Работник работи на линия за производство на въглеродни влакна от клас T1000 в Датонг, провинция Шанси, на 10 януари. ZHU XINGXIN/CHINA DAILY
С пускането на първата в страната широкомащабна високопроизводителна производствена линия за въглеродни влакна в провинция Шанси през ноември, Китай направи голям скок в науката за материалите, преминавайки от изоставащи глобални лидери към вървящи заедно с тях в разработването на въглеродни влакна, казаха експерти.
Производствената линия, разработена съвместно от Института по химия на въглищата на Китайската академия на науките и Shanxi Huayang Carbon Material Technology Co, може да произвежда 200 метрични тона високоефективни въглеродни влакна от клас T1000 годишно. Това е част от дългосрочен план за достигане на годишно производство от 1000 тона.
Въглеродните влакна, изключително здрав, лек и универсален материал, се използват широко в космическото, отбранителното, автомобилното производство и спортното оборудване. Той служи като ключов структурен компонент в продукти, вариращи от космически кораби и военни кораби до каски за бобслей и ракети за бадминтон, подобрявайки производителността, като същевременно значително намалява теглото.
През 2024 г. търсенето на въглеродни влакна в Китай представлява повече от половината от общото потребление в света. Повече от 80 процента от това търсене е задоволено от местно производство, цифра, която се очаква да нарасне до 90 процента до 2026 г., според доклад на индустрията за въглеродни влакна от Guoyuan Securities.
Масовото производство на въглеродни влакна от клас T1000, ново поколение материал с висока якост, се разглежда като критична стъпка в стремежа на Китай да засили своята енергийна сигурност и да развие нововъзникващи индустрии.
Високотехнологични „юфка“
Вътре в производственото съоръжение Huayang Carbon Material Technology в Datong, провинция Shanxi, редици от прецизно оборудване работят непрекъснато.
Разтвор за предене, направен от полиакрилонитрил, се екструдира през центрофуга с хиляди малки дупки, образувайки снопове от ултрафини нишки. След това нишките се подлагат на окисление и карбонизация чрез автоматизирани системи. Когато преминават през рязко променящи се температури, цветът им се променя от млечнобял до златистожълт, тъмнокафяв и накрая чисто черен.
„Тази производствена линия произвежда въглеродни влакна от клас T1000, често наричани „най-здравият материал на Земята“, със съдържание на въглерод над 95 процента“, каза Джан Шоучун, заместник-директор на Института по химия на въглищата и ръководител на проекта за развитие на T1000.
„T“ в T1000 се отнася за якост на опън, като по-високите числа показват по-голяма устойчивост на счупване. Единична нишка от въглеродни влакна T1000 е с диаметър само 5 до 6 микрона, по-малко от една десета от дебелината на човешки косъм, но здравината му е повече от пет пъти по-голяма от тази на стоманата.
„Пакет от 12 000 въглеродни влакна T1000 с дължина един метър тежи само 0,5 грама, но може да издържи повече от 200 килограма, което е приблизително теглото на трима възрастни мъже“, каза Джан.
В сравнение с предшественика си, T800, T1000 предлага 10 до 20 процента увеличение на здравината. Основното подобрение идва от собствено разработена технология за мокро предене със суха струя, каза Джинг Деки, старши инженер и ръководител на техническото развитие в института.
Традиционното производство на въглеродни влакна разчита главно на мокро предене, при което разтворът се екструдира директно в коагулационна баня. Въпреки че е ефективен, методът често създава неравномерни вътрешни структури, ограничавайки печалбите на сила.
При мокро предене със суха струя разтворът преминава през къса въздушна междина, след като напусне центрофугата, преди да влезе в коагулационната вана. По време на този етап материалът претърпява интензивно разтягане и молекулярно подравняване, създавайки по-плътна и еднаква вътрешна структура, която позволява ултрависока якост на опън.
Джинг оприличи процеса на приготвяне на традиционната хелао юфка на Шанси, която се пресова през перфорирана форма, излага се за кратко на въздух и след това се пуска във вряща вода.
Благодарение на тази техника, въглеродните влакна от клас T1000 съчетават висока якост с леко тегло, температурна устойчивост и устойчивост на корозия. Остава стабилен при температури, вариращи от 500 C във въздуха до минус 180 C.
„Той обикновено се използва като подсилващ материал, комбиниран със смоли за образуване на високоефективни композити от въглеродни влакна за космическата промишленост, производството на оборудване от висок клас и нови енергийни приложения“, каза Дзин.
Газовите бутилки с високо налягане, направени от композитни материали от въглеродни влакна, като тези, използвани за съхранение на кислород и азот на космическите станции, обикновено използват влакна от клас T1000 поради лекото им тегло, устойчивост на високо налягане и издръжливост, добави той.
Щафетно състезание
Китайската индустрия за въглеродни влакна, с история от повече от пет десетилетия, еволюира от почти пълна зависимост от вноса до широка самодостатъчност, процес, който Джанг описва като щафета, обхващаща поколения учени.
