Вуглецеве волокно — це неорганічний полімерний волокнистий новий неорганічний матеріал із вмістом вуглецю понад 95%, що характеризується низькою щільністю, високою міцністю, стійкістю до високих температур, високою хімічною стійкістю, стійкістю до втоми, зносостійкістю та іншими чудовими основними фізичними та хімічними властивостями, а також високим рівнем вібраційного затухання, хорошою теплопровідністю, електромагнітним екрануванням, низьким коефіцієнтом теплового розширення та іншими характеристиками. Ці чудові властивості роблять вуглецеве волокно широко використовуваним в аерокосмічній галузі, залізничному транспорті, виробництві автомобілів, зброї та обладнання, будівельній техніці, будівництві інфраструктури, морському машинобудуванні, нафтовій промисловості, вітроенергетиці, спортивних товарах та інших галузях.
Виходячи з національних стратегічних потреб у вуглецевих волокнистих матеріалах, Китай включив їх до списку основних технологій галузей, що розвиваються, на підтримку яких зосереджено увагу. У національному науково-технічному плануванні «Дванадцять-п'ять», технологія підготовки та застосування високоефективного вуглецевого волокна є однією з основних технологій стратегічних галузей, що розвиваються, що підтримуються державою. У травні 2015 року Державна рада офіційно опублікувала програму «Зроблено в Китаї 2025», де нові матеріали були одним з ключових напрямків активного просування та розвитку, включаючи високоефективні конструкційні матеріали, передові композити є центром розвитку в галузі нових матеріалів. У жовтні 2015 року Міністерство промисловості та інформаційної промисловості офіційно опублікувало «Дорожню карту ключових технологічних напрямків виробництва в Китаї до 2025 року», де «високоефективне волокно та його композити» були визначені як ключовий стратегічний матеріал, а метою на 2020 рік є «відповідність вітчизняних вуглецевих композитів технічним вимогам великих літаків та іншого важливого обладнання». У листопаді 2016 року Державна рада опублікувала Національний стратегічний план розвитку нових галузей промисловості «Тринадцять п'ять», у якому чітко зазначено необхідність зміцнення співпраці у видобутку та переробці нових матеріалів у вуглецевих композитах та інших галузях для проведення спільних пілотних демонстраційних проектів та створення спільної платформи для застосування. У січні 2017 року Міністерство промисловості та розвитку, NDRC, науки і технологій та Міністерство фінансів спільно розробили «Керівництво з розвитку галузей нових матеріалів» і запропонували, щоб з 2020 року «у вуглецевих композитах, високоякісній спеціальній сталі, передових легких сплавах та інших галузях було досягнуто понад 70 ключових індустріалізацій та застосувань нових матеріалів, а також створення системи підтримки технологічного обладнання, яка відповідає рівню розвитку китайської промисловості нових матеріалів».
Оскільки вуглецеве волокно та його композити відіграють важливу роль у національній обороні та забезпеченні життя народу, багато експертів зосереджуються на їхньому розвитку та аналізі тенденцій досліджень. Доктор Чжоу Хун розглянув науково-технічний внесок американських вчених на ранніх стадіях розвитку високопродуктивної технології вуглецевого волокна, а також проаналізував та повідомив про 16 основних застосувань та останні технологічні досягнення вуглецевого волокна, а також технологію виробництва, властивості та застосування поліакрилонітрильного вуглецевого волокна та його сучасний технологічний розвиток розглянув доктор Вей Сінь тощо. Він також висунув деякі конструктивні пропозиції щодо проблем, що існують у розвитку вуглецевого волокна в Китаї. Крім того, багато людей проводили дослідження з метрологічного аналізу статей та патентів у галузі вуглецевого волокна та його композитів. Наприклад, Ма Сянлінь та інші з точки зору метрології з 1998-2017 років розподілу та застосування патентів на вуглецеве волокно в галузі аналізу; Ян Сісі та інші, базуючись на платформі Innography для пошуку патентів на вуглецеві волокнисті тканини та статистичних даних, аналізують щорічну тенденцію розвитку патентів, патентовласників, гарячу точку патентних технологій та основний патент технології.
З точки зору траєкторії досліджень і розробок вуглецевого волокна, дослідження Китаю майже синхронізовані зі світовими, але розвиток відбувається повільно, високопродуктивне виробництво вуглецевого волокна за масштабами та якістю порівняно з іншими країнами має розрив, існує нагальна потреба пришвидшити процес досліджень і розробок, просунути стратегічну структуру, скористатися майбутніми можливостями розвитку галузі. Тому в цій статті спочатку досліджується структура проектів країн у галузі досліджень вуглецевого волокна, щоб зрозуміти планування шляхів досліджень і розробок у різних країнах, а по-друге, оскільки фундаментальні дослідження та прикладні дослідження вуглецевого волокна дуже важливі для технічних досліджень і розробок вуглецевого волокна, ми проводимо метрологічний аналіз результатів академічних досліджень - статей SCI та результатів прикладних досліджень - патентів одночасно, щоб отримати повне розуміння прогресу досліджень і розробок у галузі вуглецевого волокна, а також проаналізувати останні дослідницькі розробки в цій галузі для порівняння прогресу досліджень і розробок Peep International Frontier. Нарешті, на основі вищезазначених результатів дослідження, запропоновано деякі пропозиції щодо шляху досліджень і розробок у галузі вуглецевого волокна в Китаї.
