Domeniul de utilizare a materialelor compozite

Materialele compozite sunt preparate prin combinarea a două sau mai multe materiale, astfel încât acestea să se completeze și să se îmbunătățească reciproc, păstrându-și în același timp propriile caracteristici unice în produsul final.

mașină de extrudare a foilor de plastic

mașini pentru reciclarea plasticului

Datorită performanțelor lor excelente, materialele compozite au fost utilizate pe scară largă în diverse domenii, iar această serie de articole va face un inventar cuprinzător al principalelor domenii de aplicare ale materialelor compozite, inclusiv: industria aerospațială, industria auto, construcțiile, energia, stocarea energiei, infrastructura, industria marină, conductele și rezervoarele de stocare, sportul și divertismentul, transporturile și alte zece domenii.

1

Industria aerospațială

Marii producători de echipamente originale din domeniul aeronautic, precum Airbus din Europa și Boeing din SUA, au demonstrat potențial pentru aplicarea la scară largă a compozitelor în aviație, în timp ce NASA a căutat producători de compozite pentru rachete și alte nave spațiale cu soluții compozite inovatoare.

Proporția materialelor compozite din fiecare nouă generație de aeronave dezvoltate de Boeing a crescut, iar proporția de materiale compozite din Boeing 787 Dreamliner a depășit 50%. Componentele structurale majore ale Boeing 787 Dreamliner sunt fabricate din compozite mai degrabă de tip „sandwich” din fibră de carbon și laminate avansate din fibră de carbon, îndepărtându-se de compozitele arhaice din fibră de sticlă.

Pe de altă parte, fibrele de aramidă sunt utilizate pe scară largă în construcția ansamblurilor aripilor de atac și de fugă, precum și a pereților despărțitori, rezervoarelor de combustibil și podelelor foarte rigizi și foarte ușoare. În plus, materialele compozite avansate, compuse din fibre rigide și de înaltă rezistență, încorporate în materiale matriceale comune, sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă în industria aerospațială.

2

Industria auto

Fiind cea mai mare piață finală pentru materiale compozite, industria auto nu este străină de materialele compozite. Pe lângă designul inovator al vehiculelor, materialele compozite contribuie la creșterea ușurinței și la creșterea eficienței consumului de combustibil al vehiculelor. Automobilele necesită mecanisme fiabile, sincronizate, cu componente care pot rezista la frecare, coroziune și fluctuații de temperatură.

Inexactitățile în proiectare sau producție vor afecta performanța și pot afecta costurile afacerii producătorului. Comparativ cu oțelul metalic, performanța materialelor compozite îndeplinește și chiar depășește cerințele industriei auto. Aceste proprietăți unice includ:

coeficient scăzut de dilatare termică

Stabilitate dimensională excelentă pentru menținerea formei și fiabilitate

Rezistență la coroziune în condiții umede și uscate

Rezistență ridicată la impact pentru a rezista la utilizare repetată

Greutate relativ ușoară pentru a reduce masa totală a vehiculului

Izolație fonică mai bună și performanță mai bună

Acceptabilitatea la vopsire, inclusiv capacitatea de a îndeplini cerințele de suprafață din clasa A, procesele de vopsire și coacere

Ușor de fabricat și cost relativ scăzut

Aplicații tipice ale materialelor compozite în structurile interioare și exterioare ale automobilelor

Materialele compozite au fost utilizate pe scară largă într-o serie de piese structurale auto, de la carcasele farurilor la componentele electrice și termice de izolare de sub capotă, până la piesele exterioare ale caroseriei mașinii, structurile interioare și piesele de ornamente. Aplicațiile comune ale materialelor compozite în piesele auto sunt enumerate mai jos:

Deflectoare și spoilere

galerie de admisie

Carcasa și capacul bateriei

Bare de protecție și traverse de protecție

Capace chiulase (de exemplu, supape, culbutoare, came)

Rama ferestrei/trapei

Placă de deschidere a grilei frontale

carcasa farului față

Scuturi termice (de exemplu, motor, transmisie)

Stâlpi și acoperiri

3

Sectorul constructiilor

Comunitatea construcțiilor se confruntă cu o creștere substanțială în înțelegerea și utilizarea materialelor compozite. Compozitele oferă arhitecților și proiectanților performanță și valoare ridicate în proiecte de mare anvergură, iar utilizarea lor în construcțiile comerciale și rezidențiale este în creștere.

