Kurām nozarēm nāks par labu turpmākais termoplastiskās oglekļa šķiedras ražošanas jaudas pieaugums?
Materiālu industrijas attīstībai ir vairāk nekā simts gadu ilga vēsture, kuras laikā ir radušies jauni materiāli, kam raksturīgs viegls svars, augsta izturība un stingrība, un tie ir ieguvuši popularitāti dažādās jomās un nozarēs. Tas ietver agrākus materiālus, piemēram, stiklšķiedru, kā arī mūsdienu oglekļa šķiedru un aramīda šķiedru. Šīs augstas veiktspējas šķiedras var kombinēt ar dažādiem matricas materiāliem, lai izveidotu kompozītmateriālus, kuriem ir stabilāka forma, tiem ir labāka veiktspēja un tie piedāvā efektīvāku apstrādi. Šajā rakstā apskatīti pašlaik populārie termoplastiskās oglekļa šķiedras kompozītmateriāli. Tomēr šobrīd globālā ražošanas jauda šāda veida kompozītmateriāliem joprojām ir ierobežota. Lai panāktu daudzveidīgus lietojumus, tehnoloģiskā līmeņa un ražošanas jaudas uzlabošana ir steidzams jautājums, kas jārisina. Kuras nozares gūtu labumu no termoplastisko oglekļa šķiedru kompozītmateriālu ražošanas jaudas pieauguma, pieņemot, ka nākotnē notiks sasniegumi tehnoloģiskajās vājajās vietās?
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 lielāka izturība. Tomēr daži termoplastiskās oglekļa šķiedras kompozītmateriāli veiktspējas ziņā pārspēj savus termoreaktīvos līdziniekus, piemēram, ar nepārtrauktu oglekļa šķiedru pastiprināti poliētera ētera ketona (CF/PEEK) kompozītmateriāli. Faktiski termoplastisko oglekļa šķiedru priekšrocības pārsniedz mehāniskās īpašības; tie arī demonstrē priekšrocības tādos aspektos kā sagatavošana, apstrāde un pārstrāde.
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 šķiedru armētos kompozītmateriālus ļauj pārveidot komponentus 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 termoplastisko matricu, ir izmantotas dažādas virsmas apstrādes metodes, piemēram, ķīmiskās, plazmas un elektroķīmiskās metodes, lai ieviestu virsmas funkcionālās grupas un uzlabotu saskarnes saikni. Izmantojot tādus ražošanas procesus kā iesmidzināšana, presēšana un ekstrūzija, ar oglekļa šķiedru pastiprināti termoplastiski kompozītmateriāli ir izgatavoti dažādos vieglos komponentos, kuriem ir augsta triecienizturība, labojamība un otrreizēja pārstrāde.
Lai gan termoplastiskajiem oglekļa šķiedras kompozītmateriāliem un to atbilstošajiem komponentiem pēc būtības ir priekšrocības, tiem ir arī noteikti ierobežojumi, piemēram, zems stiepes deformācija vienvirziena oglekļa šķiedras lentēs un atlikušo šķīdinātāju negatīvā ietekme uz galīgo veiktspēju. Hibrīdie plāni slāņi, leņķi un gofrētā slāņa struktūras ir izmantotas, lai paplašinātu stiepes atteices deformāciju, cita starpā. Pirms tehnoloģijas nobriešanas, termoplastisko oglekļa šķiedru kompozītmateriālu plašai izmantošanai būs nepieciešami būtiski pētījumi un eksperimenti.
Kādi šobrīd ir daudzsološie termoplastisko oglekļa šķiedru pielietošanas virzieni?
Pētījumi par termoplastiskā oglekļa šķiedras kompozītmateriāliem turpinās, taču pašlaik tas saskaras ar vājajām vietām. Augstas temperatūras kausētais termoplastisko sveķu stāvoklis nevar efektīvi samitrināt oglekļa šķiedru saišķus, izraisot nevienmērīgu sadalījumu sagatavotajos termoplastiskās oglekļa šķiedras preprēgos un ievērojami samazinot veiktspējas līmeni. Turklāt turpmākā termoplastiskās oglekļa šķiedras prepregu apstrāde arī saskaras ar dažādām problēmām. Tikai risinot šīs problēmas, vairāk nozaru var gūt labumu no šiem materiāliem.
1.Aviācija: Oglekļa šķiedras kompozītmateriālu izmantošana lidmašīnās sākās ar palīgkonstrukcijām, piemēram, eleroniem, apdares cilpām un stūrēm. Ar oglekļa šķiedru pastiprinātām plastmasām (CFRP) ir lieliskas mehāniskās īpašības, tostarp augsta stiprības un svara attiecība un augsta stingrības un svara attiecība. Pateicoties tehnoloģiju attīstībai, šķiedru un matricu veiktspēja ir ievērojami uzlabojusies, uzlabojot laminātu veiktspēju un ļaujot šos materiālus izmantot lielākajās gaisa kuģu konstrukcijās, piemēram, fizelāžās, vertikālajos stabilizatoros, aizmugurējās kastēs un spārnos, aizstājot tradicionālos vieglo metālu sakausējumus. Termoplastiskās oglekļa šķiedras var aizstāt dažas termoreaktīvas oglekļa šķiedras, nodrošinot labāku šo komponentu veiktspēju.
