Kurām nozarēm nāks par labu termoplastiskās oglekļa šķiedras ražošanas jaudas turpmākais sprādziens?
Materiālu nozares attīstībai ir vairāk nekā gadsimtu ilga vēsture, kuras laikā ir radušies jauni materiāli, kam raksturīgs viegls svars, augsta izturība un stingrība, kas guvuši popularitāti dažādās jomās un nozarēs. No agrākajām stikla šķiedrām līdz mūsdienu oglekļa šķiedrām un aramīda šķiedrām šīs augstas veiktspējas šķiedras var kombinēt ar dažādiem matricas materiāliem, lai izveidotu kompozītmateriālus, kas ir stabilākas formas, kam ir uzlabota veiktspēja un kas nodrošina efektīvāku apstrādi. Šajā rakstā apskatīti pašlaik aktuālie termoplastiskās oglekļa šķiedras kompozītmateriāli. Tomēr šobrīd globālā ražošanas jauda šāda veida kompozītmateriāliem joprojām ir ierobežota. Lai panāktu dažādus lietojumus, ir svarīgi risināt problēmas, kas saistītas ar tehnoloģiskā līmeņa uzlabošanu un ražošanas jaudas ierobežojumu palielināšanu. Pieņemot, ka turpmākie sasniegumi tehnoloģiskajās vājajās vietās novedīs pie termoplastisko oglekļa šķiedras kompozītmateriālu ražošanas jaudas eksplozijas, kuras nozares gūtu labumu?
Termoplastisko oglekļa šķiedru kompozītu nozīme un ierobežojumi
Termoplastiskās oglekļa šķiedras kompozītmateriālus bieži salīdzina ar termoreaktīviem oglekļa šķiedras kompozītmateriāliem, stikla šķiedras kompozītmateriāliem un aramīda šķiedras kompozītmateriāliem. Daži pētījumi liecina, ka termoreaktīvajiem oglekļa šķiedras kompozītmateriāliem ir lielāka stingrība, savukārt aramīda šķiedru kompozītmateriāliem ir labāka izturība. Tomēr daži termoplastiskās oglekļa šķiedras kompozītmateriāli, piemēram, ar nepārtrauktu oglekļa šķiedru pastiprināts poliētera ētera ketons (CF/PEEK), demonstrē izcilu veiktspēju salīdzinājumā ar termoreaktīvajiem līdziniekiem.
Faktiski termoplastisko oglekļa šķiedru priekšrocības pārsniedz mehāniskās īpašības. Tie sniedz arī priekšrocības sagatavošanā, apstrādē un pārstrādē.
Tā kā termoplastiskie materiāli tiek ātri apstrādāti un pārstrādājami, ar šķiedru pastiprināti termoplastiskie kompozītmateriāli arvien vairāk tiek izmantoti kosmosa, automobiļu, būvniecības un ķīmiskajā rūpniecībā. Spēja kausēt termoplastiskus materiālus un to ar šķiedru pastiprinātus kompozītmateriālus ļauj izgatavotās detaļas pārveidot jaunos produktos, kas ir būtiska priekšrocība salīdzinājumā ar termoreaktīvajiem polimēriem un to šķiedru pastiprinātiem kompozītmateriāliem.
Tomēr, ņemot vērā vājo saskarnes saķeri starp oglekļa šķiedrām un termoplastiskām matricām, ir izmantotas dažādas virsmas apstrādes metodes, piemēram, ķīmiskās, plazmas un elektroķīmiskās metodes, lai ieviestu virsmas funkcionālās grupas un uzlabotu saskarnes saikni. Ar oglekļa šķiedru pastiprināti termoplastiskie kompozītmateriāli ir izgatavoti dažādos vieglos komponentos ar augstu triecienizturību, labojamību un pārstrādājamību, izmantojot ražošanas procesus, piemēram, iesmidzināšanu, presēšanu un ekstrūzijas.
Lai gan termoplastiskās oglekļa šķiedras kompozītmateriāliem un to atbilstošajiem komponentiem pēc būtības ir priekšrocības, tiem ir arī daži ierobežojumi. Piemēram, vienvirziena termoplastiskās oglekļa šķiedras kompozītmateriāliem ir zema stiepes deformācija, un atlikušo šķīdinātāju klātbūtne var negatīvi ietekmēt galīgo veiktspēju. Lai pagarinātu stiepes atteices deformāciju, ir izmantoti hibrīdie plānie slāņi, leņķiskie slāņi un gofrētā slāņa sviestmaižu struktūras. Pirms tehnoloģijas nobriešanas, termoplastisko oglekļa šķiedru kompozītmateriālu plašai izmantošanai būs nepieciešami plaši pētījumi un eksperimenti.
