekstil malzemelerinin üç boyutlu katılaştırma veya işleme formunda", "Sadece karbon-karbon doymamış bağ reaksiyonu yoluyla doymamış eter, asetal, yarı-asetal, keton veya aldehitten polimer bileşiklerin üretimi", "Adiabatik malzeme boru veya kablo", "Bileşen olarak fosfat esterleri içeren karbon fiber kompozitler" vb. yer almaktadır.
Son yıllarda, karbon fiber sektöründe Ar-Ge ortaya çıktı ve atılımların çoğu Amerika Birleşik Devletleri ve Japonya'dan geldi. En son keskin uçlu teknolojiler yalnızca karbon fiber üretim ve hazırlama teknolojisine değil, aynı zamanda hafif, 3D baskı ve güç üretim malzemeleri gibi daha geniş bir otomotiv malzemeleri yelpazesindeki uygulamalara da odaklanıyor. Ayrıca, karbon fiber malzemelerin geri dönüşümü ve geri dönüşümü, odun lignin karbon fiberinin hazırlanması ve diğer başarılar parlak göz performansına sahiptir. Temsili sonuçlar aşağıda açıklanmıştır:
1) ABD Georgia Teknoloji Enstitüsü üçüncü nesil karbon fiber teknolojilerinde çığır açıyor
Temmuz 2015'te DARPA fonuyla Georgia Teknoloji Enstitüsü, yenilikçi tava bazlı karbon fiber jel eğirme tekniğiyle modülünü önemli ölçüde artırarak, askeri uçaklarda yaygın olarak kullanılan Hershey IM7 Karbon fiberini geride bıraktı ve Japonya'dan sonra üçüncü nesil karbon fiber teknolojisinde uzmanlaşan dünyadaki ikinci ülke oldu.
Kumarz tarafından üretilen jel eğirme karbon fiberinin çekme mukavemeti 5,5 ila 5,8 Gpa'ya ulaşır ve çekme modülü 354-375 gpa arasındadır. "Bu, kapsamlı performansın en yüksek mukavemeti ve modülü ile bildirilen sürekli elyaftır. Kısa filament demetinde, çekme mukavemeti 12,1 Gpa'ya kadar çıkar, aynı şey en yüksek poliakrilonitril karbon elyafıdır."
2) Elektromanyetik dalga ısıtma teknolojisi
2014 yılında Nedo, elektromanyetik dalga ısıtma teknolojisini geliştirdi. Elektromanyetik dalga karbonizasyon teknolojisi, elyafı atmosferik basınçta karbonize etmek için elektromanyetik dalga ısıtma teknolojisinin kullanımını ifade eder. Elde edilen karbon fiber performansı temelde yüksek sıcaklıkta ısıtma ile üretilen karbon fiber ile aynıdır, elastik modülü 240GPA'dan fazlasına ulaşabilir ve kopma uzaması %1,5'ten fazladır, bu da dünyada ilk başarıdır.
Elyaf benzeri malzeme elektromanyetik dalga ile karbonize edilir, böylece yüksek sıcaklıkta ısıtma için kullanılan karbonizasyon fırını ekipmanına gerek kalmaz. Bu işlem sadece karbonizasyon için gereken süreyi azaltmakla kalmaz, aynı zamanda enerji tüketimini ve CO2 emisyonlarını da azaltır.
3) Karbonizasyon sürecinin hassas kontrolü
Mart 2014'te Toray, t1100g karbon fiberinin başarılı bir şekilde geliştirildiğini duyurdu. Toray, karbonizasyon sürecini ince bir şekilde kontrol etmek, karbon fiberin mikro yapısını nanometre ölçeğinde iyileştirmek, karbonizasyondan sonra fiberdeki grafit mikrokristalin yönelimini, mikrokristalin boyutunu, kusurları vb. kontrol etmek için geleneksel tava çözeltisi eğirme teknolojisini kullanır, böylece mukavemet ve elastik modül büyük ölçüde iyileştirilebilir. t1100g'nin çekme mukavemeti 6,6 GPa'dır, bu T800'den %12 daha yüksektir ve elastik modül 324 GPa'dır ve %10 oranında artırılmıştır, bu da endüstrileşme aşamasına girmektedir.