2. Свуглецеве волокномакет дослідницького проектуосновні країни/регіони
Основними країнами-виробниками вуглецевого волокна є Японія, США, Південна Корея, деякі європейські країни, а також Тайвань і Китай. Країни з передовими технологіями на ранній стадії розвитку технології вуглецевого волокна усвідомили важливість цього матеріалу, здійснили стратегічну розробку та активно сприяють розвитку вуглецевих волокнистих матеріалів.
2.1 Японія
Японія є найбільш розвиненою країною в галузі технології вуглецевого волокна. 3 компанії Toray, Bong та Mitsubishi Liyang у Японії забезпечують близько 70%~80% світового ринку виробництва вуглецевого волокна. Тим не менш, Японія надає великого значення збереженню своїх сильних сторін у цій галузі, зокрема розвитку високопродуктивних вуглецевих волокон на основі панелей та енерго- та екологічно чистих технологій, забезпечуючи потужну людську та фінансову підтримку, а також низку основних політик, включаючи Базовий енергетичний план, Стратегічний план економічного зростання та Кіотський протокол, зробили цей стратегічний проект постійним для розвитку. Ґрунтуючись на основній національній енергетичній та екологічній політиці, Міністерство економіки, промисловості та майна Японії висунуло «Програму досліджень та розробок енергозберігаючих технологій». Завдяки цій політиці японська промисловість вуглецевого волокна змогла ефективніше централізувати всі аспекти ресурсів та сприяти вирішенню спільних проблем у промисловості вуглецевого волокна.
«Розвиток технологій, таких як інноваційні нові конструкційні матеріали» (2013-2022) – це проект, що реалізується в рамках «Дослідницького проекту майбутнього розвитку» в Японії з метою значного досягнення розвитку необхідної технології інноваційних конструкційних матеріалів та поєднання різних матеріалів, з головною метою зменшення ваги (вдвічі менше ваги автомобіля) транспортних засобів. І, нарешті, реалізації його практичного застосування. Після того, як у 2014 році Агентство з розвитку промислових технологій (NEDO) взяло на себе дослідницький та дослідницький проект, загальними цілями дослідницького проекту з вуглецевого волокна «Інноваційні фундаментальні дослідження та розробки вуглецевого волокна» були: розробка нових сполук-попередників вуглецевого волокна; з'ясування механізму формування структур карбонізації; та розробка та стандартизація методів оцінки вуглецевого волокна. Проєкт, який очолює Токійський університет за спільної участі Інституту промислових технологій (NEDO), компаній Toray, Teijin, Dongyuan та Mitsubishi Liyang, досяг значного прогресу в січні 2016 року та є ще одним важливим проривом у галузі вуглецевого волокна на основі сковороди після винаходу «режиму Кондо» в Японії в 1959 році.
2.2 Сполучені Штати
Агентство оборонних досліджень США (DARPA) у 2006 році розпочало проект «Передові структурні волокна» з метою об’єднання провідних науково-дослідних сил країни для розробки структурних волокон наступного покоління на основі вуглецевих волокон. За підтримки цього проекту дослідницька група Технологічного інституту Джорджії в США у 2015 році прорвала технологію підготовки необробленого дроту, збільшивши його модуль пружності на 30%, що позначило Сполучені Штати як розробника третього покоління вуглецевого волокна.
У 2014 році Міністерство енергетики США (DOE) оголосило про субсидію в розмірі 11,3 мільйона доларів на два проекти, присвячені «багатоетапним каталітичним процесам перетворення неїстівних цукрів біомаси на акрилонітрил» та «дослідженню та оптимізації акрилонітрилу, отриманого з виробництва біомаси», з метою сприяння використанню сільськогосподарських відходів, дослідженню конкурентоспроможних за ціною відновлюваних високопродуктивних вуглецевих волокнистих матеріалів для виробництва відновлюваної нехарчової сировини, такої як деревна біомаса, та планам щодо зниження собівартості виробництва відновлюваних вуглецевих волокон з біомаси до менш ніж 5 доларів США за фунт до 2020 року.
У березні 2017 року Міністерство енергетики США знову оголосило про виділення 3,74 мільйона доларів на фінансування «проекту досліджень і розробок низьковитратних компонентів з вуглецевого волокна», який очолює Західноамериканський інститут (WRI), що зосереджений на розробці низьковитратних компонентів з вуглецевого волокна на основі таких ресурсів, як вугілля та біомаса.
У липні 2017 року Міністерство енергетики США оголосило про фінансування у розмірі 19,4 мільйона доларів на підтримку досліджень та розробок передових енергоефективних транспортних засобів, 6,7 мільйона з яких використовуються для фінансування підготовки недорогих вуглецевих волокон з використанням обчислювальних матеріалів, включаючи розробку багатомасштабних методів оцінки для інтегрованих комп'ютерних технологій для оцінки ентузіазму нових попередників вуглецевого волокна, теорії функціоналу густини з використанням передової молекулярної динаміки, машинного навчання та інших інструментів, що використовуються для розробки найсучасніших комп'ютерних інструментів для підвищення ефективності вибору недорогої сировини для вуглецевого волокна.
