Область применения композитных материалов

Композитные материалы изготавливаются путем объединения двух или более других материалов таким образом, чтобы они дополняли и улучшали друг друга, сохраняя при этом свои уникальные характеристики в конечном продукте.

экструзионная машина для пластиковых листов

машины для переработки пластика

Благодаря своим превосходным эксплуатационным характеристикам композитные материалы широко используются в различных областях, и в этой серии статей будет проведен всесторонний обзор основных областей применения композитных материалов, включая: аэрокосмическую промышленность, автомобилестроение, строительство, энергетику, хранение энергии, инфраструктуру, судостроение, трубопроводы и резервуары для хранения, спорт и развлечения, транспорт и десять других областей.

1

Аэрокосмическая индустрия

Крупнейшие производители авиационной техники, такие как европейская компания Airbus и американская компания Boeing, продемонстрировали потенциал для широкомасштабного применения композитов в авиации, в то время как НАСА ищет производителей композитов для ракет и других космических аппаратов с инновационными композитными решениями.

Доля композитных материалов в каждом новом поколении самолетов, разработанных Boeing, увеличивалась, а в Boeing 787 Dreamliner доля композитных материалов превысила 50%. Основные структурные компоненты Boeing 787 Dreamliner изготовлены из более углеродного волокна «сэндвич» композитов и современных углеродных ламинатов, отходя от архаичных стекловолоконных композитов.

С другой стороны, арамидные волокна широко используются в конструкции узлов передней и задней кромки крыла, а также очень жестких, очень легких переборок, топливных баков и полов. Кроме того, в аэрокосмической промышленности широко используются также современные композитные материалы, состоящие из высокопрочных и жестких волокон, встроенных в обычные матричные материалы.

2

Автомобильная промышленность

Будучи крупнейшим рынком конечного использования композитных материалов, автомобильная промышленность не чужда композитным материалам. Помимо новаторского дизайна транспортных средств, композитные материалы помогают сделать транспортные средства легче и экономичнее. Для автомобилей требуются надежные, синхронизированные механизмы с компонентами, которые могут выдерживать трение, коррозию и колебания температуры.

Неточности в проектировании или производстве повлияют на производительность и могут стоить производителю бизнеса. По сравнению с металлической сталью производительность композитных материалов соответствует и превосходит требования автомобильной промышленности. Эти уникальные свойства включают:

низкий коэффициент теплового расширения

Отличная размерная стабильность для сохранения формы и надежности

Коррозионная стойкость во влажных и сухих условиях

Высокая ударопрочность, выдерживающая многократное использование

Относительно небольшой вес, что позволяет снизить общую массу транспортного средства.

Лучшая звукоизоляция и лучшая производительность

Приемлемость к покраске, включая способность соответствовать требованиям к поверхности класса А, процессам покраски и обжига

Простота изготовления и относительно низкая стоимость

Типичные области применения композитных материалов в конструкциях интерьера и экстерьера автомобиля

Композитные материалы широко используются в ряде автомобильных структурных деталей, от корпусов фар до электрических и теплоизоляционных компонентов под капотом, до внешних частей кузова автомобиля, внутренних структур и деталей отделки. Ниже перечислены общие области применения композитных материалов в автомобильных деталях:

Дефлекторы и спойлеры

впускной коллектор

Корпус и крышка аккумулятора

Бамперы и бамперные балки

Крышки головок цилиндров (например, клапаны, коромысла, кулачки)

Рама окна/люка

Передняя пластина для открывания решетки

корпус передней фары

Тепловые экраны (например, двигатель, трансмиссия)

Распорки и покрытия

3

Строительный сектор

Строительное сообщество переживает существенный рост в понимании и использовании композитных материалов. Композиты обеспечивают архитекторам и дизайнерам высокую производительность и ценность в крупномасштабных проектах, и их использование в коммерческом и жилом строительстве растет.

