زمینه استفاده از مواد کامپوزیت

مواد کامپوزیتی با ترکیب دو یا چند ماده دیگر تهیه می‌شوند، به طوری که یکدیگر را تکمیل و بهبود بخشند، در عین حال ویژگی‌های منحصر به فرد خود را در محصول نهایی حفظ کنند.

دستگاه اکستروژن ورق پلاستیک

ماشین آلات بازیافت پلاستیک

مواد کامپوزیتی به دلیل عملکرد عالی خود، به طور گسترده در زمینه‌های مختلف مورد استفاده قرار گرفته‌اند و این مجموعه مقالات، فهرست جامعی از زمینه‌های کاربردی اصلی مواد کامپوزیتی، از جمله: هوافضا، صنعت خودرو، ساخت و ساز، انرژی، ذخیره‌سازی انرژی، زیرساخت‌ها، دریایی، خطوط لوله و مخازن ذخیره‌سازی، ورزش و سرگرمی، حمل و نقل و ده زمینه دیگر را در بر می‌گیرد.

1

هوافضا

تولیدکنندگان اصلی تجهیزات اصلی (OEM) هوانوردی مانند ایرباس اروپا و بوئینگ آمریکا پتانسیل استفاده از کامپوزیت‌ها در مقیاس بزرگ در هوانوردی را نشان داده‌اند، در حالی که ناسا به دنبال تولیدکنندگان کامپوزیت برای موشک‌ها و سایر فضاپیماها با راه‌حل‌های نوآورانه کامپوزیت بوده است.

نسبت مواد کامپوزیت در هر نسل جدید از هواپیماهای توسعه‌یافته توسط بوئینگ افزایش یافته است و نسبت مواد کامپوزیت در بوئینگ ۷۸۷ دریم‌لاینر از ۵۰٪ فراتر رفته است. اجزای ساختاری اصلی بوئینگ ۷۸۷ دریم‌لاینر از کامپوزیت‌های «ساندویچی» فیبر کربن بیشتر و لمینت‌های فیبر کربن پیشرفته ساخته شده‌اند و از کامپوزیت‌های فایبرگلاس قدیمی فاصله گرفته‌اند.

از سوی دیگر، الیاف آرامید به طور گسترده در ساخت مجموعه بال‌های لبه حمله و فرار و همچنین دیواره‌های بسیار سفت و بسیار سبک، مخازن سوخت و کف هواپیما استفاده می‌شوند. علاوه بر این، مواد کامپوزیتی پیشرفته متشکل از الیاف با استحکام بالا و صلب که در مواد ماتریس رایج جاسازی شده‌اند نیز به طور گسترده در صنعت هوافضا مورد استفاده قرار می‌گیرند.

2

صنعت خودرو

صنعت خودرو، به عنوان بزرگترین بازار مصرف نهایی مواد کامپوزیتی، با مواد کامپوزیتی غریبه نیست. مواد کامپوزیتی علاوه بر پیشگامی در طراحی خودرو، به سبک‌تر و کم‌مصرف‌تر شدن خودروها کمک می‌کنند. خودروها به مکانیزم‌های قابل اعتماد و هماهنگ با اجزایی نیاز دارند که بتوانند در برابر اصطکاک، خوردگی و نوسانات دما مقاومت کنند.

عدم دقت در طراحی یا تولید بر عملکرد تأثیر می‌گذارد و می‌تواند برای تولیدکننده هزینه داشته باشد. در مقایسه با فولاد فلزی، عملکرد مواد کامپوزیتی مطابق با نیازهای صنعت خودرو است و از آن فراتر می‌رود. این خواص منحصر به فرد عبارتند از:

ضریب انبساط حرارتی پایین

پایداری ابعادی عالی برای حفظ شکل و قابلیت اطمینان

مقاومت در برابر خوردگی در شرایط مرطوب و خشک

استحکام ضربه بالا برای مقاومت در برابر استفاده مکرر

وزن نسبتاً سبک برای کاهش جرم کلی خودرو

عایق صوتی بهتر و عملکرد بهتر

قابلیت رنگ‌آمیزی، شامل توانایی برآورده کردن الزامات سطح کلاس A، فرآیندهای رنگ‌آمیزی و پخت

