Yeni Malzemeler 2018'de gelişmiş fiber kompozit malzemelerin araştırma ve geliştirme etkin noktalarının gözden geçirilmesi
2018 yılında gelişmiş fiber kompozit malzeme araştırmalarında önemli ilerleme kaydedildi. Sadece havacılık, demiryolu taşımacılığı, otomobiller, gemiler ve enerji alanlarında değil, geleneksel malzeme endüstrisinin teknolojik yükseltmesini ve ürün yükseltmesini teşvik ederek aşağı yönlü uygulamalı bilim ve teknolojinin ilerlemesine öncülük etti, aynı zamanda inşaat, tıbbi tedavi ve spor alanlarında da hızlı bir gelişme sağladı. "Askeri-sivil ikili kullanım" ve "askeri-sivil entegrasyon" gelişme eğilimi ortaya çıktı.
Elyaf takviyeli plastik (FRP), takviye malzemesi olarak elyaftan ve sarma, kalıplama veya pultrüzyon gibi bir kalıplama işlemi yoluyla matris malzemeden yapılmış kompozit bir malzemedir. Farklı takviye malzemesi türlerine göre, gelişmiş elyaf kompozit malzemeler karbon elyaf, aramid elyaf, ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen elyaf, hibrit elyaf kompozit malzeme ve doğal elyaf kompozit malzeme olarak ayrılabilir.
Geleneksel metal malzemeler ve alaşımlı malzemelerle karşılaştırıldığında, gelişmiş fiber kompozit malzemeler daha hafiftir ve yaklaşık 1,4 ~ 2,1 g / cm3 yoğunluğa sahiptir, bu da yalnızca 1/6 ~ 1/4 çelik veya 1/2 alüminyumdur. Parçalar için kullanılırlar , Kendi ağırlığını büyük ölçüde azaltabilir. Aynı zamanda, gelişmiş fiber kompozit malzemeler, yüksek mukavemet, yüksek modül, yüksek ve düşük sıcaklık direnci ve düşük ısıl genleşme katsayısı ve sürtünme katsayısı özelliklerine sahiptir. Ek olarak, gelişmiş fiber kompozit malzemeler de iyi yorulma önleyici özelliklere sahiptir.Fiberler ve matris malzemesi oluşturulduğunda birçok küçük arayüz oluşur.Bu arayüzler, çatlakların değişken yükler altında daha fazla genişlemesini önleyebilir. Bu nedenle, fiber kompozit malzemelerin yorulma sınırı statik yükün% 60 ila% 80'ine ulaşabilirken, çoğu metal malzemenin yorulma sınırı statik yükün yalnızca% 40 ila% 50'sidir.
Gelişmiş kompozit malzemelerin kalıplanması, tasarım ve üretimin entegrasyonuna aittir, bu nedenle geniş bir alan oluşturmak kolaydır. 20'den fazla kalıplama işlemi vardır.Şu anda, kullanılan ana yöntemler elle yatırma, sarma, pultrüzyon, kalıplama ve reçine transfer kalıplamadır. Metal malzemelerin kalıplanmasından farklı olarak, fiber kompozit malzemelerin farklı şekillere ve performans gereksinimlerine sahip ürünler için farklı kalıplama yöntemlerini seçmesi gerekir.
El yatırma kalıplama, elle döşeme ve basınçlı kalıplama kullanır.Kalıbın maliyeti düşüktür.Çok çeşitli ve düşük çıktılı ürünler için daha uygundur; sarma kalıplama, üretimi mekanikleştirmek için daha kolay olan yüksek mukavemetli ürünler elde etmek için ürünün kuvvet durumu aracılığıyla sarma yasasını ayarlayabilir. Elyaf sarıldığında çekirdek kalıbın yüzeyine sıkıca tutturulamadığından, içbükey yüzeyli parçaların üretimine uygun olmadığından ürünün şekline ilişkin şartlar vardır; pultruzyon kalıplama işleminin avantajı, nispeten yüksek elyaf içerikli ürünler üretebilmesi ve üretime uygun olmasıdır. Sürekli ve tek tip kesitli ürünler; sıkıştırmalı kalıplama, düşük iç gerilimli, yüksek hassasiyetli, pürüzsüz yüzeyli ve iyi tekrarlanabilirliğe sahip, seri üretime uygun yüksek basınçlı bir kalıplama işlemidir. Reçine transfer kalıplama (RTM) teknolojisi, kalıba önceden oluşturulmuş bir takviye yerleştirmek, kalıbı kapatmak, reçineyi doldurmak, ısıtmak ve sertleştirmek ve kalıbı serbest bırakmaktır. RTM süreci, daha büyük boyutlara ve karmaşık şekillere sahip yapısal parçaların üretimi için uygundur. Hammaddelerin ve süreçlerin gelişmesi ve kalıplama teknolojisinin sürekli ilerlemesi ile RTM, gelişmiş kompozit malzemelerin üretim maliyetini düşüren önemli teknolojilerden biri olarak kabul edilir ve havacılık, otomotiv ve diğer endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadır.