През 70-те години на миналия век изследователи от Института по химия на въглищата преодоляха ключови технически бариери с ограничени референтни материали, създавайки първата пилотна производствена линия в Китай за базирани на полиакрилонитрил въглеродни влакна с висока якост, за да отговорят на спешните национални нужди.
До началото на 2000-те години вътрешното търсене на въглеродни влакна скочи, но производствените технологии бяха строго контролирани от чуждестранни компании. Строгият контрол върху износа и технологичното ембарго ограничиха сериозно достъпа на Китай до въглеродни влакна от висок клас, ограничавайки развитието на съвременно оборудване.
По това време Китай плащаше изключително високи цени за вносни въглеродни влакна, понякога достигащи хиляди или дори десетки хиляди юана за кг, каза Лю Чунсян, изследовател в института.
През 2005 г. на института беше възложена спешна задача: да разработи аерокосмически клас T300 въглеродни влакна в рамките на три години, като квалифицираните продукти трябва да бъдат готови до 30 юни 2008 г.
Предизвикателството беше огромно. Производството на въглеродни влакна включва дълги, сложни процеси, обхващащи множество дисциплини, с многобройни променливи, влияещи върху крайната производителност.
„Нямаше почти никаква надеждна информация, на която да се черпи, а Китай имаше много малко специалисти в изследванията на въглеродни влакна“, каза Лю. „На нашите японски колеги им отне 15 години, за да постигнат производство на T300. Имахме само три.“
Подложен на силен натиск, екипът на Лю работи дълги часове, за да проектира и усъвършенства производствените процеси и да разработи ключово оборудване, включително реактори за полимеризация, центрофуги и машини за изтегляне с пара.
След многократни изпитания екипът достави продукти, които отговарят на всички изисквани стандарти, превръщайки Китай в третата страна, след Япония и Съединените щати, която независимо произвежда въглеродни влакна от аерокосмически клас.
През следващите години се наблюдава стабилен напредък. Въпреки продължаващото ембарго, Китай постигна масово производство на класовете T700 и T800.
През 2016 г. екипът на Джан се зае да създаде стабилна, широкомащабна производствена технология за въглеродни влакна от клас T1000, за да поддържа подобрения в авиокосмическата промишленост и други сектори от висок клас. Фокусът беше върху разработването на технология за мокро предене със суха струя и оптимизиране на фундаментални теории, основни процеси и местно произведено оборудване.
„Всяка стъпка се чувстваше като пресичане на река чрез усещане на камъните“, каза Джан, имайки предвид технологичните блокади. „Но ние бяхме решени да продължим напред и да разработим ново поколение автономни технологии.“
В продължение на повече от девет години екипът независимо разработи ключови технологии за въглеродни влакна от клас T1000 и T1100. Чрез задълбочена оптимизация на основните процеси, те постигнаха международни стандарти за здравина и твърдост, като същевременно подобриха ефективността на карбонизацията и стабилността на продукта.
Тези постижения поставиха основите за широкомащабни демонстрационни проекти, каза Джан.
Лаборатория към индустрията
Докато масовото производство на въглеродни влакна от клас T1000 е стратегически важно за разбиването на чуждестранни монополи, превръщането на лабораторните резултати в продукция в индустриален мащаб представлява големи предизвикателства.
Сътрудничеството между правителството, изследователските институции и предприятията се оказа критично.
През 2022 г. Институтът по химия на въглищата подписа споразумение с управата на град Датонг и Huayang Carbon Material Technology, традиционна компания за въглища, преминаваща през зелен преход. Партньорството имаше за цел да създаде високопроизводителна база за производство на въглеродни влакна в Датонг и да ускори индустриализацията.
„Нашият институт сформира консорциум с Huayang Carbon, прехвърляйки технологии и предоставяйки дългосрочна техническа поддръжка“, каза Cai Changta, заместник-директор на института.
Изграждането на първата фаза на демонстрационната линия с годишен капацитет от 200 тона започна през 2024 г. До ноември 2025 г. линията постигна стабилно масово производство на въглеродни влакна от клас T1000.
Увеличаването изисква внимателно внимание към надеждността и последователността, каза Джан. Производството на въглеродни влакна включва тясно свързани параметри, при които незначителни корекции могат да се разпространят в системата и да повлияят на производителността на продукта.
Преди пълна работа бяха открити колебания в стабилността на влакното. Джан и неговият екип многократно инспектираха оборудване, инструменти и данни, като често правеха повече от дузина пътувания на ден през етажи при температури над 40 C, преди да идентифицират и разрешат проблема.
Чрез тясно сътрудничество изследователите и персоналът на компанията преодоляха множество предизвикателства и осигуриха плавен напредък, каза Джан.
Гледайки напред, институтът се надява повече компании да навлязат в сектора на въглеродните влакна и да разширят приложенията си в области като строителството и облеклото.
„Пазарът на въглеродни влакна има огромен потенциал“, каза Кай. „Основното предизвикателство е намаляването на разходите, което изисква непрекъснати технологични иновации и достатъчно голям пазар, който да подкрепи реинвестирането в нови продукти.“
Нашия източник е Българо-Китайска Търговско-промишлена палaта