Распространённые армирующие материалы?

Свернуть Армирующие материалы

Основные армирующие материалы, используемые в композитах на основе смол, включают стекловолокно, углеродное волокно арамида, волокна сверхвысокомолекулярного полиэтилена и другие.

Свернуть Стекловолокно

В настоящее время для высокопрочных композитных материалов используются в основном высокопрочное стекловолокно, кварцевое стекловолокно и высококремнезёмное стекловолокно. Поскольку высокопрочное стекловолокно обладает высокой стоимостью и эффективностью, его рост довольно быстрый, ежегодный прирост превышает 10%. Композиты на основе высокопрочного стекловолокна применяются не только в военной сфере, но и в гражданских продуктах, таких как бронежилеты, бронешлемы, лопасти вертолётов, радиолокационные обтекатели самолётов дальнего радиолокационного обнаружения, различные высоконапорные сосуды, плоские панели гражданских самолётов, спортивное оборудование, различные термостойкие изделия, а также недавно упомянутые высокоэффективные кордовые нити для шин. Кварцевое и высококремнезёмное стекловолокно относятся к термостойким стекловолокнам и являются идеальными термостойкими и огнеупорными материалами. Использование их для армирования фенольных смол позволяет изготавливать различные термостойкие и абразивостойкие композитные детали, широко применяемые в ракетной и ракетно-артиллерийской технике в качестве термозащитных материалов. На сегодняшний день из трёх основных армирующих волокон для высокопрочных композитов на основе смол — углеродного волокна, арамидного волокна и высокопрочного стекловолокна — только высокопрочное стекловолокно достигло международного передового уровня, обладает собственными интеллектуальными правами и сформировало маломасштабное производство с текущим годовым выпуском до 500 тонн.

Свернуть углеродное волокно

Углеродное волокно обладает высокой прочностью, модулем упругости, термостойкостью и электропроводностью, и в первую очередь широко применяется в аэрокосмической отрасли. В последние годы оно также широко используется в спортивном оборудовании. По прогнозам, в строительстве, транспорте, автомобилестроении и энергетике будет массово применяться промышленное углеродное волокно. В период с 1997 по 2000 год годовой прирост углеродного волокна для космических нужд оценивался в 31%, а для промышленного применения — до 130%. Общий уровень углеродного волокна в Китае пока сравнительно низок, соответствует уровню зарубежных стран 70-х годов прошлого века, отставая примерно на 20 лет. Основные проблемы отечественного углеродного волокна — нестабильные характеристики, высокий коэффициент разброса, отсутствие высокопроизводительных видов, ограниченный ассортимент, неполный набор спецификаций, недостаточная длина непрерывных волокон, отсутствие поверхностной обработки и высокая цена. Для более глубокого изучения углеродных композитов мы публиковали множество статей, которые можно изучить.

Свернуть Арамидное волокно

С 1980-х годов Нидерланды, Япония и бывший Советский Союз последовательно занимались разработкой арамидных волокон. Арамидные волокна из Японии и России уже вышли на рынок с ежегодным ростом около 20%. Арамидные волокна обладают высокой удельной прочностью и модулем упругости, поэтому широко применяются в высокопрочных композитных деталях аэрокосмической техники (например, корпуса ракетных двигателей, отсеки авиационных двигателей, обтекатели, рули направления), кораблях (авианосцы, атомные подводные лодки, яхты, спасательные шлюпки), автомобилях (кордовые нити для шин, высоконапорные шланги, фрикционные материалы, баллоны высокого давления), а также в термостойких транспортных лентах и спортивном оборудовании.

Свернуть Волокна сверхвысокомолекулярного полиэтилена

Волокна сверхвысокомолекулярного полиэтилена обладают наивысшей удельной прочностью среди всех волокон, особенно отличаясь стойкостью к химическим реагентам и старению. Они также обладают отличной проницаемостью для высокочастотного сонара и устойчивостью к коррозии в морской воде. Многие страны используют их для изготовления обтекателей высокочастотного сонара кораблей, значительно повышая их способности по обнаружению и обезвреживанию мин. Помимо военной сферы, эти волокна имеют широкие перспективы применения в автомобилестроении, судостроении, медицинском оборудовании и спортивном инвентаре. С момента появления они вызвали большой интерес и внимание развитых стран мира.

