3 причины, по которым высокотехнологичные композиты заменяют традиционные материалы

Многочисленные достижения науки и техники привели к выводу, что свойства композитных материалов часто превосходят более традиционные варианты. Вот некоторые из преимуществ, которые делают их такими многообещающими.

1. Повышение устойчивости

Глобальное внимание сосредоточено на неотложных вопросах, таких как изменение климата и чрезмерное производство отходов. Люди все больше озабочены разработкой устойчивых материалов для замены тех, которые, вероятно, чаще выбрасываются. Многие экологически чистые композитные материалы могут удовлетворить эту потребность.

Поддающиеся ремонту компоненты из углеродного волокна для увеличения срока службы

Композиты из углеродного волокна являются популярной альтернативой обычным металлам, используемым для всего, от деталей самолетов до клюшек для гольфа. Однако большинство из них практически невозможно починить или переработать после того, как они сломаются.

Новое достижение исследователей из Вашингтонского университета может преодолеть этот недостаток. Команда создала новый материал, такой же легкий и прочный, как обычные композиты из углеродного волокна, но легко ремонтируемый, если он треснет. Люди могут неоднократно устранять повреждения традиционным способом или с помощью радиочастотного нагрева.

Этот материал относится к относительно новой категории, называемой витримерами, армированными углеродным волокном (vCFRP). Другие типы композитов из углеродного волокна делятся на две основные группы. Первый тип содержит эпоксидную смолу, придающую постоянную твердость. Те, что относятся ко второй категории, имеют более мягкий клей, который позволяет разбивать материал для повторной обработки, но за счет снижения прочности и жесткости. Однако vCFRP позволяет связывать, отменять и повторно связывать без таких компромиссов.

Компонент из углеродного волокна для сокращения выбросов в салоне автомобиля

В другом случае повышения экологичности благодаря достижениям в области композитных материалов из углеродного волокна швейцарская компания заменила девять внутренних компонентов автомобилей, обычно используемых в автоспорте, на более экологичный композитный материал из натурального волокна. Это привело к сокращению выбросов материалов на 94 % и сокращению выбросов от колыбели до ворот на 90 %.

Еще одним преимуществом композитных материалов является то, что они могут превзойти свои первоначальные свойства, такие как регенерированная древесина, обработанная для повышения термостойкости. Это означает, что люди могут быть удивлены, когда узнают больше о том, как композиты могут изменить характеристики обычных материалов, которые, как им казалось, они хорошо знали.

Это лишь некоторые из многих примеров того, как эти футуристические композитные материалы могут внести свой вклад во всемирные усилия по повышению устойчивости. Лидеры бизнеса могут даже использовать их в качестве аргументов, чтобы показать, что экологическая устойчивость влияет на деятельность компании. Например, производители ветряных турбин, которые их используют, отдают предпочтение длительной отказоустойчивости, а не преждевременной отправке предметов на свалки.

2. Улучшение основных процессов

Люди, работающие с композитными материалами, часто исследуют, как они могут помочь пользователям улучшить свои процессы. Например, композитные шурупы являются обычным выбором для сборки настила, потому что они обычно более плотные, чем традиционные деревянные версии. У них также более тонкая резьба и сравнительно меньшие головки, что облегчает их забивание в настил.

Улучшение винтов может сэкономить трудозатраты и увеличить шансы на получение отличных результатов, и это только один пример. Способы улучшения существующего процесса могут стать очевидными практически на любой стадии, от разработки продукта до проверки его качества.

Роботы помогают в производстве композитных лопастей вентилятора

Большая часть текущей работы, связанной с композитными материалами, касается футуристических подходов, таких как применение робототехники и машинного обучения для разработки.

Например, у Rolls-Royce есть новое специальное предприятие для разработки новых композитных материалов. Один из подходов касается использования роботов для изготовления композитных лопастей вентиляторов, используемых в реактивных двигателях.

Композитный материал из углеродного волокна укладывается слоями на форму корпуса вентилятора

Каждый компонент состоит примерно из 500 слоев углеродного волокна, каждый из которых наносится в ходе полностью автоматизированного процесса под контролем заводских рабочих. Роботы поднимают и перемещают детали между станциями сборочной линии, обеспечивая бесперебойную и эффективную работу.

Машинное обучение может улучшить тестирование композитов

Исследователи также надеются использовать машинное обучение, чтобы добиться прогресса в методах, обычно применяемых для проверки композитных материалов на наличие дефектов. Наиболее популярными традиционными методами являются рентгенологическое и ультразвуковое исследования. Однако у обоих из них есть свои недостатки, побуждающие исследователей устранять ограничения.

