Den fremtidige økningen i produksjonskapasiteten for termoplastisk karbonfiber vil gagne hvilke bransjer?
Utviklingen av materialindustrien har en historie på over hundre år, hvor nye materialer preget av lett vekt, høy styrke og stivhet har dukket opp og vunnet popularitet i ulike felt og bransjer. Dette inkluderer tidligere materialer som glassfiber, samt dagens karbonfiber og aramidfiber. Disse høyytelsesfibrene kan kombineres med forskjellige matrisematerialer for å lage komposittmaterialer som er mer stabile i form, har bedre ytelse og gir mer effektiv behandling. Denne artikkelen diskuterer de for tiden populære termoplastiske karbonfiberkomposittene. Imidlertid er den globale produksjonskapasiteten for denne typen komposittmateriale fortsatt knapp. For å oppnå diversifiserte applikasjoner er forbedring av teknologiske nivåer og produksjonskapasitet et presserende problem som må løses. Forutsatt at fremtidige gjennombrudd i teknologiske flaskehalser oppstår, hvilke bransjer vil ha nytte av en økning i produksjonskapasiteten til termoplastiske karbonfiberkompositter?
Betydningen og begrensningene til termoplastiske karbonfiberkompositter
Termoplastiske karbonfiberkompositter sammenlignes ofte med varmeherdende karbonfiberkompositter, glassfiberkompositter og aramidfiberkompositter. Noen studier tyder på at varmeherdende karbonfiberkompositter viser høyere stivhet, mens aramidfiberkompositter gir bedre seighet. Imidlertid utkonkurrerer visse termoplastiske karbonfiberkompositter sine termoherdende motstykker når det gjelder ytelse, for eksempel kontinuerlige karbonfiberforsterkede polyether ether keton (CF/PEEK) kompositter. Faktisk strekker fordelene med termoplastiske karbonfibre seg utover mekaniske egenskaper; de viser også fordeler i aspekter som forberedelse, prosessering og resirkulering.
På grunn av den raske behandlingen og resirkulerbarheten av termoplastiske materialer, brukes fiberforsterkede termoplastiske kompositter i økende grad i romfart, bilindustri, konstruksjon og kjemisk industri. Evnen til å smelte termoplastiske materialer og deres fiberforsterkede kompositter gjør det mulig å reprodusere komponenter til nye produkter, noe som er en betydelig fordel sammenlignet med termoherdende polymerer og deres fiberforsterkede kompositter. På grunn av den dårlige grenseflateadhesjonen mellom karbonfibre og den termoplastiske matrisen, har forskjellige overflatebehandlinger, slik som kjemiske, plasma- og elektrokjemiske metoder, blitt brukt for å introdusere overflatefunksjonelle grupper og forbedre grenseflatebindingen. Gjennom produksjonsprosesser som sprøytestøping, kompresjonsstøping og ekstrudering, har karbonfiberforsterkede termoplastiske kompositter blitt produsert til forskjellige lette komponenter som viser høy slagfasthet, reparerbarhet og resirkulerbarhet.
Mens termoplastiske karbonfiberkompositter og deres tilsvarende komponenter iboende har fordeler, har de også visse begrensninger, for eksempel lav strekkbelastning i enveis karbonfiberbånd og den negative innvirkningen av gjenværende løsningsmidler på den endelige ytelsen. Hybride tynne lag, vinkler og korrugerte lagstrukturer har blitt brukt for å utvide strekkbruddstøyningen, blant andre tilnærminger. Før teknologien modnes, vil den utbredte bruken av termoplastiske karbonfiberkompositter kreve betydelig forskning og eksperimentering.
Hva er de lovende bruksanvisningene for termoplastiske karbonfibre for tiden?
Forskning på termoplastiske karbonfiberkompositter har pågått, men det står for øyeblikket overfor flaskehalser. Den smeltede høytemperaturtilstanden til termoplastiske harpikser kan ikke effektivt fukte karbonfiberbunter, noe som fører til ujevn fordeling i de forberedte termoplastiske karbonfiberprepregene og reduserer ytelsesnivåene betydelig. I tillegg møter den påfølgende behandlingen av prepregs av termoplastisk karbonfiber også forskjellige utfordringer. Bare ved å ta opp disse problemene kan flere bransjer dra nytte av disse materialene.
1.Aerospace: Bruken av karbonfiberkompositter i fly begynte med hjelpestrukturer som rulleroer, trimfaner og ror. Karbonfiberforsterket plast (CFRP) viser utmerkede mekaniske egenskaper, inkludert høye styrke-til-vekt-forhold og høye stivhet-til-vekt-forhold. Med fremskritt innen teknologi har ytelsen til fibre og matriser blitt betydelig forbedret, noe som forbedrer ytelsen til laminater og gjør at disse materialene kan brukes i store flystrukturer som flykropper, vertikale stabilisatorer, bakkasser og vinger, og erstatter tradisjonelle lette metallegeringer. Termoplastiske karbonfibre kan erstatte noen herdede karbonfibre, og gir bedre ytelse for disse komponentene.