2.3 Європа
Європейська промисловість вуглецевого волокна розвивалася в Японії та Сполучених Штатах у сімдесятих чи вісімдесятих роках 20-го століття, але через технології та капітал багато компаній, що виробляють один вид вуглецевого волокна, не дотрималися періоду високого зростання попиту на вуглецеве волокно після 2000 років і зникли. Німецька компанія SGL є єдиною компанією в Європі, яка має значну частку світового ринку вуглецевого волокна.
У листопаді 2011 року Європейський Союз розпочав проект Eucarbon, метою якого є модернізація європейських виробничих потужностей з вуглецевого волокна та попередньо просочених матеріалів для аерокосмічної галузі. Проект тривав 4 роки, загальний обсяг інвестицій склав 3,2 мільйона євро, а в травні 2017 року було успішно запущено першу в Європі спеціальну виробничу лінію з вуглецевого волокна для космічного застосування, такого як супутники, що дозволило Європі позбутися залежності від імпорту цього продукту та забезпечити безпеку постачання матеріалів.
У рамках Сьомої рамкової програми ЄС планується підтримати проект «функціональне вуглецеве волокно у підготовці нової системи-прекурсора з економічно ефективною та керованою продуктивністю» (FIBRALSPEC) (2014-2017) на суму 6,08 млн євро. Чотирирічний проект, який очолює Національний технічний університет Афін, Греція, за участю таких багатонаціональних компаній, як Італія, Велика Британія та Україна, зосереджений на інноваціях та вдосконаленні процесу безперервного отримання вуглецевих волокон на основі поліакрилонітрилу для досягнення експериментального виробництва безперервно нанесених вуглецевих волокон. Проект успішно завершив розробку та застосування вуглецевого волокна та вдосконаленої композитної технології з відновлюваних органічних полімерних ресурсів (таких як суперконденсатори, швидкісні аварійні укриття, а також прототипи механічних електричних роторних машин для нанесення покриттів та розробку виробничої лінії з нановолокон тощо).
Зростаюча кількість промислових секторів, таких як автомобілебудування, вітроенергетика та суднобудування, потребує легких, високопродуктивних композитів, що є величезним потенційним ринком для вуглецевої волокнистої промисловості. ЄС інвестує 5,968 мільйона євро для запуску проекту Carboprec (2014-2017), стратегічною метою якого є розробка недорогих прекурсорів з відновлюваних матеріалів, які широко представлені в Європі, та розширення виробництва високопродуктивних вуглецевих волокон за допомогою вуглецевих нанотрубок.
Дослідницька програма Європейського Союзу Cleansky II профінансувала проект «Дослідження та розробки композитних шин» (2017), який очолює Інститут виробництва та системної надійності Фраунгофера (LBF) у Німеччині. В рамках цього проекту планується розробити компоненти переднього колеса для літака Airbus A320 з композитного матеріалу, армованого вуглецевим волокном. Мета полягає у зменшенні ваги на 40% порівняно зі звичайними металевими матеріалами. Проект фінансується приблизно на 200 000 євро.
2.4 Корея
Дослідження та розробки вуглецевого волокна, а також індустріалізація в Південній Кореї розпочалися пізно. Дослідження та розробки розпочалися у 2006 році, а у 2013 році вони офіційно вступили в практичну фазу, що призвело до повної залежності корейського вуглецевого волокна від імпорту. Завдяки місцевій групі Xiaoxing та Taiguang Business, які є представниками піонерів галузі та активно займаються розробкою промисловості вуглецевого волокна, розвиток набув потужного імпульсу. Крім того, створена Toray Japan у Кореї виробнича база вуглецевого волокна також сприяла розвитку ринку вуглецевого волокна в цій країні.
Корейський уряд вирішив зробити Xiaoxing Group місцем збору інноваційних галузей вуглецевого волокна. Метою є формування кластера промисловості вуглецевого волокна, сприяння розвитку креативної економічної екосистеми в усьому Північному регіоні, кінцевою метою є формування єдиного виробничого ланцюга вуглецевого волокна → деталі → готова продукція, створення інкубаційного кластера вуглецевого волокна, що може бути порівняно з Кремнієвою долиною в Сполучених Штатах, вихід на нові ринки, створення нової доданої вартості, досягнення цільового показника експорту продукції, пов'язаної з вуглецевого волокна, на суму 10 мільярдів доларів (що еквівалентно приблизно 55,2 мільярда юанів) до 2020 року.
3. аналіз глобальних досліджень та результатів досліджень у галузі вуглецевого волокна
У цьому підрозділі перераховано статті SCI, пов'язані з дослідженнями вуглецевого волокна, та результати патентів DII з 2010 року, щоб одночасно проаналізувати академічні дослідження та промислові дослідження та розробки світової технології вуглецевого волокна, а також повністю зрозуміти прогрес досліджень та розробок вуглецевого волокна на міжнародному рівні.
Дані отримані з бази даних Scie та Dewent у базі даних Web of Science, опублікованій Clarivate Analytics; діапазон часу пошуку: 2010-2017; дата пошуку: 1 лютого 2018 року.