Рассел Варли — профессор композитных материалов в Carbon Nexus, исследовательском производственном центре в Австралии. Он сказал:«Понимание и разработка методов анализа следующего поколения для неразрушающего контроля композитных изделий имеет большой потенциал для преобразования отрасли».

Организация предоставила исследовательский грант для этого проекта, чтобы выяснить, может ли машинное обучение решить некоторые известные проблемы сложного тестирования. Например, использование рентгеновских методов требует больших капиталовложений и операционных вложений.

Эти тематические исследования не означают, что люди перестали пытаться улучшить процессы, связанные с традиционными материалами. Тем не менее, постоянный высокий интерес к композитам со стороны специалистов по материалам во всем мире заставляет большую часть исследований сосредоточиться на новых вариантах, изготовленных как минимум из двух составляющих материалов.

Высокотехнологичные композиты меняют цвет, чтобы показать дефекты

Два предыдущих примера в этом разделе показывают, как композитные материалы часто согласуются с усилиями по внедрению Индустрии 4.0. Тем не менее, есть также увлекательная работа по ускорению фабричных процессов самими материалами.

Исследователи разработали композитный ламинат, который меняет цвет в ответ на деформацию. По их мнению, это позволит обнаруживать проблемы на более ранних стадиях и предупреждать людей о возможных материальных отказах. Люди до сих пор использовали материал только в лаборатории. Однако, если она будет работать так, как надеются разработчики, инновация может улучшить процессы во многих отношениях.

Например, это может помешать рабочим производить композитные детали с внутренними недостатками и свести к минимуму отзыв продукции в будущем. Команда также сообщила, что их новый материал, состоящий из слоев, является ударопрочным и легким. Поскольку это одни из наиболее желательных свойств композитов, это изобретение может иметь широкое применение и привлекательность.

3. Дальнейшие улучшения на основе материалов

Еще одним преимуществом композитных материалов является то, что они позволяют инженерам и ученым разрабатывать новые варианты, которые удовлетворяют потребности, не удовлетворяемые традиционными решениями. Люди всегда ищут осуществимые способы улучшения продуктов. Композиты часто указывают путь вперед.

Новый композитный материал из нетканых материалов

Нетканые материалы получают из связующего волокна, не требующего вязания или ткачества. Исследователи недавно создали новый композитный материал, который попадает в эту категорию. Они считают, что их инновация может быть идеальной для медицинских изделий, таких как бинты и маски.

Создание материала, который может находиться в контакте с кожей людей часами и более, требует тщательного обдумывания желаемых свойств композитных материалов. В данном случае команда хотела воздухопроницаемости и водопоглощения. Они также хотели включить хлопок для комфорта.

Испытания показали, что новая ткань лучше впитывает влагу, чем традиционные варианты. Он также хорошо показал себя в тестах на растяжение, предполагая, что материал хорошо выдержит многократное использование. Команда признала, что, хотя другие варианты обладают хорошей воздухопроницаемостью и способностью растягиваться, добавление хлопка должно дать еще одно заметное преимущество.

Высокотехнологичный материал может уменьшить проблемы с треснутыми экранами телефонов

Поскольку экраны являются такими необходимыми частями современных смартфонов, многие люди прилагают большие усилия для их защиты. Например, даже когда производители устанавливают сверхпрочное стекло, многие владельцы смартфонов также добавляют защитные пленки на экран или вставляют свои устройства в специальные чехлы для дополнительного спокойствия. Однако инновация, связанная с композитным стеклом, может уменьшить потребность в этих дополнительных шагах.

Результатом проекта международной исследовательской группы стал стеклянный композит, который может свести к минимуму поломку экрана и обеспечить более яркий дисплей. Материалы основаны на перовскитах галогенида свинца, которые работают как миниатюрные солнечные батареи, потому что они улавливают и сохраняют энергию. Основной подход заключается в том, чтобы завернуть нанокристаллы в пористое стекло.

Этот метод должен улучшить существующие технологии нанокристаллов, используемые для экранов устройств. Группа, работающая над этим проектом, предупредила, что, хотя они считают свои методы масштабируемыми, предстоит еще много работы. Им нужно найти наилучшие способы создания материалов с нужными свойствами.

Высокотехнологичные материалы многообещающие

Это лишь некоторые из многих преимуществ композитных материалов, которые вдохновляют людей на то, что их ждет в будущем. Традиционные материалы по-прежнему используются во многих случаях, но эти примеры показывают преимущества работы с композитами для получения конкретных результатов.