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【行業(yè)資訊】高性能復(fù)合材料的十大常見應(yīng)用領(lǐng)域

2023-08-04 292
關(guān)注中國復(fù)材
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復(fù)合材料是通過將兩種或多種其他材料結(jié)合在一起制備而成的,因此它們可以互為補充、互相改善,但在最終產(chǎn)品中也會保持自己的獨特特征。
于具有優(yōu)異的性能,復(fù)合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域,而本期系列文章將全面盤點復(fù)合材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域,其中包括:航空航天、汽車工業(yè)、建筑、能源、儲能、基礎(chǔ)設(shè)施、海洋、管道和儲罐、體育與娛樂、運輸?shù)仁箢I(lǐng)域。


航空航天領(lǐng)域


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歐洲空客(Airbus)和美國波音(Boeing)等主要航空原始設(shè)備制造商已顯示出在航空領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用復(fù)合材料的潛力,而美國宇航局(NASA)則一直在尋求復(fù)合材料制造商為火箭和其他航天器提供創(chuàng)新的復(fù)合材料解決方案。


波音公司開發(fā)的每一代新飛機中復(fù)合材料的比例都在增加,其中波音787夢幻客機的復(fù)合材料比例最高超過了50%。波音787夢幻客機的主要結(jié)構(gòu)部件是由更多的碳纖維“夾芯”復(fù)合材料和先進(jìn)的碳纖維層壓材料制成的,從而擺脫了陳舊的玻璃纖維復(fù)合材料。


另一方面,芳綸纖維廣泛用于建造前緣和后緣機翼組件以及非常堅硬、非常輕的艙壁、燃料箱和地板。此外,由嵌入普通基體材料中的高強度剛性纖維組合而成的先進(jìn)復(fù)合材料也廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)。


汽車工業(yè)領(lǐng)域


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作為最大的復(fù)合材料終端應(yīng)用市場,汽車行業(yè)對復(fù)合材料并不陌生。除了開創(chuàng)性的車輛設(shè)計,復(fù)合材料還有助于使車輛更輕、更省油。汽車需要可靠、同步的機構(gòu),其部件能夠承受摩擦、腐蝕和溫度波動。


設(shè)計或生產(chǎn)中的不準(zhǔn)確將影響性能,并可能造成制造商的業(yè)務(wù)損失。與金屬鋼相比,復(fù)合材料的性能能夠滿足并超過汽車行業(yè)的需求。這些獨特性包括:


1.低熱膨脹系數(shù)

2.優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性,可保持形狀和可靠性

3.在潮濕和干燥條件下的耐腐蝕性能

4.高沖擊強度,可承受重復(fù)使用

5.相對較輕的重量,以減少車輛的整體質(zhì)量

6.隔音效果更好,性能更佳

7.對油漆的接受性,包括滿足A級表面要求、油漆和烘烤工藝的能力

8.易于制造,成本相對較低


復(fù)合材料在汽車內(nèi)外部結(jié)構(gòu)中典型應(yīng)用


截止目前,復(fù)合材料已經(jīng)廣泛用于一系列汽車結(jié)構(gòu)零部件,從前照燈的前照燈外殼到發(fā)動機罩下的電氣和隔熱部件,再到汽車車身外部零件、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和裝飾部件。以下列舉復(fù)合材料在汽車零部件中的常見應(yīng)用:


1.導(dǎo)流板和擾流板

2.進(jìn)氣歧管

3.電池外殼和蓋

4.保險杠和保險杠橫梁

5.氣缸蓋(如氣門、搖臂、凸輪)蓋

6.車窗/天窗框架

7.前端格柵開口板

8.前向前照燈的殼體

9.隔熱板(例如發(fā)動機、變速器)

10.支柱和覆蓋物


建筑領(lǐng)域


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建筑界在對復(fù)合材料的理解和使用方面正經(jīng)歷大幅地增長。復(fù)合材料在大型項目中為建筑師和設(shè)計師提供了高性能和價值,并且它們在商業(yè)和住宅建筑中的使用越來越多。


