Področje uporabe kompozitnih materialov

Kompozitni materiali so pripravljeni z združevanjem dveh ali več drugih materialov, tako da se medsebojno dopolnjujejo in izboljšujejo, hkrati pa v končnem izdelku ohranijo svoje edinstvene lastnosti.

stroj za iztiskanje plastične plošče

stroji za recikliranje plastike

Zaradi svojih odličnih lastnosti se kompozitni materiali pogosto uporabljajo na različnih področjih, ta serija člankov pa bo celovito predstavila glavna področja uporabe kompozitnih materialov, vključno z: letalsko in vesoljsko industrijo, avtomobilsko industrijo, gradbeništvom, energetiko, shranjevanjem energije, infrastrukturo, pomorstvom, cevovodi in rezervoarji za shranjevanje, športom in zabavo, prometom in desetimi drugimi področji.

1

Aerospace

Veliki proizvajalci originalne opreme v letalstvu, kot sta evropski Airbus in ameriški Boeing, so pokazali potencial za obsežno uporabo kompozitov v letalstvu, medtem ko NASA išče proizvajalce kompozitov za rakete in druga vesoljska plovila z inovativnimi kompozitnimi rešitvami.

Delež kompozitnih materialov v vsaki novi generaciji letal, ki jih je razvil Boeing, se je povečal, delež kompozitnih materialov v Boeingu 787 Dreamliner pa je presegel 50 %. Glavne strukturne komponente Boeinga 787 Dreamliner so izdelane iz več "sendvič" kompozitov iz ogljikovih vlaken in naprednih laminatov iz ogljikovih vlaken, s čimer se oddaljujejo od arhaičnih kompozitov iz steklenih vlaken.

Po drugi strani pa se aramidna vlakna pogosto uporabljajo pri izdelavi sklopov sprednjega in zadnjega roba kril, pa tudi zelo togih, zelo lahkih pregrad, rezervoarjev za gorivo in tal. Poleg tega se v letalski in vesoljski industriji pogosto uporabljajo tudi napredni kompozitni materiali, sestavljeni iz visoko trdnih in togih vlaken, vgrajenih v običajne matrične materiale.

2

Avtomobilska industrija

Avtomobilska industrija, ki je največji končni trg za kompozitne materiale, jim ni tuja. Poleg pionirske zasnove vozil kompozitni materiali pomagajo tudi pri lažji in varčnejši porabi goriva. Avtomobili zahtevajo zanesljive, sinhronizirane mehanizme s komponentami, ki so odporne na trenje, korozijo in temperaturna nihanja.

Netočnosti pri načrtovanju ali proizvodnji bodo vplivale na delovanje in lahko proizvajalcu povzročile stroške. V primerjavi z jeklom kompozitni materiali izpolnjujejo in presegajo zahteve avtomobilske industrije. Te edinstvene lastnosti vključujejo:

nizek koeficient toplotnega raztezanja

Odlična dimenzijska stabilnost za ohranjanje oblike in zanesljivost

Odpornost proti koroziji v mokrih in suhih pogojih

Visoka udarna trdnost za večkratno uporabo

Relativno majhna teža za zmanjšanje celotne mase vozila

Boljša zvočna izolacija in boljše delovanje

Sprejemljivost za barvanje, vključno z izpolnjevanjem zahtev za površino razreda A, postopki barvanja in pečenja

Enostavna izdelava in relativno nizki stroški

Tipične uporabe kompozitnih materialov v avtomobilskih notranjih in zunanjih konstrukcijah

Kompozitni materiali se pogosto uporabljajo v številnih avtomobilskih konstrukcijskih delih, od ohišij žarometov do električnih in toplotnoizolacijskih komponent pod pokrovom motorja, zunanjih delov karoserije avtomobila, notranjih struktur in okrasnih delov. Spodaj so navedene pogoste uporabe kompozitnih materialov v avtomobilskih delih:

Deflektorji in spojlerji

sesalni razdelilnik

Ohišje in pokrov baterije

Odbijači in nosilci odbijačev

Pokrovi glav valjev (npr. ventilov, nihajnih ročic, odmičnih gredi)

Okvir okna/strešnega okna

Odprtina za sprednjo rešetko

ohišje sprednjega žarometa

Toplotni ščiti (npr. motor, menjalnik)

Opornice in obloge

3

Gradbeni sektor

Gradbena skupnost doživlja znatno rast razumevanja in uporabe kompozitnih materialov. Kompoziti arhitektom in oblikovalcem zagotavljajo visoko zmogljivost in vrednost pri velikih projektih, njihova uporaba v komercialni in stanovanjski gradnji pa se povečuje.

