Майбутнє зростання потужностей виробництва термопластичного вуглецевого волокна принесе користь яким галузям?
Історія розвитку індустрії матеріалів налічує понад століття, протягом якого з’являлися нові матеріали, що характеризуються легкістю, високою міцністю та жорсткістю, набуваючи популярності в різних сферах і галузях. Від попередніх скляних волокон до сучасних вуглецевих і арамідних волокон, ці високоефективні волокна можна поєднувати з різними матеріалами матриці для створення композитних матеріалів, які мають більш стабільну форму, мають покращену продуктивність і дозволяють більш ефективну обробку. У цій статті обговорюються модні на даний момент термопластичні композити з вуглецевого волокна. Однак на даний момент глобальні виробничі потужності для цього типу композиту залишаються дефіцитними. Для досягнення різноманітних застосувань важливо вирішити проблеми вдосконалення технологічних рівнів і збільшення меж виробничих потужностей. Якщо припустити, що майбутні прориви в технологічних вузьких місцях призведуть до вибуху у виробництві термопластичних композитів з вуглецевого волокна, які галузі від цього виграють?
Значення та обмеження термопластичних композитів з вуглецевого волокна
Термопластичні композити з вуглецевого волокна часто порівнюють з термореактивними композитами з вуглецевого волокна, композитами зі скловолокна та композитами з арамідного волокна. Деякі дослідження показують, що термореактивні композити з вуглецевого волокна демонструють вищу жорсткість, тоді як композити з арамідного волокна мають кращу міцність. Однак деякі термопластичні композити з вуглецевого волокна, такі як безперервний армований вуглецевим волокном поліефірний ефіркетон (CF/PEEK), демонструють кращі характеристики порівняно з їх термореактивними аналогами.
Насправді переваги термопластичного вуглецевого волокна виходять за рамки механічних властивостей. Вони також мають переваги з точки зору підготовки, обробки та переробки.
Завдяки швидкому переробленню та переробці термопластичних матеріалів армовані волокнами термопластичні композити все частіше використовуються в аерокосмічній, автомобільній, будівельній та хімічній промисловості. Здатність плавити термопластичні матеріали та їх армовані волокнами композити дозволяє переробляти виготовлені деталі в нові продукти, що є значною перевагою перед термореактивними полімерами та їх армованими волокнами композитами.
Однак через погану міжфазну адгезію між вуглецевими волокнами та термопластичними матрицями для введення поверхневих функціональних груп і покращення міжфазного зв’язку застосовувалися різні обробки поверхні, такі як хімічні, плазмові та електрохімічні методи. Термопластичні композити, армовані вуглецевим волокном, були виготовлені в різні легкі компоненти з високою ударостійкістю, можливістю ремонту та повторної переробки за допомогою таких виробничих процесів, як лиття під тиском, пресування та екструзія.
Хоча термопластичні композити з вуглецевого волокна та їхні відповідні компоненти за своєю природою мають переваги, вони також стикаються з певними обмеженнями. Наприклад, односпрямовані термопластичні композити з вуглецевого волокна демонструють низьку деформацію на розтяг, а наявність залишкових розчинників може негативно вплинути на кінцеві характеристики. Щоб збільшити деформацію руйнування при розтягуванні, були використані гібридні тонкі шари, кутові шари та гофровані шарові сендвіч-структури. Перш ніж технологія зріле, широке застосування термопластичних композитів з вуглецевого волокна вимагатиме великих досліджень і експериментів.
Які перспективні напрямки застосування термопластичного вуглецевого волокна?
Дослідження термопластичних композитів з вуглецевого волокна тривають, але зараз вони стикаються з певними вузькими місцями. Високотемпературний розплавлений стан термопластичних смол не може ефективно змочити пучки вуглецевого волокна, що призводить до нерівномірного розподілу всередині виготовленого препрегу з термопластичного вуглецевого волокна та значного зниження рівня продуктивності. Крім того, подальша обробка препрегів з термопластичного вуглецевого волокна також стикається з багатьма проблемами. Лише розв’язавши ці проблеми, більше галузей промисловості зможуть отримати користь від цих матеріалів.
1.Аерокосмічний: Використання композитів з вуглецевого волокна в літаках почалося з допоміжних конструкцій, таких як елерони, триммери руля висоти та рулі. CFRP (полімер, армований вуглецевим волокном) демонструє відмінні механічні властивості, включаючи високе співвідношення міцності до ваги та високе співвідношення жорсткості до ваги. З удосконаленням технологій продуктивність волокон і матриць значно покращилася, підвищивши продуктивність ламінатів і дозволивши застосовувати цей матеріал для основних конструкцій літаків, таких як фюзеляжі, вертикальні хвости, хвостові частини та крила, замінюючи традиційні легкі металеві сплави. Термопластичне вуглецеве волокно може замінити деякі термореактивні вуглецеві волокна, забезпечуючи кращі характеристики цих компонентів.
2. Виробництво енергії вітру: За даними Глобальної вітроенергетичної ради, загальна встановлена потужність вітрової енергії в усьому світі сягнула приблизно 743 гігават у 2020 році, при цьому нова встановлена потужність збільшилася на 53% і склала 93 гігавати. У лопатях вітряних турбін вуглецеве волокно має значні переваги перед скловолокном, включаючи вищий питомий модуль розтягування, вищу питому міцність на розрив і кращу стійкість до втоми. Споживання вуглецевого волокна в конструкціях вітрових турбін зросло з приблизно 800 тонн у 2004 році до понад 30 тонн у 2021 році, і очікується, що воно перевищить 81 тонну до 2025 року. Термопластичні композити з вуглецевого волокна також можуть широко застосовуватися у зростаючій вітроенергетиці. сектор обладнання.
