高性能復(fù)合材料的十大常見應(yīng)用領(lǐng)域

復(fù)合材料是通過將兩種或多種其他材料結(jié)合在一起制備而成的，因此它們可以互為補充、互相改善，但在最終產(chǎn)品中也會保持自己的獨特特征。 由于具有優(yōu)異的性能，復(fù)合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，而本期系列文章將全面盤點復(fù)合材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域，其中包括：航空航天、汽車工業(yè)、建筑、能源、儲能、基礎(chǔ)設(shè)施、海洋、管道和儲罐、體育與娛樂、運輸?shù)仁箢I(lǐng)域。

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航空航天領(lǐng)域

歐洲空客（Airbus）和美國波音（Boeing）等主要航空原始設(shè)備制造商已顯示出在航空領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用復(fù)合材料的潛力，而美國宇航局（NASA）則一直在尋求復(fù)合材料制造商為火箭和其他航天器提供創(chuàng)新的復(fù)合材料解決方案。

波音公司開發(fā)的每一代新飛機中復(fù)合材料的比例都在增加，其中波音787夢幻客機的復(fù)合材料比例最高超過了50%。波音787夢幻客機的主要結(jié)構(gòu)部件是由更多的碳纖維“夾芯”復(fù)合材料和先進的碳纖維層壓材料制成的，從而擺脫了陳舊的玻璃纖維復(fù)合材料。 另一方面，芳綸纖維廣泛用于建造前緣和后緣機翼組件以及非常堅硬、非常輕的艙壁、燃料箱和地板。此外，由嵌入普通基體材料中的高強度剛性纖維組合而成的先進復(fù)合材料也廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)。

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汽車工業(yè)領(lǐng)域

作為最大的復(fù)合材料終端應(yīng)用市場，汽車行業(yè)對復(fù)合材料并不陌生。除了開創(chuàng)性的車輛設(shè)計，復(fù)合材料還有助于使車輛更輕、更省油。汽車需要可靠、同步的機構(gòu)，其部件能夠承受摩擦、腐蝕和溫度波動。 設(shè)計或生產(chǎn)中的不準確將影響性能，并可能造成制造商的業(yè)務(wù)損失。與金屬鋼相比，復(fù)合材料的性能能夠滿足并超過汽車行業(yè)的需求。這些獨特的性能包括：

低熱膨脹系數(shù)

優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性，可保持形狀和可靠性

在潮濕和干燥條件下的耐腐蝕性能

高沖擊強度，可承受重復(fù)使用

相對較輕的重量，以減少車輛的整體質(zhì)量

隔音效果更好，性能更佳

對油漆的接受性，包括滿足A級表面要求、油漆和烘烤工藝的能力

易于制造，成本相對較低

復(fù)合材料在汽車內(nèi)外部結(jié)構(gòu)中典型應(yīng)用 截至目前，復(fù)合材料已經(jīng)廣泛用于一系列汽車結(jié)構(gòu)零部件，從前照燈的前照燈外殼到發(fā)動機罩下的電氣和隔熱部件，再到汽車車身外部零件、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和裝飾部件。以下列舉復(fù)合材料在汽車零部件中的常見應(yīng)用：

