Anwendungen moderner Verbundwerkstoffe

Anwendungsbereiche moderner Verbundwerkstoffe

Moderne Verbundwerkstoffe, die durch ihre einzigartige Kombination aus hoher Festigkeit, Leichtbauweise, Korrosionsbeständigkeit und anpassbaren Eigenschaften gekennzeichnet sind, haben sich zu einer zentralen Triebfeder für technologische Innovationen und industrielle Modernisierung in verschiedenen Sektoren entwickelt. Dabei zeichnen sich insbesondere Kohlenstofffaser-Verbundstoffe, Elektronikgewebe-Verbundstoffe und andere fortschrittliche Varianten durch besonders hervorragende Anwendungen aus und verleihen sowohl neuen als auch traditionellen Bereichen neue Dynamik. Im Folgenden werden ihre wichtigsten Anwendungsszenarien detailliert analysiert.

In der in den letzten Jahren als neuer Wachstumsmotor entstandenen Low-Altitude-Wirtschaft haben sich Kohlefaserverbundwerkstoffe zu einer unverzichtbaren Materialwahl entwickelt, wobei ihr Anwendungsanteil bei Drohnen und eVTOL (electric Vertical Take-Off and Landing) Flugzeugen einen deutlichen Aufwärtstrend zeigt. Drohnen, egal ob für Luftaufnahmen, Lieferlogistik oder industrielle Inspektionen verwendet, stellen strenge Anforderungen an Tragfähigkeit und Ausdauer. Die bei Drohnenrumpfen verwendeten Kohlefaserverbundwerkstoffe reduzieren das Gesamtgewicht im Vergleich zu herkömmlichen Metallmaterialien wie Aluminiumlegierungen um 30–50 % und gewährleisten gleichzeitig eine hervorragende strukturelle Festigkeit, um komplexen Luftwiderständen und äußeren Belastungen standzuhalten. Bei Rotorkomponenten sorgen die hohe Steifigkeit und Ermüdungsbeständigkeit der Kohlefaserverbundwerkstoffe für einen stabilen Betrieb während langfristiger Hochgeschwindigkeitsrotation und verringern die Häufigkeit von Wartung und Austausch. Bei eVTOL-Flugzeugen, die für die urbane Luftmobilität entscheidend sind, bestimmen strukturelle Bauteile wie Flügel und Rahmen aus Kohlefaserverbundwerkstoffen direkt die Flugsicherheit und Betriebseffizienz. Ihre Leichtbauweise kann den Batterieverbrauch erheblich senken und somit die Flugreichweite verlängern, während ihre gute Schlagdämpfung auch den Komfort der Passagiere verbessert.

Im Bereich Schiffbau und Ozeanengineering spielen Kohlefaserverbundwerkstoffe aufgrund ihrer hervorragenden Vorteile bei Gewichtsreduzierung, Geräuschminderung und Energieverbrauchsabsenkung eine zunehmend bedeutende Rolle bei der Förderung der grünen und kohlenstoffarmen Transformation der Industrie. Herkömmliche Schiffe bestehen meist aus Stahl, der schwer ist und anfällig für Korrosion, was zu hohem Kraftstoffverbrauch und häufigen Wartungskosten führt. Durch den Einsatz von Kohlefaserverbundwerkstoffen bei Schlüsselkomponenten wie Rumpf, Aufbauten und Propellern kann das Gesamtgewicht des Schiffes um 20 % bis 30 % reduziert werden, wodurch der Kraftstoffverbrauch direkt um 10 % bis 15 % sinkt und die Emissionen von Kohlendioxid sowie anderen Schadstoffen erheblich verringert werden. Gleichzeitig weisen Kohlefaserverbundwerkstoffe gute Schallisolierungs- und Schwingungsdämpfungseigenschaften auf, wodurch das durch den Motorbetrieb und die Reibung des Rumpfes mit dem Meerwasser verursachte Geräusch effektiv reduziert wird. Dies verbessert das Arbeitsumfeld der Besatzung und verringert die Auswirkungen auf marine Ökosysteme, beispielsweise auf Meeresorganismen. Zudem besitzen Kohlefaserverbundwerkstoffe eine hohe Beständigkeit gegenüber Seewasser-Korrosion, vermeiden somit das Problem der Korrosion von Stahlrumpfen, reduzieren die Wartungskosten erheblich und verlängern die Nutzungsdauer der Schiffe.