4) Yüzey İşlem Teknolojisi
Teijin East State, karbon fiberin görünümünü sadece birkaç saniyede kontrol edebilen plazma yüzey işleme teknolojisini başarıyla geliştirdi. Bu yeni teknoloji, tüm üretim sürecini önemli ölçüde basitleştiriyor ve elektrolit sulu çözeltiler için mevcut yüzey işleme teknolojisine kıyasla enerji tüketimini %50 oranında azaltıyor. Dahası, plazma işleminden sonra, fiber ve reçine matrisinin yapışmasının da iyileştirildiği bulundu.
5) Yüksek sıcaklık grafit ortamında karbon fiber çekme mukavemetinin tutulma oranı üzerine çalışma
Ningbo Materials, özellikle yüksek sıcaklık grafit ortamında karbon fiber çekme dayanımının tutulma oranı üzerine araştırma çalışmaları olmak üzere, yerli yüksek mukavemetli ve uzun modlu karbon fiberin proses analizi, yapı araştırması ve performans optimizasyonu üzerine detaylı bir çalışma başarıyla gerçekleştirmiştir ve son zamanlarda çekme dayanımı 5.24GPa ve çekme modülü hacmi 593GPa olan yüksek mukavemetli ve daha yüksek modüllü karbon fiberin başarılı bir şekilde hazırlanması, Japonya'nın Toray m60j yüksek mukavemetli yüksek kalıplanmış karbon fiberine (çekme dayanımı 3.92GPa, çekme modülü 588GPa) kıyasla çekme dayanımı avantajına sahip olmaya devam etmektedir.
6) Mikrodalga Grafit
Yongda Advanced Materials, Amerika Birleşik Devletleri'ne özel patentli ultra yüksek sıcaklık grafit teknolojisini, orta ve yüksek dereceli karbon fiber üretimini başarıyla geliştirdi, yüksek dereceli karbon fiberin geliştirilmesindeki üç darboğazı başarıyla aştı, grafit ekipmanı pahalı ve uluslararası kontrol altında, ham ipek kimyasal teknolojisi zorlukları, üretim verimi düşük ve yüksek maliyetli. Şimdiye kadar Yongda, hepsi orijinal nispeten düşük dereceli karbon fiberin mukavemetini ve modülünü yeni bir seviyeye çıkaran 3 tür karbon fiber geliştirdi.
7) Fraunhofer, Almanya'da tava bazlı karbon fiber ham telin eritilerek eğrilmesine yönelik yeni bir süreç
Fraunhofer Uygulamalı Polimerler Enstitüsü (Uygulamalı Polimer Araştırmaları, IAP) yakın zamanda 25, 29 Nisan 2018'de Berlin Air Show Ila'da en son Comcarbon teknolojisini sergileyeceğini duyurdu. Bu teknoloji, seri üretilen karbon fiberin üretim maliyetini büyük ölçüde azaltıyor.
Şekil 4. Ham tel eritme ve eğirme.
Geleneksel proseslerde, tava bazlı karbon fiberin üretim maliyetinin yarısının ham tel üretim sürecinde tüketildiği iyi bilinmektedir. Ham telin erimemesi nedeniyle, pahalı bir çözelti eğirme prosesi (Çözelti Eğirme) kullanılarak üretilmesi gerekir. "Bu amaçla, ham telin üretim maliyetini %60 oranında azaltabilen tava bazlı ham ipek üretimi için yeni bir proses geliştirdik. Bu, özel olarak geliştirilmiş bir kaynaşmış tava bazlı kopolimer kullanılarak ekonomik ve uygulanabilir bir eritme eğirme prosesidir." Fraunhofer IAP Enstitüsü'nde Biyolojik Polimerler Bakanı olan Dr. Johannes Ganster açıkladı.