Kādi ir daudzsološie termoplastiskās oglekļa šķiedras lietošanas norādījumi?
Termoplastisko oglekļa šķiedru kompozītmateriālu izpēte turpinās, taču pašlaik tā saskaras ar noteiktiem sastrēgumiem. Augstas temperatūras kausētais termoplastisko sveķu stāvoklis nevar efektīvi samitrināt oglekļa šķiedru kūļus, izraisot nevienmērīgu sadalījumu saražotajā termoplastiskās oglekļa šķiedras prepregā un ievērojami pazeminot veiktspējas līmeni. Turklāt turpmākā termoplastiskās oglekļa šķiedras prepregu apstrāde arī saskaras ar daudzām problēmām. Tikai atrisinot šīs problēmas, vairāk nozaru var gūt labumu no šiem materiāliem.
1.Aviācija: Oglekļa šķiedras kompozītmateriālu izmantošana lidmašīnās sākās ar palīgkonstrukcijām, piemēram, eleroniem, liftu apdares cilnēm un stūrēm. CFRP (oglekļa šķiedras pastiprināts polimērs) uzrāda izcilas mehāniskās īpašības, tostarp augstu stiprības un svara attiecību un augstu stingrības un svara attiecību. Pateicoties tehnoloģijām, šķiedru un matricu veiktspēja ir ievērojami uzlabojusies, uzlabojot laminātu veiktspēju un ļaujot šo materiālu izmantot lielākajām gaisa kuģu konstrukcijām, piemēram, fizelāžām, vertikālām astes, astes kastēm un spārniem, aizstājot tradicionālos vieglmetālu sakausējumus. Termoplastiskā oglekļa šķiedra var aizstāt dažas termoreaktīvas oglekļa šķiedras, nodrošinot labāku šo komponentu veiktspēju.
2.Vēja enerģijas ražošana: Saskaņā ar Pasaules vēja enerģijas padomes datiem vēja enerģijas kopējā uzstādītā jauda visā pasaulē 2020. gadā sasniedza aptuveni 743 gigavatus, no jauna uzstādītās jaudas pieaugot par 53%, kopumā sasniedzot 93 gigavatus. Vēja turbīnu lāpstiņās oglekļa šķiedrai ir būtiskas priekšrocības salīdzinājumā ar stikla šķiedru, tostarp augstāku īpatnējo stiepes moduli, augstāku īpatnējo stiepes izturību un labāku noguruma izturību. Oglekļa šķiedras patēriņš vēja turbīnu konstrukcijās ir pieaudzis no aptuveni 800 tonnām 2004. gadā līdz vairāk nekā 30 tonnām 2021. gadā, un sagaidāms, ka līdz 2025. gadam tas pārsniegs 81 tonnu. Termoplastiskās oglekļa šķiedras kompozītmateriālus var plaši izmantot arī augošajā vēja enerģijā. iekārtu sektors.
3.Automobiļu ražošana: Pēdējo desmit gadu laikā stingrāki automobiļu emisiju standarti un straujais elektrisko transportlīdzekļu pieaugums ir mudinājuši nozari atkārtoti izmantot oglekļa šķiedru, lai samazinātu svaru. Vieglo materiālu, piemēram, CFRP (oglekļa šķiedras pastiprināta polimēra) kompozītmateriālu izmantošana automobiļu konstrukcijās ir vistiešākā svara samazināšanas metode. 2013. gadā oglekļa šķiedras patēriņš piedzīvoja ievērojamu pieaugumu, turpinot pieauguma tendenci. 2021. gadā pieprasījums pēc oglekļa šķiedras sasniedza 9,5 tonnas, un sagaidāms, ka līdz 2024. gadam tas pārsniegs 12,6 tonnas. Ķīna ir lielākais elektrisko transportlīdzekļu ražotājs un gala tirgus pasaulē, un termoplastiskās oglekļa šķiedras izmantošana automobiļos var nodrošināt labāku paātrinājuma veiktspēju, vienlaikus arī piedāvājot labāku drošības aizsardzību.
4. Spiedientvertnes: Augstspiediena gāzes uzglabāšanas tvertnes ir viens no lielākajiem un visstraujāk augošajiem progresīvu kompozītmateriālu tirgiem, jo īpaši oglekļa šķiedras kompozītmateriāliem ar pavedieniem. Pateicoties izcilajām oglekļa šķiedras kompozītmateriālu noguruma īpašībām, III un IV tipa CFRP kompozītmateriālu spiedtvertņu kalpošanas laiks var sasniegt pat 30 gadus. V tipa visas oglekļa šķiedras kompozītmateriālu tvertnes bez starplikas pirmo reizi tika ražotas 2012. gadā argona uzglabāšanai satelītu komponentos. Viens termoplastisko oglekļa šķiedru kompozītmateriālu pielietojums vienvirziena lentēs ir spiedtvertņu ražošana ar daudzsološu tirgus potenciālu augstspiediena ūdeņraža, argona un citu gāzu uzglabāšanai nākotnē.
