Các ứng dụng của vật liệu composite ngày nay là gì?

Vật liệu tổng hợp được sử dụng trong nhiều thị trường khác nhau, bao gồm hàng không vũ trụ, kiến trúc, ô tô, năng lượng, cơ sở hạ tầng, hàng hải, quân sự, thể thao và giải trí…

HÀNG KHÔNG VŨ TRỤ

Các nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) lớn như Airbus và Boeing đã cho thấy tiềm năng của các ứng dụng hỗn hợp quy mô lớn trong ngành hàng không và NASA đang liên tục tìm kiếm các nhà sản xuất vật liệu tổng hợp để có các giải pháp không gian sáng tạo cho tên lửa và tàu vũ trụ khác.

Mỗi thế hệ máy bay mới do Boeing phát triển đều có tỷ lệ vật liệu composite tăng lên, cao nhất là 50% trong Boeing 787 Dreamliner. Các yếu tố cấu trúc chính của máy bay 787 Dreamliner của Boeing được làm từ vật liệu tổng hợp ‘sandwich’ nhiều carbon hơn và carbon laminate tiên tiến, một sự thay đổi so với vật liệu tổng hợp sợi thủy tinh cổ xưa.

Mặt khác, sợi Aramid được sử dụng rộng rãi để xây dựng các thành phần cánh ở mép đầu và mép sau cũng như các vách ngăn, thùng nhiên liệu và sàn rất cứng, rất nhẹ. Các vật liệu tổng hợp tiên tiến bao gồm sự kết hợp của các sợi cứng có độ bền cao được nhúng trong một vật liệu ma trận phổ biến cũng đang được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ.

NGÀNH KIẾN TRÚC

Cộng đồng kiến trúc đang trải qua sự phát triển đáng kể trong việc hiểu và sử dụng vật liệu tổng hợp. Vật liệu tổng hợp cung cấp cho kiến trúc sư và nhà thiết kế hiệu suất và giá trị trong các dự án quy mô lớn và việc sử dụng chúng ngày càng tăng trong các tòa nhà thương mại và dân cư.

Một ứng dụng của vật liệu composite trong kiến trúc.

Từ một bài báo gần đây, Tập đoàn Palari xây dựng các cộng đồng và ngôi nhà in 3D bền vững. Mighty Buildings là một công ty công nghệ xây dựng tạo ra những ngôi nhà giá cả phải chăng và bền vững bằng cách sử dụng công nghệ in 3D, rô-bốt và tự động hóa. Hai nhà đổi mới đang hợp tác để xây dựng một cộng đồng các ngôi nhà không sử dụng năng lượng được in 3D ở California.

Khối xây dựng thiết yếu của các ngôi nhà là Bảng điều khiển Mighty, một bảng tổng hợp polyme 100% được in 3D hoàn chỉnh với cấu trúc, cách nhiệt, tích hợp MEP, rào cản không khí/độ ẩm/cháy và hoàn thiện nội thất/ngoại thất. Mighty Buildings in các bảng riêng lẻ tại cơ sở của mình và chúng được lắp ráp thành các ngôi nhà tại công trường.

NGÀNH Ô TÔ

Là thị trường vật liệu tổng hợp lớn nhất, ngành công nghiệp ô tô không xa lạ gì với vật liệu tổng hợp. Ngoài việc tạo điều kiện cho các thiết kế xe đột phá, vật liệu tổng hợp giúp xe nhẹ hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn. Ô tô yêu cầu các cơ chế đồng bộ, đáng tin cậy với các bộ phận có thể chịu được ma sát, ăn mòn và biến động nhiệt độ. Sự không chính xác trong thiết kế hoặc sản xuất sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất và có thể gây ra tổn thất kinh doanh cho nhà sản xuất.

