Oblast použití kompozitních materiálů

Kompozitní materiály se vyrábějí kombinací dvou nebo více dalších materiálů tak, aby se vzájemně doplňovaly a vylepšovaly, a přesto si v konečném produktu zachovaly své jedinečné vlastnosti.

stroj na vytlačování plastových fólií

stroje na recyklaci plastů

Díky svým vynikajícím vlastnostem se kompozitní materiály široce používají v různých oblastech a tato série článků se bude zabývat komplexním soupisem hlavních oblastí použití kompozitních materiálů, včetně: leteckého a kosmického průmyslu, automobilového průmyslu, stavebnictví, energetiky, skladování energie, infrastruktury, námořní dopravy, potrubí a skladovacích nádrží, sportu a zábavy, dopravy a dalších deseti oblastí.

1

Letecký a vesmírný průmysl

Hlavní výrobci originálních leteckých materiálů (OEM), jako je evropský Airbus a americký Boeing, prokázali potenciál pro rozsáhlé využití kompozitů v letectví, zatímco NASA hledá výrobce kompozitů pro rakety a další kosmické lodě s inovativními kompozitními řešeními.

Podíl kompozitních materiálů v každé nové generaci letadel vyvinutých společností Boeing se zvýšil a podíl kompozitních materiálů v Boeingu 787 Dreamliner překročil 50 %. Hlavní konstrukční komponenty Boeingu 787 Dreamliner jsou vyrobeny z více uhlíkových „sendvičových“ kompozitů a pokročilých uhlíkových laminátů, čímž se odklání od archaických kompozitů ze skelných vláken.

Na druhou stranu se aramidová vlákna široce používají při konstrukci sestav náběžných a odtokových hran křídel, stejně jako velmi tuhých a velmi lehkých přepážek, palivových nádrží a podlah. Kromě toho se v leteckém průmyslu široce používají také pokročilé kompozitní materiály složené z vysoce pevných a tuhých vláken zabudovaných do běžných matricových materiálů.

2

Automobilový průmysl

Automobilový průmysl, největší koncový trh s kompozitními materiály, není v tomto oboru žádným nováčkem. Kromě průkopnické konstrukce vozidel pomáhají kompozitní materiály vyrábět vozidla lehčími a úspornějšími. Automobily vyžadují spolehlivé a synchronizované mechanismy s komponenty, které odolávají tření, korozi a teplotním výkyvům.

Nepřesnosti v návrhu nebo výrobě ovlivní výkon a mohou výrobce stát peníze. Ve srovnání s kovovou ocelí splňují kompozitní materiály a dokonce je překračují. Mezi tyto jedinečné vlastnosti patří:

nízký koeficient tepelné roztažnosti

Vynikající rozměrová stabilita pro zachování tvaru a spolehlivost

Odolnost proti korozi za mokra i sucha

Vysoká rázová pevnost pro odolnost proti opakovanému použití

Relativně nízká hmotnost pro snížení celkové hmotnosti vozidla

Lepší zvuková izolace a lepší výkon

Vhodnost pro lakování, včetně schopnosti splňovat požadavky na povrch třídy A, lakování a vypalování

Snadná výroba a relativně nízké náklady

Typické aplikace kompozitních materiálů v interiérových a exteriérových konstrukcích automobilů

Kompozitní materiály se široce používají v řadě automobilových konstrukčních dílů, od krytů světlometů přes elektrické a tepelně izolační komponenty pod kapotou až po vnější části karoserie, vnitřní konstrukce a ozdobné díly. Běžné aplikace kompozitních materiálů v automobilových dílech jsou uvedeny níže:

Deflektory a spoilery

sací potrubí

Pouzdro a kryt baterie

Nárazníky a nosníky nárazníků

Kryty hlav válců (např. ventilů, vahadel, vaček)

Rám okna/střešního okna

Otvor pro přední mřížku

kryt předního světlometu

Tepelné štíty (např. motor, převodovka)

Vzpěry a kryty

3

Stavební sektor

Stavební komunita zažívá podstatný růst v chápání a používání kompozitních materiálů. Kompozity poskytují architektům a designérům vysoký výkon a hodnotu u velkých projektů a jejich využití v komerční a rezidenční výstavbě se zvyšuje.

