Ứng dụng của các vật liệu composite hiện đại

Các Lĩnh Vực Ứng Dụng Của Vật Liệu Composite Hiện Đại

Vật liệu composite hiện đại, với sự kết hợp độc đáo giữa độ bền cao, tính nhẹ, khả năng chống ăn mòn và hiệu suất có thể tùy chỉnh, đã trở thành lực lượng thúc đẩy chính cho đổi mới công nghệ và nâng cấp công nghiệp trong nhiều lĩnh vực. Trong đó, các loại composite sợi carbon, composite vải điện tử và các loại tiên tiến khác có ứng dụng đặc biệt nổi bật, mang lại sức sống mới cho cả các ngành công nghiệp mới nổi và các lĩnh vực truyền thống. Dưới đây là phân tích chi tiết về các kịch bản ứng dụng chính của chúng.

Trong nền kinh tế vùng trời thấp, vốn nổi lên như một động lực tăng trưởng mới trong những năm gần đây, các vật liệu composite sợi carbon đã trở thành lựa chọn vật liệu không thể thay thế, với tỷ lệ ứng dụng của chúng trong máy bay không người lái và máy bay eVTOL (cất hạ cánh thẳng đứng điện) cho thấy xu hướng tăng mạnh. Máy bay không người lái, dù được dùng để chụp ảnh trên không, giao hàng logistics hay kiểm tra công nghiệp, đều có yêu cầu nghiêm ngặt về khả năng chở hàng và thời gian hoạt động. Vật liệu composite sợi carbon được sử dụng cho thân máy bay không người lái không chỉ giảm trọng lượng tổng thể từ 30%-50% so với các vật liệu kim loại truyền thống như hợp kim nhôm, mà còn duy trì độ bền cấu trúc tuyệt vời để chịu được lực cản không khí phức tạp và các tác động bên ngoài. Đối với các bộ phận roto, mô-đun cao và khả năng chống mỏi của vật liệu composite sợi carbon đảm bảo hoạt động ổn định trong quá trình quay tốc độ cao kéo dài, giảm tần suất bảo trì và thay thế. Đối với máy bay eVTOL, yếu tố then chốt đối với di chuyển hàng không đô thị, các bộ phận cấu trúc như cánh và khung làm bằng vật liệu composite sợi carbon trực tiếp quyết định an toàn bay và hiệu quả vận hành. Đặc tính nhẹ của chúng có thể giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng pin, kéo dài phạm vi bay, đồng thời khả năng hấp thụ sốc tốt cũng nâng cao sự thoải mái cho hành khách.

Trong lĩnh vực đóng tàu và kỹ thuật đại dương, các vật liệu composite sợi carbon đang ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy quá trình chuyển đổi xanh và giảm thiểu carbon của ngành công nghiệp, nhờ những ưu điểm vượt trội trong giảm trọng lượng, giảm tiếng ồn và tiêu hao năng lượng. Các con tàu truyền thống chủ yếu được làm bằng thép, có trọng lượng nặng và dễ bị ăn mòn, dẫn đến mức tiêu thụ nhiên liệu cao và chi phí bảo trì thường xuyên. Sau khi áp dụng vật liệu composite sợi carbon vào các bộ phận chính như thân tàu, cấu trúc thượng tầng và chân vịt, tổng trọng lượng tàu có thể giảm từ 20%–30%, trực tiếp làm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu từ 10%–15%, đồng thời giảm đáng kể lượng khí thải carbon dioxide và các chất ô nhiễm khác. Đồng thời, vật liệu composite sợi carbon có tính cách âm và giảm chấn tốt, có thể hiệu quả làm giảm tiếng ồn phát sinh từ hoạt động của động cơ tàu và ma sát giữa thân tàu với nước biển, cải thiện môi trường làm việc cho thủy thủ đoàn và giảm tác động đến môi trường sinh thái biển, chẳng hạn như các sinh vật biển. Ngoài ra, vật liệu composite sợi carbon có khả năng chống ăn mòn mạnh đối với nước biển, tránh được vấn đề ăn mòn thân tàu bằng thép, giảm đáng kể chi phí bảo trì và kéo dài tuổi thọ sử dụng của tàu.

