Застосування сучасних композитних матеріалів

Галузі застосування сучасних композитних матеріалів

Сучасні композитні матеріали, які поєднують унікальні властивості високої міцності, легкості, стійкості до корозії та можливості налаштування характеристик, стали ключовою рушійною силою технологічних інновацій та модернізації промисловості в різних галузях. Зокрема, композити на основі вуглецевого волокна, електронні тканини та інші передові види мають особливо помітне застосування, надаючи новий імпульс як новим галузям, так і традиційним сферам. Нижче наведено детальний аналіз їхніх основних сценаріїв застосування.

У сфері низьковисотної економіки, яка в останні роки виринула як новий двигун зростання, композити з вуглепластиків стали незамінним матеріалом, і їхня частка використання в дронах та літаках eVTOL (електричних літальних апаратах вертикального зльоту і посадки) демонструє значний зростаючий тренд. Дрони, незалежно від того, чи використовуються для аерофотозйомки, логістичних доставок чи промислового огляду, мають жорсткі вимоги до вантажопідйомності та тривалості роботи. Композитні матеріали з вуглепластиків, використовувані у фюзеляжах дронів, не лише зменшують загальну вагу на 30–50 % порівняно з традиційними металевими матеріалами, такими як алюмінієві сплави, але й забезпечують відмінну структурну міцність, щоб витримувати складний опір повітря та зовнішні удари. Для роторних компонентів високий модуль пружності та втомна міцність композитів з вуглепластиків забезпечують стабільну роботу під час тривалого обертання на високих швидкостях, зменшуючи необхідність технічного обслуговування та заміни. Для літаків eVTOL, які мають ключове значення для міської авіаційної транспортування, конструктивні елементи, такі як крила та каркаси, виготовлені з композитів з вуглепластиків, безпосередньо визначають безпеку польотів та експлуатаційну ефективність. Їхня легкість значно зменшує енергоспоживання акумуляторів, подовжуючи дальність польоту, тоді як висока здатність до гасіння вібрацій також покращує комфорт пасажирів.

У галузі суднобудування та океанської інженерії композити з вуглецевого волокна відіграють все більш значну роль у забезпеченні екологічно чистої та низьковуглецевої трансформації галузі, маючи суттєві переваги у зменшенні ваги, шуму та споживання енергії. Традиційні судна виготовляються переважно зі сталі, яка є важкою та схильною до корозії, що призводить до високого споживання палива та частих витрат на обслуговування. Застосування композитів з вуглецевого волокна до ключових частин, таких як корпус, надбудова та гвинти, дозволяє зменшити загальну масу судна на 20%-30%, що безпосередньо знижує витрати палива на 10%-15% і значно скорочує викиди вуглекислого газу та інших забруднюючих речовин. У той же час композити з вуглецевого волокна мають добру звукоізоляцію та віброгасіння, що ефективно зменшує шум, створений роботою двигуна судна та тертям корпусу з морською водою, поліпшуючи умови праці екіпажу та зменшуючи вплив на морське екологічне середовище, зокрема на морські організми. Крім того, композити з вуглецевого волокна мають високу стійкість до корозії морською водою, усуваючи проблему корозії сталевих корпусів, значно знижуючи витрати на обслуговування та подовжуючи термін експлуатації суден.

У галузі транспортних засобів на нових джерелах енергії, яка перебуває на стадії швидкого розвитку, основні підприємства прискорюють впровадження вуглецевих композитів у розробці та співпраці щодо ключових компонентів, таких як конструкції кузова та ротори двигунів, з метою подолання обмежень продуктивності електромобілів. Конструкція кузова є одним із ключових факторів, що впливають на вагу та безпеку електромобілів. Використання композитних матеріалів на основі вуглецевого волокна для виготовлення несучої конструкції кузова дозволяє зменшити вагу на 40%-60% порівняно з традиційними сталевими кузовами, при цьому міцність на розтяг перевищує сталеву більш ніж удвічі, що ефективно підвищує безпеку транспортного засобу та знижує енергоспоживання. Для роторів двигунів висока міцність і низька густина вуглецевих композитів дозволяють ротору працювати на більш високих швидкостях, покращуючи питому потужність і ефективність двигуна. Наразі багато відомих підприємств, що виробляють транспортні засоби на нових джерелах енергії, встановили стратегічну співпрацю з виробниками матеріалів із вуглецевого волокна для спільної розробки інтегрованих технологій кузовів із вуглецевого волокна та високоефективних продуктів роторів двигунів. Очікується, що частка застосування композитів із вуглецевого волокна в транспортних засобах на нових джерелах енергії значно зросте протягом наступних 3-5 років.

У галузях чистої енергетики та 5G-зв'язку композити з електронної тканини з низькою діелектричною проникністю стали ключовим підтримуючим матеріалом, адаптованим до технічних вимог 5G-A (5G Advanced), що сприяє оптимізації легкості та високочастотних характеристик обладнання зв'язку. Технологія 5G-A ставить вищі вимоги до швидкості передачі та стабільності сигналу обладнання зв'язку, що потребує від матеріалів зв'язку низької діелектричної сталої та низьких діелектричних втрат для зменшення загасання сигналу. Композити з електронної тканини з низькою діелектричною проникністю завдяки своїй унікальній структурі волокон та складу матеріалу можуть ефективно задовольняти ці технічні вимоги. У антенних системах базових станцій та сигнальних передавальних компонентах застосування композитів з електронної тканини з низькою діелектричною проникністю не лише зменшує вагу обладнання, полегшуючи його встановлення та обслуговування, але й підвищує ефективність передачі сигналу та перешкодостійкість обладнання. У галузі чистої енергетики, наприклад, у виробництві електроенергії від вітру, композити на основі вуглепластику широко використовуються у лопатках вітрових турбін. Їхня висока міцність і легкість дозволяють виготовляти довші лопатки, покращуючи ефективність збору вітрової енергії, тоді як стійкість до корозії забезпечує стабільну роботу в жорстких умовах, таких як сильний вітер і дощі.

Отже, сучасні композитні матеріали продемонстрували широкі перспективи застосування в різних галузях, і з постійним розвитком технологій матеріалів та розширенням сфер їх використання вони й надалі зігратимуть важливішу роль у просуванні промислового оновлення та технологічних інновацій.