Gelişmiş fiber kompozit malzemelerin mükemmel performansının ve kalıplama işleminin kademeli olgunluğunun insan anlayışının derinleşmesiyle, takviye olarak karbon fiber ve aramid fiber gibi gelişmiş fiberlere sahip kompozit malzemeler giderek daha fazla kullanılacaktır. Gelişmiş fiber kompozit malzemelerin büyük pazar potansiyeli göz önüne alındığında, 2018'de bir dizi bilimsel araştırma kurumu ve şirket bu alana adım attı ve bilimsel araştırma çabalarına odaklandı, sürekli olarak teknolojik yenilik ve performans atılımları gerçekleştirdi ve fiber kompozit malzemelerin uygulanması yavaş yavaş havacılığı kapsadı. Havacılık, demiryolu taşımacılığı, otomobiller, gemiler, enerji ve diğer birçok alan.
2018 yılında, performans optimizasyonu ve maliyet azaltmaya odaklanan gelişmiş fiber kompozit malzemeler üzerine bilimsel araştırma ve teknolojik araştırmalar ve çeşitli çevre dostu fiber kompozit malzemelerin araştırma ve geliştirilmesinde teknolojik yenilikler gerçekleştirildi. Aynı zamanda, fiber kompozit malzemelerin işlevsel çeşitlendirilmesinde ilerleme kaydedildi ve gelişmiş kompozit malzemelerin ikili kullanımının ilerletilmesinde önemli bir rol oynadı.
Bu makale, 2018'de havacılık, demiryolu taşımacılığı, otomobiller, gemiler ve enerji alanlarında gelişmiş fiber kompozit malzemelerin uygulamalarını gözden geçiriyor ve gelişmiş fiber kompozit malzemelerin kalıplama süreçlerinde, performans optimizasyonunda, ürün inovasyonunda, maliyet azaltmada ve teknoloji dönüşümünde teknolojik ilerlemesini özetlemektedir. Ve gelecekteki gelişme yönünü ve beklentilerini analiz edin.
Havacılık alanında Ar-Ge ve uygulama
Uçağın yüksek hızı ve büyük yük, kullanılan malzemeler için sıkı performans gereksinimleri gerektirmektedir, bu nedenle yüksek mukavemet, küçük deformasyon, düşük ağırlık, uzun ömür ve yüksek verimlilik her zaman uçakların gelişim yönü olmuştur. Gelişmiş fiber kompozit malzemeler, yüksek özgül mukavemeti ve modülü, yorulma direnci, korozyon direnci ve düşük yoğunluğu nedeniyle havacılık alanında hızla gelişmiştir.
Havacılık alanında, gelişmiş fiber kompozit malzemelerin kullanımı, çeşitli uzay araçlarının (fırlatma araçları ve füze mermileri, uzay mekiği ve uzay aracı bileşenleri, uydu antenleri, astronomik teleskoplar gibi) önemli yapısal parçalarını hızla genişletiyor. Kompozit malzemeler kullanın. Uzay aracının daha küçük bir itme kuvveti ile uzaya girebilmesi için verimli ve hafif yapılar tasarlamak ve inşa etmek için fiber kompozit malzemelerin avantajlarını kullanmak, her zaman uzay aracındaki fiber kompozit malzemelerin izlediği amaç olmuştur.
14 Aralık 2018'de Virgin Galactic tarafından Birleşik Krallık'ta tasarlanan ve üretilen tamamen karbon fiber kompozit uçak "Uzay Aracı 2", "uzay sınırına" ilk insanlı uçuşu tamamladı (Şekil 1). Hem "Uzay Gemisi 2" hem de çift gövdeli nakliye uçağı "White Knight 2" tamamen karbon fiber yapılardır ve kanatları, gövdenin ağırlığını etkili bir şekilde azaltabilen karbon fiber kompozit sandviç yapılardır. "Uzay Gemisi 2" nin başarılı test uçuşu aynı zamanda turistlerin yörünge altı uzay yolculuğunu deneyimlemelerinin bir gerçeklik haline geleceği anlamına geliyor.
Şekil 1 Virgin Galactic "Uzay Gemisi 2"
1960'lardan bu yana, gelişmiş fiber kompozit malzemeler ilk olarak havacılık araçlarında kullanıldı ve yavaş yavaş askeri havacılığa yayıldı.Kalıp teknolojisinin kademeli gelişimi, askeri uçaklarda çok sayıda uygulamayı teşvik etti. Askeri hava taşıtlarında gelişmiş fiber kompozit malzemelerin uygulanması tecrübe edilmiştir: ambar kapıları ve kaportalar gibi küçük yük taşımayan yapılar; dikey kuyruklar ve düz kuyruklar gibi ikincil taşıyıcı yapılar; kanatlar ve gövdeler gibi büyük boyutlu ana yatak yapıları Kompozit malzeme üretim teknolojisindeki sürekli yenilik, havacılık alanında karbon fiber kompozit malzemelerin uygulanmasını teşvik etmiştir.