3. Автомобільна промисловість: Протягом останнього десятиліття суворіші стандарти викидів автомобілів і швидке зростання електромобілів спонукали промисловість до повторного використання вуглецевого волокна для зменшення ваги. Використання легких матеріалів, таких як CFRP (полімер, армований вуглецевим волокном), в автомобільних конструкціях є найбільш прямим методом зменшення ваги. У 2013 році споживання вуглецевого волокна значно зросло, продовжуючи тенденцію до зростання. У 2021 році попит на вуглецеве волокно сягнув 9,5 тонн і, як очікується, перевищить 12,6 тонн до 2024 року. Китай є найбільшим виробником і кінцевим ринком електромобілів у світі, і застосування термопластичного вуглецевого волокна в автомобілях може забезпечити кращі характеристики прискорення, а також забезпечуючи кращий захист безпеки.
4.Посудини під тиском: Контейнери для зберігання газу під високим тиском є одним із найбільших і швидкозростаючих ринків передових композитів, зокрема композитів з вуглецевого волокна з ниткою. Завдяки відмінним показникам втоми композитів з вуглецевого волокна термін служби композитних посудин високого тиску з вуглепластику типу III і IV може досягати до 30 років. Повністю вуглецеві композитні резервуари типу V без вкладишів були вперше виготовлені в 2012 році для зберігання аргону в супутникових компонентах. Одним із застосувань термопластичних композитів з вуглецевого волокна в односпрямованих стрічках є виробництво посудин під тиском, що має перспективний ринковий потенціал для зберігання водню під високим тиском, аргону та інших газів у майбутньому.
5. Спортивне обладнання: Основні продукти, виготовлені з вуглецевого волокна, включають ключки для гольфу, вудки та тенісні ракетки. З 2010 року використання вуглецевого волокна в спортивному та рекреаційному обладнанні демонструє стійку тенденцію до зростання. У 2021 році кількість вуглецевого волокна, використаного в спорті, досягла вражаючих 18,5 тонн. Гольф-клуби та велосипеди є найбільшими споживачами вуглецевого волокна, на них припадає 27,6% та 25,4% від загального споживання відповідно. Очікується, що спортивні товари, виготовлені з термопластичних композитів з вуглецевого волокна, піднімуть спортивні змагання на нову висоту. Зі збільшенням виробничих потужностей ціни на ці види спортивних товарів продовжують знижуватися, що робить їх доступнішими в повсякденному житті.
Переробка викинутих продуктів з вуглецевого волокна є терміновою, і впровадження потребує вдосконалення
Поліпшення виробничих потужностей для термопластичних композитів з вуглецевого волокна справді може сприяти швидкому розвитку промисловості вуглецевого волокна та розвитку таких галузей, як аерокосмічна промисловість, виробництво енергії вітру, автомобілебудування та виробництво посудин під тиском. Однак це також піднімає актуальне питання: як ефективно переробити пошкоджені та викинуті термопластичні вироби з вуглецевого волокна. За нинішніх низьких потужностей виробництва термопластичних композитів і виробів з вуглецевого волокна, за оцінками, до 2025 року виробничий процес може генерувати близько 20 000 тонн відходів і списаних деталей на рік. Якщо виробничі потужності в майбутньому істотно зростуть, кількість відходів також суттєво зросте.
Протягом усього виробничого процесу від сировини до готової продукції утворюється велика кількість відходів, включаючи сухі волокна/тканини, затверділі або не затверділі препреги, відрізки, тестові зразки та несхвалені продукти. Середній рівень браку для виробництва композиту з вуглецевого волокна становить приблизно 32,4%. Залежно від виробничого процесу чи застосування, традиційні методи виробництва, такі як автоклавне виробництво в аерокосмічній промисловості та RTM, мають показники брухту понад 50%, тоді як показники брухту спортивних товарів ручного виробництва становлять 4-8%. Для більш сучасних процесів виробництва композитів, формування та композитні методи дають швидкість браку 30-50%, пултрузія має швидкість 5-10%, а процеси намотування нитки мають швидкість 2-3%. Оскільки виробничі процеси продовжують розвиватися, очікується, що показники браку зменшаться.
Хоча цей відсоток невеликий, загальний обсяг пластикових відходів, армованих вуглецевим волокном, значний, особливо враховуючи швидке зростання промисловості вуглецевого волокна; таким чином, відповідні відходи вуглецевого волокна також зростають. В даний час більшість відходів від термореактивних композитів з вуглецевого волокна утилізується шляхом захоронення. На відміну від цього, термопластичні композити з вуглецевого волокна мають кращу можливість переробки. Якщо пов’язані компанії візьмуть на себе відповідальність і будуть запроваджені відповідні закони та правила, це може ефективно пом’якшити поточні проблеми неефективного поводження з відходами вуглецевого волокна. Xinhong Industrial Co., Ltd. вважає, що вуглецеве волокно та композити забезпечують зручність і цінність нашого життя, і хоча ми отримуємо від них користь, важливо зосередитися на зусиллях з переробки для захисту навколишнього середовища, яке, у свою чергу, захищає безперервність цивілізації.
