Vil termoplastisk kulfiber forbedre produktionen og forarbejdningen af hydrogenopbevaringsflasker i fremtiden?
Brintenergi er bredt anerkendt som en af de mest miljøvenlige energikilder. Forskning i brint har en historie på over hundrede år, og dens anvendelse som en ren energikilde er blevet undersøgt i flere årtier. På grund af brints brændbarhed og eksplosivitet er der høje krav til temperatur og tryk i dets brugsscenarier. Derfor er der behov for mere dybdegående forskning og eksperimenter for at muliggøre mere bekvem brug af brintenergi. Brintopbevaringsflasker er i øjeblikket en relativt vellykket metode til at anvende brintenergi; de kan opbevare højtryksbrintgas og bruges i køretøjer som biler. I løbet af årtierne har hydrogenopbevaringsflasker udviklet sig fra Type I til Type V, der er gået fra metalmaterialer til fuldstændigt viklede kompositmaterialer uden en indvendig foring.
Ydeevnefordelene ved kulfiber-brintopbevaringsflasker er betydelige, og de kan bruges samtidigt med aramidfibre.
For nylig udgav Indian Institute of Aerospace Engineering et forskningsresultat, der sammenlignede og analyserede den strukturelle opførsel af Type IV højtryks-brintopbevaringsflasker lavet af S-glasfiber, T700-kulfiber og aramidfiberforstærket kompositter under et arbejdstryk på 70 MPa.
Resultaterne viste, at deformationen af S-glasfiber Type IV flasken var 10.873 mm, deformationen af T700-klasse kulfiber Type IV flasken var 1{{1{{12 }}}}.176 mm, og deformationen af Kevlar Type IV-flasken var 1,0845 mm. De elastiske tøjninger for de tre materialer var henholdsvis 0,26812, 0,25658 og 0,073177. Derudover var den maksimale hovedspænding for S-glasfiber Type IV flasken 1105,9 MPa, spændingen for kulfiber Type IV flasken var 1168,2 MPa, og spændingen for Kevlar Type IV flasken var 1389,4 MPa. Undersøgelsen påpegede, at aramidfibre er egnede materialer til brinttrykbeholdere inden for acceptable områder af spænding og belastning.
Sammenfattende giver kulfiberkompositter højere stivhed ved anvendelse af hydrogenopbevaringsflasker af kompositmateriale, mens aramidfiberkompositter giver bedre sejhed. Disse to typer kompositter udelukker naturligvis ikke hinanden; snarere gennem fornuftigt design og kombination kan deres respektive fordele udnyttes. Denne tilgang kan balancere stivhed og sejhed i kulfiberbrintopbevaringsflaskeapplikationer, hvilket sikrer mekanisk ydeevne, samtidig med at sikkerheden forbedres.
Kan kulfiber-brintopbevaringsflasker vende faldet i værdien af "sort guld"?
Kulfiber er kendt som "sort guld", hvilket afspejler dets høje værdi, og tilsvarende er markedspriserne forblevet høje. Men statistikker fra de seneste to år tyder på, at "sort guld" falder. De i relaterede industrier eller kulfiber-fagfolk bør forstå årsagerne bag denne tendens. Der har været en stigning i lav-end kulfiber produktionskapacitet, mens efterspørgslen fra downstream industrier er nået mætning. Konsekvensen af overudbud er et hurtigt fald i kulfibermarkedspriserne. Naturligvis har stigningen i produktionskapaciteten for mellem- til high-end kulfibre og kompositter ikke været markant, og markedspriserne har ikke ændret sig meget.
Data viser, at i 2022 nåede størrelsen på det globale kulfibermarked 4,386 milliarder USD, en år-til-år stigning på 29,0%. Den globale efterspørgsel efter kulfiber var 135,000 tons, en vækst på 14,4 % sammenlignet med 118,000 tons i 2021. Drevet af "dual carbon"-politikken har trykbeholdermarkedet oplevet hurtig vækst, med en global efterspørgsel efter trykbeholdere, der nåede 14.800 tons i 2022, en stigning på 34,5% fra det foregående år, svarende til 11,0% af det segmenterede marked. Det forventes, at den globale efterspørgsel efter trykbeholdere i 2030 vil overstige 80,000 tons, hvilket indikerer en stærk væksttendens.