Elyaf çeşitleri seçilerek, elyaf yerleştirme açıları tasarlanarak ve tabakalar serilerek farklı mukavemetlere sahip ürünler elde edilebilir. Ocak 2018'de, Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi (NASA) için Aurora Uçuş Bilimleri, çekme çekişli kalıplama teknolojisini kullanarak bir karbon fiber kompozit kaplama makinesi tasarladı ve üretti. kanat. "Çekme traksiyonu", karbon fiberin döşeme yöntemini ifade eder. Bu kompozit kanat, geleneksel düz fiber döşeme modunu terk eder. Michigan Üniversitesi tarafından hesaplanan ve optimize edilen optimum eğimli yola dayalı olarak, otomatik fiber döşeme makinesi döşenir Kafa, karbon fiber dar bantları veya kıtıkları kavisli bir şekilde yerleştirir, böylece kanat kaplaması yükü doğru bir şekilde taşıyabilir. Eylül ve Ekim 2018'de NASA, kanat üzerinde iki test aşamasını tamamladı (Şekil 2) Test sonuçları, bu tasarımın kanat titreşimini pasif olarak kontrol edebileceğini ve uçak için yararlı olan rüzgarların etkisini etkili bir şekilde azaltabileceğini göstermektedir. Sorunsuz sürün.
Şekil 2 En yüksek yük basıncı altında kanadın eğilme testi
Uzay aracı ve askeri havacılıkta gelişmiş fiber kompozit malzemelerin birikmiş deneyimi ve verileri, sivil havacılık alanındaki uygulamalarını teşvik etmiştir. Güvenlik ve ekonomi gereklilikleri, kompozit malzemelerin sivil havacılık alanında yer alabileceğini belirler. Korozyon direnci, yüksek mukavemet ve hafiflik açısından fiber kompozit malzemelerin avantajlarına dayalı olarak, geleneksel alüminyum alaşımlı parçaların yerine fiber kompozit malzemelerin kullanılması, kendi ağırlığını azaltmada, yakıt tüketimini azaltmada ve bakım maliyetlerini düşürmede bariz avantajlara sahiptir.
Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndaki (ORNL) bilim adamları, yeni bir yeteneği olan - kendi yapısını izleme yeteneği olan "akıllı" bir karbon fiber kompozit malzeme geliştiriyorlar (Şekil 3). , İletken karbon fiberleri yarı iletken silikon karbür nanopartiküller ile kaplamak için "rulodan ruloya" bir işlem kullanarak. Bu "akıllı" karbon fiber kompozit malzeme, uçak kanatları için kullanılmaktadır.Fırtınanın türbülansı kanatların bükülmesine, kaplanmış fiberlerin bağlanabilirliğinin bozulmasına ve malzemedeki direnç değişmesine neden olursa, kanadın kaldırılmasından sonra elektrik sinyali bilgisayara geri gönderilecektir. Yüksek basınç uyarıldı ve hızlı denetim istendi. 2018 Ekim ayında, araştırma sonuçları Journal of the American Chemical Society "Applied Materials & Interfaces" dergisinde yayınlandı ve kendi kendine endüktif karbon fiber kompozit malzemelerin üretimi için bir patent başvurusunda bulundu.
Şekil 3 Yeni nesil fiber kompozit malzemeler, kendi kendine endüksiyon gerçekleştirebilir ve yapısal hasara karşı uyarıda bulunabilir.
İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü Masania ve diğerleri, üç boyutlu baskı kullanarak, termotropik sıvı kristal polimeri kullanarak sıvı kristal nematik bölgelere kendi kendine bir araya gelerek katmanlı bir yapı, geometrik şekil üreten yeni bir fiber takviyeli polimer yapısı gösterdi. Sertlik ve tokluk gibi mekanik özellikleri yüksek performanslı hafif malzemelerle karşılaştırılabilen karmaşık geri dönüştürülebilir hafif ürünler ve daha karmaşık havacılık aygıtları hazırlamak için 3B yazdırma aracı yol kontrolünü polimer yönlü kendinden montajla birleştirmesi bekleniyor .
Şu anda, havacılık teknolojisi uzay kaynaklarının kullanılması, uzay yolculuğu ve Mars'a göç gibi diğer aşamalara doğru gelişmiştir.Daha derinlemesine yıldızlararası keşif, kendi kendine montaj ve kendi kendini tamir gibi yeni akıllı malzeme türlerinin geliştirilmesini gerektirir. Bu hedeflerin gerçekleştirilmesi kendi kendini kontrol etmeyi gerektirir, Uzay araçları için kendi kendine uyarlanabilir ve kendi kendini iyileştirme davranışına sahip "akıllı" karbon fiber kompozit malzemelerin başarılı bir şekilde geliştirilmesi, akıllı malzemeler geliştirme hedefine doğru bir başka adımı temsil ediyor.
Buna ek olarak, fiber kompozit malzeme teknolojisi giderek daha geniş ve daha derin bir yönde gelişmektedir.Üretim teknolojisi, otoklav kalıplama işleminden vakum infüzyon kalıplama sürecini (VIMP) türeten reçine transfer kalıplamaya (RTM) dönüşmüştür. Esnek destekli RTM ile ürünün şekli kademeli olarak tek bir düzlem ve küçük boyuttan daha karmaşık ve büyük bir boyuta doğru gelişmiştir.