2.Vēja enerģija: Saskaņā ar Globālās vēja enerģijas padomes datiem, kopējā vēja enerģijas uzstādītā jauda visā pasaulē 2020. gadā sasniedza aptuveni 743 gigavatus, no jauna uzstādītās vēja enerģijas jaudas pieaugot par 53%, kopumā sasniedzot 93 gigavatus. Vēja turbīnu lāpstiņās oglekļa šķiedrai ir izteikta priekšrocība salīdzinājumā ar stiklšķiedru, jo tā piedāvā augstāku īpatnējo stiepes moduli, lielāku 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 tas pārsniegs 81 tonnu līdz 2025. gadam. Termoplastiskās oglekļa šķiedras kompozītmateriālus var plaši izmantot arī augošajās vēja enerģijas iekārtās nozarē.
3.Automobiļu ražošana: Pēdējo desmit gadu laikā stingrāki globālie automobiļu emisiju standarti un straujais elektrisko transportlīdzekļu pieaugums ir mudinājuši nozari no jauna ieviest oglekļa šķiedru, lai samazinātu svaru. Vieglo materiālu, piemēram, CFRP kompozītmateriālu izmantošana automobiļu konstrukcijās ir vistiešākā metode svara samazināšanai. Oglekļa šķiedras patēriņš 2013. gadā ievērojami palielinājās, turpinot augt. 2021. gadā pieprasījums pēc oglekļa šķiedras bija 9,5 tonnas, un sagaidāms, ka līdz 2024. gadam tas pārsniegs 12,6 tonnas. Ķīna ir lielākais elektrisko transportlīdzekļu ražošanas centrs un arī lielākais gala tirgus. Termoplastiskās oglekļa šķiedras izmantošana automašīnās var nodrošināt spēcīgāku paātrinājuma veiktspēju, vienlaikus nodrošinot arī 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 izcilajai oglekļa šķiedras kompozītmateriālu noguruma izturībai, III un IV tipa CFRP kompozītmateriālu spiedtvertņu kalpošanas laiks var sasniegt pat 30 gadus. V tipa visu oglekļa šķiedru kompozītmateriālu tvertne bez starplikas pirmo reizi tika ražota 2012. gadā argona uzglabāšanai satelītu komponentos. Viens no termoplastisko oglekļa šķiedras kompozītmateriālu vienvirziena lentu pielietojumiem ir spiedtvertņu ražošana, kam ir liels tirgus potenciāls augstspiediena ūdeņraža, argona un citu gāzu uzglabāšanai nākotnē.
5.Sports: 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 daudzums 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. Sagaidāms, ka sporta preces, kas izgatavotas no termoplastiskā oglekļa šķiedras kompozītmateriāliem, nospiedīs sacensību sportu uz jaunām robežām, savukārt ražošanas jaudas uzlabojumi turpinās pazemināt šo sporta preču cenas, padarot tās pieejamākas ikdienas dzīvē.
Izmesto oglekļa šķiedras izstrādājumu pārstrāde ir steidzama, un ieviešanas process ir jāuzlabo.
Termoplastisko oglekļa šķiedras kompozītmateriālu ražošanas jaudas palielināšanās patiešām var veicināt strauju oglekļa šķiedras nozares attīstību un veicināt progresu kosmosa, vēja enerģijas, automobiļu ražošanas, spiedtvertņu un citās nozarēs. Tomēr tai būs arī ievērojams izaicinājums: kā efektīvi pārstrādāt bojātus vai izmestus termoplastiskās oglekļa šķiedras izstrādājumus. Ņemot vērā pašreizējo zemo termoplastisko oglekļa šķiedras kompozītmateriālu un izstrādājumu ražošanas jaudu, tiek prognozēts, ka līdz 2025. gadam ražošanas process varētu radīt 20,000 tonnas atkritumu un detaļu lūžņu gadā. Ja ražošanas jauda nākotnē būtiski palielināsies, būtiski pieaugs arī šo atkritumu apjoms.
No izejmateriāliem līdz gataviem izstrādājumiem kompozītmateriālu ražošanas procesā rodas liels daudzums atkritumu, tostarp sausas šķiedras/audumi, konservēti vai nesacietējuši prepregi, atgriezumi, testa paraugi un neapstiprināti produkti. Vidējais metāllūžņu daudzums oglekļa šķiedras kompozītmateriālu ražošanā ir aptuveni 32,4%. Atkarībā no ražošanas procesiem vai pielietojuma jomām tradicionālajām ražošanas metodēm, piemēram, autoklāvu procesiem aviācijā, lūžņu daudzums pārsniedz 50%, savukārt ar rokām darinātā sporta preču ražošanā metāllūžņu līmenis svārstās no 4% līdz 8%. Mūsdienīgākos kompozītmateriālu ražošanas procesos metāllūžņu daudzums formēšanas un kompozītmateriālu procesos ir no 30% līdz 50%, pultrūzijas procesiem no 5% līdz 10% un kvēldiega uztīšanas procesiem no 2% līdz 3%.