Trong ngành xe năng lượng mới, đang trong giai đoạn phát triển nhanh chóng, các doanh nghiệp lớn đang đẩy mạnh việc bố trí vật liệu composite sợi carbon trong nghiên cứu và hợp tác phát triển các bộ phận cốt lõi như kết cấu thân xe và roto động cơ, nhằm đột phá hạn chế về hiệu suất của xe điện. Kết cấu thân xe là một trong những yếu tố then chốt ảnh hưởng đến trọng lượng và độ an toàn của xe điện. Việc sử dụng vật liệu composite sợi carbon để sản xuất thân xe trắng (body-in-white) có thể giảm trọng lượng từ 40%–60% so với thân xe bằng thép truyền thống, trong khi độ bền kéo cao hơn gấp hai lần so với thép, từ đó cải thiện đáng kể hiệu suất an toàn của xe đồng thời giảm tiêu thụ năng lượng. Đối với roto động cơ, độ bền cao và mật độ thấp của vật liệu composite sợi carbon cho phép roto hoạt động ở tốc độ cao hơn, nâng cao mật độ công suất và hiệu suất của động cơ. Hiện tại, nhiều doanh nghiệp xe năng lượng mới nổi tiếng đã thiết lập hợp tác chiến lược với các nhà sản xuất vật liệu sợi carbon để cùng phát triển công nghệ thân xe tích hợp sợi carbon và các sản phẩm roto động cơ hiệu suất cao. Dự kiến tỷ lệ ứng dụng vật liệu composite sợi carbon trong xe năng lượng mới sẽ tăng mạnh trong vòng 3-5 năm tới.

Trong các lĩnh vực năng lượng sạch và truyền thông 5G, các vật liệu composite vải điện tử có hằng số điện môi thấp đã trở thành vật liệu hỗ trợ then chốt, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của 5G-A (5G Advanced) và thúc đẩy tối ưu hóa hiệu suất nhẹ và tần số cao của thiết bị truyền thông. Công nghệ 5G-A đặt ra yêu cầu cao hơn đối với tốc độ truyền và độ ổn định tín hiệu của thiết bị truyền thông, điều này đòi hỏi các vật liệu truyền thông phải có hằng số điện môi thấp và tổn hao điện môi thấp để giảm suy hao tín hiệu. Các vật liệu composite vải điện tử có hằng số điện môi thấp, với cấu trúc sợi và thành phần vật liệu độc đáo, có thể hiệu quả đáp ứng những yêu cầu kỹ thuật này. Trong ăng-ten trạm phát sóng và các bộ phận truyền tín hiệu, việc ứng dụng các vật liệu composite vải điện tử có hằng số điện môi thấp không chỉ giảm trọng lượng thiết bị, giúp lắp đặt và bảo trì thuận tiện hơn, mà còn nâng cao hiệu suất truyền tín hiệu và khả năng chống nhiễu của thiết bị. Trong lĩnh vực năng lượng sạch, ví dụ như phát điện bằng năng lượng gió, các vật liệu composite sợi carbon cũng được sử dụng rộng rãi trong cánh tuabin gió. Tính năng độ bền cao và trọng lượng nhẹ của chúng cho phép chế tạo cánh dài hơn, cải thiện hiệu quả thu năng lượng gió, đồng thời khả năng chống ăn mòn đảm bảo hoạt động ổn định trong các môi trường khắc nghiệt như gió mạnh và mưa lớn.

Tóm lại, các vật liệu composite hiện đại đã thể hiện triển vọng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, và cùng với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ vật liệu cũng như sự mở rộng các kịch bản ứng dụng, chúng sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng hơn trong việc thúc đẩy nâng cấp công nghiệp và đổi mới công nghệ.