最近,Palari Group 建立了可持續(xù)的 3D 打印社區(qū)和房屋。Mighty Buildings 是一家建筑技術(shù)公司,使用 3D 打印、機器人技術(shù)和自動化技術(shù)打造了經(jīng)濟(jì)實惠且可持續(xù)的住宅。房屋的基本組成部分是 Mighty Panel,這是一種 3D 打印的 100% 聚合物復(fù)合材料板,具有結(jié)構(gòu)、絕緣、MEP 集成、空氣/濕氣/防火屏障和內(nèi)部/外部飾面。Mighty Buildings 在其工廠打印單個面板,然后在建筑工地將它們組裝成房屋。


在建筑領(lǐng)域,碳纖維的高強度特性正在發(fā)揮積極作用。碳纖維強度極高、柔軟易鋪,可用于修補加固建筑物,使其如同全新建筑物。


碳纖維層壓板廣泛用于提高樓板和柱子的承重。此外,碳纖維可以抵抗地震損壞,因此還可用于新建建筑物的結(jié)構(gòu)加固,也可以作為鋼筋預(yù)制件的替代品。


儲能領(lǐng)域


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多功能儲能復(fù)合材料 (MESC)是通過將電池層嵌入結(jié)構(gòu)中,互鎖鉚釘固定電池層,有助于提高機械性能。


實驗測試顯示:MESC 可具有與其他材料相當(dāng)?shù)碾娀瘜W(xué)行為。而與軟包電池相比,在 60% 的封裝效率下,MESC 獲得了 15 倍的機械剛度。


復(fù)合材料在儲能領(lǐng)域的其他代表性應(yīng)用包括:

1.航空航天用氫氣罐

2.氫燃料電池系統(tǒng)

3.天然復(fù)合材料材質(zhì)電池


基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域


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由玻璃纖維、芳綸或碳纖維制成的復(fù)合材料越來越多地被考慮用于預(yù)張緊、后張緊或增強混凝土。為了取代腐蝕鋼筋,F(xiàn)RP 系統(tǒng)最終可能用于混凝土橋面或其他室外混凝土地板結(jié)構(gòu)。


耐腐蝕特性是碳纖維在基建領(lǐng)域備受青睞的主要因素之一。碳纖維不會腐蝕生銹,因此碳纖維混凝土層可以減薄很多,因為不需要像鋼芯一樣考慮防腐,這樣極大減少了建筑物的混凝土使用量,同時還附帶其它益處,譬如減少成本,加快施工進(jìn)度,縮短干燥時間等。此外,因為具有良好的導(dǎo)電性,碳纖維可用于屏蔽電磁干擾,可以傳遞樓宇參數(shù)信息,成為智能樓宇不可分割的一部分。


新能源領(lǐng)域


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通過制造能夠利用可持續(xù)能源的結(jié)構(gòu),復(fù)合材料在可再生能源中的使用將發(fā)揮越來越重要的作用。與金屬結(jié)構(gòu)相比,重量更輕、運輸和安裝成本更低,最重要的是,結(jié)構(gòu)整個生命周期內(nèi)的維護(hù)成本更低,這些因素已經(jīng)將復(fù)合材料定位為事實上的材料,可為大型項目提供經(jīng)濟(jì)的解決方案。


風(fēng)力渦輪機葉片的輕量化和復(fù)雜的翼型形狀使復(fù)合材料成為該領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者,使用的模具設(shè)計用于以最少的勞動力經(jīng)濟(jì)地制造葉片。目前的研究和開發(fā)旨在滿足陸基和離岸系統(tǒng)渦輪和轉(zhuǎn)子葉片所需的尺寸增加。


海洋領(lǐng)域


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幾十年來,F(xiàn)RP 復(fù)合材料已成功用于海洋應(yīng)用領(lǐng)域,例如雷達(dá)罩和質(zhì)量結(jié)構(gòu)、超級游艇、工作船和休閑船。最近,F(xiàn)RP已用于不太知名的應(yīng)用,例如軸承、螺旋槳、商業(yè)艙蓋、排氣裝置和頂部結(jié)構(gòu)。


玻璃纖維復(fù)合材料在海洋應(yīng)用中的使用是GRP應(yīng)用的第一個重要領(lǐng)域之一。它徹底改變了在多個領(lǐng)域設(shè)計和制造大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的能力。船舶在英國通過多種工藝制造,包括手工鋪設(shè)的 GRP、樹脂灌注、熱塑性塑料和用于競賽游艇的高性能碳纖維預(yù)浸料。