В недавней статье Palari Group строит устойчивые 3D-печатные сообщества и дома. Mighty Buildings — это компания строительных технологий, которая использует 3D-печать, робототехнику и автоматизацию для создания доступных и устойчивых домов. Основным строительным блоком дома является Mighty Panel, 3%-ная полимерная композитная панель, напечатанная на 100D-принтере, со структурой, изоляцией, интеграцией MEP, воздухо-/влаго-/огнезащитным барьером и внутренней/внешней отделкой. Mighty Buildings печатает отдельные панели на своем заводе, а затем собирает их в дома на строительной площадке.

В строительстве высокопрочные свойства углеродного волокна играют положительную роль. Углеродное волокно чрезвычайно прочное, мягкое и легко укладывается, и может использоваться для ремонта и укрепления зданий, чтобы они выглядели как новые здания. Ламинаты из углеродного волокна широко используются для увеличения несущей способности полов и колонн. Кроме того, углеродное волокно устойчиво к повреждениям от землетрясений, поэтому его также можно использовать для структурного усиления новых зданий и в качестве замены сборной стали.

4

Область хранения энергии

Многофункциональные композиты для хранения энергии (MESC) разрабатываются путем встраивания слоев батареи в структуру с помощью заклепок, фиксирующих слои батареи, что помогает улучшить механические свойства. Экспериментальные испытания показывают, что MESC могут иметь сопоставимое электрохимическое поведение с другими материалами. По сравнению с ячейками в виде мешочков, MESC достигают в 15 раз большей механической жесткости при эффективности инкапсуляции 60%.

Другие примеры применения композитов в области хранения энергии включают:

Водородные баки для аэрокосмической отрасли

Система водородных топливных элементов

Аккумулятор из натурального композитного материала

5

инфраструктура области

Строго говоря, нет строгого различия между инфраструктурой и зданиями. В последние годы, с появлением новых, недорогих, высокопроизводительных конструкционных композитных материалов, строительство инфраструктуры вступило в новую стадию. Пластик, армированный волокном (FRP), может не только заменить сталь во многих несущих конструкциях, но также было доказано, что можно армировать бетонные балки с помощью пластика, армированного волокном (FRP), скрепленного изнутри или снаружи.

Композиты из стекла, арамидных или углеродных волокон все чаще рассматриваются для предварительного напряжения, постнапряжения или армирования бетона. Для замены корродированной арматуры системы FRP в конечном итоге могут использоваться в бетонных мостовых настилах или других наружных бетонных конструкциях полов.

Коррозионная стойкость является одним из основных факторов, которые делают углеродное волокно таким привлекательным в секторе инфраструктуры. Углеродное волокно не будет корродировать и ржаветь, поэтому слой бетона из углеродного волокна можно значительно утончить, поскольку нет необходимости учитывать антикоррозионную защиту, как в случае со стальным сердечником, что значительно снижает количество бетона, используемого в здании, а также имеет другие преимущества, такие как снижение затрат и ускорение хода строительства, сокращение времени высыхания и т. д. Кроме того, благодаря своей хорошей электропроводности углеродное волокно можно использовать для экранирования электромагнитных помех, может передавать информацию о параметрах здания и стать неотъемлемой частью интеллектуальных зданий.

6

Новое энергетическое поле

Использование композитных материалов в возобновляемой энергетике будет играть все более важную роль, создавая конструкции, которые могут использовать устойчивую энергию. Меньший вес, меньшие транспортные и монтажные расходы и, что самое важное, меньшие затраты на обслуживание в течение срока службы конструкции по сравнению с металлическими конструкциями позиционируют композиты как фактический материал для крупномасштабных проектов. Предоставляют экономичные решения.

Легкий вес и сложные аэродинамические формы лопастей ветряных турбин сделали композиты лидерами в этой области, используя формы, разработанные для экономичного производства лопастей с минимальными трудозатратами. Текущие исследования и разработки направлены на удовлетворение возросших требований к размерам турбинных и роторных лопастей для наземных и морских систем.