5.Sporta aprīkojums: Galvenie produkti, kas izgatavoti no oglekļa šķiedras, ir golfa nūjas, makšķeres un tenisa raketes. Kopš 2010. gada oglekļa šķiedras izmantošana sporta un atpūtas aprīkojumā ir uzrādījusi stabilu pieauguma tendenci. 2021. gadā sportā izmantotās oglekļa šķiedras apjoms sasniedza iespaidīgas 18,5 tonnas. Golfa nūjas un velosipēdi ir lielākās oglekļa šķiedras patēriņa zonas, kas veido attiecīgi 27,6% un 25,4% no kopējā patēriņa. Paredzams, ka sporta preces, kas izgatavotas no termoplastiskas oglekļa šķiedras kompozītmateriāliem, pacels sacensību sportu jaunos augstumos. Palielinoties ražošanas jaudai, šo sporta preču veidu cenas turpina samazināties, padarot tās pieejamākas ikdienā.
Izlietoto oglekļa šķiedras izstrādājumu otrreizēja pārstrāde ir steidzama, un tā ieviešana ir jāuzlabo
Termoplastisko oglekļa šķiedras kompozītmateriālu ražošanas jaudas uzlabošana patiešām var veicināt strauju attīstību oglekļa šķiedras rūpniecībā un tādās progresīvās nozarēs kā kosmosa, vēja enerģijas ražošana, automobiļu ražošana un spiedtvertnes. Tomēr tas arī rada steidzamu jautājumu: kā efektīvi pārstrādāt bojātos un izmestos termoplastiskās oglekļa šķiedras izstrādājumus. Ņemot vērā pašreizējo zemo termoplastisko oglekļa šķiedras kompozītmateriālu un izstrādājumu ražošanas jaudu, tiek lēsts, ka līdz 2025. gadam ražošanas procesā katru gadu var rasties aptuveni 20,{2}} tonnas atkritumu un metāllūžņos. Ja ražošanas jauda nākotnē būtiski palielināsies, būtiski pieaugs arī atkritumu daudzums.
Visā ražošanas procesā no izejvielām līdz gataviem izstrādājumiem rodas liels daudzums atkritumu, tostarp sausas šķiedras/audumi, kaltēti vai nesacietējuši prepregi, atgriezumi, testa paraugi un neapstiprināti produkti. Vidējais metāllūžņu daudzums oglekļa šķiedras kompozītmateriālu ražošanā ir aptuveni 32,4%. Atkarībā no ražošanas procesa vai pielietojuma tradicionālajām ražošanas metodēm, piemēram, autoklāvu ražošanai kosmiskajā aviācijā un RTM procesos, metāllūžņu daudzums pārsniedz 50%, savukārt ar rokām ražotām sporta precēm metāllūžņu daudzums ir 4-8%. Mūsdienīgākiem kompozītmateriālu ražošanas procesiem, liešanas un kompozītmateriālu tehnikas lūžņu daudzums ir 30-50%, pultrūzijas ātrums ir 5-10%, bet kvēldiega uztīšanas procesos ir 2-3%. Ražošanas procesiem turpinot nobriest, sagaidāms, ka metāllūžņu apjoms samazināsies.
Lai gan procentuālais daudzums ir neliels, kopējais oglekļa šķiedru pastiprinātas plastmasas atkritumu apjoms ir ievērojams, jo īpaši tāpēc, ka oglekļa šķiedras nozare strauji paplašinās; tādējādi palielinās arī atbilstošo oglekļa šķiedru atkritumu daudzums. Pašlaik lielākā daļa atkritumu no termoreaktīvo oglekļa šķiedras kompozītmateriālu tiek apglabāti poligonos. Turpretim termoplastiskās oglekļa šķiedras kompozītmateriāliem ir labāka pārstrādājamība. Ja saistītie uzņēmumi uzņemas atbildību un tiek piemēroti atbilstoši likumi un noteikumi, tas var efektīvi mazināt pašreizējās problēmas saistībā ar neefektīvu oglekļa šķiedras atkritumu apsaimniekošanu. Xinhong Industrial Co., Ltd. uzskata, ka oglekļa šķiedra un kompozītmateriāli nodrošina ērtības un vērtību mūsu dzīvē, un, lai gan mēs no tiem gūstam labumu, ir svarīgi koncentrēties uz pārstrādes centieniem, lai aizsargātu vidi, kas savukārt aizsargā civilizācijas nepārtrauktību.
