高性能复合材料的十大常见应用领域

 

由于具有优异的性能，复合材料已经广泛应用于各个领域，而本期系列文章将全面盘点复合材料的主要应用领域，其中包括：航空航天、汽车工业、建筑、能源、储能、基础设施、海洋、管道和储罐、体育与娱乐、运输等十大领域。

欧洲空客（Airbus）和美国波音（Boeing）等主要航空原始设备制造商已显示出在航空领域大规模应用复合材料的潜力，而美国宇航局（NASA）则一直在寻求复合材料制造商为火箭和其他航天器提供创新的复合材料解决方案。

 

波音公司开发的每一代新飞机中复合材料的比例都在增加，其中波音787梦幻客机的复合材料比例最高超过了50%。波音787梦幻客机的主要结构部件是由更多的碳纤维“夹芯”复合材料和先进的碳纤维层压材料制成的，从而摆脱了陈旧的玻璃纤维复合材料。

 

另一方面，芳纶纤维广泛用于建造前缘和后缘机翼组件以及非常坚硬、非常轻的舱壁、燃料箱和地板。此外，由嵌入普通基体材料中的高强度刚性纤维组合而成的先进复合材料也广泛应用于航空航天工业。

 

作为最大的复合材料终端应用市场，汽车行业对复合材料并不陌生。除了开创性的车辆设计，复合材料还有助于使车辆更轻、更省油。汽车需要可靠、同步的机构，其部件能够承受摩擦、腐蚀和温度波动。

 

设计或生产中的不准确将影响性能，并可能造成制造商的业务损失。与金属钢相比，复合材料的性能能够满足并超过汽车行业的需求。这些独特的性能包括：

低热膨胀系数

优异的尺寸稳定性，可保持形状和可靠性

在潮湿和干燥条件下的耐腐蚀性能

高冲击强度，可承受重复使用

相对较轻的重量，以减少车辆的整体质量

隔音效果更好，性能更佳

对油漆的接受性，包括满足A级表面要求、油漆和烘烤工艺的能力

易于制造，成本相对较低

复合材料在汽车内外部结构中典型应用

 

截至目前，复合材料已经广泛用于一系列汽车结构零部件，从前照灯的前照灯外壳到发动机罩下的电气和隔热部件，再到汽车车身外部零件、内部结构和装饰部件。以下列举复合材料在汽车零部件中的常见应用：

导流板和扰流板

进气歧管

电池外壳和盖

保险杠和保险杠横梁

气缸盖（如气门、摇臂、凸轮）盖

车窗/天窗框架

前端格栅开口板

前向前照灯的壳体

隔热板（例如发动机、变速器）

支柱和覆盖物

建筑界在对复合材料的理解和使用方面正经历大幅的增长。复合材料在大型项目中为建筑师和设计师提供了高性能和价值，并且它们在商业和住宅建筑中的使用越来越多。

 

在最近的一篇文章中，Palari Group 建立了可持续的 3D 打印社区和房屋。Mighty Buildings 是一家建筑技术公司，使用 3D 打印、机器人技术和自动化技术打造了经济实惠且可持续的住宅。房屋的基本组成部分是 Mighty Panel，这是一种 3D 打印的 100% 聚合物复合材料板，具有结构、绝缘、MEP 集成、空气/湿气/防火屏障和内部/外部饰面。Mighty Buildings 在其工厂打印单个面板，然后在建筑工地将它们组装成房屋。

 

在建筑领域，碳纤维的高强度特性正在发挥积极作用。碳纤维强度极高、柔软易铺，可用于修补加固建筑物，使其如同全新建筑物。碳纤维层压板广泛用于提高楼板和柱子的承重。此外，碳纤维可以抵抗地震损坏，因此还可用于新建建筑物的结构加固，也可以作为钢筋预制件的替代品。

 

多功能储能复合材料 (MESC)是通过将电池层嵌入结构中，互锁铆钉固定电池层，有助于提高机械性能。实验测试显示：MESC 可具有与其他材料相当的电化学行为。而与软包电池相比，在 60% 的封装效率下，MESC 获得了 15 倍的机械刚度。

复合材料在储能领域的其他代表性应用包括：

航空航天用氢气罐

氢燃料电池系统

天然复合材料材质电池

 

严格意义上基础设施与建筑两者无严格区分，近年来随着新型、低成本、高性能结构复合材料的出现，基础设施建设已进入了一个新阶段。纤维增强塑料 (FRP) 不仅可以在许多承重结构中代替钢材，而且用内部或外部粘合的纤维增强塑料 (FRP) 加固混凝土梁也已被证明是可行的。

 