V nedávném článku skupina Palari staví udržitelné komunity a domy vytištěné na 3D tiskárně. Mighty Buildings je stavební technologická společnost, která využívá 3D tisk, robotiku a automatizaci k vytváření cenově dostupných a udržitelných domů. Základním stavebním kamenem domu je Mighty Panel, 3D tištěný 100% polymerní kompozitní panel s konstrukčními, izolačními, MEP integracemi, vzduchotěsnou/vlhkotěsnou/protipožární bariérou a vnitřními/vnějšími povrchovými úpravami. Mighty Buildings tiskne jednotlivé panely ve své továrně a poté je na staveništi sestavuje do domů.

Ve stavebnictví hrají pozitivní roli vysoce pevnostní vlastnosti uhlíkových vláken. Uhlíková vlákna jsou extrémně pevná, měkká a snadno se pokládají a lze je použít k opravám a zpevnění budov, aby vypadaly jako novostavby. Lamináty z uhlíkových vláken se široce používají ke zvýšení únosnosti podlah a sloupů. Uhlíková vlákna jsou navíc odolná vůči poškození zemětřesením, takže je lze použít i k konstrukčnímu zpevnění nových budov a jako náhradu za prefabrikovanou ocel.

4

Pole pro ukládání energie

Multifunkční kompozity pro ukládání energie (MESC) se vyvíjejí zabudováním vrstev baterie do struktury, přičemž vzájemně propojené nýty upevňují vrstvy baterie, což pomáhá zlepšit mechanické vlastnosti. Experimentální testy ukazují, že MESC mohou mít srovnatelné elektrochemické chování jako jiné materiály. Ve srovnání s kapsovými články dosahují MESC 15krát vyšší mechanické tuhosti při 60% účinnosti zapouzdření.

Mezi další reprezentativní aplikace kompozitů v oblasti skladování energie patří:

Vodíkové nádrže pro letecký průmysl

Systém vodíkových palivových článků

Baterie z přírodního kompozitního materiálu

5

oblast infrastruktury

Přísně vzato, neexistuje žádný striktní rozdíl mezi infrastrukturou a budovami. V posledních letech, s nástupem nových, levných a vysoce výkonných konstrukčních kompozitních materiálů, vstoupila výstavba infrastruktury do nové fáze. Vláknem vyztužený plast (FRP) může nejen nahradit ocel v mnoha nosných konstrukcích, ale také se prokázalo, že je možné vyztužit betonové nosníky vnitřně nebo vně lepeným vláknem vyztuženým plastem (FRP).

Kompozity vyrobené ze skleněných, aramidových nebo uhlíkových vláken jsou stále častěji zvažovány pro předpínání, dodatečné předpínání nebo vyztužování betonu. FRP systémy mohou být nakonec použity v betonových mostovkách nebo jiných venkovních betonových podlahových konstrukcích jako náhrada za zkorodovanou výztuž.

Odolnost proti korozi je jedním z hlavních faktorů, které činí uhlíková vlákna tak atraktivními v sektoru infrastruktury. Uhlíková vlákna nekorodují a nerezaví, takže vrstva betonu z uhlíkových vláken může být značně ztenčena, protože není třeba zohledňovat antikorozní ochranu jako ocelové jádro, což výrazně snižuje množství betonu použitého v budově a má také další výhody, jako je snížení nákladů a urychlení postupu výstavby, zkrácení doby schnutí atd. Kromě toho lze uhlíková vlákna díky své dobré elektrické vodivosti použít k odstínění elektromagnetického rušení, k přenosu informací o parametrech budovy a stát se nedílnou součástí inteligentních budov.

6

Nové energetické pole

Využití kompozitních materiálů v oblasti obnovitelných zdrojů energie bude hrát stále důležitější roli při vytváření konstrukcí, které mohou využívat udržitelnou energii. Nižší hmotnost, nižší náklady na dopravu a instalaci a především nižší náklady na údržbu po celou dobu životnosti konstrukce ve srovnání s kovovými konstrukcemi pozicionovaly kompozity jako de facto materiál pro rozsáhlé projekty. Poskytují ekonomická řešení.

Nízká hmotnost a složité tvary profilů lopatek větrných turbín učinily z kompozitů lídra v oboru, přičemž se používají formy určené k ekonomické výrobě lopatek s minimální pracností. Současný výzkum a vývoj se zaměřuje na splnění rostoucích požadavků na velikost lopatek turbín a rotorů pro pozemní i offshore systémy.

