Lĩnh vực sử dụng vật liệu composite

Vật liệu composite được chế tạo bằng cách kết hợp hai hoặc nhiều vật liệu khác nhau để chúng bổ sung và cải thiện lẫn nhau, nhưng vẫn giữ được những đặc điểm riêng biệt trong sản phẩm cuối cùng.

máy ép đùn tấm nhựa

máy tái chế nhựa

Nhờ hiệu suất tuyệt vời của mình, vật liệu composite đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau và loạt bài viết này sẽ tổng hợp toàn diện các lĩnh vực ứng dụng chính của vật liệu composite, bao gồm: hàng không vũ trụ, công nghiệp ô tô, xây dựng, năng lượng, lưu trữ năng lượng, cơ sở hạ tầng, hàng hải, đường ống và bể chứa, thể thao và giải trí, giao thông vận tải và mười lĩnh vực khác.

1

Không gian vũ trụ

Các OEM hàng không lớn như Airbus của Châu Âu và Boeing của Hoa Kỳ đã cho thấy tiềm năng ứng dụng vật liệu composite trên quy mô lớn trong ngành hàng không, trong khi NASA đang tìm kiếm các nhà sản xuất vật liệu composite cho tên lửa và các tàu vũ trụ khác với các giải pháp composite sáng tạo.

Tỷ lệ vật liệu composite trong mỗi thế hệ máy bay mới do Boeing phát triển đã tăng lên và tỷ lệ vật liệu composite trong Boeing 787 Dreamliner đã vượt quá 50%. Các thành phần cấu trúc chính của Boeing 787 Dreamliner được làm từ nhiều vật liệu composite "sandwich" sợi carbon và các tấm sợi carbon tiên tiến, thay thế vật liệu composite sợi thủy tinh lỗi thời.

Mặt khác, sợi aramid được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo các cụm cánh trước và sau cũng như các vách ngăn, thùng nhiên liệu và sàn rất cứng và rất nhẹ. Ngoài ra, vật liệu composite tiên tiến bao gồm các sợi có độ bền cao và cứng được nhúng trong các vật liệu nền thông thường cũng được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ.

2

ngành công nghiệp ô tô

Là thị trường sử dụng cuối lớn nhất cho vật liệu composite, ngành công nghiệp ô tô không còn xa lạ với vật liệu composite. Ngoài việc tiên phong trong thiết kế xe, vật liệu composite còn giúp xe nhẹ hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn. Ô tô cần có cơ chế đồng bộ, đáng tin cậy với các thành phần có thể chịu được ma sát, ăn mòn và biến động nhiệt độ.

Sự không chính xác trong thiết kế hoặc sản xuất sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất và có thể gây thiệt hại cho doanh nghiệp sản xuất. So với thép kim loại, hiệu suất của vật liệu composite đáp ứng và vượt quá nhu cầu của ngành công nghiệp ô tô. Những đặc tính độc đáo này bao gồm:

hệ số giãn nở nhiệt thấp

Độ ổn định kích thước tuyệt vời để giữ nguyên hình dạng và độ tin cậy

Khả năng chống ăn mòn trong điều kiện ẩm ướt và khô ráo

Độ bền va đập cao để chịu được việc sử dụng nhiều lần

Trọng lượng tương đối nhẹ để giảm khối lượng tổng thể của xe

Cách âm tốt hơn và hiệu suất tốt hơn

Khả năng chấp nhận sơn, bao gồm khả năng đáp ứng các yêu cầu về bề mặt Loại A, quy trình sơn và nung

Dễ sản xuất và chi phí tương đối thấp

Ứng dụng điển hình của vật liệu composite trong kết cấu nội thất và ngoại thất ô tô

Vật liệu composite đã được sử dụng rộng rãi trong một loạt các bộ phận kết cấu ô tô, từ vỏ đèn pha đến các thành phần cách điện và cách nhiệt dưới nắp ca-pô, đến các bộ phận bên ngoài thân xe, cấu trúc bên trong và các bộ phận trang trí. Các ứng dụng phổ biến của vật liệu composite trong các bộ phận ô tô được liệt kê dưới đây:

Bộ phận phản xạ và cánh gió

đường ống nạp

Vỏ và nắp pin

Cản và thanh cản

Nắp đầu xi lanh (ví dụ van, tay đòn, cam)

Khung cửa sổ/cửa sổ trời

Tấm mở lưới tản nhiệt phía trước

vỏ đèn pha phía trước

Tấm chắn nhiệt (ví dụ động cơ, hộp số)

Thanh chống và lớp phủ

3

Ngành xây dựng

Cộng đồng xây dựng đang trải qua sự tăng trưởng đáng kể trong việc hiểu biết và sử dụng vật liệu composite. Vật liệu composite cung cấp cho các kiến ​​trúc sư và nhà thiết kế hiệu suất và giá trị cao trong các dự án quy mô lớn, và việc sử dụng chúng trong xây dựng thương mại và dân dụng đang gia tăng.

Trong một bài viết gần đây, Palari Group xây dựng các cộng đồng và ngôi nhà in 3D bền vững. Mighty Buildings là một công ty công nghệ xây dựng sử dụng công nghệ in 3D, rô bốt và tự động hóa để tạo ra những ngôi nhà giá cả phải chăng và bền vững. Khối xây dựng cơ bản của ngôi nhà là Mighty Panel, một tấm composite 3% polymer in 100D với kết cấu, cách nhiệt, tích hợp MEP, rào cản không khí/độ ẩm/lửa và hoàn thiện nội thất/ngoại thất. Mighty Buildings in từng tấm riêng lẻ tại nhà máy của mình, sau đó lắp ráp chúng thành những ngôi nhà tại công trường xây dựng.

Trong xây dựng, tính chất cường độ cao của sợi carbon đang đóng vai trò tích cực. Sợi carbon cực kỳ chắc chắn, mềm mại và dễ lắp đặt, có thể được sử dụng để sửa chữa và gia cố các tòa nhà để làm cho chúng trông giống như các tòa nhà mới. Tấm sợi carbon được sử dụng rộng rãi để tăng khả năng chịu tải của sàn và cột. Ngoài ra, sợi carbon có khả năng chống chịu thiệt hại do động đất, vì vậy nó cũng có thể được sử dụng để gia cố kết cấu của các tòa nhà mới và thay thế cho thép đúc sẵn.

4

Lĩnh vực lưu trữ năng lượng

Vật liệu composite lưu trữ năng lượng đa chức năng (MESC) được phát triển bằng cách nhúng các lớp pin vào cấu trúc, với các đinh tán liên kết cố định các lớp pin, giúp cải thiện các đặc tính cơ học. Các thử nghiệm thực nghiệm cho thấy MESC có thể có hành vi điện hóa tương đương với các vật liệu khác. So với các cell dạng túi, MESC đạt độ cứng cơ học cao hơn 15 lần ở hiệu suất đóng gói 60%.

Các ứng dụng tiêu biểu khác của vật liệu composite trong lưu trữ năng lượng bao gồm:

Bình chứa Hydro cho Hàng không Vũ trụ

Hệ thống pin nhiên liệu hydro

Pin vật liệu tổng hợp tự nhiên

5

lĩnh vực cơ sở hạ tầng

Nói một cách nghiêm ngặt, không có sự phân biệt nghiêm ngặt giữa cơ sở hạ tầng và tòa nhà. Trong những năm gần đây, với sự xuất hiện của các vật liệu composite kết cấu mới, giá thành thấp, hiệu suất cao, xây dựng cơ sở hạ tầng đã bước vào một giai đoạn mới. Nhựa gia cường sợi (FRP) không chỉ có thể thay thế thép trong nhiều kết cấu chịu lực mà còn chứng minh được tính khả thi khi gia cố dầm bê tông bằng nhựa gia cường sợi (FRP) liên kết bên trong hoặc bên ngoài.