تولید آسان و هزینه نسبتاً پایین

کاربردهای معمول مواد کامپوزیت در سازه‌های داخلی و خارجی خودرو

مواد کامپوزیت به طور گسترده در مجموعه‌ای از قطعات ساختاری خودرو، از محفظه چراغ‌های جلو گرفته تا اجزای عایق الکتریکی و حرارتی زیر کاپوت، قطعات بدنه خودرو، سازه‌های داخلی و قطعات تزئینی، مورد استفاده قرار گرفته‌اند. کاربردهای رایج مواد کامپوزیت در قطعات خودرو در زیر فهرست شده است:

منحرف‌کننده‌ها و اسپویلرها

منیفولد مصرفی

قاب و پوشش باتری

سپرها و تیرهای سپر

پوشش سرسیلندرها (مثلاً سوپاپ‌ها، بازوهای اسبک‌دار، بادامک‌ها)

قاب پنجره/سانروف

صفحه بازکننده گریل جلو

محفظه چراغ جلو

سپرهای حرارتی (مثلاً موتور، گیربکس)

ستون‌ها و پوشش‌ها

3

بخش ساخت و ساز

جامعه ساخت و ساز در حال تجربه رشد قابل توجهی در درک و استفاده از مواد کامپوزیت است. کامپوزیت‌ها در پروژه‌های بزرگ، عملکرد و ارزش بالایی را برای معماران و طراحان فراهم می‌کنند و استفاده از آنها در ساخت و سازهای تجاری و مسکونی رو به افزایش است.

در مقاله‌ای که اخیراً منتشر شده است، گروه پالاری جوامع و خانه‌های پایدار چاپ سه‌بعدی می‌سازد. مایتی بیلدینگز یک شرکت فناوری ساخت‌وساز است که از چاپ سه‌بعدی، رباتیک و اتوماسیون برای ایجاد خانه‌های مقرون‌به‌صرفه و پایدار استفاده می‌کند. بلوک سازنده اساسی این خانه، مایتی پنل است، یک پنل کامپوزیت پلیمری ۱۰۰٪ چاپ سه‌بعدی با سازه، عایق، ادغام MEP، مانع هوا/رطوبت/آتش و پرداخت‌های داخلی/خارجی. مایتی بیلدینگز پنل‌های جداگانه را در کارخانه خود چاپ می‌کند، سپس آنها را در محل ساخت‌وساز به صورت خانه مونتاژ می‌کند.

در ساخت و ساز، خواص بالای استحکام فیبر کربن نقش مثبتی ایفا می‌کند. فیبر کربن بسیار قوی، نرم و به راحتی قابل نصب است و می‌توان از آن برای تعمیر و تقویت ساختمان‌ها استفاده کرد تا آنها را شبیه ساختمان‌های نوساز جلوه دهد. لمینت‌های فیبر کربن به طور گسترده برای افزایش تحمل بار کف و ستون‌ها استفاده می‌شوند. علاوه بر این، فیبر کربن در برابر آسیب زلزله مقاوم است، بنابراین می‌توان از آن برای تقویت سازه ساختمان‌های جدید و به عنوان جایگزینی برای فولاد پیش‌ساخته نیز استفاده کرد.

4

میدان ذخیره انرژی

کامپوزیت‌های ذخیره‌سازی انرژی چندمنظوره (MESCs) با تعبیه لایه‌های باتری در ساختار، با پرچ‌های در هم تنیده که لایه‌های باتری را محکم می‌کنند، توسعه می‌یابند و به بهبود خواص مکانیکی کمک می‌کنند. آزمایش‌های تجربی نشان می‌دهد که MESCها می‌توانند رفتار الکتروشیمیایی قابل مقایسه‌ای با سایر مواد داشته باشند. در مقایسه با سلول‌های کیسه‌ای، MESCها با راندمان کپسوله‌سازی ۶۰٪، به سختی مکانیکی ۱۵ برابر بیشتر دست می‌یابند.

سایر کاربردهای کامپوزیت‌ها در ذخیره‌سازی انرژی عبارتند از:

مخازن هیدروژن برای هوافضا

سیستم پیل سوختی هیدروژنی

باتری از جنس کامپوزیت طبیعی

5

حوزه زیرساخت

به طور دقیق، هیچ تمایز دقیقی بین زیرساخت‌ها و ساختمان‌ها وجود ندارد. در سال‌های اخیر، با ظهور مواد کامپوزیت سازه‌ای جدید، کم‌هزینه و با عملکرد بالا، ساخت زیرساخت‌ها وارد مرحله جدیدی شده است. پلاستیک تقویت‌شده با الیاف (FRP) نه تنها می‌تواند جایگزین فولاد در بسیاری از سازه‌های باربر شود، بلکه تقویت تیرهای بتنی با پلاستیک تقویت‌شده با الیاف (FRP) که به صورت داخلی یا خارجی متصل شده‌اند نیز امکان‌پذیر بوده است.