8) Plazma oksidasyon teknolojisi
4M Carbon fiber, plazma oksidasyon teknolojisinin kullanımını, yalnızca teknolojiyi lisanslamak için değil, yüksek kaliteli, düşük maliyetli karbon fiber üretmek ve satmak için stratejik bir odak noktası haline getireceğini duyurdu. 4M, plazma oksidasyon teknolojisinin geleneksel oksidasyon teknolojisinden 3 kat daha hızlı olduğunu, enerji kullanımının ise geleneksel teknolojinin üçte birinden daha az olduğunu iddia ediyor. Ve bu ifadeler, düşük maliyetli karbon fiber üretiminin başlatıcıları olarak katılmak üzere dünyanın en büyük karbon fiber üreticilerinden ve otomobil üreticilerinden birçoğuyla istişare eden birçok uluslararası karbon fiber üreticisi tarafından doğrulandı.
9) Selüloz Nanofiber
Japonya Kyoto Üniversitesi, elektrik tesisatı şirketi (Toyota'nın en büyük tedarikçisi) ve Daikyonishikawa Corp. gibi birkaç büyük bileşen tedarikçisiyle birlikte, selüloz nanofiberleri birleştiren plastik malzemelerin geliştirilmesi üzerinde çalışıyor. Bu malzeme, odun hamurunun birkaç mikrona (bin mm'de 1) parçalanmasıyla yapılır. Yeni malzemenin ağırlığı, çeliğin ağırlığının yalnızca beşte biri kadardır, ancak dayanıklılığı çeliğin beş katıdır.
10) Poliolefin ve lignin hammaddelerinden karbon fiber ön gövde
ABD'deki Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı, 2007 yılından bu yana düşük maliyetli karbon fiber araştırmaları üzerinde çalışıyor ve poliolefin ve lignin hammaddeleri için karbon fiber ön gövdeleri ile ileri plazma ön oksidasyon ve mikrodalga karbonizasyon teknolojileri geliştiriyor.
11) Yeni polimer (öncül polimer), refrakter işlemin kaldırılmasıyla geliştirildi
Tokyo Üniversitesi öncülüğündeki üretim yönteminde, refrakter işlemi ortadan kaldırmak için yeni bir polimer (öncül polimer) geliştirildi. Ana nokta, polimerin ipeğe döndürülmesinden sonra orijinal refrakter işlemi gerçekleştirmemesi, ancak çözücüde oksitlenmesine neden olmasıdır. Daha sonra mikrodalga ısıtma cihazı, karbonizasyon için 1000 ℃'nin üzerine ısıtılır. Isıtma süresi sadece 2-3 dakika sürer. Karbonizasyon işleminden sonra, yüzey işlemini gerçekleştirmek için plazma da kullanılır, böylece karbon fiber yapılabilir. Plazma işlemi 2 dakikadan az sürer. Bu şekilde, 30-60 dakikalık orijinal sinterleme süresi yaklaşık 5 dakikaya düşürülebilir. Yeni üretim yönteminde, CFRP temel malzemesi olarak karbon fiber ile termoplastik reçine arasındaki bağlanmayı iyileştirmek için plazma işlemi gerçekleştirilir. Yeni üretim yöntemiyle üretilen karbon fiberin çekme elastik modülü 240GPa, çekme dayanımı 3,5GPa'dır ve uzaması %1,5'e ulaşır. Bu değerler spor malzemeleri vb. için kullanılan Toray Universal sınıfı karbon fiber T300 ile aynı seviyededir.
12) Akışkan yatak prosesi kullanılarak karbon fiber malzemelerin geri dönüşümü ve kullanımı
Çalışmanın ilk yazarı Mengran Meng şunları söyledi: "Karbon fiber geri kazanımı, ham karbon fiber üretimine kıyasla çevre üzerindeki etkiyi azaltır, ancak potansiyel geri dönüşüm teknolojileri ve karbon fiber geri dönüşümünün ekonomik uygulanabilirliği konusunda sınırlı farkındalık vardır. "Geri dönüşüm iki aşamadan oluşur: lifler önce karbon fiber kompozitlerden geri kazanılmalı ve mekanik öğütme malzemeleri veya piroliz veya akışkan yatak işlemleri kullanılarak termal olarak ayrıştırılmalıdır. Bu yöntemler kompozit malzemenin plastik kısmını çıkararak karbon fiber bırakır ve daha sonra ıslak kağıt yapım teknolojisi kullanılarak karışık fiber matlara dönüştürülebilir veya yönlü fiberlere yeniden düzenlenebilir.
