الوضع الراهن والتطبيقات المبتكرة لألياف الكربون

تشير ألياف الكربون إلى مادة بوليمرية غير عضوية يتجاوز فيها محتوى الكربون 90%. تُنتج من مواد أولية مثل البولي أكريلونيتريل (PAN) عبر عمليات تشمل الأكسدة عند درجات حرارة عالية والكربنة. وتتمتع حالياً بأعلى مقاومة نوعية للشد ومعامل مرونة نوعي بين الألياف عالية الأداء، كما تحتل المرتبة الأولى في مقاومة الحرارة العالية بين جميع الألياف الصناعية.

I. الوضع الحالي لتطوير ألياف الكربون

(1) ظهرت عدة بؤر عالمية للبحث والتطوير

في السنوات الأخيرة، ظهرت باستمرار إنجازات في مجال البحث والتطوير المتعلقة بألياف الكربون، حيث تعود معظم الاختراقات إلى الولايات المتحدة واليابان.

تركز أحدث التقنيات المتطورة ليس فقط على تقنيات إنتاج الألياف الكربونية وتحضيرها، بل أيضاً على تطبيقاتها في مجالات أوسع مثل خفض وزن المواد المستخدمة في السيارات، والطباعة ثلاثية الأبعاد، ومواد توليد الطاقة.

بالإضافة إلى ذلك، أُحرِز تقدّم كبير في إعادة تدوير وإعادة استخدام مواد الألياف الكربونية، وكذلك في تحضير ألياف كربونية قائمة على الليغنين.

تشمل الإنجازات البارزة: الاختراق الذي حققه معهد جورجيا للتكنولوجيا في تكنولوجيا ألياف الكربون من الجيل الثالث؛ وتطوير مؤسسة NEDO اليابانية لتكنولوجيا التسخين بالموجات الكهرومغناطيسية؛ والتحكم الدقيق لشركة توراي في عملية الكربنة باستخدام تقنية الغزل التقليدية بمحلول بولي أكريلونيتريل (PAN)؛ كما نجحت شركة تيجين-توبوكو اليابانية في تطوير تقنية معالجة سطحية بالبلازما قادرة على التحكم في مظهر وأداء ألياف الكربون خلال بضع ثوانٍ فقط؛ وأجرى معهد نينغبو لتكنولوجيا المواد وهندستها أبحاثًا حول معدل احتفاظ ألياف الكربون بمتانتها الشدّية في ظروف التجرّف عند درجات حرارة عالية؛ كما نجحت شركة يونغهونغ للمواد المتقدمة في تايوان في تطوير تقنية تجرّف فائقة الحرارة حاصلة على براءة اختراع أمريكية، تتيح الإنتاج الضخم لألياف كربونية متوسطة إلى عالية الجودة.

(2) الصين تقود الطلب العالمي على ألياف الكربون

في عام 2023، بلغ الطلب المحلي على ألياف الكربون نحو 98,600 طن متري، مسجلاً ارتفاعاً سنوياً قدره 32.6%. ومنذ عام 2008 وحتى 2023، نما الطلب بمعدل نمو سنوي مركب قدره 17.1%، متجاوزاً بشكل كبير المعدل العالمي للنمو السنوي المركب البالغ 9.8%.

بحلول عام 2022، بلغت حصة الطلب المحلي على ألياف الكربون نحو 55.1% من إجمالي الطلب العالمي، وهو ارتفاع ملحوظ مقارنةً بنحو 20% في السنوات السابقة، مما جعل الصين أكبر سوق استهلاكي لألياف الكربون في العالم.

الإحلال المحلي المتسارع: تجاوز الإنتاج المحلي الواردات في عام 2022. ومع دخول طاقات إنتاج جديدة لدى شركات ألياف الكربون المحلية حيز التشغيل وتقدم التكنولوجيا، يواصل وتيرة الإحلال المحلي لألياف الكربون تسارعها. ومن بين الطلب المحلي على ألياف الكربون البالغ 98,600 طن متري في عام 2023، بلغ الإنتاج المحلي نحو 54,600 طن متري.