V nedavnem članku skupina Palari gradi trajnostne skupnosti in domove, natisnjene s 3D-tiskalnikom. Mighty Buildings je podjetje za gradbeno tehnologijo, ki uporablja 3D-tiskanje, robotiko in avtomatizacijo za ustvarjanje cenovno dostopnih in trajnostnih domov. Temeljni gradnik hiše je Mighty Panel, 3D-tiskana 100-odstotno polimerna kompozitna plošča s strukturno izolacijo, integracijo MEP, zračno/vlažno/požarno zaporo ter notranjo/zunanjo obdelavo. Mighty Buildings natisne posamezne plošče v svoji tovarni, nato pa jih na gradbišču sestavi v hiše.

V gradbeništvu igrajo pozitivne vloge visoke trdnostne lastnosti ogljikovih vlaken. Ogljikova vlakna so izjemno močna, mehka in enostavna za polaganje ter se lahko uporabljajo za popravilo in ojačitev stavb, da bi bile videti kot nove stavbe. Laminati iz ogljikovih vlaken se pogosto uporabljajo za povečanje nosilnosti tal in stebrov. Poleg tega so ogljikova vlakna odporna na potresne poškodbe, zato se lahko uporabljajo tudi za konstrukcijsko ojačitev novih stavb in kot nadomestilo za montažno jeklo.

4

Področje shranjevanja energije

Večnamenski kompoziti za shranjevanje energije (MESC) so razviti z vdelavo plasti baterij v strukturo, pri čemer se plasti baterij pritrdijo z medsebojno povezanimi zakovicami, kar pomaga izboljšati mehanske lastnosti. Eksperimentalni testi kažejo, da imajo MESC-ji lahko primerljivo elektrokemijsko obnašanje kot drugi materiali. V primerjavi z vrečkastimi celicami MESC-ji dosegajo 15-krat večjo mehansko togost pri 60-odstotni učinkovitosti enkapsulacije.

Druge reprezentativne uporabe kompozitov pri shranjevanju energije vključujejo:

Vodikovi rezervoarji za vesoljsko industrijo

Sistem vodikovih gorivnih celic

Baterija iz naravnega kompozitnega materiala

5

področje infrastrukture

Strogo gledano ni stroge razlike med infrastrukturo in stavbami. V zadnjih letih je s pojavom novih, cenovno ugodnih in visokozmogljivih konstrukcijskih kompozitnih materialov gradnja infrastrukture vstopila v novo fazo. Z vlakni ojačana plastika (FRP) ne le da lahko nadomesti jeklo v številnih nosilnih konstrukcijah, ampak se je izkazalo tudi za izvedljivo ojačati betonske nosilce z notranje ali zunanje vezano z vlakni ojačano plastiko (FRP).

Kompoziti iz steklenih, aramidnih ali ogljikovih vlaken se vse pogosteje uporabljajo za prednapenjanje, naknadno napenjanje ali armiranje betona. Za zamenjavo korodirane armature se lahko sistemi FRP sčasoma uporabljajo v betonskih mostovih ali drugih zunanjih betonskih talnih konstrukcijah.

Odpornost proti koroziji je eden glavnih dejavnikov, zaradi katerih so ogljikova vlakna tako privlačna v infrastrukturnem sektorju. Ogljikova vlakna ne korodirajo in ne rjavijo, zato je mogoče plast betona iz ogljikovih vlaken močno stanjšati, saj ni treba upoštevati protikorozijske zaščite kot jekleno jedro, kar močno zmanjša količino betona, uporabljenega v stavbi, in ima tudi druge prednosti, kot so zmanjšanje stroškov in pospešitev gradnje, skrajšanje časa sušenja itd. Poleg tega se lahko ogljikova vlakna zaradi dobre električne prevodnosti uporabljajo za zaščito pred elektromagnetnimi motnjami, lahko prenašajo informacije o parametrih stavbe in postanejo sestavni del pametnih stavb.

6

Novo energetsko polje

Uporaba kompozitnih materialov v obnovljivih virih energije bo igrala vse pomembnejšo vlogo pri ustvarjanju struktur, ki lahko izkoriščajo trajnostno energijo. Manjša teža, nižji stroški prevoza in namestitve ter, kar je najpomembneje, nižji stroški vzdrževanja v življenjski dobi konstrukcije v primerjavi s kovinskimi konstrukcijami so kompozite postavili kot dejanski material za obsežne projekte. Zagotavljajo ekonomične rešitve.

Zaradi majhne teže in kompleksnih oblik aerodinamičnega profila lopatic vetrnih turbin so kompoziti postali vodilni na tem področju, pri čemer se uporabljajo kalupi, zasnovani za ekonomično izdelavo lopatic z minimalnim delovnim časom. Trenutne raziskave in razvoj so namenjeni izpolnjevanju povečanih zahtev glede velikosti lopatic turbin in rotorjev za kopenske in morske sisteme.

