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一文詳細(xì)盤點(diǎn)高性能復(fù)合材料的十大常見應(yīng)用領(lǐng)域

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2022-10-26 15:53:28    瀏覽次數(shù):805    評論:0
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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(bǔ)充、互相改善,但在最終產(chǎn)品中也會保持自己的獨(dú)特

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(bǔ)充、互相改善,但在最終產(chǎn)品中也會保持自己的獨(dú)特特征。
由于具有優(yōu)異的性能,復(fù)合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,而本期系列文章將全面盤點(diǎn)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(yùn)輸?shù)仁箢I(lǐng)域。


1


航空航天領(lǐng)域


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(jī)中復(fù)合材料的比例都在增加,其中波音787夢幻客機(jī)的復(fù)合材料比例最高超過了50%。

波音787夢幻客機(jī)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(jī)翼組件以及非常堅(jiān)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(qiáng)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)。


2


汽車工業(yè)領(lǐng)域


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(jì)。

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(jī)構(gòu),其部件能夠承受摩擦、腐蝕和溫度波動(dòng)。

設(shè)計(jì)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(dú)特的性能包括:

  • 低熱膨脹系數(shù)

  • 優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性,可保持形狀和可靠性

  • 在潮濕和干燥條件下的耐腐蝕性能

  • 高沖擊強(qiáng)度,可承受重復(fù)使用

  • 相對較輕的重量,以減少車輛的整體質(zhì)量

  • 隔音效果更好,性能更佳

  • 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

  • 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

截至目前,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(dòng)機(jī)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:

  • 導(dǎo)流板和擾流板

  • 進(jìn)氣歧管

  • 電池外殼和蓋

  • 保險(xiǎn)杠和保險(xiǎn)杠橫梁

  • 氣缸蓋(如氣門、搖臂、凸輪)蓋

  • 車窗/天窗框架

  • 前端格柵開口板

  • 前向前照燈的殼體

  • 隔熱板(例如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器)

  • 支柱和覆蓋物




3


建筑領(lǐng)域


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

在最近的一篇文章中,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(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)打造了經(jīng)濟(jì)實(shí)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(gè)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(qiáng)度特性正在發(fā)揮積極作用。碳纖維強(qiáng)度極高、柔軟易鋪,可用于修補(bǔ)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。


4


儲能領(lǐng)域


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(jī)械性能。

實(shí)驗(yàn)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(jī)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:

  • 航空航天用氫氣罐

  • 氫燃料電池系統(tǒng)
  • 天然復(fù)合材料材質(zhì)電池

 


5


基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域


嚴(yán)格意義上基礎(chǔ)設(shè)施與建筑兩者無嚴(yán)格區(qū)分,近年來隨著新型、低成本、高性能結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的出現(xiàn),基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已進(jìn)入了一個(gè)新階段。

纖維增強(qiáng)塑料 (FRP) 不僅可以在許多承重結(jié)構(gòu)中代替鋼材,而且用內(nèi)部或外部粘合的纖維增強(qiáng)塑料 (FRP) 加固混凝土梁也已被證明是可行的。


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(qiáng)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?yàn)椴恍枰皲撔疽粯涌紤]防腐。

這樣極大減少了建筑物的混凝土使用量,同時(shí)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(shí)間等。

此外,因?yàn)榫哂辛己玫膶?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。



6


新能源領(lǐng)域


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(yùn)輸和安裝成本更低,最重要的是,結(jié)構(gòu)整個(gè)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(shí)上的材料,可為大型項(xiàng)目提供經(jīng)濟(jì)的解決方案。


風(fēng)力渦輪機(jī)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(jì)用于以最少的勞動(dòng)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。


7


海洋領(lǐng)域領(lǐng)域


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,FRP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(gè)重要領(lǐng)域之一。它徹底改變了在多個(gè)領(lǐng)域設(shè)計(jì)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(diǎn)是:

  • 耐環(huán)境性,包括免于腐爛、耐腐蝕等。
  • 能夠加工無縫的、形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)
  • 能夠調(diào)整強(qiáng)度以適應(yīng)負(fù)載條件
  • 出色的強(qiáng)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。
  • 低維護(hù)和易于維修
  • 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(jì)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(qiáng)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(xiǎn)降至最低。


8


管道系統(tǒng)領(lǐng)域


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(kuò)大,低成本天然氣正在進(jìn)一步擴(kuò)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


9


運(yùn)動(dòng)休閑領(lǐng)域


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(jià)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。
碳纖維在體育休閑領(lǐng)域應(yīng)用


目前,在10項(xiàng)最受歡迎的戶外運(yùn)動(dòng)和休閑活動(dòng)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(qiáng)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。


10

交通運(yùn)輸領(lǐng)域


運(yùn)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(shí)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(yùn)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)。



 
(文/小編)
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