Стратегія пошуку документів SCI: Ts=((вуглецеве волокно* або вуглецеве волокно* або ("вуглецеве волокно*" не "вуглецеве скловолокно") або "вуглецеве волокно*" або "вуглецева нитка*" або ((поліакрилонітрил або смола) та "прекурсор*" та волокно*) або ("графітове волокно*")) не ("бамбукове вуглець"))。
Стратегія пошуку патентів Dewent: Ti=((вуглецеве волокно* або вуглецеве волокно* або ("Вуглецеве волокно*" не "вуглецеве скловолокно") або "вуглецеве волокно*" або "вуглецева нитка*" або ((поліакрилонітрил або пек) та "прекурсор*" та волокно*) або ("графітове волокно*")) не ("бамбукове вуглець")) або TS=((вуглецеве волокно* або вуглецеве волокно* або ("Вуглецеве волокно*" не "вуглецеве скловолокно") або "вуглецеве волокно*" або "вуглецева нитка*" або ((поліакрилонітрил або пек) та "прекурсор*" та волокно*) або ("графітове волокно*")) не ("бамбукове вуглець")) та IP=(D01F-009/12 або D01F-009/127 або D01F-009/133 або D01F-009/14 або D01F-009/145 або D01F-009/15 або D01F-009/155 або D01F-009/16 або D01F-009/17 або D01F-009/18 або D01F-009/20 або D01F-009/21 або D01F-009/22 або D01F-009/24 або D01F-009/26 або D01F-09/28 або D01F-009/30 або D01F-009/32 або C08K-007/02 або C08J-005/04 або C04B-035/83 або D06M-014/36 або D06M-101/40 або D21H-013/50 або H01H-001/027 або H01R-039/24).
3.1 тренд
З 2010 року у світі було опубліковано 16 553 відповідні статті та подано заявки на 26 390 патентів на винаходи, і всі вони демонструють стабільну тенденцію до зростання з року в рік (Рисунок 1).
3.2 Розподіл за країнами або регіонами
10 найкращих установ з найбільшим обсягом дослідницьких робіт з вуглецевого волокна у світі належать до Китаю, серед яких перші 5: Китайська академія наук, Харбінський технологічний інститут, Північно-Західний технологічний університет, Університет Дунхуа, Пекінський інститут аеронавтики та астронавтики. Серед іноземних установ Індійський технологічний інститут, Токійський університет, Брістольський університет, Університет Монаша, Манчестерський університет та Технологічний інститут Джорджії посідають місця між 10-20 (рис. 3).
За кількістю патентних заявок у 30 найкращих установах, Японія має 5, і 3 з них входять до п'ятірки найкращих, компанія Toray посіла перше місце, далі йдуть Mitsubishi Liyang (2-ге), Teijin (4-те), East State (10-те), Japan Toyo Textile Company (24-те), Китай має 21 установу, Sinopec Group має найбільшу кількість патентів, посідаючи третє місце, на другому місці Харбінський технологічний інститут, Henan Ke Letter cable company, Університет Дунхуа, China Shanghai Petrochemical, Beijing Chemical Industry тощо, Китайська академія наук Шаньсі, заявка на винахід, патент на вугілля, 66, посідає 27-ме місце, південнокорейські установи мають 2, з яких Xiaoxing Co., Ltd. посіла перше місце, посівши 8-е місце.
Випуск установ, випуск статті переважно з університетів та науково-дослідних установ, патентна продукція переважно від компанії, можна побачити, що виробництво вуглецевого волокна є високотехнологічною галуззю, як основний орган розвитку галузі досліджень та розробок вуглецевого волокна, компанія надає великого значення захисту технологій досліджень та розробок вуглецевого волокна, особливо дві великі компанії в Японії, кількість патентів значно випереджає.
3.4 Актуальні питання дослідження
Наукові статті з вуглецевого волокна охоплюють найбільшу кількість тем дослідження: вуглецеві волокнисті композити (включаючи вуглецево-армовані композити, полімерно-матричні композити тощо), дослідження механічних властивостей, метод скінченних елементів, вуглецеві нанотрубки, розшарування, армування, втома, мікроструктура, електростатичне спінінгування, обробка поверхні, адсорбція тощо. Статті, що стосуються цих ключових слів, становлять 38,8% від загальної кількості статей.
Патенти на винаходи з вуглецевого волокна охоплюють більшість тем, пов'язаних з підготовкою вуглецевого волокна, виробничим обладнанням та композитними матеріалами. Серед них японські компанії Toray, Mitsubishi Liyang, Teijin та інші займаються важливими технічними розробками у сфері "полімерних сполук, армованих вуглецевим волокном", крім того, Toray та Mitsubishi Liyang займаються "виробництвом поліакрилонітрилу з вуглецевого волокна та виробничим обладнанням", "виробництвом вуглецевого волокна з ненасиченим нітрилом, таким як поліакрилонітрил, полівініліденціанід етилену" та іншими технологіями, а японська компанія Teijin займається "композитами з вуглецевого волокна та кисневих сполук".
Китайська група Sinopec, Пекінський хімічний університет, Китайська академія наук Нінбо Матеріали у "виробництві поліакрилонітрилу з вуглецевого волокна та виробничому обладнанні" мають значну частку патентної макети; крім того, Пекінський університет хімічної інженерії, Шаньсійський інститут вугільної хімії Китайської академії наук та Китайська академія наук Нінбо матеріали ключової макети "Використання неорганічного елемента волокна як інгредієнта для приготування полімерних сполук" технології Харбінського технологічного інституту зосереджені на макеті "обробки вуглецевого волокна", "композитів з вуглецевого волокна та кисневмісних сполук" та інших технологій.