Araştırmacılar, karbon fiber kompozit atığından akışkan yatak işlemi kullanılarak karbon fiber kompozit atığından karbon fiberin geri kazanılabileceğini hesapladılar, bu işlem yalnızca 5 dolar/kg ve birincil karbon fiberi üretmek için gereken enerjinin %10'undan daha azını gerektiriyordu. Akışkan yatak işlemleriyle üretilen geri dönüştürülmüş karbon fiberler modülü neredeyse hiç azaltmıyor ve çekme mukavemeti birincil karbon fiberlere göre %18 ila %50 oranında azaltılıyor, bu da onları mukavemetten ziyade yüksek sertlik gerektiren uygulamalar için uygun hale getiriyor. Meng, "Geri dönüştürülmüş karbon fiberler, otomotiv, inşaat, rüzgar ve spor endüstrileri gibi hafiflik gerektiren yapısal olmayan uygulamalar için uygun olabilir" dedi.
13) ABD'de karbon fiber geri dönüşümünde yeni bir teknoloji geliştirildi
Haziran 2016'da ABD'deki Georgia Teknoloji Enstitüsü'ndeki araştırmacılar, karbon fiberi alkol içeren bir çözücüye batırarak epoksi reçinesini çözdüler, ayrılan lifler ve epoksi reçineleri yeniden kullanılabildi, böylece karbon fiber geri kazanımı başarılı bir şekilde gerçekleştirildi.
Temmuz 2017'de Washington Eyalet Üniversitesi de zayıf asidi katalizör olarak kullanarak, termoset malzemeleri ayrıştırmak için nispeten düşük sıcaklıklarda sıvı etanol kullanarak, ayrışan karbon fiber ve reçineyi ayrı ayrı koruyarak yeniden üretilebilen bir karbon fiber geri kazanım teknolojisi geliştirdi.
14) ABD'deki LLNL laboratuvarında 3D baskı karbon fiber mürekkep teknolojisinin geliştirilmesi
Mart 2017'de, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Lawrence Livemore Ulusal Laboratuvarı (LLNL), ilk 3D baskılı yüksek performanslı, havacılık sınıfı karbon fiber kompozitleri geliştirdi. Otomotiv, havacılık, savunma ve motosiklet yarışmaları ve sörfte kullanım için işleme hızını büyük ölçüde iyileştiren karmaşık üç boyutlu yapılar oluşturmak için doğrudan mürekkep iletimi (DIW) 3D baskı yöntemini kullandılar.
15) ABD, Kore ve Çin, elektrik üretimi için karbon fiberin geliştirilmesinde işbirliği yapıyor
Ağustos 2017'de Teksas Üniversitesi'nin Dallas kampüsü, Kore'deki Hanyang Üniversitesi, Çin'deki Nankai Üniversitesi ve diğer kurumlar güç üretimi için bir karbon fiber iplik malzemesinin geliştirilmesinde iş birliği yaptı. İplik önce tuzlu su gibi elektrolit çözeltilerine batırılır ve bu sayede elektrolitteki iyonların karbon nanotüplerin yüzeyine tutunması sağlanır ve iplik sıkıldığında veya gerildiğinde elektrik enerjisine dönüştürülebilir. Malzeme güvenilir kinetik enerjiye sahip herhangi bir yerde kullanılabilir ve IoT sensörlerine güç sağlamak için uygundur.