I 2022 brugte Kina cirka 6,000 tons kulfiber til gasflasker, hvoraf næsten halvdelen blev brugt til brintopbevaringsflasker. I fremtiden vil vækstpunktet for kulfiber i trykbeholdere sandsynligvis komme fra markedet for brintlagringsflasker. Med regeringens stærke fremstød for udviklingen af brintbrændselsceller og -køretøjer er der et enormt potentiale i brintopbevaringsflaskesektoren, hvilket fører til en accelereret efterspørgsel efter kulfiber på dette felt. Data viser, at ved udgangen af 2022 var antallet af brintbrændselscellekøretøjer i Kina cirka 12.300, med et mål om at nå 50,000 i 2025, hvilket resulterer i en årlig sammensat vækstrate på næsten 60 %. Hvis efterspørgslen efter kulfiber efter brintopbevaringsflasker stiger til 50% i 2025, kan efterspørgslen efter kulfiber nå op på 12.700 tons.
I de kommende år er potentialet for kulfiberbrintlagerflasker enormt. Målrettet low-end kulfiberproduktionskapacitet afbøder ikke kun faldet i værdien af "sort guld", men fremmer også den hurtige udvikling af brintenergiindustrien og opnår en ægte win-win situation.
Vil termoplastisk kulfiber forbedre produktionen og forarbejdningen af hydrogenopbevaringsflasker i fremtiden?
Frigivelsen af low-end kulfiberproduktionskapacitet forventes at hjælpe med at løse de udfordringer, som den indenlandske kulfiberindustri står over for, men dette er ikke en langsigtet løsning. En mere omfattende forbedring af kulfiberteknologi, der specifikt behersker masseproduktionskapaciteterne for kulfiber i mellem- til høje ende, er afgørende for at opnå en konkurrencefordel på det globale kulfibermarked. Termoplastisk kulfiber kan være den næste vigtige retning for udviklingen af kulfiberindustrien. Så vil termoplastiske kulfiberkompositter spille en fremmende rolle i brintenergiudnyttelsen?
Fordele ved termoplastiske kulfiberkompositter:
1. Høj styrke-til-vægt-forhold: Kulfiber er kendt for sit høje styrke-til-vægt-forhold. Kombination af kulfiber med en termoplastisk matrix øger denne fordel, hvilket gør termoplastiske kulfiberkompositter attraktive til applikationer i rumfarts- og bilindustrien, hvor lette materialer og høj styrke er kritiske.
2.Kemisk stabilitet: Termoplastiske harpikser udviser typisk bedre kemisk resistens sammenlignet med termohærdende harpikser, hvilket gør termoplastiske kulfiberkompositter velegnede til applikationer, der kræver kontakt med aggressive kemikalier, såsom dem i den kemiske procesindustri.
3.Forbedret slagfasthed: Sammenlignet med termohærdende harpikser har termoplastiske harpikser ofte bedre slagfasthed og sejhed, hvilket gør termoplastiske kulfiberkompositter ideelle til applikationer, der kræver fremragende slagydelse.
4. Hurtig fremstilling: Behandlingshastigheden for termoplastiske kulfiberkompositter er hurtigere end for termohærdende kulfiberkompositter på grund af kortere hærdningstider. Denne egenskab gavner industrier, der kræver hurtige produktionscyklusser og høj gennemstrømning.
5.Svejsbarhed: Termoplastiske kulfiberkompositter kan sammenføjes ved hjælp af forskellige svejseteknikker, såsom ultralydssvejsning eller induktionssvejsning. Denne evne letter monteringsprocessen og muliggør produktion af komplekse strukturer.
6. Reparationsevne: Termoplastiske kulfiberkompositter er generelt nemmere at reparere end termohærdende kulfiberkompositter. De kan opvarmes, omformes eller lappes, hvilket muliggør reparationer på stedet uden at gå på kompromis med materialets samlede ydeevne.
7.Genbearbejdelighed: Termoplastiske kulfiberkompositter kan smeltes og omdannes flere gange uden at forringe deres mekaniske egenskaber væsentligt. I modsætning til termohærdende kulfiberkompositter, som gennemgår irreversible hærdningsreaktioner, gør denne oparbejdning termoplastiske kompositter mere miljøvenlige og økonomisk levedygtige.
8. Genanvendelighed: Termoplastiske kulfiberkompositter kan genbruges ved slutningen af deres livscyklus, hvilket reducerer miljøpåvirkningen og bidrager til bæredygtig brug.