Demiryolu taşımacılığı alanında Ar-Ge ve uygulama
Yüksek hızlı operasyon her zaman demiryolu taşımacılığının teması olmuştur.Yüksek hızlı çalışan araçları ağırlıklı olarak yüksek hızlı trenleri, maglev trenlerini, metroları, kentsel monorayları vb içerir, güvenlik, konfor, çevre koruma ve rahatlık insanların demiryolu taşımacılığında temel ihtiyaçları haline gelmiştir. Gelişmiş kompozit malzemeler hafiflik, yüksek mukavemet, korozyon direnci, alev geciktirme ve kolay tasarım gibi avantajlara sahiptir.Modern demiryolu geçişinde yavaş yavaş geleneksel paslanmaz çelik ve diğer metal malzemelerin yerini almaktadırlar. Uygulama trendi, klozetler, lavabolar gibi iç kısımlardan ve iç donanımlar gibi yük taşımayan parçalardan, araba gövdeleri ve çerçeveler gibi yük taşıyıcı parçalara doğru yavaş yavaş yayıldı. Örneğin, dekoratif levha, korozyon direncini geliştirirken mekanik özellikleri (ağırlık azaltma gibi) karşılayabilen bir fiber kompozit malzeme tabakası ile lamine edilmiş alüminyum alaşımdan yapılmıştır.
Geleneksel otomobil gövde malzemeleri ile karşılaştırıldığında, geleneksel otomobil gövde malzemeleri ve fiber kompozit malzemeler performansta bariz avantajlara sahiptir (Tablo 1). Hafif ve güvenlik, alüminyum alaşım, karbon elyaf, cam elyaf kompozit malzemeler ve diğer düşük yoğunluklu, yüksek yoğunluklu gereksinimler için Belirli mukavemet ve modüle sahip kompozit malzemeler, demiryolu geçiş malzemeleri için ilk tercih haline gelmiştir.
Tablo 1 Geleneksel otomobil gövde malzemeleri ile fiber kompozit malzemeler arasındaki performans karşılaştırması
Günümüzde raylı araçlarda kullanılan gövde yapı malzemeleri ağırlıklı olarak paslanmaz çelik, karbon çelik ve alüminyum alaşımıdır.Hızın sürekli artması titreşim, darbe, direnç ve gürültü sorunlarını artırmıştır. Geleneksel tek bileşenli yapısal malzemelerin yukarıdaki problemleri tam olarak çözmesi zordur.Hafif ağırlığa, yüksek mukavemete ve hava şartlarına karşı yüksek dirençli fiber kompozit malzemeler, havacılık alanında bal peteği ara katmanı ve işlevsel katman gibi olgun teknolojileri kullanarak, araba gövdelerinin tasarımını ve imalatını sağlayabilir. Temel malzemeler ve yukarıdaki problemleri çözmenin olası yolları.
Demiryolu taşımacılığında kompozit malzemelerin uygulama yönü, kabinlerin geliştirilmesi gibi yük taşıyan parçalara kaydı. 2018'de Pekin Jiaotong Üniversitesi Gong ve diğerleri, yüksek mukavemetli, yüksek modüllü ve iyi bir karbon fiber takviyeli kompozit levha tasarladı ve geliştirdi. Mekanik özellikleri ve diğer performans avantajları, metro kabinlerinde alüminyum alaşımın yerini alarak metro kabinlerinin ağırlığını yaklaşık% 30 azaltabilir.
Çin'de, gelişmiş kompozit malzemelerin demiryolu taşımacılığına uygulanmasında bazı başarılar elde edilmiştir. Eylül 2018'de, Çinin yeni nesil tüm karbon fiber kompozit metro vagon gövdesi, karbon fiber takviyeli kompozit malzeme teknolojisi kullanılarak küresel olarak piyasaya sürüldü (Şekil 4). Çelik ve alüminyum alaşım gibi geleneksel metal malzemelerle karşılaştırıldığında, yeni nesil karbon fiber metro vagon gövdesi, Sürücü kabini ve ekipman bölmesinin ağırlığı% 30'dan fazla, boji çerçevesi% 40 ve araç% 13 oranında azaltıldı.
Şekil 4 CRRC Sifang'ın yeni nesil karbon fiber metro aracı "CETROVO"
Yüksek hızlı vagon gövdelerine ek olarak, geleneksel ahşap traverslerin ve kirişlerin yerini almak için tavanlar, kabinler, araba kaplaması, fiber kompozit malzemeler de kullanılmaktadır. Ekim 2018'de Austrak (Brisbane, Avustralya), Laing O'Rourke (Dartford, Birleşik Krallık) ve Güney Queensland Üniversitesi (Güney Queensland Üniversitesi, Avustralya) ortaklaşa fiber takviyeli polimer kompozitlere dayalı bir ray traversi geliştirdi. Ve kiriş teknolojisi, bükülmeye ve çürümeye yatkın olan mevcut ahşap travers ve kirişlerin yerini alır ve teknolojinin endüstriye dönüşümünü gerçekleştirir.