由玻璃纤维、芳纶或碳纤维制成的复合材料越来越多地被考虑用于预张紧、后张紧或增强混凝土。为了取代腐蚀钢筋，FRP 系统最终可能用于混凝土桥面或其他室外混凝土地板结构。

耐腐蚀特性是碳纤维在基建领域备受青睐的主要因素之一。碳纤维不会腐蚀生锈，因此碳纤维混凝土层可以减薄很多，因为不需要像钢芯一样考虑防腐，这样极大减少了建筑物的混凝土使用量，同时还附带其它益处，譬如减少成本，加快施工进度，缩短干燥时间等。此外，因为具有良好的导电性，碳纤维可用于屏蔽电磁干扰，可以传递楼宇参数信息，成为智能楼宇不可分割的一部分。

 

通过制造能够利用可持续能源的结构，复合材料在可再生能源中的使用将发挥越来越重要的作用。与金属结构相比，重量更轻、运输和安装成本更低，最重要的是，结构整个生命周期内的维护成本更低，这些因素已经将复合材料定位为事实上的材料，可为大型项目提供经济的解决方案。

风力涡轮机叶片的轻量化和复杂的翼型形状使复合材料成为该领域的领导者，使用的模具设计用于以最少的劳动力经济地制造叶片。目前的研究和开发旨在满足陆基和离岸系统涡轮和转子叶片所需的尺寸增加。

 

几十年来，FRP 复合材料已成功用于海洋应用领域，例如雷达罩和质量结构、超级游艇、工作船和休闲船。最近，FRP已用于不太知名的应用，例如轴承、螺旋桨、商业舱盖、排气装置和顶部结构。

玻璃纤维复合材料在海洋应用中的使用是GRP应用的第一个重要领域之一。它彻底改变了在多个领域设计和制造大型复合材料结构的能力。船舶在英国通过多种工艺制造，包括手工铺设的 GRP、树脂灌注、热塑性塑料和用于竞赛游艇的高性能碳纤维预浸料。

GRP 在船舶应用中的主要优点是：

耐环境性，包括免于腐烂、耐腐蚀等。

能够加工无缝的、形状复杂的结构

能够调整强度以适应负载条件

出色的强度重量特性——GRP 海洋结构的重量通常是同等钢结构的一半。

低维护和易于维修

优异的耐用性

 

赛艇比任何其他海洋结构物更广泛地使用复合材料。由于特殊要求，所用材料不是典型的海洋建筑材料。最小重量和最大刚度在其设计中至关重要，以便能够以最大速度航行，并抵抗海浪和海洋环境中其他因素的影响。

 

碳纤维增强环氧树脂复合材料通常用于以蜂窝或泡沫为芯的船体、框架、龙骨、桅杆、杆和吊杆、碳绞盘卷筒和轴系。在不同的国际航行条件下，使用FRP有助于提高性能，并将航行缺陷和故障的危险降至最低。

 

复合材料管道系统在化工厂中的应用已经超过 25 年。20世纪70年代，复合材料在工业应用中的使用变得广泛。如今，复合材料管道和储罐的安装在地上和地下、商业、市政和住宅应用中呈上升趋势。随着新化工设施的开发和旧设施的扩大，低成本天然气正在进一步扩大市场。

复合材料管道典型应用及产品包括：

空气污染控制

水产养殖

化学加工

海水淡化

石油和天然气

水和废水处理

管道

管件和衬里

管道系统

油箱内衬

储油罐

工艺容器

洗涤器

阀门

 

一直以来，碳纤维在体育用品领域的表现都很突出，从赛车到滑雪、高尔夫、垂钓以及网球，碳纤维均得到广泛应用。随着碳纤维日益普及以及价格回落，已在体育用品中得到更多应用。

 

现在，许多球拍、滑雪板、雪橇、曲棍球棍、钓竿、高尔夫球杆、自行车、冲浪板、风筝、鞋子以及其它体育产品均采用了碳纤维。

碳纤维在体育休闲领域应用

 

目前，在10项最受欢迎的户外运动和休闲活动中，有 7 种产品使用了复合材料。玻璃纤维和碳纤维增强复合材料继续在钓鱼竿、网球拍、皮划艇桨的翼梁/轴、帆板桅杆和板、曲棍球棒、风筝和自行车车把中取代木材和金属。

 

运输行业有一种趋势是使用更大的车辆。无论是公共汽车、火车还是铰接式卡车，想法都很简单：携带更多的货物。面临的挑战是找到安全承载更大负载的方法，同时节省燃料并减少对环境的影响。复合材料为这一挑战提供了令人印象深刻的答案。