Khi so sánh với thép, khả năng của vật liệu composite mang lại khả năng đáp ứng và vượt qua nhu cầu của ngành công nghiệp ô tô. Những tính năng độc đáo này bao gồm:

Hệ số giãn nở nhiệt thấp để dẫn nhiệt

Ổn định kích thước tuyệt vời để duy trì hình dạng và độ tin cậy

Khả năng chống ăn mòn cho hiệu suất trong điều kiện ẩm ướt và khô

Độ bền va đập cao để chịu được việc sử dụng nhiều lần

Trọng lượng tương đối thấp để giảm khối lượng tổng thể của xe

Vách ngăn âm thanh cho hiệu suất yên tĩnh hơn

Khả năng tiếp nhận sơn, bao gồm khả năng đáp ứng các yêu cầu về bề mặt loại A, quy trình sơn và nung

Dễ sản xuất với chi phí tương đối thấp hơn.

NỘI THẤT VÀ NGOẠI THẤT

Vật liệu tổng hợp được sử dụng rộng rãi cho một loạt các bộ phận ô tô, từ vỏ đèn pha cho đèn pha hướng về phía trước, đến các bộ phận che chắn nhiệt và điện bên dưới mui xe, đến các bộ phận thân bên ngoài và các bộ phận kết cấu và mỹ phẩm bên trong. Cụ thể hơn, vật liệu tổng hợp được sử dụng trong các bộ phận bao gồm:

Bộ làm lệch hướng không khí và spoilers

Ống nạp khí

Vỏ và nắp pin

Tấm cản và dầm cản

Nắp đầu xi lanh (ví dụ: van, cần lắc, cam)

Khung cửa sổ/cửa sổ trời

Tấm mở lưới tản nhiệt phía trước

Vỏ đèn pha cho đèn pha hướng về phía trước

Tấm chắn nhiệt (ví dụ: động cơ, hộp số)

Trụ cột và lớp phủ.

Cả polyme hàng hóa và kỹ thuật đang đóng vai trò ngày càng tăng trong các giải pháp trọng lượng nhẹ dành cho ô tô.

SẢN XUẤT NĂNG LƯỢNG

việc sử dụng vật liệu tổng hợp trong năng lượng tái tạo sẽ đóng một vai trò ngày càng quan trọng thông qua việc sản xuất các cấu trúc cho phép khai thác các nguồn năng lượng bền vững. Các yếu tố như giảm trọng lượng so với kết cấu kim loại, chi phí vận chuyển và lắp dựng thấp hơn, và quan trọng nhất là chi phí bảo trì thấp hơn trong suốt tuổi thọ của kết cấu đã định vị vật liệu tổng hợp như một vật liệu thực tế cho phép đưa ra các giải pháp kinh tế cho các dự án quy mô lớn.

Việc sử dụng vật liệu composite trong tuabin gió.

Hình dạng cánh máy bay nhẹ và phức tạp của các cánh cho tua-bin gió đã làm cho vật liệu tổng hợp trở thành vật liệu dẫn đầu trong lĩnh vực này bằng cách sử dụng các khuôn được thiết kế để sản xuất các cánh một cách kinh tế với lượng lao động tối thiểu. Hiện tại nghiên cứu và phát triển nhằm mục đích đáp ứng kích thước tăng lên cần thiết trong tuabin và cánh quạt rôto cho các hệ thống trên đất liền và ngoài khơi.

LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG
Nhúng các lớp pin vào cấu trúc
Vật liệu tổng hợp lưu trữ năng lượng đa chức năng (MESC) nhúng các lớp pin trong cấu trúc.

Các lớp pin neo bằng đinh tán lồng vào nhau góp phần tạo nên hiệu suất cơ học.

Kiểm tra thử nghiệm MESC cho thấy hành vi điện hóa có thể so sánh với đường cơ sở.

Với hiệu suất đóng gói 60%, MESC đạt được độ cứng cơ học gấp 15 lần so với các tế bào dạng túi.

Cấu trúc lưu trữ năng lượng của Vật liệu tổng hợp lưu trữ năng lượng đa chức năng (MESC)

Các ứng dụng khác bao gồm:

Bình hydro cho hàng không vũ trụ

Pin nhiên liệu hydro

Tế bào pin với vật liệu tổng hợp tự nhiên

CƠ SỞ HẠ TẦNG

Lịch sử kỹ thuật xây dựng có thể đã đạt đến một giai đoạn mới với sự ra đời và sẵn có của vật liệu tổng hợp kết cấu mới, chi phí thấp, hiệu suất cao. Không chỉ các phần ‘đục lỗ’ bằng chất dẻo cốt sợi (FRP) có thể thay thế thép trong nhiều kết cấu chịu lực, mà việc tăng cường độ bền cho dầm bê tông bằng chất dẻo cốt sợi (FRP) liên kết bên trong hoặc bên ngoài cũng đã được chứng minh là khả thi để tăng khả năng chịu tải và độ cứng của kết cấu hiện có.