Fiber kompozit malzemeler gittikçe daha fazla demiryolu geçişi alanına girmiştir.Ray taşımacılığı hafif olduğu için, malzemenin güvenliğini de sağlamalıdır ve alev geciktirme birincil şarttır. Bu nedenle, alev geciktirici gereksinimlerini karşılayan bir malzeme sistemi, demiryolu geçişi alanında kompozit malzemelerin uygulanmasının anahtarlarından biridir.
Otomotiv endüstrisinde Ar-Ge ve uygulama
Hafiflik, otomobil geliştirme tarihi boyunca temel bir teknolojidir ve dünya otomobil teknolojisinin gelişme eğilimini temsil eder. Hafif araçlar, araç güç performansının iyileştirilmesi, yakıt tüketiminin ve egzoz kirliliğinin azaltılması açısından faydalıdır.Bunlar, yeni enerji araçlarının acilen çözmesi gereken problemlerdir.Hafifletme, enerji tasarrufu sağlayan, emisyon azaltıcı ve yeşil yeni enerji araçlarının geliştirilmesi için büyük önem taşımaktadır.
Otomobilin hafifliğini gerçekleştirmenin üç önemli yolu, gövde yapısının optimize edilmiş tasarımı, şekillendirme bağlantı teknolojisindeki yenilikler ve uygulanan malzemelerin hafifliğidir. Uygun yüksek mukavemetli ve hafif malzemelerin seçilmesi, hafiflik elde etmenin önemli bir yoludur.Gelişmiş fiber kompozit malzemeler mükemmel performanslarıyla en iyi seçim haline gelmiştir. Farklı fiber kompozit malzemelerin kendi avantajları vardır (Tablo 2) ve bunlar otomobil gövdeleri, iç mekanlar, dış mekanlar, çeşitli parçalar ve güvenlik cihazlarının üretiminde ve imalatında kullanılır.
Tablo 2 Otomotiv alanında yaygın olarak kullanılan fiber kompozit malzemelerin performans özellikleri ve uygulama kapsamı
Mükemmel performansı ve en geniş uygulamasıyla karbon fiber, sermaye yatırımı yapmak ve liderliği ele geçirmek için çeşitli otomobil üreticilerini cezbetti. Alman Bavarian Machinery Manufacturing Co., Ltd. (BMW), otomotiv alanında karbon fiber kompozit malzemelerin uygulanmasında bir öncüdür ve gövde, iç ve dış gibi çok çeşitli uygulama modlarını açan ilk şirkettir. Almanya'daki Benz Motors Corporation, Japonya'daki Toyota Motor Corporation, Güney Koreli Hyundai Motor Co. gibi birçok otomobil üreticisi yakından takip etti ve birçok marka otomobil şirketi "karbon fiber otomobilleri" piyasaya sürdü.
Ulusal stratejik yerleşim ve politika desteğine güvenerek, yerli otomobil üreticileri de çaba göstermeye başladı Pekin Seddi Huaguan'ın yeni enerji araç markası Qiantu Automobile, elektrikli spor araba Qiantu K50'yi geliştirdi (Şekil 5) ve tüm araç 29 karbon fiber kompozit malzeme ile kaplandı. Toplam ağırlık yalnızca 46,7 kg olup, geleneksel çelik malzemelerden% 40 daha hafif ve alüminyum alaşımlı malzemelerden% 20'den fazla daha hafiftir. 12 Aralık 2018'de Qiantu Motor Company, Amerika Birleşik Devletleri'nden Mullen Tech ile bir işbirliği anlaşması imzaladı.Mullen Tech'in gelecekteki K50'yi Kuzey Amerika'da sertifikalandırması, organize etmesi ve özel olarak satması planlanıyor. Otomobillerde karbon fiber kompozit malzemelerin pratik uygulaması aynı zamanda "karbon otomobil çağı" nın da gelişini işaret ediyor.
Şekil 5 Geleceğin K50 elektrikli spor otomobilinin görünümü
Otomotiv alanındaki yüksek talebi karşılamak için araştırmacılar, fiber kompozit malzemelerin daha güçlü performansını da araştırıyorlar. Ağustos 2018'de Jang ve Kore Bilim ve Teknoloji Akademisi Gelişmiş Kompozit Malzemeler Araştırma Enstitüsü'nden diğerleri, matris olarak yerinde polimerize edilebilir butilen tereftalat oligomer kullanarak iletken termoplastik karbon fiber kompozit malzemeler hazırlamak için yeni bir süreç geliştirdi. Çok duvarlı karbon nanotüpler ve grafen nano tabakalar (GNP'ler) elektriksel iletkenliği iyileştirmek için hazırlık sürecine eklenir.Bu kompozit malzeme otomobil dış panellerinde, motor bloklarında veya elektrik iletkenliği gerektiren diğer iletken özelliklerde kullanılma potansiyeline sahiptir. Mekanik parçalar. Otomotiv hafifletme ve geliştirme coşkusu, küresel olarak artmaya devam ediyor.Önemli bir malzeme desteği olarak, gelişmiş fiber kompozit malzemeler, fiber kompozit malzemelerin performans iyileştirmesine odaklanmanın yanı sıra, hammadde maliyetini düşürür, termoplastik prepreglerin seri üretimi ve yüksek verimlilik Yüksek kaliteli ve yüksek hassasiyetli hızlı prototipleme teknolojisi, parça yapısı kat tasarım yöntemlerinin optimizasyonu, vb. De acilen incelenmesi gereken anahtar teknolojilerdir.