Крім того, зі щорічної статистичної статистики розподілу глобальних патентів видно, що за останні три роки почала з'являтися низка нових гарячих точок, таких як: «Композиції поліамідів, отримані в результаті реакції утворення карбоксилатного зв'язку в основному ланцюзі», «поліефірні композиції, отримані в результаті утворення 1-ефірного ефірного зв'язку карбонової кислоти в основному ланцюзі», «композитний матеріал на основі синтетичних матеріалів», «циклічні карбонові кислоти, що містять кисневі сполуки, як інгредієнти вуглецевих волокнистих композитів», «тривимірна форма затвердіння або обробки текстильних матеріалів», «ненасичений ефір, ацеталь, напівацеталь, кетон або альдегід лише через реакцію ненасиченого вуглець-вуглецевого зв'язку для отримання полімерних сполук», «адіабатичний матеріал для труб або кабелів», «вуглецеві волокнисті композити з фосфатними ефірами як інгредієнтами» тощо.
В останні роки з'явилися дослідження та розробки в секторі вуглецевого волокна, причому більшість проривів здійснено в Сполучених Штатах та Японії. Найновіші передові технології зосереджені не лише на технології виробництва та підготовки вуглецевого волокна, але й на застосуванні в ширшому спектрі автомобільних матеріалів, таких як легкі конструкції, 3D-друк та матеріали для виробництва енергії. Крім того, переробка та утилізація вуглецевих волокнистих матеріалів, підготовка деревного лігніну з вуглецевого волокна та інші досягнення мають яскраві результати. Репрезентативні результати описані нижче:
1) Технологічний інститут Джорджії, штат США, прориває технології вуглецевого волокна третього покоління
У липні 2015 року, за фінансування DARPA, Технологічний інститут Джорджії, завдяки своїй інноваційній техніці формування вуглецевого волокна на основі сковороди, значно збільшив свій модуль пружності, перевершивши вуглецеве волокно Hershey IM7, яке зараз широко використовується у військових літаках, ставши другою країною у світі, яка опанувала третє покоління технології вуглецевого волокна після Японії.
Міцність на розтяг вуглецевого волокна, виготовленого методом гелевого прядіння, компанією Kumarz, сягає від 5,5 до 5,8 ГПа, а модуль розтягу – від 354 до 375 ГПа. «Це безперервне волокно, яке, як повідомляється, має найвищу міцність і модуль комплексних характеристик. У короткому пучку ниток міцність на розтяг сягає 12,1 ГПа, що є найвищим показником серед поліакрилонітрильних вуглецевих волокнів».
2) Технологія нагріву електромагнітними хвилями
У 2014 році компанія Nedo розробила технологію електромагнітного хвильового нагріву. Технологія карбонізації електромагнітними хвилями означає використання технології електромагнітного хвильового нагріву для карбонізації волокна за атмосферного тиску. Отримані характеристики вуглецевого волокна в основному такі ж, як і у вуглецевого волокна, отриманого шляхом високотемпературного нагрівання, модуль пружності може досягати понад 240 GPA, а видовження при розриві перевищує 1,5%, що є першим успіхом у світі.
Волокнистий матеріал карбонізується електромагнітними хвилями, завдяки чому обладнання для карбонізаційної печі, що використовується для високотемпературного нагрівання, не потрібне. Цей процес не тільки скорочує час, необхідний для карбонізації, але й зменшує споживання енергії та викиди CO2.
3) точний контроль процесу карбонізації
У березні 2014 року компанія Toray оголосила про успішну розробку вуглецевого волокна t1100g. Toray використовує традиційну технологію спінінгу в розчині для точного контролю процесу карбонізації, покращення мікроструктури вуглецевого волокна на нанорівні, контролю орієнтації мікрокристалічних структур графіту, розміру мікрокристалічних структур, дефектів тощо у волокні після карбонізації, що дозволяє значно покращити міцність та модуль пружності. Міцність на розрив t1100g становить 6,6 ГПа, що на 12% вище, ніж у T800, а модуль пружності становить 324 ГПа та збільшився на 10%, що свідчить про вступ у стадію індустріалізації.
4) Технологія обробки поверхні
Компанія Teijin East State успішно розробила технологію плазмової обробки поверхні, яка дозволяє контролювати зовнішній вигляд вуглецевого волокна всього за кілька секунд. Ця нова технологія значно спрощує весь виробничий процес і зменшує споживання енергії на 50% порівняно з існуючою технологією обробки поверхні для водних розчинів електролітів. Крім того, після плазмової обробки було виявлено, що також покращилася адгезія волокна та смоляної матриці.