(3) تتجاوز الطاقة الإنتاجية المحلية 100,000 طن

وفقاً لإحصاءات موقع بايتشوان ينغفو، بلغت الطاقة الإنتاجية الإجمالية لمصنّعي ألياف الكربون المحليين حتى يونيو 2023 نحو 117,000 طن، بزيادة قدرها حوالي 86.6% مقارنةً بـ62,700 طن المسجّلة في نهاية عام 2021، فيما تسير غالبية خطوط الإنتاج بسلاسة.

تجاوزت كلٌّ من مجموعة جيلين، وتشونغفو سانيينغ، ووادي شينتشوان للكربون طاقة إنتاجية قدرها 10,000 طن، متصدّرةً السوق المحلية بفضل مزايا حجمها. ومع الدعم السياسي المُقدَّم لتعزيز تطوّر ألياف الكربون، يُتوقع أن تنمو الطاقة الإنتاجية لألياف الكربون في الصين لتصل إلى 184,000 طن بحلول عام 2024.

(IV) الفجوة في الجودة والأداء بين الألياف الكربونية المحلية والألياف الكربونية الأمريكية/اليابانية آخذة في التقلص

في صناعة ألياف الكربون، تُصنَّف الألياف التي يتجاوز عدد خيوطها في الحزمة 48,000 خيطًا (وتُشار إليها بـ 48K) عادةً على أنها ألياف كربونية ذات حزمة كبيرة، بينما تُصنَّف الألياف التي يتراوح عدد خيوطها في الحزمة بين 1,000 و12,000 خيطًا (1–12K) على أنها ألياف كربونية ذات حزمة صغيرة.

مقارنةً بألياف الكربون ذات الحزم الصغيرة، تكمن الميزة الأساسية لألياف الكربون ذات الحزمة الكبيرة التي يبلغ عددها 48 ألف في قدرتها على زيادة كلٍّ من إنتاجية كل خيط ونوعية وأداء ألياف الكربون بشكل ملحوظ ضمن ظروف الإنتاج نفسها، مما يسهم في خفض تكاليف الإنتاج.

ومع ذلك، يتركّز الإنتاج المحلي لألياف الكربون في الوقت الراهن بشكل رئيسي في نطاق 1–12 كيلو، مما يعني أن ألياف الكربون ذات التيار الصغير تهيمن على السوق. ونظراً لارتفاع التكاليف المرتبطة بألياف الكربون ذات التيار الصغير، فقد أبدت الشركات المصنّعة في المراحل اللاحقة تردداً أكبر في اعتمادها.

في السابق، كانت تقنيات إنتاج ألياف الكربون ذات الحزمة الكبيرة مقتصرة أساسًا على عدد قليل من الشركات الكبرى في الولايات المتحدة وألمانيا واليابان. غير أنّه مع تشغيل أول خط إنتاج صيني محلي لصناعة ألياف الكربون ذات الحزمة الكبيرة بسعة 10 آلاف طن، وبقطر 48 كيلو، في قاعدة شنغهاي للبتروكيماويات التابعة لشركة سينوبك، دشنت الصين رسميًا عملية التصنيع الصناعي لألياف الكربون ذات الحزمة الكبيرة. ومن شأن هذا الإنجاز أن يغيّر الوضع الراهن الذي تعتمد فيه الصين بشكل كامل على الواردات في مجال ألياف الكربون ذات الحزمة الكبيرة، وتواجه فيه نقصًا مزمنًا في الإمدادات، مما سيسهم في دفع نمو قطاع ألياف الكربون المحلي.