GRP 在船舶應(yīng)用中的主要優(yōu)點是:

1.耐環(huán)境性,包括免于腐爛、耐腐蝕等

2.能夠加工無縫的、形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)

3.能夠調(diào)整強度以適應(yīng)負(fù)載條件

4.出色的強度重量特性——GRP 海洋結(jié)構(gòu)的重量通常是同等鋼結(jié)構(gòu)的一半

5.低維護(hù)和易于維修

6.優(yōu)異的耐用性


賽艇比任何其他海洋結(jié)構(gòu)物更廣泛地使用復(fù)合材料。由于特殊要求,所用材料不是典型的海洋建筑材料。最小重量和最大剛度在其設(shè)計中至關(guān)重要,以便能夠以最大速度航行,并抵抗海浪和海洋環(huán)境中其他因素的影響。


碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料通常用于以蜂窩或泡沫為芯的船體、框架、龍骨、桅桿、桿和吊桿、碳絞盤卷筒和軸系。在不同的國際航行條件下,使用FRP有助于提高性能,并將航行缺陷和故障的危險降至最低。


管道系統(tǒng)領(lǐng)域


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復(fù)合材料管道系統(tǒng)在化工廠中的應(yīng)用已經(jīng)超過 25 年。20世紀(jì)70年代,復(fù)合材料在工業(yè)應(yīng)用中的使用變得廣泛。如今,復(fù)合材料管道和儲罐的安裝在地上和地下、商業(yè)、市政和住宅應(yīng)用中呈上升趨勢。隨著新化工設(shè)施的開發(fā)和舊設(shè)施的擴大,低成本天然氣正在進(jìn)一步擴大市場。


復(fù)合材料管道典型應(yīng)用及產(chǎn)品包括:

空氣污染控制;水產(chǎn)養(yǎng)殖;化學(xué)加工;海水淡化;石油和天然氣;水和廢水處理;管道;管件和襯里;管道系統(tǒng);油箱內(nèi)襯;儲油罐;工藝容器;洗滌器;閥門。


運動休閑領(lǐng)域


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一直以來,碳纖維在體育用品領(lǐng)域的表現(xiàn)都很突出,從賽車到滑雪、高爾夫、垂釣以及網(wǎng)球,碳纖維均得到廣泛應(yīng)用。隨著碳纖維日益普及以及價格回落,已在體育用品中得到更多應(yīng)用。


現(xiàn)在,許多球拍、滑雪板、雪橇、曲棍球棍、釣竿、高爾夫球桿、自行車、沖浪板、風(fēng)箏、鞋子以及其它體育產(chǎn)品均采用了碳纖維。


目前,在10項最受歡迎的戶外運動和休閑活動中,有 7 種產(chǎn)品使用了復(fù)合材料。玻璃纖維和碳纖維增強復(fù)合材料繼續(xù)在釣魚竿、網(wǎng)球拍、皮劃艇槳的翼梁/軸、帆板桅桿和板、曲棍球棒、風(fēng)箏和自行車車把中取代木材和金屬。


交通運輸領(lǐng)域


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運輸行業(yè)有一種趨勢是使用更大的車輛。無論是公共汽車、火車還是鉸接式卡車,想法都很簡單:攜帶更多的貨物。面臨的挑戰(zhàn)是找到安全承載更大負(fù)載的方法,同時節(jié)省燃料并減少對環(huán)境的影響。復(fù)合材料為這一挑戰(zhàn)提供了令人印象深刻的答案。


長期以來汽車和運輸行業(yè)在復(fù)合材料市場中占有較大份額,該行業(yè)致力于遵守嚴(yán)格的法規(guī),例如美國和歐洲政府制定的平均燃油效率(CAFE)標(biāo)準(zhǔn)和歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)(EES)。為了減少對全球氣候造成不利影響的二氧化碳(CO2)排放,這些地區(qū)的汽車制造商正在集中精力生產(chǎn)具有復(fù)合材料的輕型汽車,以符合政府法規(guī)并提高汽車的燃油效率。



來源:復(fù)材生態(tài)圈

此文由中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會搜集整理編譯,文章不用于商業(yè)目的,僅供行業(yè)人士交流,引用請注明出處。



文章源自:江門復(fù)合材料 http://www.rcghrq.com/

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