導(dǎo)流板和擾流板

進氣歧管

電池外殼和蓋

保險杠和保險杠橫梁

氣缸蓋（如氣門、搖臂、凸輪）蓋

車窗/天窗框架

前端格柵開口板

前向前照燈的殼體

隔熱板（例如發(fā)動機、變速器）

支柱和覆蓋物

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建筑領(lǐng)域

建筑界在對復(fù)合材料的理解和使用方面正經(jīng)歷大幅的增長。復(fù)合材料在大型項目中為建筑師和設(shè)計師提供了高性能和價值，并且它們在商業(yè)和住宅建筑中的使用越來越多。 在最近的一篇文章中，Palari Group 建立了可持續(xù)的 3D 打印社區(qū)和房屋。Mighty Buildings 是一家建筑技術(shù)公司，使用 3D 打印、機器人技術(shù)和自動化技術(shù)打造了經(jīng)濟實惠且可持續(xù)的住宅。房屋的基本組成部分是 Mighty Panel，這是一種 3D 打印的 100% 聚合物復(fù)合材料板，具有結(jié)構(gòu)、絕緣、MEP 集成、空氣/濕氣/防火屏障和內(nèi)部/外部飾面。Mighty Buildings 在其工廠打印單個面板，然后在建筑工地將它們組裝成房屋。 在建筑領(lǐng)域，碳纖維的高強度特性正在發(fā)揮積極作用。碳纖維強度極高、柔軟易鋪，可用于修補加固建筑物，使其如同全新建筑物。碳纖維層壓板廣泛用于提高樓板和柱子的承重。此外，碳纖維可以抵抗地震損壞，因此還可用于新建建筑物的結(jié)構(gòu)加固，也可以作為鋼筋預(yù)制件的替代品。

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儲能領(lǐng)域

多功能儲能復(fù)合材料 (MESC)是通過將電池層嵌入結(jié)構(gòu)中，互鎖鉚釘固定電池層，有助于提高機械性能。實驗測試顯示：MESC 可具有與其他材料相當?shù)碾娀瘜W(xué)行為。而與軟包電池相比，在 60% 的封裝效率下，MESC 獲得了 15 倍的機械剛度。

復(fù)合材料在儲能領(lǐng)域的其他代表性應(yīng)用包括：

航空航天用氫氣罐

氫燃料電池系統(tǒng)

天然復(fù)合材料材質(zhì)電池

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基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域

嚴格意義上基礎(chǔ)設(shè)施與建筑兩者無嚴格區(qū)分，近年來隨著新型、低成本、高性能結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的出現(xiàn)，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已進入了一個新階段。纖維增強塑料 (FRP) 不僅可以在許多承重結(jié)構(gòu)中代替鋼材，而且用內(nèi)部或外部粘合的纖維增強塑料 (FRP) 加固混凝土梁也已被證明是可行的。 由玻璃纖維、芳綸或碳纖維制成的復(fù)合材料越來越多地被考慮用于預(yù)張緊、后張緊或增強混凝土。為了取代腐蝕鋼筋，F(xiàn)RP 系統(tǒng)最終可能用于混凝土橋面或其他室外混凝土地板結(jié)構(gòu)。 耐腐蝕特性是碳纖維在基建領(lǐng)域備受青睞的主要因素之一。碳纖維不會腐蝕生銹，因此碳纖維混凝土層可以減薄很多，因為不需要像鋼芯一樣考慮防腐，這樣極大減少了建筑物的混凝土使用量，同時還附帶其它益處，譬如減少成本，加快施工進度，縮短干燥時間等。此外，因為具有良好的導(dǎo)電性，碳纖維可用于屏蔽電磁干擾，可以傳遞樓宇參數(shù)信息，成為智能樓宇不可分割的一部分。

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新能源領(lǐng)域

通過制造能夠利用可持續(xù)能源的結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料在可再生能源中的使用將發(fā)揮越來越重要的作用。與金屬結(jié)構(gòu)相比，重量更輕、運輸和安裝成本更低，最重要的是，結(jié)構(gòu)整個生命周期內(nèi)的維護成本更低，這些因素已經(jīng)將復(fù)合材料定位為事實上的材料，可為大型項目提供經(jīng)濟的解決方案。

風力渦輪機葉片的輕量化和復(fù)雜的翼型形狀使復(fù)合材料成為該領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，使用的模具設(shè)計用于以最少的勞動力經(jīng)濟地制造葉片。目前的研究和開發(fā)旨在滿足陸基和離岸系統(tǒng)渦輪和轉(zhuǎn)子葉片所需的尺寸增加。

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海洋領(lǐng)域

幾十年來，F(xiàn)RP 復(fù)合材料已成功用于海洋應(yīng)用領(lǐng)域，例如雷達罩和質(zhì)量結(jié)構(gòu)、超級游艇、工作船和休閑船。最近，F(xiàn)RP已用于不太知名的應(yīng)用，例如軸承、螺旋槳、商業(yè)艙蓋、排氣裝置和頂部結(jié)構(gòu)。 玻璃纖維復(fù)合材料在海洋應(yīng)用中的使用是GRP應(yīng)用的第一個重要領(lǐng)域之一。它徹底改變了在多個領(lǐng)域設(shè)計和制造大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的能力。船舶在英國通過多種工藝制造，包括手工鋪設(shè)的 GRP、樹脂灌注、熱塑性塑料和用于競賽游艇的高性能碳纖維預(yù)浸料。 GRP 在船舶應(yīng)用中的主要優(yōu)點是：