2.Vindkraft: I følge Global Wind Energy Council nådde den totale installerte kapasiteten for vindkraft på verdensbasis omtrent 743 gigawatt i 2020, med en økning på 53 % i nyinstallert vindkraftkapasitet, totalt 93 gigawatt. I vindturbinblader har karbonfiber en tydelig fordel fremfor glassfiber, og tilbyr høyere spesifikk strekkmodul, høyere spesifikk strekkstyrke og bedre utmattelsesmotstand. Forbruket av karbonfiber i vindturbinkonstruksjoner har økt fra ca. 800 tonn i 2004 til over 30 tonn i 2021, og det forventes å overstige 81 tonn innen 2025. Termoplastiske karbonfiberkompositter kan også brukes mye i det voksende vindenergiutstyret sektor.
3. Automotive Manufacturing: I løpet av det siste tiåret har strengere globale utslippsstandarder for biler og den raske veksten av elektriske kjøretøy drevet industrien til å gjeninnføre karbonfiber for å redusere vekten. Bruken av lette materialer som CFRP-kompositter i bilkonstruksjoner er den mest direkte metoden for å oppnå vektreduksjon. Forbruket av karbonfiber så en betydelig økning i 2013, med en fortsatt stigende trend. I 2021 var etterspørselen etter karbonfiber 9,5 tonn, og den forventes å overstige 12,6 tonn innen 2024. Kina er det største produksjonsknutepunktet for elektriske kjøretøy og også det største sluttmarkedet. Bruk av termoplastisk karbonfiber i biler kan gi sterkere akselerasjonsytelse samtidig som det gir bedre sikkerhetsbeskyttelse.
4. Trykkbeholdere: Høytrykksgasslagringsbeholdere er et av de største og raskest voksende markedene for avanserte kompositter, spesielt filamentviklede karbonfiberkompositter. På grunn av den utmerkede tretthetsmotstanden til karbonfiberkompositter, kan levetiden til Type III og Type IV CFRP kompositttrykkbeholdere nå opptil 30 år. Type V kompositttank uten foring av karbonfiber ble først produsert i 2012 for lagring av argon i satellittkomponenter. En anvendelse av termoplastiske karbonfiberkompositt ensrettet tape er produksjon av trykkbeholdere, som har et stort markedspotensial for fremtidig lagring av høytrykkshydrogen, argon og andre gasser.
5.Sport: Nøkkelprodukter laget av karbonfiber inkluderer golfkøller, fiskestenger og tennisracketer. Siden 2010 har bruken av karbonfiber i sports- og fritidsutstyr vist en jevn veksttrend. I 2021 nådde mengden karbonfiber brukt i sport en imponerende 18,5 tonn. Golfkøller og sykler representerer de største forbruksområdene for karbonfiber, og står for henholdsvis 27,6 % og 25,4 % av det totale forbruket. Sportsvarer laget av termoplastiske karbonfiberkompositter forventes å presse konkurranseidretten til nye grenser, mens forbedringer i produksjonskapasiteten vil fortsette å senke prisene på disse sportsvarene, og gjøre dem mer tilgjengelige i hverdagen.
Resirkulering av kasserte karbonfiberprodukter haster, og implementeringsprosessen må forbedres.
Økningen i produksjonskapasiteten til termoplastiske karbonfiberkompositter kan faktisk drive rask utvikling i karbonfiberindustrien og fremme fremskritt innen romfart, vindenergi, bilproduksjon, trykkbeholdere og andre sektorer. Imidlertid vil det også stå overfor en betydelig utfordring: hvordan resirkulere skadede eller kasserte termoplastiske karbonfiberprodukter effektivt. Med dagens lave produksjonskapasitet for termoplastiske karbonfiberkompositter og produkter, anslås det at innen 2025 vil produksjonsprosessen kunne generere 20,000 tonn avfall og skrapdeler årlig. Dersom produksjonskapasiteten øker betydelig i fremtiden, vil også volumet av dette avfallet øke betydelig.
Fra råvarer til ferdige produkter genererer komposittproduksjonsprosessen en stor mengde avfall, inkludert tørre fibre/stoffer, herdede eller uherdede prepregs, trimming, testprøver og ikke-godkjente produkter. Den gjennomsnittlige skraphastigheten for produksjon av karbonfiberkompositt er omtrent 32,4 %. Avhengig av produksjonsprosesser eller bruksområder, har tradisjonelle produksjonsmetoder som autoklavprosesser i romfart skraprater som overstiger 50 %, mens håndlaget produksjon i sportsutstyr har skraprater som varierer fra 4 % til 8 %. For mer moderne komposittproduksjonsprosesser er skraphastighetene mellom 30 % og 50 % for støpe- og komposittprosesser, 5 % til 10 % for pultruderingsprosesser og 2 % til 3 % for filamentviklingsprosesser.