کامپوزیت‌های ساخته شده از شیشه، آرامید یا الیاف کربن به طور فزاینده‌ای برای پیش‌تنیدگی، پس‌تنیدگی یا تقویت بتن در نظر گرفته می‌شوند. برای جایگزینی میلگردهای خورده شده، سیستم‌های FRP در نهایت ممکن است در عرشه‌های پل بتنی یا سایر سازه‌های کف بتنی در فضای باز استفاده شوند.

مقاومت در برابر خوردگی یکی از عوامل اصلی جذابیت فیبر کربن در بخش زیرساخت‌ها است. فیبر کربن دچار خوردگی و زنگ‌زدگی نمی‌شود، بنابراین می‌توان لایه بتن فیبر کربنی را تا حد زیادی نازک کرد، زیرا نیازی به در نظر گرفتن خاصیت ضد خوردگی مانند هسته فولادی نیست که میزان بتن مورد استفاده در ساختمان را تا حد زیادی کاهش می‌دهد و همچنین مزایای دیگری مانند کاهش هزینه‌ها و سرعت بخشیدن به پیشرفت ساخت و ساز، کوتاه کردن زمان خشک شدن و غیره دارد. علاوه بر این، به دلیل رسانایی الکتریکی خوب، فیبر کربن می‌تواند برای محافظت در برابر تداخل الکترومغناطیسی استفاده شود، می‌تواند اطلاعات پارامترهای ساختمان را منتقل کند و به بخش جدایی‌ناپذیر ساختمان‌های هوشمند تبدیل شود.

6

میدان انرژی جدید

استفاده از مواد کامپوزیتی در انرژی‌های تجدیدپذیر با ایجاد سازه‌هایی که می‌توانند انرژی پایدار را مهار کنند، نقش فزاینده‌ای ایفا خواهد کرد. وزن کمتر، هزینه‌های حمل و نقل و نصب کمتر و از همه مهمتر، هزینه‌های نگهداری کمتر در طول عمر سازه در مقایسه با سازه‌های فلزی، کامپوزیت‌ها را به عنوان ماده بالفعل برای پروژه‌های بزرگ قرار داده است. ارائه راه‌حل‌های اقتصادی.

وزن سبک و شکل پیچیده پره‌های توربین بادی، کامپوزیت‌ها را به پیشگام این حوزه تبدیل کرده است، چرا که از قالب‌هایی استفاده می‌کنند که برای تولید اقتصادی پره‌ها با حداقل نیروی کار طراحی شده‌اند. تحقیق و توسعه فعلی با هدف برآورده کردن اندازه افزایش یافته مورد نیاز برای پره‌های توربین و روتور برای سیستم‌های زمینی و فراساحلی انجام می‌شود.

7

میدان اقیانوس

برای دهه‌ها، کامپوزیت‌های FRP با موفقیت در کاربردهای دریایی مانند رادوم‌ها و سازه‌های جرمی، قایق‌های تفریحی بزرگ، قایق‌های کاری و تفریحی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. اخیراً، FRP در کاربردهای کمتر شناخته شده‌ای مانند یاتاقان‌ها، پروانه‌ها، دریچه‌های تجاری، اگزوزها و سازه‌های سقف نیز مورد استفاده قرار گرفته است.

استفاده از کامپوزیت‌های الیاف شیشه در کاربردهای دریایی یکی از اولین حوزه‌های مهم کاربرد GRP بود. این ماده انقلابی در توانایی طراحی و ساخت سازه‌های کامپوزیتی بزرگ در حوزه‌های مختلف ایجاد کرده است. این قایق در بریتانیا با استفاده از فرآیندهای متنوعی از جمله GRP دست‌ساز، تزریق رزین، ترموپلاستیک و الیاف کربن پیش‌آغشته با کارایی بالا برای قایق‌های تفریحی مسابقه‌ای تولید می‌شود.