II. مجالات التطبيقات الرئيسية لألياف الكربون

(1) اقتصاد المنخفضات

في 28 مارس من هذا العام، أصدرت وزارة الصناعة وتكنولوجيا المعلومات ووزارة العلوم والتكنولوجيا ووزارة المالية وإدارة الطيران المدني الصينية بشكل مشترك «خطة تنفيذية للتطبيق الابتكاري لمعدات الطيران العام (2024–2030)»، والتي تنص على السعي إلى إنشاء سوق بقيمة تريليون يوان للاقتصاد المنخفض الارتفاع بحلول عام 2030.

تتمتع المواد المركبة من ألياف الكربون بمزايا تشمل خفة الوزن، والمتانة العالية، ومقاومة التآكل، وقد استُخدمت منذ زمن طويل في قطاع الطيران والفضاء. وفي عام 2023، بلغ إجمالي الطلب العالمي على ألياف الكربون 115,000 طن متري، حيث جاء 19.1% من هذا الطلب من قطاعي الطيران والدفاع.

وفقاً للتقارير، بدأ كلٌّ من طراز «ترافلر X2» لشركة إكس بينغ هويتيان و«شينغشي لونغ» لشركة فنغفي للطيران في استخدام مركبات الألياف الكربونية على نطاق واسع. كما تعتمد الطائرة غير المأهولة ذات الطاقم EH216‑S التابعة لشركة إي هانغ—وهي أول طائرة تحصل على شهادة النوع وشهادة الصلاحية للطيران القياسية من إدارة الطيران المدني الصينية—على مركبات الألياف الكربونية القائمة على الإيبوكسي.

(4) إن الفجوة في الجودة والأداء بين ألياف الكربون المصنوعة محليًا وتلك المصنوعة في الولايات المتحدة واليابان تضيق باستمرار.

في صناعة ألياف الكربون، تُصنَّف حزم ألياف الكربون التي تحتوي على أكثر من 48,000 خيط (وتُشار إليها باسم 48K) عادةً على أنها ألياف كربون ذات حزمة كبيرة، بينما تُصنَّف تلك التي تتراوح بين 1,000 و12,000 خيط (1–12K) على أنها ألياف كربون ذات حزمة صغيرة.

مقارنةً بألياف الكربون ذات الحزم الصغيرة، تكمن الميزة الرئيسية لألياف الكربون ذات الحزمة الكبيرة بسعة 48K في قدرتها على زيادة كبيرة لكل من سعة الإنتاج لكل خيط، ومستوى الجودة والأداء لألياف الكربون، وذلك ضمن ظروف إنتاج متماثلة، مما يسهم في خفض تكاليف الإنتاج.

ومع ذلك، يتركز الإنتاج المحلي لألياف الكربون في الوقت الراهن بشكل رئيسي في نطاق 1–12 كيلو، مما يعني أن ألياف الكربون ذات التيار الصغير تهيمن على السوق. ونظراً لارتفاع تكلفة ألياف الكربون ذات التيار الصغير، فقد أدى ذلك إلى تراجع حماس الشركات المستهلكة لهذه الألياف لاعتمادها.

في السابق، كانت تقنيات إنتاج ألياف الكربون ذات الحزمة الكبيرة مقتصرة أساسًا على عدد قليل من الشركات الكبرى في الولايات المتحدة وألمانيا واليابان. غير أنّه مع تشغيل أول خط إنتاج صيني محلي لصناعة ألياف الكربون ذات الحزمة الكبيرة بسعة 10 آلاف طن، وبقطر 48 كيلو، في قاعدة شنغهاي للبتروكيماويات التابعة لشركة سينوبك، دشنت الصين رسميًا عملية التصنيع الصناعي لألياف الكربون ذات الحزمة الكبيرة. ومن شأن هذا الإنجاز أن يغيّر الوضع الراهن الذي تعتمد فيه الصين بشكل كامل على الواردات في مجال ألياف الكربون ذات الحزمة الكبيرة، وتواجه فيه نقصًا مزمنًا في الإمدادات، مما سيسهم في دفع نمو قطاع ألياف الكربون المحلي.