7

oceánské pole

FRP kompozity se po celá desetiletí úspěšně používají v námořních aplikacích, jako jsou radomy a masivní konstrukce, superjachty, pracovní lodě a rekreační lodě. V poslední době se FRP používá i v méně známých aplikacích, jako jsou ložiska, vrtule, komerční poklopy, výfuky a střešní konstrukce.

Použití kompozitů ze skleněných vláken v námořních aplikacích bylo jednou z prvních významných oblastí aplikace GRP. To způsobilo revoluci v navrhování a výrobě velkých kompozitních konstrukcí v mnoha oblastech. Loď se vyrábí ve Velké Británii za použití různých procesů, včetně ručně kladeného GRP, infuze pryskyřice, termoplastů a vysoce výkonných prepregů z uhlíkových vláken pro závodní jachty.

Hlavní výhody GRP v námořních aplikacích jsou:

Odolnost vůči vlivům prostředí, včetně nehnití, odolnosti proti korozi atd.

Schopnost zpracovávat bezešvé struktury složitých tvarů

Schopnost přizpůsobit sílu podmínkám zatížení

Vynikající poměr pevnosti k hmotnosti – lodní konstrukce z laminátu (GRP) mají obvykle poloviční hmotnost oproti ekvivalentním ocelovým konstrukcím.

nízká údržba a snadná oprava

vynikající trvanlivost

Veslařské čluny používají kompozitní materiály ve větší míře než jakékoli jiné námořní konstrukce. Vzhledem ke specifickým požadavkům nejsou použité materiály typickými materiály pro námořní konstrukci. Minimální hmotnost a maximální tuhost byly při jejich konstrukci klíčové, aby bylo možné plout maximální rychlostí a odolávat vlivům vln a dalších prvků mořského prostředí.

Epoxidové kompozity vyztužené uhlíkovými vlákny se běžně používají pro trupy, rámy, kýly, stěžně, tyče a výložníky, bubny navijáků a hřídele s voštinovým nebo pěnovým jádrem. Použití FRP pomáhá zlepšit výkon a minimalizovat riziko navigačních závad a poruch za různých mezinárodních plavebních podmínek.

8

Pole potrubního systému

Kompozitní potrubní systémy se v chemických závodech používají již více než 25 let. Používání kompozitních materiálů v průmyslových aplikacích se rozšířilo v 70. letech 20. století. Dnes se instalace kompozitních potrubí a nádrží rozšiřují v nadzemních i podzemních, komerčních, komunálních a rezidenčních aplikacích. Levný zemní plyn dále rozšiřuje trh s výstavbou nových chemických zařízení a rozšiřováním starších zařízení.

Mezi typické aplikace a produkty kompozitních trubek patří:

kontrola znečištění ovzduší

akvakultury

chemické zpracování

odsolování

Ropa a zemní plyn

Čištění vod a odpadních vod

potrubí

Armatury a vložky

Potrubní systém

Obložení palivové nádrže

nádrž na olej

Procesní kontejner

Pračka

ventil

9

Sportovní a rekreační hřiště

Uhlíková vlákna byla vždy prominentní v oblasti sportovního zboží, od závodů přes lyžování, golf, rybaření až po tenis, a uhlíková vlákna se hojně používají. S rostoucí popularitou a klesající cenou uhlíkových vláken se stále více používají ve sportovním zboží.

Uhlíková vlákna se nyní používají v mnoha raketách, snowboardech, saních, hokejkách, rybářských prutech, golfových holích, jízdních kolech, surfových prknech, dracích, botách a dalších sportovních produktech.

Uhlíková vlákna ve sportu a volném čase

V současné době 7 z 10 nejoblíbenějších outdoorových sportů a volnočasových aktivit využívá kompozitní materiály. Kompozity vyztužené skelnými vlákny a uhlíkovými vlákny nadále nahrazují dřevo a kov v rybářských prutech, tenisových raketách, nosnících/hřídelích pro kajaková pádla, stěžních a prknech pro windsurfing, hokejkách, dracích a řídítkách jízdních kol.

10

V dopravním průmyslu existuje trend používání větších vozidel. Ať už se jedná o autobus, vlak nebo kloubový nákladní vůz, myšlenka je jednoduchá: přepravit více nákladu. Úkolem je najít způsoby, jak bezpečně přepravovat větší náklady a zároveň šetřit palivo a snižovat dopad na životní prostředí. Kompozity nabízejí na tuto výzvu působivou odpověď.