Într-un articol recent, Palari Group construiește comunități și locuințe sustenabile prin imprimare 3D. Mighty Buildings este o companie de tehnologie a construcțiilor care utilizează imprimarea 3D, robotica și automatizarea pentru a crea locuințe accesibile și sustenabile. Elementul fundamental de construcție al casei este Mighty Panel, un panou compozit 100% polimeric, printat 3D, cu structură, izolație, integrare MEP, barieră la aer/umezeală/foc și finisaje interioare/exterioare. Mighty Buildings printează panouri individuale în fabrică, apoi le asamblează în case pe șantier.

În construcții, proprietățile de înaltă rezistență ale fibrei de carbon joacă un rol pozitiv. Fibra de carbon este extrem de rezistentă, moale și ușor de așezat și poate fi utilizată pentru repararea și consolidarea clădirilor, astfel încât acestea să arate ca niște clădiri noi. Laminatele din fibră de carbon sunt utilizate pe scară largă pentru a crește capacitatea portantă a podelelor și a stâlpilor. În plus, fibra de carbon este rezistentă la daunele provocate de cutremure, așa că poate fi utilizată și pentru consolidarea structurală a clădirilor noi și ca înlocuitor pentru oțelul prefabricat.

4

Domeniul de stocare a energiei

Compozitele multifuncționale de stocare a energiei (MESC) sunt dezvoltate prin încorporarea straturilor de baterii în structură, cu nituri interconectate care fixează straturile bateriei, contribuind la îmbunătățirea proprietăților mecanice. Testele experimentale arată că MESC-urile pot avea un comportament electrochimic comparabil cu alte materiale. Comparativ cu celulele tip saculet (pocket cells), MESC-urile ating o rigiditate mecanică de 15 ori mai mare, la o eficiență de încapsulare de 60%.

Alte aplicații reprezentative ale compozitelor în stocarea energiei includ:

Rezervoare de hidrogen pentru industria aerospațială

Sistem cu pile de combustibil cu hidrogen

Baterie din material compozit natural

5

domeniul infrastructurii

Strict vorbind, nu există o distincție strictă între infrastructură și clădiri. În ultimii ani, odată cu apariția unor noi materiale compozite structurale, ieftine și de înaltă performanță, construcția infrastructurii a intrat într-o nouă etapă. Nu numai că plasticul armat cu fibre (FRP) poate înlocui oțelul în multe structuri portante, dar s-a dovedit, de asemenea, fezabilă armarea grinzilor de beton cu plastic armat cu fibre (FRP) lipit intern sau extern.

Compozitele din fibre de sticlă, aramidă sau carbon sunt din ce în ce mai mult luate în considerare pentru pretensionarea, posttensionarea sau armarea betonului. Pentru a înlocui armăturile corodate, sistemele FRP pot fi utilizate în cele din urmă în tablierele podurilor din beton sau în alte structuri exterioare de podea din beton.

Rezistența la coroziune este unul dintre principalii factori care fac fibra de carbon atât de atractivă în sectorul infrastructurii. Fibra de carbon nu va coroda și nu va rugini, așa că stratul de beton din fibră de carbon poate fi subțiat considerabil, deoarece nu este nevoie să se ia în considerare anticoroziunea precum miezul de oțel, ceea ce reduce considerabil cantitatea de beton utilizată în clădire și are și alte beneficii, cum ar fi reducerea costurilor și accelerarea progresului construcției, scurtarea timpului de uscare etc. În plus, datorită bunei sale conductivități electrice, fibra de carbon poate fi utilizată pentru a proteja interferențele electromagnetice, poate transmite informații despre parametrii clădirii și poate deveni o parte integrantă a clădirilor inteligente.

6

Nou câmp energetic

Utilizarea materialelor compozite în energia regenerabilă va juca un rol din ce în ce mai important prin crearea de structuri care pot valorifica energia durabilă. Greutatea mai mică, costurile de transport și instalare mai mici și, cel mai important, costurile de întreținere mai mici pe durata de viață a structurii în comparație cu structurile metalice au poziționat compozitele ca material de facto pentru proiectele de mare anvergură. Oferă soluții economice.

Greutatea redusă și formele complexe ale profilului aerodinamic al palelor turbinelor eoliene au făcut din materialele compozite un lider în domeniu, utilizând matrițe concepute pentru a fabrica palele economic, cu un minim de manoperă. Cercetarea și dezvoltarea actuale vizează satisfacerea dimensiunilor crescute necesare pentru palele turbinelor și rotorului pentru sistemele terestre și offshore.

