Den framtida ökningen av produktionskapaciteten för termoplastisk kolfiber kommer att gynna vilka industrier?
Materialindustrins utveckling har en historia på över hundra år, under vilken nya material som kännetecknas av lättvikt, hög hållfasthet och styvhet har vuxit fram och vunnit popularitet inom olika områden och industrier. Detta inkluderar tidigare material som glasfiber, såväl som dagens kolfiber och aramidfiber. Dessa högpresterande fibrer kan kombineras med olika matrismaterial för att skapa kompositmaterial som är mer stabila i formen, har bättre prestanda och erbjuder mer effektiv bearbetning. Den här artikeln diskuterar de för närvarande populära termoplastiska kolfiberkompositerna. Den globala produktionskapaciteten för denna typ av kompositmaterial är dock fortfarande knapp. För att uppnå diversifierade tillämpningar är förbättring av tekniska nivåer och produktionskapacitet en brådskande fråga som måste åtgärdas. Förutsatt att framtida genombrott i tekniska flaskhalsar inträffar, vilka industrier skulle gynnas av en ökning av produktionskapaciteten för termoplastiska kolfiberkompositer?
Betydelsen och begränsningarna hos termoplastiska kolfiberkompositer
Termoplastiska kolfiberkompositer jämförs ofta med värmehärdande kolfiberkompositer, glasfiberkompositer och aramidfiberkompositer. Vissa studier tyder på att värmehärdande kolfiberkompositer uppvisar högre styvhet, medan aramidfiberkompositer ger bättre seghet. Vissa termoplastiska kolfiberkompositer överträffar dock sina värmehärdande motsvarigheter när det gäller prestanda, såsom kontinuerliga kolfiberförstärkta polyeter-eterketon (CF/PEEK) kompositer. Faktum är att fördelarna med termoplastiska kolfibrer sträcker sig bortom mekaniska egenskaper; de visar också fördelar i aspekter som beredning, bearbetning och återvinning.
På grund av den snabba bearbetningen och återvinningsbarheten av termoplastiska material används fiberförstärkta termoplastiska kompositer alltmer inom flyg-, bil-, bygg- och kemisk industri. Möjligheten att smälta termoplastiska material och deras fiberförstärkta kompositer möjliggör omtillverkning av komponenter till nya produkter, vilket är en betydande fördel jämfört med värmehärdande polymerer och deras fiberförstärkta kompositer. På grund av den dåliga gränsytvidhäftningen mellan kolfibrer och den termoplastiska matrisen har olika ytbehandlingar, såsom kemiska, plasma- och elektrokemiska metoder, använts för att introducera ytfunktionella grupper och förbättra gränsytebindningen. Genom tillverkningsprocesser som formsprutning, formpressning och extrudering har kolfiberförstärkta termoplastiska kompositer producerats till olika lättviktskomponenter som uppvisar hög slagtålighet, reparerbarhet och återvinningsbarhet.
Även om termoplastiska kolfiberkompositer och deras motsvarande komponenter inneboende har fördelar, har de också vissa begränsningar, såsom låg dragspänning i enkelriktade kolfiberband och den negativa inverkan av kvarvarande lösningsmedel på slutprestanda. Hybridtunna skikt, vinklar och korrugerade skiktstrukturer har använts för att förlänga dragbrottstöjningen, bland andra tillvägagångssätt. Innan tekniken mognar kommer den utbredda tillämpningen av termoplastiska kolfiberkompositer att kräva omfattande forskning och experiment.
Vilka är de lovande användningsanvisningarna för termoplastiska kolfibrer för närvarande?
Forskning om termoplastiska kolfiberkompositer har pågått, men det står för närvarande inför flaskhalsar. Det smälta högtemperaturtillståndet hos termoplastiska hartser kan inte effektivt väta kolfiberbuntar, vilket leder till ojämn fördelning i de förberedda termoplastiska kolfiberprepregsna och avsevärt minskande prestandanivåer. Dessutom möter den efterföljande bearbetningen av prepregs av termoplastisk kolfiber också olika utmaningar. Endast genom att ta itu med dessa problem kan fler industrier dra nytta av dessa material.
1.Aerospace: Användningen av kolfiberkompositer i flygplan började med hjälpstrukturer som skevroder, trimflikar och roder. Kolfiberförstärkta plaster (CFRP) uppvisar utmärkta mekaniska egenskaper, inklusive höga hållfasthet-till-vikt-förhållanden och höga styvhet-till-vikt-förhållanden. Med framsteg inom tekniken har prestandan hos fibrer och matriser förbättrats avsevärt, vilket förbättrar prestandan hos laminat och gör det möjligt för dessa material att användas i större flygplansstrukturer som flygkroppar, vertikala stabilisatorer, bakluckor och vingar, och ersätter traditionella lätta metallegeringar. Termoplastiska kolfibrer kan ersätta vissa värmehärdande kolfibrer, vilket ger bättre prestanda för dessa komponenter.