Một hệ thống cầu vòm của AIT Bridges sử dụng ống polyme cốt sợi (FRP) bện được nhồi bê tông

Vật liệu tổng hợp được làm bằng thủy tinh, aramid hoặc sợi carbon đang ngày càng được xem xét cho bê tông dự ứng lực, dự ứng lực sau hoặc bê tông cốt thép. Để thay thế các cốt thép bị ăn mòn, hệ thống FRP cuối cùng có thể được sử dụng trong sàn cầu bê tông hoặc các kết cấu sàn bê tông ngoài trời khác.

HÀNG HẢI

Vật liệu tổng hợp FRP đã được sử dụng thành công trong các ứng dụng hàng hải trong nhiều thập kỷ trong các lĩnh vực như mái vòm và cấu trúc khối lượng lớn, siêu du thuyền, thuyền làm việc và tàu giải trí. Gần đây, FRP đã được sử dụng trong các ứng dụng ít được biết đến hơn như vòng bi, cánh quạt, nắp hầm thương mại, ống xả và cấu trúc bên trên.

Việc sử dụng vật liệu tổng hợp sợi thủy tinh (GRP) trong các ứng dụng hàng hải là một trong những lĩnh vực sử dụng GRP quan trọng đầu tiên. Nó đã cách mạng hóa khả năng thiết kế và sản xuất các cấu trúc composite lớn trong một số lĩnh vực. Thuyền được sản xuất tại Vương quốc Anh bằng nhiều quy trình khác nhau, bao gồm GRP đặt thủ công, truyền nhựa, nhựa nhiệt dẻo và sợi carbon hiệu suất cao chuẩn bị cho du thuyền đua.

Một chiếc Du thuyền được chế tạo bằng phần lớn vật liệu composite.

Ưu điểm chính của composite sợi thủy tinh (GRP) cho các ứng dụng hàng hải là:

Kháng môi trường, bao gồm không bị mục nát, ăn mòn, v.v.

Khả năng đúc các cấu trúc liền mạch, có hình dạng phức tạp

Khả năng điều chỉnh cường độ cho phù hợp với điều kiện tải

Sức mạnh tuyệt vời cho các đặc tính trọng lượng – Các công trình biển GRP thường có trọng lượng bằng một nửa so với các kết cấu thép tương đương.

Bảo trì thấp và dễ sửa chữa

độ bền tuyệt vời

Du thuyền đua sử dụng vật liệu tổng hợp rộng rãi hơn bất kỳ cấu trúc biển nào khác. Các vật liệu được sử dụng không phải là điển hình của xây dựng biển vì các yêu cầu đặc biệt. Trọng lượng tối thiểu và độ cứng tối đa là cực kỳ quan trọng trong thiết kế của chúng để chúng có thể di chuyển với tốc độ tối đa và chống lại tác động của sóng và các yếu tố khác trong môi trường biển. Vật liệu tổng hợp epoxy gia cường bằng sợi carbon thường được sử dụng trong vỏ thuyền có lõi tổ ong hoặc xốp, khung, sống tàu, cột buồm, cột và cần, trống tời carbon và trục. Việc sử dụng FRP có thể góp phần cải thiện hiệu suất và giảm thiểu nguy cơ trục trặc và hỏng hóc khi chèo thuyền trong các điều kiện chèo thuyền quốc tế khác nhau.