Vật liệu composite làm từ sợi thủy tinh, aramid hoặc carbon ngày càng được xem xét để ứng suất trước, ứng suất sau hoặc gia cố bê tông. Để thay thế cốt thép bị ăn mòn, hệ thống FRP cuối cùng có thể được sử dụng trong sàn cầu bê tông hoặc các kết cấu sàn bê tông ngoài trời khác.

Khả năng chống ăn mòn là một trong những yếu tố chính khiến sợi carbon trở nên hấp dẫn trong lĩnh vực cơ sở hạ tầng. Sợi carbon sẽ không bị ăn mòn và rỉ sét, vì vậy lớp bê tông sợi carbon có thể được làm mỏng đi rất nhiều, vì không cần phải xem xét đến khả năng chống ăn mòn như lõi thép, giúp giảm đáng kể lượng bê tông sử dụng trong tòa nhà, đồng thời còn có những lợi ích khác, chẳng hạn như giảm chi phí và đẩy nhanh tiến độ thi công, rút ​​ngắn thời gian khô, v.v. Ngoài ra, do có độ dẫn điện tốt, sợi carbon có thể được sử dụng để che chắn nhiễu điện từ, có thể truyền thông tin về thông số của tòa nhà và trở thành một phần không thể thiếu của các tòa nhà thông minh.

6

Trường năng lượng mới

Việc sử dụng vật liệu composite trong năng lượng tái tạo sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng bằng cách tạo ra các cấu trúc có thể khai thác năng lượng bền vững. Trọng lượng nhẹ hơn, chi phí vận chuyển và lắp đặt thấp hơn và quan trọng nhất là chi phí bảo trì thấp hơn trong suốt vòng đời của cấu trúc so với các cấu trúc kim loại đã đưa vật liệu composite trở thành vật liệu thực tế cho các dự án quy mô lớn. Cung cấp các giải pháp kinh tế.

Trọng lượng nhẹ và hình dạng cánh máy bay phức tạp của cánh tua bin gió đã khiến vật liệu composite trở thành vật liệu dẫn đầu trong lĩnh vực này, sử dụng khuôn được thiết kế để sản xuất cánh tiết kiệm với ít nhân công nhất. Nghiên cứu và phát triển hiện tại nhằm mục đích đáp ứng kích thước tăng lên cần thiết cho cánh tua bin và cánh rôto cho các hệ thống trên đất liền và ngoài khơi.

7

cánh đồng đại dương

Trong nhiều thập kỷ, vật liệu composite FRP đã được sử dụng thành công trong các ứng dụng hàng hải như mái che radar và cấu trúc khối, siêu du thuyền, thuyền làm việc và thuyền giải trí. Gần đây hơn, FRP đã được sử dụng trong các ứng dụng ít được biết đến hơn như ổ trục, chân vịt, cửa sập thương mại, ống xả và cấu trúc mái.

Việc sử dụng vật liệu composite sợi thủy tinh trong các ứng dụng hàng hải là một trong những lĩnh vực quan trọng đầu tiên của ứng dụng GRP. Nó đã cách mạng hóa khả năng thiết kế và sản xuất các cấu trúc composite lớn trong nhiều lĩnh vực. Chiếc thuyền được sản xuất tại Vương quốc Anh bằng nhiều quy trình khác nhau bao gồm GRP được đặt thủ công, truyền nhựa, nhiệt dẻo và prepreg sợi carbon hiệu suất cao cho du thuyền đua.

Những ưu điểm chính của GRP trong ứng dụng hàng hải là:

Khả năng chống chịu với môi trường, bao gồm chống mục nát, chống ăn mòn, v.v.