5) дослідження швидкості збереження міцності на розтяг вуглецевого волокна в умовах високотемпературного графітового середовища
Компанія Ningbo Materials успішно провела детальне дослідження аналізу процесу, дослідження структури та оптимізації продуктивності вітчизняного високоміцного та високомодового вуглецевого волокна, зокрема дослідницьку роботу щодо збереження міцності на розтяг вуглецевого волокна у високотемпературному графітовому середовищі, а також нещодавню успішну підготовку високоміцного та високомодульного вуглецевого волокна з міцністю на розтяг 5,24 ГПа та модулем пружності на розтяг 593 ГПа. Воно продовжує мати перевагу в міцності на розтяг порівняно з японським високоміцним високоформованим вуглецевим волокном Toray m60j (міцність на розтяг 3,92 ГПа, модуль пружності на розтяг 588 ГПа).
6) Мікрохвильовий графіт
Компанія Yongda Advanced Materials успішно розробила ексклюзивну патентовану технологію надвисокотемпературного графіту, що забезпечує виробництво вуглецевого волокна середнього та вищого порядку, успішно подолавши три вузькі місця у розвитку вуглецевого волокна високого порядку: дороге графітове обладнання, яке знаходиться під міжнародним контролем, труднощі з хімічною технологією виробництва шовку-сирцю, низький та високий вихід продукції. На сьогоднішній день Yongda розробила 3 види вуглецевого волокна, кожен з яких підняв міцність та модуль пружності оригінального відносно низькосортного вуглецевого волокна на нову висоту.
7) Новий процес плавлення формувального формування вуглецевого волокнистого дроту на основі пательні від Fraunhofer, Німеччина
Інститут прикладних полімерів Фраунгофера (Applied polymer Research, IAP) нещодавно оголосив, що представить новітню технологію Comcarbon на Берлінському авіасалоні Ila 25-29 квітня 2018 року. Ця технологія значно знижує виробничі витрати масового виробництва вуглецевого волокна.
Рис. 4. Плавлення необробленого дроту під тиском.
Загальновідомо, що в традиційних процесах половина виробничих витрат на виробництво вуглецевого волокна на основі панелі витрачається на виробництво сирого дроту. З огляду на нездатність сирого дроту плавитися, його необхідно виробляти за допомогою дорогого процесу прядіння з розчину (Solution Spinning). «З цією метою ми розробили новий процес виробництва сирого шовку на основі панелі, який може знизити виробничі витрати на сирий дрот на 60%. Це економічний та доцільний процес плавлення з використанням спеціально розробленого сплавленого кополімеру на основі панелі», – пояснив доктор Йоганнес Ганстер, міністр біологічних полімерів Інституту Фраунгофера IAP.
8) Технологія плазмового окислення
Компанія 4M Carbon fiber оголосила, що використовуватиме технологію плазмового окислення для виробництва та продажу високоякісного, недорогого вуглецевого волокна як стратегічний напрямок, а не лише для ліцензування цієї технології. 4M стверджує, що технологія плазмового окислення втричі швидша за традиційну технологію окислення, тоді як використання енергії становить менше третини від традиційної технології. Ці заяви були підтверджені багатьма міжнародними виробниками вуглецевого волокна, які консультуються з низкою найбільших світових виробників вуглецевого волокна та автовиробників, щоб взяти участь як ініціатори виробництва недорогого вуглецевого волокна.
9) Целюлозне нановолокно
Кіотський університет Японії разом із кількома основними постачальниками компонентів, такими як компанія з електромонтажу (найбільший постачальник Toyota) та Daikyonishikawa Corp., працює над розробкою пластикових матеріалів, що поєднують целюлозні нановолокна. Цей матеріал виготовляється шляхом розщеплення деревної маси на кілька мікронів (1 на тисячу мм). Вага нового матеріалу становить лише одну п'яту від ваги сталі, але його міцність у п'ять разів перевищує міцність сталі.
10) передня частина з вуглецевого волокна з поліолефінової та лігнінової сировини
Національна лабораторія Оук-Рідж у Сполучених Штатах працює над дослідженнями недорогих вуглецевих волокон з 2007 року, і вони розробили передові вуглецеві волокнисті корпуси для поліолефінової та лігнінової сировини, а також передові технології плазмового попереднього окислення та мікрохвильової карбонізації.
11) Новий полімер (полімер-попередник) був розроблений шляхом видалення вогнетривкої обробки
У методі виробництва, розробленому Токійським університетом, було розроблено новий полімер (полімер-попередник) для усунення вогнетривкої обробки. Головне полягає в тому, що після формування полімеру в шовк, він не піддається початковій вогнетривкій обробці, а призводить до його окислення в розчиннику. Потім мікрохвильовий нагрівальний пристрій нагрівається до температури понад 1000 ℃ для карбонізації. Час нагрівання займає лише 2-3 хвилини. Після карбонізації плазма також використовується для обробки поверхні, що дозволяє виготовляти вуглецеве волокно. Плазмова обробка займає менше 2 хвилин. Таким чином, початковий час спікання, який становив 30-60 хвилин, можна скоротити до приблизно 5 хвилин. У новому методі виробництва плазмова обробка проводиться для покращення зчеплення між вуглецевим волокном та термопластичною смолою як основним матеріалом з вуглецевого волокна (CFRP). Модуль пружності вуглецевого волокна, виготовленого новим методом виробництва, становить 240 ГПа, міцність на розтяг – 3,5 ГПа, а видовження досягає 1,5%. Ці значення відповідають рівню вуглецевого волокна Toray Universal grade T300, яке використовується для спортивних товарів тощо.