7

oceansko polje

FRP kompoziti se že desetletja uspešno uporabljajo v pomorskih aplikacijah, kot so radomi in masivne konstrukcije, superjahte, delovni čolni in čolni za prosti čas. V zadnjem času se FRP uporablja v manj znanih aplikacijah, kot so ležaji, propelerji, komercialna loputa, izpuhi in strešne konstrukcije.

Uporaba kompozitov iz steklenih vlaken v pomorstvu je bila eno prvih pomembnih področij uporabe steklenih vlaken (GRP). Revolucionarno je spremenila sposobnost načrtovanja in izdelave velikih kompozitnih struktur na več področjih. Čoln je izdelan v Združenem kraljestvu z uporabo različnih postopkov, vključno z ročno polaganjem GRP, infuzijo smole, termoplastiko in visokozmogljivim prepregom iz ogljikovih vlaken za dirkalne jahte.

Glavne prednosti GRP v pomorski uporabi so:

Odpornost na okolje, vključno z odsotnostjo gnitja, odpornostjo proti koroziji itd.

Sposobnost obdelave brezšivnih, kompleksnih oblik struktur

Sposobnost prilagajanja moči glede na obremenitvene pogoje

Odlične lastnosti razmerja med trdnostjo in težo – ladje iz steklenih vlaken (GRP) so običajno polovico lažje od enakovrednih jeklenih konstrukcij.

nizko vzdrževanje in enostavno popravilo

odlična obstojnost

Veslaški čolni uporabljajo kompozitne materiale bolj kot katera koli druga pomorska konstrukcija. Zaradi posebnih zahtev uporabljeni materiali niso tipični materiali za pomorsko gradnjo. Pri njihovi zasnovi sta bili ključni minimalna teža in maksimalna togost, da bi lahko jadrali z največjo hitrostjo in se uprli vplivom valov in drugih elementov morskega okolja.

Epoksidni kompoziti, ojačani z ogljikovimi vlakni, se pogosto uporabljajo za trupe, okvirje, kobilice, jambore, palice in roke, bobne vitlov in gredi iz ogljikovih vlaken s satjastim ali penastim jedrom. Uporaba FRP pomaga izboljšati zmogljivost in zmanjšati tveganje za navigacijske napake in okvare v različnih mednarodnih plovnih pogojih.

8

Polje cevovodnega sistema

Kompozitni cevovodni sistemi se v kemičnih obratih uporabljajo že več kot 25 let. Uporaba kompozitnih materialov v industrijskih aplikacijah se je razširila v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja. Danes so kompozitne cevi in ​​​​cisterne v porastu v nadzemnih in podzemnih, komercialnih, komunalnih in stanovanjskih aplikacijah. Poceni zemeljski plin še dodatno širi trg, saj se gradijo novi kemični obrati in širijo starejši.

Tipične uporabe in izdelki iz kompozitnih cevi vključujejo:

nadzor onesnaženosti zraka

ribogojstva

kemična obdelava

razsoljevanje

Nafta in zemeljski plin

Čiščenje vode in odpadnih voda

plinovod

Fitingi in obloge

Cevovodni sistem

Obloga rezervoarja za gorivo

rezervoar za shranjevanje olja

Procesni vsebnik

Čistilec

ventil

9

Športno in rekreacijsko igrišče

Ogljikova vlakna so bila vedno pomembna na področju športne opreme, od dirk do smučanja, golfa, ribolova in tenisa, ogljična vlakna so se pogosto uporabljala. Z naraščajočo priljubljenostjo in padajočo ceno ogljičnih vlaken se je njihova uporaba v športni opremi povečala.

Ogljikova vlakna se danes uporabljajo v številnih loparjih, snežnih deskah, saneh, hokejskih palicah, ribiških palicah, palicah za golf, kolesih, deskah za surfanje, zmajih, čevljih in drugih športnih izdelkih.

Ogljikova vlakna v športu in prostem času

Trenutno se kompozitni materiali uporabljajo pri 7 od 10 najbolj priljubljenih športnih in prostočasnih dejavnostih na prostem. Kompoziti, ojačani s steklenimi vlakni in ogljikovimi vlakni, še naprej nadomeščajo les in kovino v ribiških palicah, teniških loparjih, drogovih/gredih za vesla za kajake, jamborih in deskah za jadranje na deski, hokejskih palicah, zmajih in krmilih koles.

10

Prevoz

V transportni industriji obstaja trend uporabe večjih vozil. Ne glede na to, ali gre za avtobus, vlak ali zglobni tovornjak, je ideja preprosta: prevažati več tovora. Izziv je najti načine za varen prevoz večjih tovorov, hkrati pa prihraniti gorivo in zmanjšati vpliv na okolje. Kompoziti ponujajo impresiven odgovor na ta izziv.