II. مجالات التطبيقات الرئيسية لألياف الكربون

(1) اقتصاد المنخفضات

في 28 مارس من هذا العام، أصدرت وزارة الصناعة وتكنولوجيا المعلومات ووزارة العلوم والتكنولوجيا ووزارة المالية وإدارة الطيران المدني الصينية بشكل مشترك «خطة تنفيذية للتطبيق الابتكاري لمعدات الطيران العام (2024–2030)»، والتي تنص على السعي إلى إنشاء سوق بقيمة تريليون يوان للاقتصاد المنخفض الارتفاع بحلول عام 2030.

تتمتع المواد المركبة من ألياف الكربون بمزايا تشمل خفة الوزن، والمتانة العالية، ومقاومة التآكل، وقد استُخدمت منذ زمن طويل في قطاع الطيران والفضاء. وفي عام 2023، بلغ إجمالي الطلب العالمي على ألياف الكربون 115,000 طن متري، حيث جاء 19.1% من هذا الطلب من قطاعي الطيران والدفاع.

تشير البيانات إلى أن مركبة «ترافلر إكس2» التابعة لشركة إكس بينغ هويتيان ومركبة «شينغشي لونغ» التابعة لشركة فنغفي للطيران قد شرعا بالفعل في استخدام واسع النطاق لمواد المركبات المصنوعة من ألياف الكربون. كما تستخدم الطائرة المسيرة المأهولة EH216‑S التابعة لشركة إي هانغ، وهي أول طائرة تحصل على شهادة النوع وشهادة الصلاحية للطيران وفقًا للمعايير الصادرة عن إدارة الطيران المدني الصينية، موادًا مركبة من ألياف الكربون ذات أساس إيبوكسي. ومن المتوقع أن تصبح المواد المركبة من ألياف الكربون المادة السائدة في تصنيع هياكل أجسام المنتجات المستقبلية.

(II) الرياضة والترفيه

تُستخدم ألياف الكربون على نطاق واسع في قطاع الرياضة والترفيه. وتُعدّ المعدات الرياضية، مثل مضارب الغولف وقضبان الصيد ومضارب التنس ومضارب الريشة الطائرة والدراجات وعصي التزلج ولوحات التزلج على الثلج وصواري ركوب الأمواج وهياكل القوارب، من أبرز مستخدمي ألياف الكربون. ويُقدَّر أن الإنتاج العالمي لقضبان الصيد المصنوعة من ألياف الكربون يبلغ نحو 20 مليون زوج سنويًا.

تُستخدم ألياف الكربون أيضًا في منتجات يومية، مثل الأجهزة المنزلية كالأنظمة الصوتية وسخانات الحمام وسخانات المساحات، وكذلك في المنتجات الإلكترونية مثل الهواتف المحمولة والحواسيب المحمولة. بالإضافة إلى ذلك، تُستَخدم ألياف الكربون في رياضات مائية أخرى، مثل التجديف والتجديف التنافسي.

(3) طاقة الرياح والطاقة الكهروضوئية

بالنظر إلى الطلب المصب في صناعة ألياف الكربون في الصين، تُعدّ قطاعات الرياضة والترفيه وشفرات توربينات الرياح الأكثر استحواذًا على حصة الطلب، بنسبة 30.9% و23.5% على التوالي.

مع انتهاء صلاحية براءات اختراع التكنولوجيا الأساسية لشركة فيستاس، والتوسع السريع لصناعة ألياف الكربون المحلية في الصين وجهودها المستمرة لخفض التكاليف وتحسين الكفاءة، فضلاً عن الانتشار المتسارع لطاقة الرياح البحرية والاتجاه نحو تطوير توربينات رياح أكبر حجماً، ومع تضافر هذه العوامل الإيجابية المتعددة، من المتوقع أن تزداد إمكانات تطور ألياف الكربون المخصصة لتطبيقات طاقة الرياح في الصين، مما يواصل دفع نمو الطلب المحلي على ألياف الكربون.