In der Branche der neuen Energiefahrzeuge, die sich in einer Phase schneller Entwicklung befindet, beschleunigen große Unternehmen die Nutzung von Kohlefaser-Verbundwerkstoffen bei der Forschung und Zusammenarbeit zu Kernkomponenten wie Karosseriestrukturen und Motorrotoren, um die Leistungsgrenzen von Elektrofahrzeugen zu überwinden. Die Karosseriestruktur ist einer der entscheidenden Faktoren für Gewicht und Sicherheit von Elektrofahrzeugen. Die Herstellung der Rohkarosserie aus Kohlefaser-Verbundwerkstoffen kann das Gewicht im Vergleich zu herkömmlichen Stahlkarosserien um 40–60 % senken, während die Zugfestigkeit mehr als doppelt so hoch ist wie die von Stahl. Dadurch wird die Sicherheitsleistung des Fahrzeugs effektiv verbessert und der Energieverbrauch reduziert. Bei Motorrotoren ermöglichen die hohe Festigkeit und geringe Dichte der Kohlefaser-Verbundwerkstoffe eine höhere Drehzahl des Rotors, wodurch die Leistungsdichte und Effizienz des Motors gesteigert werden. Gegenwärtig haben viele bekannte Unternehmen im Bereich neue Energiefahrzeuge strategische Kooperationen mit Herstellern von Kohlefaserwerkstoffen aufgebaut, um gemeinsam integrierte Kohlefaser-Karosserietechnologien und Hochleistungs-Motorrotorprodukte zu entwickeln. Es wird erwartet, dass die Anwendungsrate von Kohlefaser-Verbundwerkstoffen in neuen Energiefahrzeugen in den nächsten 3 bis 5 Jahren deutlich steigen wird.

In den Bereichen saubere Energie und 5G-Kommunikation sind elektronische Verbundstoffe mit niedriger Dielektrizitätszahl zu einem zentralen unterstützenden Material geworden, das sich an die technischen Anforderungen von 5G-A (5G Advanced) anpasst und die Optimierung der Leichtbau- und Hochfrequenzleistung von Kommunikationsgeräten fördert. Die 5G-A-Technologie stellt höhere Anforderungen an die Übertragungsrate und Signalstabilität von Kommunikationsgeräten, weshalb Kommunikationsmaterialien eine niedrige Dielektrizitätskonstante und geringe dielektrische Verluste aufweisen müssen, um die Signaldämpfung zu reduzieren. Niedrigdielektrische elektronische Gewebeverbundstoffe können aufgrund ihrer einzigartigen Faserstruktur und Materialzusammensetzung diese technischen Anforderungen effektiv erfüllen. Im Bereich von Kommunikationsbasisstationenantennen und Signalübertragungskomponenten trägt der Einsatz dieser Verbundstoffe nicht nur zur Gewichtsreduzierung der Geräte bei, was Installation und Wartung vereinfacht, sondern verbessert auch die Effizienz der Signalübertragung sowie die Störfestigkeit der Geräte. Im Bereich der sauberen Energie, beispielsweise in der Windenergieerzeugung, werden Kohlenstofffaser-Verbundstoffe ebenfalls häufig in Windturbinenflügeln eingesetzt. Aufgrund ihrer hohen Festigkeit und geringen Masse können die Flügel länger ausgeführt werden, wodurch die Effizienz der Windenergiegewinnung gesteigert wird, während ihre Korrosionsbeständigkeit einen stabilen Betrieb unter rauen Umgebungsbedingungen wie starkem Wind und heftigen Regenfällen sicherstellt.

Zusammenfassend haben moderne Verbundwerkstoffe in verschiedenen Bereichen breite Anwendungsperspektiven gezeigt, und mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Materialtechnologie sowie der Erweiterung der Anwendungsszenarien werden sie weiterhin eine wichtigere Rolle bei der Förderung von industriellen Upgrades und technologischen Innovationen spielen.