2.Vindkraft: Enligt Global Wind Energy Council nådde den totala installerade kapaciteten för vindkraft över hela världen cirka 743 gigawatt 2020, med en ökning på 53 % i nyinstallerad vindkraftskapacitet, totalt 93 gigawatt. I vindturbinblad har kolfiber en tydlig fördel jämfört med glasfiber, och erbjuder högre specifik dragmodul, högre specifik draghållfasthet och bättre utmattningsmotstånd. Förbrukningen av kolfiber i vindkraftverk har ökat från cirka 800 ton 2004 till över 30 ton 2021, och den förväntas överstiga 81 ton 2025. Termoplastiska kolfiberkompositer kan också användas i stor utsträckning i den växande vindenergiutrustningen sektor.
3. Biltillverkning: Under det senaste decenniet har strängare globala utsläppsnormer för bilar och den snabba tillväxten av elfordon drivit industrin att återinföra kolfiber för att minska vikten. Användningen av lättviktsmaterial som CFRP-kompositer i fordonskonstruktioner är den mest direkta metoden för att uppnå viktminskning. Konsumtionen av kolfiber ökade markant under 2013, med en fortsatt uppåtgående trend. År 2021 var efterfrågan på kolfiber 9,5 ton, och den förväntas överstiga 12,6 ton år 2024. Kina är den största tillverkningshubben för elfordon och även den största slutmarknaden. Användningen av termoplastisk kolfiber i bilar kan ge starkare accelerationsprestanda samtidigt som det erbjuder bättre säkerhetsskydd.
4. Tryckkärl: Högtrycksgaslagringsbehållare är en av de största och snabbast växande marknaderna för avancerade kompositer, särskilt filamentlindade kolfiberkompositer. På grund av den utmärkta utmattningsbeständigheten hos kolfiberkompositer kan livslängden för typ III och typ IV CFRP-komposittryckkärl nå upp till 30 år. Typ V-kolfiberkomposittanken utan foder tillverkades först 2012 för lagring av argon i satellitkomponenter. En tillämpning av termoplastiska kolfiberkomposittejper är tillverkningen av tryckkärl, som har stor marknadspotential för framtida lagring av högtrycksväte, argon och andra gaser.
5.Sport: Nyckelprodukter tillverkade av kolfiber inkluderar golfklubbor, fiskespön och tennisracketar. Sedan 2010 har användningen av kolfiber i sport- och fritidsutrustning visat en stadig tillväxttrend. År 2021 nådde mängden kolfiber som användes inom sport imponerande 18,5 ton. Golfklubbor och cyklar representerar de största förbrukningsområdena för kolfiber, och står för 27,6 % respektive 25,4 % av den totala förbrukningen. Sportartiklar tillverkade av termoplastiska kolfiberkompositer förväntas pressa konkurrenskraftiga sporter till nya gränser, medan förbättringar av produktionskapaciteten kommer att fortsätta att sänka priserna på dessa sportartiklar, vilket gör dem mer tillgängliga i vardagen.
Återvinningen av kasserade kolfiberprodukter är brådskande och implementeringsprocessen behöver förbättras.
Ökningen av produktionskapaciteten för termoplastiska kolfiberkompositer kan verkligen driva snabb utveckling inom kolfiberindustrin och främja framsteg inom flyg, vindenergi, biltillverkning, tryckkärl och andra sektorer. Men det kommer också att stå inför en betydande utmaning: hur man effektivt kan återvinna skadade eller kasserade termoplastiska kolfiberprodukter. Med den nuvarande låga produktionskapaciteten för termoplastiska kolfiberkompositer och produkter, beräknas tillverkningsprocessen år 2025 generera 20,000 ton avfall och skrotdelar årligen. Om produktionskapaciteten ökar markant i framtiden kommer även volymen av detta avfall att öka avsevärt.
Från råmaterial till färdiga produkter genererar komposittillverkningsprocessen en stor mängd avfall, inklusive torra fibrer/tyger, härdade eller ohärdade prepregs, trimmings, testexemplar och ej godkända produkter. Den genomsnittliga skrotandelen för produktion av kolfiberkomposit är cirka 32,4 %. Beroende på tillverkningsprocesser eller applikationsområden har traditionella tillverkningsmetoder såsom autoklavprocesser inom flyg- och rymdindustrin en skrothastighet som överstiger 50 %, medan handgjord produktion av sportartiklar har en skrothastighet på mellan 4 % och 8 %. För mer moderna komposittillverkningsprocesser är skrotmängden mellan 30 % och 50 % för formnings- och kompositprocesser, 5 % till 10 % för pultruderingsprocesser och 2 % till 3 % för filamentlindningsprocesser.