Khả năng xử lý các cấu trúc liền mạch, có hình dạng phức tạp

Khả năng điều chỉnh sức mạnh để phù hợp với điều kiện tải

Tính chất chịu lực trên trọng lượng tuyệt vời - Các kết cấu biển GRP thường chỉ bằng một nửa trọng lượng của các kết cấu thép tương đương.

bảo trì thấp và dễ sửa chữa

độ bền tuyệt vời

Thuyền chèo sử dụng vật liệu composite rộng rãi hơn bất kỳ cấu trúc hàng hải nào khác. Do yêu cầu đặc biệt, vật liệu được sử dụng không phải là vật liệu xây dựng hàng hải thông thường. Trọng lượng tối thiểu và độ cứng tối đa là yếu tố quan trọng trong thiết kế của nó để có thể di chuyển với tốc độ tối đa và chống lại tác động của sóng và các yếu tố khác của môi trường biển.

Vật liệu composite epoxy gia cường sợi carbon thường được sử dụng cho thân tàu, khung, sống thuyền, cột buồm, thanh và cần trục, tang tời carbon và trục. Việc sử dụng FRP giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu rủi ro về các khiếm khuyết và hỏng hóc trong điều kiện chèo thuyền quốc tế khác nhau.

8

Hệ thống đường ống

Hệ thống đường ống composite đã được sử dụng trong các nhà máy hóa chất trong hơn 25 năm. Việc sử dụng vật liệu composite trong các ứng dụng công nghiệp đã trở nên phổ biến vào những năm 1970. Ngày nay, các hệ thống đường ống và bồn chứa composite đang gia tăng trong các ứng dụng trên mặt đất và dưới lòng đất, thương mại, đô thị và dân dụng. Khí đốt tự nhiên giá rẻ đang mở rộng thị trường hơn nữa khi các cơ sở hóa chất mới được phát triển và các cơ sở cũ được mở rộng.

Các ứng dụng và sản phẩm tiêu biểu của ống composite bao gồm:

kiểm soát ô nhiễm không khí

nuôi trồng thủy sản

xử lý hóa học

khử muối

Dầu mỏ và khí đốt tự nhiên

Xử lý nước và nước thải

đường ống dẫn

Phụ kiện và lót

Hệ thống đường ống

Lớp lót bình nhiên liệu

bồn chứa dầu

Thùng chứa quy trình

Máy chà sàn

van

9

Lĩnh vực thể thao và giải trí

Sợi carbon luôn nổi bật trong lĩnh vực đồ dùng thể thao, từ đua xe đến trượt tuyết, chơi golf, câu cá và quần vợt, sợi carbon đã được sử dụng rộng rãi. Với sự phổ biến ngày càng tăng và giá thành giảm của sợi carbon, nó đã được sử dụng nhiều hơn trong đồ dùng thể thao.

Sợi carbon hiện được sử dụng trong nhiều loại vợt, ván trượt tuyết, xe trượt tuyết, gậy khúc côn cầu, cần câu, gậy đánh gôn, xe đạp, ván lướt sóng, diều, giày và các sản phẩm thể thao khác.

Sợi Carbon trong Thể thao và Giải trí

Hiện nay, 7 trong số 10 môn thể thao ngoài trời và hoạt động giải trí phổ biến nhất sử dụng vật liệu composite. Vật liệu composite gia cố bằng sợi thủy tinh và sợi carbon tiếp tục thay thế gỗ và kim loại trong cần câu, vợt tennis, thanh/trục cho mái chèo kayak, cột buồm và ván lướt ván, gậy khúc côn cầu, diều và tay lái xe đạp.

10

Phương Tiện

Có một xu hướng trong ngành vận tải là sử dụng các phương tiện lớn hơn. Cho dù đó là xe buýt, tàu hỏa hay xe tải khớp nối, ý tưởng rất đơn giản: chở nhiều hàng hóa hơn. Thách thức là tìm ra cách để vận chuyển an toàn các tải trọng lớn hơn trong khi vẫn tiết kiệm nhiên liệu và giảm tác động đến môi trường. Vật liệu composite đưa ra câu trả lời ấn tượng cho thách thức này.