16) Çin ve ABD'den elde edilen odun lignin karbon elyafı araştırmalarında yeni gelişmeler
Mart 2017'de, Ningbo Malzeme Teknolojisi ve Mühendislik Enstitüsü'nün özel elyaf ekibi, esterifikasyon ve serbest radikal kopolimerizasyon iki aşamalı modifikasyon teknolojisini kullanarak iyi eğrilebilirlik ve termal kararlılığa sahip bir lignin-akrilonitril kopolimeri hazırladı. Kopolimer ve ıslak eğirme işlemi kullanılarak yüksek kaliteli sürekli filamentler elde edildi ve kompakt karbon elyaf, termal stabilizasyon ve karbonizasyon işleminden sonra alındı.
Ağustos 2017'de, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Washington Üniversitesi'ndeki Birgitte Ahring araştırma ekibi, lignin ve poliakrilonitrili farklı oranlarda karıştırdı ve ardından karışık polimerleri karbon fiberlere dönüştürmek için eriyik eğirme teknolojisini kullandı. Çalışma, %20∼%30'a eklenen ligninin karbon fiberin mukavemetini etkilemediğini ve otomotiv veya uçak parçaları için daha düşük maliyetli karbon fiber malzemelerin üretiminde kullanılmasının beklendiğini buldu.
2017'nin sonunda, Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı (NREL), mısır samanı ve buğday samanı gibi bitki atıklarını kullanarak akrilonitril üretimi üzerine bir araştırma yayınladı. Önce bitki materyallerini şekere parçalayıp sonra asitlere dönüştürüyorlar ve hedef ürünler üretmek için ucuz katalizörlerle birleştiriyor.
17) Japonya ilk karbon fiber takviyeli termoplastik kompozit otomobil şasisini geliştirdi
Ekim 2017'de, Japonya'nın yeni enerji endüstrisi teknolojisi entegre Ar-Ge Ajansı ve Nagoya Üniversitesi Ulusal Kompozit Araştırma Merkezi, dünyanın ilk karbon fiber takviyeli termoplastik kompozit araba şasisini başarıyla geliştirdi. Otomatik uzun fiber takviyeli termoplastik kompozitler doğrudan çevrimiçi kalıplama işlemini, sürekli karbon fiber ve termoplastik reçine parçacıklarını karıştırmayı, fiber takviyeli kompozitler üretmeyi ve ardından ısıtma ve eritme bağlantısı yoluyla termoplastik CFRP araba şasisinin başarılı üretimini kullanıyorlar.
5. Çin'de karbon fiber teknolojisinin Ar-Ge'sine ilişkin öneriler
5.1 İleriye dönük düzen, hedef odaklı, üçüncü nesil karbon fiber teknolojisini aşmaya odaklı
Çin'in ikinci nesil karbon fiber teknolojisi henüz kapsamlı bir atılım değil, ülkemiz ilgili araştırma kurumlarımızı bir araya getirecek, temel teknolojilerin yakalanmasına odaklanacak, üçüncü nesil yüksek performanslı karbon fiber hazırlama teknolojisi araştırma ve geliştirmesine (yani havacılık, yüksek mukavemetli, yüksek modüllü karbon fiber teknolojisine uygulanabilir) ve otomotiv, inşaat ve onarım ve diğer hafif, düşük maliyetli büyük çekme karbon fiber hazırlama, katkı üretim teknolojisi karbon fiber kompozit malzeme, geri dönüşüm teknolojisi ve hızlı prototipleme teknolojileri dahil olmak üzere geliştirilen karbon fiber kompozit malzeme teknolojisine odaklanacak ileriye dönük bir düzen kurmaya çalışmalıdır.