Gemi inşa endüstrisinde Ar-Ge ve uygulama
Fiber kompozit malzemeler, mükemmel korozyon direnci ve ağırlık azaltma ve tüketim azaltma gibi çevre koruma avantajları nedeniyle gemi inşa endüstrisinde kullanılmaktadır ve deniz malzemelerinin önemli bir sınıfı haline gelmiştir. İlk günlerde malzeme hazırlama seviyesinin ve işleme teknolojisinin kısıtlı olmasından dolayı fiber kompozit malzemeler sadece küçük sürat teknelerinde ve mayın tarama gemisi gibi gemilerde kullanılırken, günümüzde büyük ve orta ölçekli gemiler ve savaş gemilerinde kullanılmaktadır. Şu anda gemi inşa endüstrisinde kullanılan fiber kompozit malzemeler, gemi gövdelerine, direklere, bacalara, perdelere, güvertelere, ekipman tabanlarına, boru sistemlerine, pervanelere uygulanabilen çoğunlukla cam elyaf kompozit malzemeler, karbon fiber kompozit malzemeler ve aramid elyaf kompozit malzemelerdir. Pervane ve tahrik mili vb.
Geleneksel savaş gemisi pervane malzemeleri çoğunlukla nikel-alüminyum-bakır alaşımlarıdır.Bu malzeme sadece maliyetli ve karmaşık olmakla kalmaz, aynı zamanda büyük performans kusurlarına da sahiptir.Uzun süreli hizmet koşullarında çatlaklara eğilimli olmakla kalmaz, aynı zamanda zayıf akustik sönümleme nedeniyle gürültü üretir. . Buna karşılık, karbon fiber kompozit malzemeler iyi akustik, manyetik ve elektriksel özelliklere, iyi dalga ve ses geçirgenliğine ve manyetik olmayan özelliklere sahiptirler.Sadece gövdenin titreşimini etkili bir şekilde azaltmakla kalmaz, gürültüyü de azaltır, aynı zamanda navigasyonu hızlandırma etkisini de elde edebilirler. Büyük bir Fransız termoplastik ve ısıyla sertleşen kompozit parça kalıp tasarımı ve üreticisi üreticisi Loiretech ve Fransız Savunma Tedarik Kurumu (DGA), Mecafrance ve Fransız Donanma Grubu (Naval Group), epoksi karbon fiber ısıyla sertleşen kompozit malzemeleri kullanmak için bir ortak proje başlattı Deniz pervaneleri geliştirdi ve üretti ve ilk deniz denemesini Mart 2018'de tamamladı (Şekil 6) Deneyler, pervanenin gürültü etkisini azaltabileceğini ve enerji tüketimini yaklaşık% 15 oranında azaltabileceğini göstermiştir.
Şekil 6 Loiretech tarafından epoksi karbon fiber termoset kompozit malzeme kullanılarak üretilen deniz pervanesi
Son yıllarda malzeme alanının sürdürülebilir gelişimi tüm dünyada ülkelerin ilgisini çekmiş ve doğal elyaf kompozit malzemeler ortaya çıkmıştır. 2018 yılında, düşük maliyetli ve yenilenebilir doğal elyaf kompozit malzemelerin araştırılması ve geliştirilmesi de, gelecekteki gemi inşa endüstrisine girmesi beklenen bazı sonuçlara ulaştı. Bozkurt ve arkadaşları, Haziran 2018'de bazalt elyaf ve cam elyaf takviyeli epoksi reçine kompozitlerin titreşim sönümleme performansı üzerine bir çalışma yayınlayarak, bazalt elyaf kompozitlerin deniz yapılarındaki potansiyel uygulama değerini kanıtladı; Kasım 2018 Manchester Üniversitesi'nden araştırmacılar, gemi inşa endüstrisi gibi büyük imalat alanlarında ihtiyaç duyulan sentetik malzemelerin yerini alabilen, dünyanın ilk grafen takviyeli jüt elyaf kompozit malzemesini geliştirdiklerini açıkladılar.
Gemi teknolojisinin gelişmesiyle birlikte, fiber takviyeli kompozit malzemeler için uygulama gereksinimleri gittikçe daha kapsamlı hale geliyor ve performans gereksinimleri giderek artıyor. Bununla birlikte, gemi yapımı endüstrisinde çeşitli gelişmiş fiber kompozit malzemelerin uygulanmasının da bazı dezavantajları vardır. Örneğin, cam elyaf kompozitler düşük modüllüdür ve deformasyona karşı zayıf dirence sahiptir; karbon fiber kompozitlerin modülü yüksek ancak maliyeti yüksektir; doğal fiberler güçlü hidrofilikliğe ve reçine matris arayüzüyle zayıf bağlanmaya sahiptir, bu da doğal fiber kompozitlerin mekanik özelliklerine neden olur Dağılma katsayısı çok büyük ve su emme oranı çok yüksek. Yukarıda bahsedilen çeşitli malzemelerin geliştirme darboğazını hedefleyerek, yeni teknolojiler geliştirmeye, malzeme maliyetlerini düşürmeye, malzeme performansı eksikliklerini aşmaya ve ortadan kaldırmaya, gelişmiş fiber kompozit malzemeleri geliştirmeye ve yenileştirmeye ve gemi geliştirme için "yeşil gemi yapımı" dönemini açmaya devam edeceğiz.