ĐƯỜNG ỐNG & BỒN CHỨA

Hệ thống ống gió composite đã được sử dụng trong các nhà máy sản xuất hóa chất trong hơn 25 năm. Trong những năm 1970, việc sử dụng composite trong các ứng dụng công nghiệp đã trở nên phổ biến. Ngày nay, việc lắp đặt đường ống, ống dẫn và bể composite đang gia tăng – trên và dưới mặt đất, trong các ứng dụng thương mại, thành phố và khu dân cư. Khí tự nhiên chi phí thấp đang tiếp tục mở rộng thị trường với sự phát triển của các cơ sở hóa chất mới và mở rộng các cơ sở cũ hơn để xử lý hóa chất.

Một bể làm bằng vật liệu composite.

Ứng dụng và sản phẩm: Kiểm soát ô nhiễm không khí, Nuôi trồng thủy sản, Xử lý hóa học, khử muối, Dầu khí, Xử lý nước và nước thải, Ống, Phụ kiện đường ống và lớp lót, ống dẫn, Lót bể, Bể chứa, Xử lý tàu, Máy chà sàn, Van nước…

THỂ THAO & GIẢI TRÍ

Vật liệu tổng hợp được tìm thấy trong các sản phẩm được sử dụng trong 7 trong số 10 hoạt động giải trí và thể thao ngoài trời phổ biến nhất. Vật liệu tổng hợp được gia cố bằng thủy tinh và carbon (riêng hoặc kết hợp với các loại sợi khác) tiếp tục thay thế gỗ và kim loại trong cần câu, vợt tennis, cán/trục cho mái chèo thuyền kayak, cột và ván lướt ván buồm, gậy khúc côn cầu, diều và tay lái xe đạp, cũng như trong các ứng dụng thích hợp, chẳng hạn như tấm chắn cho xe đạp nằm.

Xe đạp điện nguyên khối in 3D (Nguồn: Superstrata)

VẬN CHUYỂN

Có một xu hướng trong ngành giao thông vận tải cho các phương tiện lớn hơn. Cho dù đó là xe buýt, xe lửa hay xe tải có khớp nối, ý tưởng rất đơn giản; chở thêm hàng hóa. Thách thức đặt ra là tìm cách vận chuyển tải trọng lớn hơn một cách an toàn đồng thời tiết kiệm nhiên liệu và giảm tác động đến môi trường. Vật liệu tổng hợp đưa ra câu trả lời ấn tượng cho thách thức này.

Với xu hướng bền vững ngày càng tăng đối với Xe điện (EV), Arrival đã chỉ ra cách sử dụng vật liệu composite trong bảng điều khiển thân xe của họ có thể giúp giảm dấu chân của nhà máy trong khi vẫn duy trì tỷ lệ sản xuất thực sự cao.

Ứng dụng vật liệu composite trong xe điện (EV) ở xe Van và xe buýt của Arrival Ltd.

Một nghiên cứu tình huống từ Addcomposite với hệ thống bố trí sợi tự động (AFP)
Phối hợp với MBDA (Pháp), nhóm Compositadour có trụ sở tại Bayonne, Pháp gần đây đã trình diễn quy trình sản xuất ống hình chữ nhật với Hệ thống bố trí sợi kéo đơn (AFP-XS). Chương trình xếp lớp được tạo bằng cách sử dụng tính năng cuộn dây của Phần mềm lập trình và mô phỏng 3D (AddPath) của chúng tôi và như được hiển thị trong video bên dưới, Hệ thống sắp xếp sợi kéo đơn (AFP-XS) thực hiện xếp chồng trên các góc xuyên tâm sắc nét đảm bảo nếp nhăn /pucker-free layup thông qua chỉ đạo nhạy bén, trong khi giám sát quá trình.

Các ống hình chữ nhật là một trong những khối xây dựng cơ bản nhất cho nhiều hệ thống mô-đun trong ngành. Phần sau đây nêu bật những lợi ích chính của việc xây dựng các ống hình chữ nhật với quy trình Đặt sợi tự động (AFP).

Các ống thường được sử dụng làm thành phần kết cấu trong các tòa nhà, cầu và các ứng dụng kỹ thuật khác cũng như trong nhiều loại sản phẩm tiêu dùng cuối. Ống hình chữ nhật có nhiều lợi ích: tính thẩm mỹ cao, tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao, cường độ đồng đều, tiết kiệm chi phí, v.v.

Nguồn: https://www.addcomposites.com