12) переробка та утилізація вуглецевих волокнистих матеріалів з використанням процесу псевдозрідженого шару
Менгран Менг, перший автор дослідження, сказав: «Відновлення вуглецевого волокна зменшує вплив на навколишнє середовище порівняно з виробництвом сирого вуглецевого волокна, але обізнаність про потенційні технології переробки та економічну доцільність використання переробки вуглецевого волокна обмежена. Переробка відбувається у два етапи: волокна спочатку необхідно вилучити з вуглецевих волокнистих композитів та термічно розкласти шляхом механічного подрібнення матеріалів або за допомогою піролізу чи процесів псевдозрідженого шару. Ці методи видаляють пластикову частину композитного матеріалу, залишаючи вуглецеве волокно, яке потім можна перетворити на сплутані волокнисті мати за допомогою технології мокрого папероробства або реорганізувати у спрямовані волокна».
Дослідники підрахували, що вуглецеве волокно можна відновити з відходів вуглецевого композиту за допомогою процесу псевдозрідженого шару, що вимагає лише 5 доларів/кг та менше 10% енергії, необхідної для виробництва первинного вуглецевого волокна. Перероблені вуглецеві волокна, отримані за допомогою процесів псевдозрідженого шару, майже не зменшують модуль пружності, а міцність на розрив знижується на 18-50% порівняно з первинними вуглецевими волокнами, що робить їх придатними для застосувань, що вимагають високої жорсткості, а не міцності. «Перероблені вуглецеві волокна можуть бути придатними для неконструкційних застосувань, які потребують легкої ваги, таких як автомобільна, будівельна, вітроенергетична та спортивна промисловість», – сказав Менг.
13) У Сполучених Штатах розроблено нову технологію переробки вуглецевого волокна
У червні 2016 року дослідники з Технологічного інституту Джорджії в США замочили вуглецеве волокно в розчиннику, що містить спирт, для розчинення епоксидної смоли, розділені волокна та епоксидні смоли можна використовувати повторно, що успішно здійснило відновлення вуглецевого волокна.
У липні 2017 року Університет штату Вашингтон також розробив технологію відновлення вуглецевого волокна, використовуючи слабку кислоту як каталізатор, рідкий етанол за відносно низьких температур розкладає термореактивні матеріали, розкладене вуглецеве волокно та смолу зберігаються окремо та можуть бути використані для відтворення.
14) Розробка технології 3D-друку з використанням вуглецевого волокна в лабораторії LLNL, США
У березні 2017 року Національна лабораторія імені Лоуренса Лівмора (LLNL) у Сполучених Штатах розробила перші високопродуктивні композити з вуглецевого волокна авіаційного класу, надруковані за допомогою 3D-друку. Вони використали метод 3D-друку з прямою передачею чорнила (DIW) для створення складних тривимірних структур, які значно покращили швидкість обробки для використання в автомобільній, аерокосмічній, оборонній галузях, мотоциклетних змаганнях та серфінгу.
15) Сполучені Штати, Корея та Китай співпрацюють у розробці вуглецевого волокна для виробництва електроенергії.
У серпні 2017 року кампус Техаського університету в Далласі, Ханьянський університет у Кореї, Нанкайський університет у Китаї та інші установи співпрацювали в розробці матеріалу з вуглецевої пряжі для виробництва енергії. Спочатку пряжу замочують у розчинах електролітів, таких як розсіл, що дозволяє іонам в електроліті прикріплюватися до поверхні вуглецевих нанотрубок, які потім можна перетворювати на електричну енергію при натягуванні або розтягуванні пряжі. Матеріал можна використовувати в будь-якому місці, він має надійну кінетичну енергію та підходить для живлення датчиків Інтернету речей.
16) Новий прогрес у дослідженні вуглецевого волокна з деревного лігніну, отриманий відповідно китайцями та американцями.
У березні 2017 року спеціальна команда з волокон Нінбонського інституту технології матеріалів та інженерії підготувала лігнін-акрилонітрильний сополімер з хорошою прядильністю та термічною стабільністю, використовуючи технологію двоступеневої модифікації етерифікацією та вільнорадикальною кополімеризацією. За допомогою сополімеру та процесу мокрого прядіння були отримані високоякісні безперервні нитки, а компактне вуглецеве волокно було отримано після термічної стабілізації та карбонізаційної обробки.
У серпні 2017 року дослідницька група Біргітте Арінг з Вашингтонського університету в США змішала лігнін та поліакрилонітрил у різних пропорціях, а потім використала технологію прядіння з розплаву для перетворення змішаних полімерів на вуглецеві волокна. Дослідження показало, що додавання лігніну до 20%~30% не вплинуло на міцність вуглецевого волокна та, як очікується, буде використано у виробництві дешевших вуглецевих волокнистих матеріалів для автомобільних або авіаційних деталей.
Наприкінці 2017 року Національна лабораторія відновлюваної енергії (NREL) опублікувала дослідження щодо виробництва акрилонітрилу з використанням відходів рослин, таких як кукурудзяна та пшенична солома. Спочатку вони розщеплюють рослинні матеріали на цукор, потім перетворюють їх на кислоти та поєднують з дешевими каталізаторами для отримання цільових продуктів.