7

câmp oceanic

Timp de decenii, compozitele FRP au fost utilizate cu succes în aplicații marine, cum ar fi radomuri și structuri de masă, superiahturi, bărci de lucru și bărci de agrement. Mai recent, FRP a fost utilizat în aplicații mai puțin cunoscute, cum ar fi rulmenți, elice, trape comerciale, țevi de eșapament și structuri de acoperiș.

Utilizarea compozitelor din fibră de sticlă în aplicații marine a fost unul dintre primele domenii semnificative de aplicare a GRP. Aceasta a revoluționat capacitatea de a proiecta și fabrica structuri compozite mari în multiple domenii. Ambarcațiunea este fabricată în Regatul Unit folosind o varietate de procese, inclusiv GRP așezat manual, infuzie de rășină, termoplastic și prepreg din fibră de carbon de înaltă performanță pentru iahturi de curse.

Principalele avantaje ale GRP în aplicațiile marine sunt:

Rezistența la mediu, inclusiv absența putregaiului, rezistența la coroziune etc.

Capacitatea de a procesa structuri fără sudură, cu forme complexe

Capacitatea de a ajusta rezistența pentru a se potrivi condițiilor de încărcare

Proprietăți excelente de rezistență-greutate - Structurile marine din GRP au de obicei jumătate din greutatea structurilor echivalente din oțel.

întreținere redusă și reparații ușoare

durabilitate excelentă

Bărcile cu vâsle utilizează materiale compozite mai mult decât orice altă structură marină. Datorită cerințelor speciale, materialele utilizate nu sunt materiale de construcție marine tipice. Greutatea minimă și rigiditatea maximă au fost cruciale în proiectarea lor pentru a putea naviga cu viteză maximă și a rezista efectelor valurilor și ale altor elemente ale mediului marin.

Compozitele epoxidice armate cu fibră de carbon sunt utilizate în mod obișnuit pentru carene, cadre, chile, catarge, prăjini și brațe cu miez de fagure sau spumă, tambure de troliu din carbon și arbori. Utilizarea FRP ajută la îmbunătățirea performanței și la minimizarea riscului de defecte de navigație și avarii în diferite condiții de navigație internațională.

8

Domeniul sistemului de conducte

Sistemele de conducte compozite sunt utilizate în uzinele chimice de peste 25 de ani. Utilizarea materialelor compozite în aplicații industriale a devenit larg răspândită în anii 1970. Astăzi, instalațiile de conducte și rezervoare compozite sunt în creștere în aplicații supraterane și subterane, comerciale, municipale și rezidențiale. Gazele naturale cu costuri reduse extind și mai mult piața, pe măsură ce sunt dezvoltate noi instalații chimice și se extind instalațiile mai vechi.

Aplicațiile și produsele tipice ale țevilor compozite includ:

controlul poluării aerului

acvacultură

prelucrare chimică

desalinizare

Petrol și gaze naturale

Tratarea apei și a apelor reziduale

conducte

Fitinguri și căptușeli

Sistem de conducte

Căptușeală rezervor de combustibil

rezervor de stocare a uleiului

Container de proces

Scruber

supapă

9

Domeniul sportului și al agrementului

Fibra de carbon a fost întotdeauna importantă în domeniul articolelor sportive, de la curse la schi, golf, pescuit și tenis, fibra de carbon a fost utilizată pe scară largă. Odată cu creșterea popularității și scăderea prețului fibrei de carbon, aceasta a fost utilizată din ce în ce mai mult în domeniul articolelor sportive.

Fibra de carbon este utilizată acum în multe rachete, snowboard-uri, sanii, crose de hochei, undițe, crose de golf, biciclete, plăci de surf, zmeie, încălțăminte și alte produse sportive.

Fibră de carbon în sport și agrement

În prezent, 7 din cele mai populare 10 sporturi și activități de agrement în aer liber utilizează materiale compozite. Compozitele armate cu fibră de sticlă și fibră de carbon continuă să înlocuiască lemnul și metalul în undițe, rachete de tenis, vergi/manete pentru padele de caiac, catarge și plăci de windsurfing, crose de hochei, zmee și ghidoane de bicicletă.

10

Transport

Există o tendință în industria transporturilor de a utiliza vehicule mai mari. Fie că este vorba de un autobuz, un tren sau un camion articulat, ideea este simplă: transporta mai multă marfă. Provocarea este de a găsi modalități de a transporta în siguranță încărcături mai mari, economisind în același timp combustibil și reducând impactul asupra mediului. Materialele compozite oferă un răspuns impresionant la această provocare.