Enerji alanında Ar-Ge ve uygulama
21. yüzyıldan beri, rüzgar enerjisi, gelgit enerjisi ve güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerji, enerji alanında temel gelişme yönü haline geldi. Rüzgar enerjisi, en önemli yeşil enerji kaynaklarından biridir ve kanatlar, enerji üretim ekipmanı için rüzgar türbinlerinin temel bileşenlerinden biridir. Bıçağın aşırı rüzgar yükleri altında kararlı bir şekilde çalışmasını, 20 yıldan uzun bir ömre sahip olmasını ve 100 milyondan fazla yorulma döngüsüne dayanabilmesini sağlamak için, bıçakların seçimi hafif, yüksek mukavemetli ve yüksek sertlik gereksinimlerini karşılamalıdır.Bu nedenle, yüksek mukavemet ve yüksek Kalıplar, düşük yoğunluklu ve yüksek derecede tasarlanabilir karbon elyaflar gibi gelişmiş fiber kompozit malzemeler, ticari sınıf bıçak ana malzemeleri için önemli seçeneklerden biri haline geldi.
Son yıllarda, büyük ölçekli ve enerji depolama, dünya rüzgar enerjisi teknolojisi gelişiminin trendi haline geldi. Mart 2018'de Danimarka'nın LM Windpower, Alman Merkur Offshore Rüzgar Enerjisi Şirketi için kanat uzunluğu 73,5 m ve gücü 6 MW olan 66 açık deniz rüzgar türbininin kurulumunu tamamladı (Şekil 7). Bu, Almanya'nın en büyük açık deniz rüzgar santrallerinden biri haline geldi. Şu anda, Elm Wind Energy Blade Products Co., Ltd., 88,4 m uzunluğunda dünyanın en uzun rüzgar kanadını üretti. Mart 2018'de şirket, mevcut en büyük güç Haliad-X (12 MW) açık deniz rüzgar türbininde kullanılmak üzere 107 m uzunluğunda kanat geliştireceğini duyurdu.
Şekil 7 LM Company tarafından kurulan açık deniz rüzgar türbini
Aynı zamanda, Çin'in rüzgar enerjisi endüstrisi de hızlı bir gelişme eğilimindedir. 2018 Pekin Uluslararası Rüzgar Enerjisi Konferansı ve Sergisi'nde Dongfang Electric Wind Power Co., Ltd. (Dongfang Rüzgar Enerjisi olarak anılır), Çin Kalite Sertifikasyon Merkezi tarafından yayınlanan 10 MW açık deniz rüzgar türbinleri için Uluslararası Elektroteknik Komisyonu kazandı. (Uluslararası Elektroteknik Komisyonu, IEC) tasarım sertifikası Şimdiye kadar Dongfang Wind Power, 10MW büyük açık deniz rüzgar türbinleri için IEC tasarım sertifikasını alan Çin'deki ilk ve dünyadaki ikinci komple makine üreticisi oldu.
Enerji sektöründe yaygın olarak kullanılmasının yanı sıra yakıt hücreleri ve süperkapasitörler gibi enerji depolama cihazlarında da kompozit malzemeler kullanılmaya başlanmıştır. Yüksek güç yoğunluğu, uzun çevrim ömrü, geniş çalışma sıcaklığı limiti, bakım gerektirmeyen ve çevre koruma özelliklerine sahip süper kapasitör, kapasitörlerin hızlı şarj ve deşarj özelliklerini ve bataryaların enerji depolama özelliklerini birleştiren yeni tip bir enerji depolama cihazıdır.Son yıllarda, fiber kompozit Malzemeler endüstriyel kontrol, demiryolu taşımacılığı, elektronik ürünler, yeni enerji araçları, iletişim ve savunma teknolojisi ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.Elektrot malzemeleri süper kapasitörlerin temel parçasıdır. Karbon nanolifler, geniş özgül yüzey alanı, korozyon direnci ve basit hazırlama gibi mükemmel özellikleri nedeniyle birçok malzeme arasında öne çıkmaktadır.Farklı matrislere sahip çeşitli karbon fiber kompozit malzemeler geliştirilmiştir. 2018'de, Muralidharan ve Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndan diğerleri, karbon nanotüp takviyeli kompozit bir süper kapasitör geliştirdiler.Yoğun şekilde düzenlenmiş karbon nanotüpler, Kevlar elyaf veya cam elyaf matlarla lamine edilmiş bir güçlendirilmiş elektrot hazırlamak için paslanmaz çelik bir ağ üzerinde büyütüldü. Epoksi elektrolitte elde edilen enerji depolayan kompozit malzeme, ticari bir kompozit malzemenin mukavemetine yakın olan 85 MPa'dan daha büyük bir mekanik mukavemete sahiptir.Enerji yoğunluğu, sıradan lityum pillerin (lityum pillerin enerji yoğunluğu) yaklaşık 20 katı olan 3000 W · h / kg kadar yüksektir. 150 W · h / kg).