耐環(huán)境性，包括免于腐爛、耐腐蝕等。

能夠加工無縫的、形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)

能夠調(diào)整強度以適應(yīng)負載條件

出色的強度重量特性——GRP 海洋結(jié)構(gòu)的重量通常是同等鋼結(jié)構(gòu)的一半。

低維護和易于維修

優(yōu)異的耐用性

賽艇比任何其他海洋結(jié)構(gòu)物更廣泛地使用復(fù)合材料。由于特殊要求，所用材料不是典型的海洋建筑材料。最小重量和最大剛度在其設(shè)計中至關(guān)重要，以便能夠以最大速度航行，并抵抗海浪和海洋環(huán)境中其他因素的影響。 碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料通常用于以蜂窩或泡沫為芯的船體、框架、龍骨、桅桿、桿和吊桿、碳絞盤卷筒和軸系。在不同的國際航行條件下，使用FRP有助于提高性能，并將航行缺陷和故障的危險降至最低。

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管道系統(tǒng)領(lǐng)域

復(fù)合材料管道系統(tǒng)在化工廠中的應(yīng)用已經(jīng)超過 25 年。20世紀70年代，復(fù)合材料在工業(yè)應(yīng)用中的使用變得廣泛。如今，復(fù)合材料管道和儲罐的安裝在地上和地下、商業(yè)、市政和住宅應(yīng)用中呈上升趨勢。隨著新化工設(shè)施的開發(fā)和舊設(shè)施的擴大，低成本天然氣正在進一步擴大市場。 復(fù)合材料管道典型應(yīng)用及產(chǎn)品包括：

空氣污染控制

水產(chǎn)養(yǎng)殖

化學(xué)加工

海水淡化

石油和天然氣

水和廢水處理

管道

管件和襯里

管道系統(tǒng)

油箱內(nèi)襯

儲油罐

工藝容器

洗滌器

閥門

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運動休閑領(lǐng)域

一直以來，碳纖維在體育用品領(lǐng)域的表現(xiàn)都很突出，從賽車到滑雪、高爾夫、垂釣以及網(wǎng)球，碳纖維均得到廣泛應(yīng)用。隨著碳纖維日益普及以及價格回落，已在體育用品中得到更多應(yīng)用。 現(xiàn)在，許多球拍、滑雪板、雪橇、曲棍球棍、釣竿、高爾夫球桿、自行車、沖浪板、風箏、鞋子以及其它體育產(chǎn)品均采用了碳纖維。 碳纖維在體育休閑領(lǐng)域應(yīng)用

目前，在10項最受歡迎的戶外運動和休閑活動中，有 7 種產(chǎn)品使用了復(fù)合材料。玻璃纖維和碳纖維增強復(fù)合材料繼續(xù)在釣魚竿、網(wǎng)球拍、皮劃艇槳的翼梁/軸、帆板桅桿和板、曲棍球棒、風箏和自行車車把中取代木材和金屬。

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交通運輸領(lǐng)域

運輸行業(yè)有一種趨勢是使用更大的車輛。無論是公共汽車、火車還是鉸接式卡車，想法都很簡單：攜帶更多的貨物。面臨的挑戰(zhàn)是找到安全承載更大負載的方法，同時節(jié)省燃料并減少對環(huán)境的影響。復(fù)合材料為這一挑戰(zhàn)提供了令人印象深刻的答案。

長期以來汽車和運輸行業(yè)在復(fù)合材料市場中占有較大份額，該行業(yè)致力于遵守嚴格的法規(guī)，例如美國和歐洲政府制定的平均燃油效率（CAFE）標準和歐洲排放標準（EES）。為了減少對全球氣候造成不利影響的二氧化碳（CO2）排放，這些地區(qū)的汽車制造商正在集中精力生產(chǎn)具有復(fù)合材料的輕型汽車，以符合政府法規(guī)并提高汽車的燃油效率。

審核編輯 ：李倩