7

океаническое поле

В течение десятилетий композиты FRP успешно использовались в морских приложениях, таких как обтекатели и массовые конструкции, суперяхты, рабочие катера и прогулочные катера. В последнее время FRP использовался в менее известных приложениях, таких как подшипники, гребные винты, коммерческие люки, выхлопные трубы и конструкции крыш.

Использование стекловолоконных композитов в морских приложениях было одной из первых значительных областей применения GRP. Это произвело революцию в возможности проектирования и производства крупных композитных конструкций в различных областях. Лодка производится в Великобритании с использованием различных процессов, включая ручную укладку GRP, инфузию смолы, термопластик и высокопроизводительный препрег из углеродного волокна для гоночных яхт.

Основными преимуществами стеклопластика в морском применении являются:

Устойчивость к воздействию окружающей среды, включая отсутствие гниения, коррозионную стойкость и т. д.

Возможность обработки бесшовных конструкций сложной формы

Возможность регулировки прочности в соответствии с условиями нагрузки

Превосходные показатели соотношения прочности и веса — морские конструкции из стеклопластика обычно весят вдвое меньше эквивалентных стальных конструкций.

низкие эксплуатационные расходы и простота ремонта

отличная долговечность

Гребные лодки используют композитные материалы более широко, чем любые другие морские конструкции. Из-за особых требований используемые материалы не являются типичными морскими строительными материалами. Минимальный вес и максимальная жесткость были решающими при проектировании, чтобы иметь возможность плавать на максимальной скорости и противостоять воздействию волн и других элементов морской среды.

Эпоксидные композиты, армированные углеродным волокном, обычно используются для сотовых или пенопластовых корпусов, рам, килей, мачт, стержней и гиков, барабанов лебедок и валов из углеродного волокна. Использование FRP помогает улучшить эксплуатационные характеристики и свести к минимуму риск навигационных дефектов и поломок в различных международных условиях плавания.

8

Область трубопроводной системы

Композитные трубопроводные системы используются на химических заводах уже более 25 лет. Использование композитных материалов в промышленных приложениях стало широко распространенным в 1970-х годах. Сегодня композитные трубопроводы и резервуарные установки набирают популярность в надземных и подземных, коммерческих, муниципальных и жилых приложениях. Недорогой природный газ еще больше расширяет рынок по мере развития новых химических предприятий и расширения старых.

Типичные области применения и изделия из композитных труб включают в себя:

контроль загрязнения воздуха

аквакультура

химическая обработка

опреснение

Нефть и природный газ

Очистка воды и сточных вод

трубопровод

Фитинги и вкладыши

Трубопроводная система

Облицовка топливного бака

резервуар для хранения нефти

Контейнер для обработки

скруббер

клапан

9

Спортивно-развлекательная сфера

Углеродное волокно всегда было заметно в области спортивных товаров, от гонок до лыж, гольфа, рыбалки и тенниса, углеродное волокно широко использовалось. С ростом популярности и падением цен на углеродное волокно, его стали больше использовать в спортивных товарах.

Углеродное волокно в настоящее время используется при производстве многих ракеток, сноубордов, санок, хоккейных клюшек, удочек, клюшек для гольфа, велосипедов, досок для серфинга, воздушных змеев, обуви и других спортивных товаров.

Углеродное волокно в спорте и отдыхе

В настоящее время 7 из 10 самых популярных видов спорта и отдыха на открытом воздухе используют композитные материалы. Стекловолоконные и армированные углеродным волокном композиты продолжают заменять дерево и металл в удилищах, теннисных ракетках, рангоутах/валах для весел каяков, мачтах и ​​досках для виндсерфинга, хоккейных клюшках, воздушных змеях и велосипедных рулях.

10

Транспорт

В транспортной отрасли наблюдается тенденция к использованию более крупных транспортных средств. Будь то автобус, поезд или сочлененный грузовик, идея проста: перевозить больше груза. Задача состоит в том, чтобы найти способы безопасно перевозить более крупные грузы, экономя топливо и уменьшая воздействие на окружающую среду. Композиты предлагают впечатляющий ответ на этот вызов.