Применение современных композитных материалов

Сферы применения современных композитных материалов

Современные композитные материалы благодаря уникальному сочетанию высокой прочности, лёгкости, устойчивости к коррозии и возможности настройки характеристик стали ключевым фактором технологических инноваций и модернизации промышленности в различных отраслях. Среди них особо выделяются области применения композитов на основе углеродного волокна, электронные тканевые композиты и другие передовые разновидности, которые придают новый импульс как новым отраслям, так и традиционным сферам. Ниже приведён подробный анализ их основных сфер применения.

В экономике низкоуровневого воздушного пространства, которая в последние годы стала новым двигателем роста, композиты на основе углеродного волокна превратились в незаменимый материал, доля которого в применении на беспилотных летательных аппаратах и электрических воздушных судах с вертикальным взлётом и посадкой (eVTOL) демонстрирует значительный рост. Беспилотные летательные аппараты, используемые для аэросъёмки, доставки грузов или промышленного контроля, предъявляют жёсткие требования к грузоподъёмности и продолжительности полёта. Композитные материалы из углеродного волокна, применяемые в фюзеляжах дронов, позволяют снизить общий вес на 30–50 % по сравнению с традиционными металлическими материалами, такими как алюминиевые сплавы, и при этом сохраняют высокую прочность конструкции, обеспечивая устойчивость к сложным аэродинамическим нагрузкам и внешним воздействиям. Для несущих винтов высокий модуль упругости и усталостная стойкость композитов из углеродного волокна обеспечивают стабильную работу при длительном вращении на высоких скоростях, снижая частоту технического обслуживания и замены деталей. Для воздушных судов eVTOL, играющих ключевую роль в городской авиационной мобильности, такие конструкционные элементы, как крылья и каркас, изготовленные из композитов на основе углеродного волокна, напрямую определяют безопасность полётов и эксплуатационную эффективность. Их лёгкость позволяет значительно снизить энергопотребление аккумуляторов, увеличивая дальность полёта, а также улучшает комфорт пассажиров за счёт хорошей амортизации ударов и вибраций.

В области судостроения и океанской инженерии углеродные композиты играют всё более значительную роль в продвижении зелёного и низкоуглеродного преобразования отрасли благодаря своим выдающимся преимуществам в снижении веса, уменьшении шума и сокращении энергопотребления. Традиционные суда в основном изготавливаются из стали, которая имеет большой вес и склонна к коррозии, что приводит к высокому расходу топлива и частым затратам на техническое обслуживание. Применение углеродных композитов для ключевых элементов, таких как корпус, надстройки и гребные винты, позволяет снизить общий вес судна на 20–30 %, что напрямую уменьшает расход топлива на 10–15 % и значительно снижает выбросы диоксида углерода и других загрязняющих веществ. В то же время углеродные композиты обладают хорошими звукоизоляционными и виброгасящими свойствами, что эффективно уменьшает шум, возникающий при работе судового двигателя и трении корпуса о морскую воду, улучшая условия труда экипажа и снижая воздействие на морские экосистемы, включая морские организмы. Кроме того, углеродные композиты обладают высокой стойкостью к коррозии в морской воде, устраняя проблему коррозии стальных корпусов, значительно сокращая эксплуатационные расходы и увеличивая срок службы судов.

В индустрии транспортных средств на новой энергии, находящейся в периоде быстрого развития, крупные предприятия активизируют разработку и сотрудничество в области применения композитов из углеродного волокна при создании ключевых компонентов, таких как конструкции кузова и роторы электродвигателей, с целью преодоления узких мест в производительности электромобилей. Конструкция кузова является одним из ключевых факторов, влияющих на вес и безопасность электромобилей. Производство каркаса кузова из композитных материалов на основе углеродного волокна позволяет снизить вес на 40–60 % по сравнению с традиционными стальными кузовами, при этом прочность на растяжение превышает прочность стали более чем в два раза, что эффективно повышает безопасность транспортного средства и снижает энергопотребление. Что касается роторов электродвигателей, высокая прочность и низкая плотность композитов из углеродного волокна позволяют ротору работать на более высоких скоростях, повышая удельную мощность и эффективность двигателя. В настоящее время многие известные компании в сфере новых энергетических транспортных средств установили стратегическое сотрудничество с производителями материалов из углеродного волокна для совместной разработки интегрированных технологий кузовов из углеродного волокна и высокопроизводительных продуктов роторов электродвигателей. Ожидается, что доля применения композитов из углеродного волокна в транспортных средствах на новой энергии значительно возрастёт в ближайшие 3–5 лет.

В областях чистой энергии и 5G-связи композиты из электронных тканей с низкой диэлектрической проницаемостью стали ключевым вспомогательным материалом, адаптированным к техническим требованиям 5G-A (5G Advanced), и способствуют оптимизации лёгкости и высокочастотных характеристик оборудования связи. Технология 5G-A предъявляет повышенные требования к скорости передачи и стабильности сигнала оборудования связи, что требует от материалов связи низкой диэлектрической проницаемости и малых диэлектрических потерь для снижения затухания сигнала. Композиты из электронных тканей с низкой диэлектрической проницаемостью благодаря своей уникальной структуре волокон и составу материала могут эффективно удовлетворять этим техническим требованиям. В антеннах базовых станций связи и компонентах передачи сигналов применение композитов из электронных тканей с низкой диэлектрической проницаемостью не только уменьшает вес оборудования, облегчая его установку и обслуживание, но и повышает эффективность передачи сигнала и помехоустойчивость оборудования. В области чистой энергии, например, в ветроэнергетике, композиты на основе углеродного волокна также широко используются в лопастях ветряных турбин. Их высокая прочность и лёгкость позволяют делать лопасти более длинными, повышая эффективность улавливания ветровой энергии, а их коррозионная стойкость обеспечивает стабильную работу в суровых условиях, таких как сильный ветер и дождь.

В целом, современные композитные материалы показали широкие перспективы применения в различных областях, и с постоянным развитием технологий материалов и расширением сфер их использования они будут продолжать играть всё более важную роль в стимулировании модернизации промышленности и технологических инноваций.