Günümüzde, enerji konularının çok dikkat çektiği günümüzde, rüzgar enerjisi ekipmanlarında ultra yüksek voltaj iletimli karbon fiber çekirdekli kabloların ve süper kapasitörlerin geliştirilmesi ve aşağı akış uygulamalarının yaygınlaşması, enerji alanında gelişmiş fiber kompozit malzemelerin uygulamasının gittikçe daha gelişmiş hale geldiğini göstermektedir. Odaklanma ve atılımlar, endüstriyel teknolojik ilerlemeyi etkileyen temel faktörlerden biri haline geldi.
2018 yılında, geleneksel malzeme endüstrilerinin teknolojik olarak yükseltilmesine ve ürünlerin yükseltilmesine yol açan, özellikle havacılık, demiryolu taşımacılığı, otomobiller, gemiler ve enerji alanlarında, gelişmiş fiber kompozit malzemelerin araştırmasında önemli ilerleme kaydedildi ve bu da aşağı akış uygulama teknolojisinin ilerlemesine öncülük etti. . Aynı zamanda, gelişmiş fiber kompozit malzemeler, inşaat, tıbbi tedavi, spor vb. Alanlarda da hızla gelişmekte ve "askeri ve sivil kullanım" ve "askeri ve sivil entegrasyon" gelişme eğilimini tam anlamıyla somutlaştırmaktadır.
Elyaf kompozit malzeme endüstrisinin hızlı gelişimi ile, atık kompozit malzemelerin geri dönüşümü sorunu giderek daha belirgin hale geldi.Etkili geri kazanım ve geri dönüşüm, kompozit malzeme endüstrisinin sürdürülebilir gelişimi için kilit bir endişe haline geldi.Bu, dünya için hem bir fırsat hem de bir zorluktur. Bu bağlamda, çeşitli ülkeler bilimsel araştırma desteğine yatırım yapmış veya fiber takviyeli kompozit malzemelerin geri dönüşümü için ilgili politikaları uygulamaya koymuştur.Bazı bilimsel araştırma ve endüstriyel dönüşüm sonuçları elde edilmiştir, ancak hala sürekli yenilik ve sanayileşme girişimlerini araştırmaktadırlar.
Kompozit malzemeler alanının geliştirilmesi, "çekme malzemesi teknolojisi geliştirme uygulaması", "bir şeyler yapmak, bir şey yapmamak", "ülke ekonomisi ve insanların geçim kaynağı, büyük miktar ve geniş kapsam" ve "avantajlardan yararlanma ve hakim yüksekliklere sahip olma" geliştirme ilkelerini takip etmelidir. Kilit gelişme ortak ve kritik özelliklere sahiptir. , Entegre ve yüksek performanslı, yüksek performanslı fiber takviyeli kompozit malzemeleri kullanan, anahtar sanayileşme teknolojilerinin araştırma ve geliştirilmesine odaklanan, "disiplinler arası işbirliği" ve çapraz entegre "kolordu operasyonları" yürüten, ulusal ekonominin ihtiyaçlarına hizmet eden ve yüksek performans elde eden / Ultra yüksek performanslı fiber kompozit malzemelerin inovasyon bağlantıları yakından bağlantılıdır. Büyük ulusal kilit projeleri, askeri-sivil entegrasyonunu desteklemeye, mühendislik gösteri uygulamalarıyla üst düzey fiber ve kompozit malzeme teknolojisinin geliştirilmesine ve yükseltilmesine öncülük etmeye, ölçek teknolojisi ve ekonomik değer yaratmaya ve bağımsız fikri mülkiyet haklarına sahip kapsamlı ve stratejik bir yeni endüstri kurmaya odaklanın sistemi.
Geleceğe bakıldığında, 2025 yılına kadar Çin, özellikle yüksek hızlı taşımacılık, enerji kaynakları, gelişmiş üretim alanlarında 30.000 ila 50.000 ton yerli karbon fiber takviyeli kompozit malzeme üretim kapasitesine ulaşan eksiksiz bir kompozit malzeme tasarımı, imalat, değerlendirme-uygulama endüstriyel zinciri inşa edecek. Spor ve eğlence, havacılık, savunma teçhizatı ve diğer alanlar, dünyanın teknik seviyesi ve uygulama yetenekleriyle tamamen uyumludur ve uluslararası pazarda rekabetçidir.
Referanslar (atlandı)
Yazar: Xu Jian, Nie Mingqi, Wang Xida, Ji Junna, Wang Yahui, Zhang Hongjing
Not: Bu makale Science and Technology Review, Sayı 1, 2019'da yayınlandı.