مزایای اصلی GRP در کاربردهای دریایی عبارتند از:

مقاومت محیطی، از جمله عدم پوسیدگی، مقاومت در برابر خوردگی و غیره

قابلیت پردازش سازه‌های یکپارچه و با شکل پیچیده

قابلیت تنظیم قدرت متناسب با شرایط بار

خواص عالی نسبت استحکام به وزن - سازه‌های دریایی GRP معمولاً نصف وزن سازه‌های فولادی معادل خود را دارند.

نگهداری کم و تعمیر آسان

دوام عالی

قایق‌های پارویی بیش از هر سازه دریایی دیگری از مواد کامپوزیتی استفاده می‌کنند. به دلیل الزامات خاص، مواد مورد استفاده، مصالح ساختمانی دریایی معمولی نیستند. حداقل وزن و حداکثر سختی در طراحی آن بسیار مهم بود تا بتواند با حداکثر سرعت حرکت کند و در برابر اثرات امواج و سایر عناصر محیط دریایی مقاومت کند.

کامپوزیت‌های اپوکسی تقویت‌شده با الیاف کربن معمولاً برای بدنه‌های لانه‌زنبوری یا فومی، قاب‌ها، تیرک‌ها، دکل‌ها، میله‌ها و بوم‌ها، درام‌های وینچ کربنی و شفت‌ها استفاده می‌شوند. استفاده از FRP به بهبود عملکرد و به حداقل رساندن خطر نقص‌ها و خرابی‌های ناوبری در شرایط مختلف دریانوردی بین‌المللی کمک می‌کند.

8

میدان سیستم لوله کشی

سیستم‌های لوله‌کشی کامپوزیتی بیش از ۲۵ سال است که در کارخانه‌های شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرند. استفاده از مواد کامپوزیتی در کاربردهای صنعتی در دهه ۱۹۷۰ رواج یافت. امروزه، لوله‌کشی و نصب مخازن کامپوزیتی در کاربردهای رو زمینی و زیر زمینی، تجاری، شهری و مسکونی رو به افزایش است. گاز طبیعی کم‌هزینه با توسعه تأسیسات شیمیایی جدید و گسترش تأسیسات قدیمی، بازار را بیش از پیش گسترش می‌دهد.

کاربردها و محصولات معمول لوله‌های کامپوزیتی عبارتند از:

کنترل آلودگی هوا

آبزی پروری

شیمیایی

آب شیرین کن

نفت و گاز طبیعی

آب و فاضلاب درمان

خط لوله

اتصالات و آسترها

سیستم خط لوله

پوشش مخزن سوخت

مخزن ذخیره روغن

ظرف فرآیند

نظیف کننده

دریچه

9

حوزه ورزش و تفریح

فیبر کربن همیشه در زمینه لوازم ورزشی برجسته بوده است، از مسابقات اتومبیل رانی گرفته تا اسکی، گلف، ماهیگیری و تنیس، فیبر کربن کاربرد گسترده ای داشته است. با افزایش محبوبیت و کاهش قیمت فیبر کربن، استفاده از آن در لوازم ورزشی بیشتر شده است.

فیبر کربن اکنون در بسیاری از راکت‌ها، اسنوبردها، سورتمه‌ها، چوب‌های هاکی، چوب‌های ماهیگیری، چوب‌های گلف، دوچرخه‌ها، تخته‌های موج‌سواری، بادبادک‌ها، کفش‌ها و سایر محصولات ورزشی استفاده می‌شود.

فیبر کربن در ورزش و اوقات فراغت

در حال حاضر، از 10 ورزش و فعالیت تفریحی پرطرفدار در فضای باز، 7 مورد از مواد کامپوزیتی استفاده می‌کنند. کامپوزیت‌های تقویت‌شده با الیاف فایبرگلاس و کربن همچنان جایگزین چوب و فلز در چوب ماهیگیری، راکت تنیس، میله/میله برای پاروهای کایاک، دکل و تخته موج‌سواری، چوب هاکی، کایت و دسته فرمان دوچرخه می‌شوند.

10

حمل و نقل

در صنعت حمل و نقل، روندی برای استفاده از وسایل نقلیه بزرگتر وجود دارد. چه اتوبوس، قطار یا کامیون کمرشکن باشد، ایده ساده است: حمل بار بیشتر. چالش، یافتن راه‌هایی برای حمل ایمن بارهای بزرگتر در عین صرفه‌جویی در مصرف سوخت و کاهش اثرات زیست‌محیطی است. کامپوزیت‌ها پاسخی چشمگیر به این چالش ارائه می‌دهند.