17) Японія розробляє перше автомобільне шасі з термопластичного композиту, посиленого вуглецевим волокном
У жовтні 2017 року японське агентство досліджень та розробок з нових технологій енергетичної промисловості, що об'єднало зусилля та Національний дослідницький центр композитів Університету Нагоя, успішно розробило перше у світі термопластичне композитне автомобільне шасі. Вони використовують автоматичний процес прямого лиття довговолокнистих термопластичних композитів, безперервне змішування частинок вуглецевого волокна та термопластичної смоли, виробництво армованих волокном композитів, а потім нагрівання та плавлення з'єднання, що дозволило успішно виготовити термопластичне автомобільне шасі з вуглецевого волокна.
5. пропозиції щодо досліджень та розробок технології вуглецевого волокна в Китаї
5.1 Перспективна компоновка, орієнтована на результат, зосереджена на прориві третього покоління технології вуглецевого волокна
Технологія вуглецевого волокна другого покоління в Китаї ще не є всеохоплюючим проривом. Наша країна повинна прагнути до майбутнього розвитку, об'єднавши наші відповідні дослідницькі установи, зосереджені на опануванні ключових технологій, зосередженні на дослідженнях та розробках у сфері високопродуктивної технології підготовки вуглецевого волокна третього покоління (тобто застосовної до аерокосмічної технології високоміцного та високомодульного вуглецевого волокна), а також розробленій технології композитних матеріалів з вуглецевого волокна, зокрема для автомобільної, будівельної та ремонтної промисловості, а також інших легких, недорогих великогабаритних технологій підготовки вуглецевого волокна, адитивного виробництва, технології переробки та технології швидкого прототипування.
5.2 Координація організації, посилення підтримки, створення великих технічних проектів для постійної підтримки спільних досліджень
Наразі в Китаї існує багато установ, які проводять дослідження вуглецевого волокна, але їхні можливості розпорошені, і немає єдиного механізму організації досліджень та розробок, а також потужної фінансової підтримки для ефективної координації. Судячи з досвіду розвитку розвинених країн, організація та планування великих проектів відіграють важливу роль у сприянні розвитку цієї технічної галузі. Ми повинні зосередитися на перевагах китайської науково-дослідної сили, враховуючи проривні китайські технології досліджень та розробок у галузі вуглецевого волокна, щоб розпочати великі проекти, зміцнити спільні технологічні інновації та постійно просувати рівень китайських технологій досліджень вуглецевого волокна, конкуруючи на міжнародному ринку вуглецевого волокна та композитів.
5.3 Удосконалення механізму оцінювання орієнтації технічних досягнень на ефект застосування
З точки зору економетричного аналізу робіт SCI, вуглецеве волокно Китаю як високоміцний експлуатаційний матеріал використовується в різних галузях досліджень, але для технології виробництва та підготовки вуглецевого волокна, особливо зосередженої на зниженні витрат, підвищення ефективності виробництва потребує менше досліджень. Процес виробництва вуглецевого волокна є тривалим, ключовими технологічними моментами, високими виробничими бар'єрами, що є багатопрофільною та багатотехнологічною інтеграцією. Необхідно подолати технічні перешкоди, ефективно просувати дослідження та розробки в галузі технології підготовки основних матеріалів "низької вартості та високої продуктивності", з одного боку, необхідно посилити інвестиції в дослідження, з іншого боку, необхідно послабити галузь оцінки ефективності наукових досліджень, посилити керівництво оцінкою ефекту застосування технічних досягнень та перейти від "кількісної" оцінки, яка приділяє увагу публікації статті, до оцінки "якісної" цінності результатів.
5.4 Посилення розвитку складних талантів у сфері передових технологій
Високотехнологічний атрибут технології вуглецевого волокна визначає важливість спеціалізованих талантів, а наявність у них передового основного технічного персоналу безпосередньо визначає рівень досліджень і розробок установи.
В результаті зв'язків між науково-дослідними та дослідницькими командами у сфері технології вуглецевого волокна, нам слід звернути увагу на навчання персоналу комплексу, щоб забезпечити координацію та розвиток усіх зв'язків. Крім того, з історії розвитку досліджень вуглецевого волокна в Китаї, потік основних експертів у галузі технологій часто є ключовим фактором, що впливає на рівень досліджень та розробок дослідницької установи. Підтримка фіксації основних експертів та команд дослідників та розробників у виробничих процесах, композитах та основних продуктах є важливою для постійного оновлення технологій.
Ми повинні продовжувати посилювати підготовку та використання спеціалізованого високотехнологічного персоналу в цій галузі, удосконалювати політику оцінки та лікування талантів у сфері технологічних досліджень та розробок, посилювати розвиток молодих талантів, активно підтримувати співпрацю та обмін з передовими іноземними науково-дослідними установами, а також активно залучати передових іноземних талантів тощо. Це відіграватиме велику роль у сприянні розвитку досліджень вуглецевого волокна в Китаї.
Цитовано з-
Аналіз розвитку світової технології вуглецевого волокна та її проникнення в Китай. Тянь Яцзюань, Чжан Чжицян, Тао Чен, Ян Мін, Ба Цзінь, Чень Юньвей.Світові науково-технічні дослідження та розробки.2018 рік
Час публікації: 04 грудня 2018 р.