5.2 Organizasyonu koordine etmek, desteği güçlendirmek, işbirlikçi araştırmayı sürekli olarak desteklemek için büyük teknik projeler kurmak
Şu anda Çin'de karbon fiber araştırması yapacak birçok kurum var, ancak güç dağılmış durumda ve etkili koordinasyon için birleşik bir Ar-Ge organizasyon mekanizması ve güçlü bir fon desteği yok. Gelişmiş ülkelerin kalkınma deneyimlerine bakıldığında, büyük projelerin organizasyonu ve düzeni bu teknik alanın gelişimini teşvik etmede büyük rol oynuyor. Çin'in karbon fiber atılım Ar-Ge teknolojisi göz önüne alındığında, büyük projeler başlatmak, işbirlikçi teknolojik yeniliği güçlendirmek ve Çin'in karbon fiber araştırma teknolojisi seviyesini, uluslararası karbon fiber ve kompozit için rekabeti sürekli olarak teşvik etmek için Çin'in Avantaj Ar-Ge Gücüne odaklanmalıyız.
5.3 Teknik başarıların uygulama etkisi yöneliminin değerlendirme mekanizmasının iyileştirilmesi
SCI makalelerinin ekonometrik analizi açısından, Çin'in karbon elyafı, çeşitli araştırma alanlarında kullanılan yüksek mukavemetli performans malzemeleri olarak, ancak karbon elyaf üretimi ve hazırlama teknolojisi için, özellikle maliyetleri düşürmeye odaklanarak, daha az araştırmanın üretim verimliliğini artırır. Karbon elyaf üretim süreci uzundur, teknoloji temel noktaları, yüksek üretim engelleri, çok disiplinli, çok teknolojili bir entegrasyondur, teknik engelleri aşmak, "düşük maliyetli, yüksek performanslı" çekirdek hazırlama teknolojisi araştırma ve geliştirmesini etkili bir şekilde teşvik etmek gerekir, bir yandan araştırma yatırımını güçlendirmek gerekir, diğer yandan bilimsel araştırma performans değerlendirmesi alanını zayıflatmak gerekir, teknik başarıların uygulama etkisi değerlendirmesinin rehberliğini güçlendirmek ve makalenin yayınlanmasına dikkat eden "niceliksel" değerlendirmeden, sonuçların değerinin "kaliteli" değerlendirmesine geçmek gerekir.
5.4 Son teknoloji bileşik yeteneklerinin yetiştirilmesinin güçlendirilmesi
Karbon fiber teknolojisinin ileri teknoloji niteliği, uzmanlaşmış yeteneklerin önemini belirlerken, bu yeteneklerin ileri düzeyde çekirdek teknik personele sahip olup olmaması da bir kurumun Ar-Ge düzeyini doğrudan belirlemektedir.
Karbon fiber teknolojisi Ar-Ge bağlantıları sonucunda, tüm bağlantıların koordinasyonunu ve gelişimini sağlamak için bileşik personelinin eğitimine dikkat etmeliyiz. Ayrıca, Çin'deki karbon fiber araştırmalarının gelişim geçmişinden, teknoloji çekirdek uzmanlarının akışı genellikle bir araştırma kurumunun Ar-Ge seviyesini etkileyen önemli bir faktördür. Üretim süreçlerinde, kompozitlerde ve ana ürünlerde çekirdek uzmanların ve Ar-Ge ekiplerinin sabitliğini sürdürmek, sürekli teknoloji yükseltmeleri için önemlidir.
Bu alanda uzmanlaşmış yüksek teknoloji personelinin eğitimini ve kullanımını güçlendirmeye devam etmeli, Teknoloji Ar-Ge yetenekleri için değerlendirme ve tedavi politikasını iyileştirmeli, genç yeteneklerin yetiştirilmesini güçlendirmeli, yabancı ileri Ar-Ge kurumlarıyla işbirliğini ve değişimleri aktif olarak desteklemeli ve yabancı ileri yetenekleri aktif olarak tanıtmalıyız, vb. Bu, Çin'de karbon fiber araştırmalarının geliştirilmesini teşvik etmede büyük rol oynayacaktır.
Alıntı yapılan-
Küresel karbon fiber teknolojisinin gelişimi ve Çin'e aydınlanması üzerine analiz. Tian Yajuan, Zhang Zhiqiang, Tao Cheng, Yang ming, Ba jin, Chen Yunwei.Dünya Bilim-Teknoloji Ar-Ge.2018
Gönderi zamanı: 04-Aralık-2018