Свернуть Композиты на основе термореактивных смол

Композиты на основе термореактивных смол — это композиты, в которых в качестве матрицы используются термореактивные смолы, такие как ненасыщенные полиэфирные смолы эпоксидные смолы, фенольные смолы, винилэфирные смолы и другие, а в качестве армирующих материалов — стекловолокно, углеродное волокно, арамидное волокно, волокна сверхвысокомолекулярного полиэтилена и др. Эпоксидные смолы характеризуются отличной химической стабильностью, электрической изоляцией, коррозионной стойкостью, хорошей адгезией и высокой механической прочностью, широко применяются в химической, лёгкой, машиностроительной, электронной, гидротехнической, транспортной, автомобильной, бытовой и аэрокосмической отраслях. В 1993 году мировая производственная мощность эпоксидных смол составляла 1,3 млн тонн, в 1996 году выросла до 1,43 млн тонн, в 1997 году — 1,48 млн тонн, в 1999 году — 1,5 млн тонн, а в 2003 году достигла около 1,8 млн тонн. В Китае исследования эпоксидных смол начались в 1975 году, по неполным данным, в настоящее время в стране насчитывается около 170 предприятий по производству эпоксидных смол с общей производственной мощностью более 500 тысяч тонн и коэффициентом использования оборудования около 80%. Фенольные смолы обладают термостойкостью, износостойкостью, высокой механической прочностью, отличной электрической изоляцией, низким дымообразованием и высокой кислотостойкостью, поэтому широко применяются во всех областях композитной промышленности. В 1997 году мировой выпуск фенольных смол составил 3 млн тонн, из них в США — 1,64 млн тонн. В Китае производство составило 180 тысяч тонн, импорт — 40 тысяч тонн. Винилэфирные смолы — это новый тип термореактивных смол, разработанный в 1960-х годах, характеризующийся хорошей коррозионной и растворительной стойкостью, высокой механической прочностью, большой пластичностью, хорошей адгезией к металлам, пластикам и бетону, хорошей усталостной стойкостью, отличными электрическими свойствами, термостойкостью, низкой усадкой при отверждении, возможностью отверждения при комнатной температуре или с нагревом. Компания Nanjing Jinling DSM Resin Co., Ltd. импортировала голландские винилэфирные смолы серии Atlac с высокой коррозионной стойкостью, которые широко применяются в резервуарах, ёмкостях, трубопроводах и других изделиях, некоторые виды используются для гидроизоляции и горячего прессования. Компании Nanjing Julong Composite Materials Co., Ltd., Shanghai Xinhua Resin Factory, Nantong Mingjia Polymer Co., Ltd. также производят винилэфирные смолы.

До 1971 года промышленность композитных материалов на основе термореактивных смол в Китае в основном была ориентирована на военную продукцию, а с 70-х годов начала переходить к гражданскому использованию. С 1987 года в различных регионах массово внедрялись передовые зарубежные технологии, такие как волочение из печи, производство коротковолокнистых и поверхностных войлоков, а также технологии производства различных марок полиэфирных смол (США, Германия, Нидерланды, Великобритания, Италия, Япония) и эпоксидных смол (Япония, Германия); в области формовочных технологий были внедрены линии производства намоточных труб и баков, линии пултрузии, линии производства SMC, непрерывные листовые машины, формовочные машины с передачей смолы (RTM), технологии распылительной формовки, инжекционной формовки смолы и линии производства удилищ, что сформировало полный промышленный комплекс от исследований, проектирования, производства до обеспечения сырьем. К концу 2000 года в Китае насчитывалось более 3000 предприятий по производству композитных материалов на основе термореактивных смол, 51 из них прошли сертификацию по системе качества ISO9000, ассортимент продукции превышал 3000 видов, общий объем производства достиг 730 тысяч тонн в год, занимая второе место в мире. Продукция в основном использовалась в строительстве, антикоррозийной защите, легкой промышленности, транспортной отрасли, судостроении и других промышленных сферах. В строительстве это внутренние и наружные стеновые панели, прозрачные черепицы, охлаждающие башни, кожухи кондиционеров, вентиляторы, стеклопластиковые водяные баки, санитарная керамика, очистные резервуары и др.; в нефтехимии — в основном для трубопроводов и резервуаров; в транспортной сфере — автомобильные кузова, капоты, бамперы и другие комплектующие, в поездах — панели вагонов, двери, окна, сиденья, в судостроении — судна на воздушной подушке, спасательные лодки, разведывательные катера, рыболовные суда и др.; в машиностроении и электротехнике — крышные вентиляторы, осевые вентиляторы, кабельные лотки, изоляционные стержни, печатные платы и др. В аэрокосмической и военной сферах достигнуты значительные успехи в производстве легких самолетов, хвостовых оперений, спутниковых антенн, ракетных сопел, бронеплит, бронежилетов, торпед и др.

Свернуть Композиты на основе термопластичных смол

Композиты PVD

Композиты на основе термопластичных смол развивались в 1980-х годах и включают в основном длинноволоконные усиленные гранулы (LFP), непрерывные волоконные препреги (MITT) и термопластичные композиты с усилением из стекловолокна (GMT). В зависимости от требований к применению, матрица смолы включает в основном термопластичные инженерные пластики, такие как PP, PE, PA, PBT, PEI, PC, PES, PEEK, PI, PAI и др., а типы волокон включают стекловолокно, углеродное волокно, арамидное волокно и борное волокно, а также все возможные виды волокон. С развитием технологий композитов на основе термопластичных смол и преимуществом их переработки и повторного использования, этот вид композитов развивается быстро, и в развитых странах Европы и Америки доля термопластичных композитов уже превышает 30% от общего объема композитов на основе смол.

Высокопроизводительные композиты на основе термопластичных смол в основном представлены инжекционными деталями, матрица которых преимущественно PP и PA. Продукция включает трубопроводные детали (отводы, тройники, фланцы), клапаны, крыльчатки, подшипники, электрические и автомобильные компоненты, экструзионные трубы, прессованные изделия GMT (например, каркасы сидений джипов), автомобильные подножки, сиденья и др. Стекловолокно-усиленный полипропилен в автомобилях применяется в системах вентиляции и отопления, корпусах воздушных фильтров, крышках коробок передач, каркасах сидений, прокладках брызговиков, защитных кожухах приводных ремней и др.

Полипропилен, наполненный тальком, обладает высокой жесткостью, высокой прочностью, отличной термостойкостью к старению и морозостойкостью. Тальк-усиленный полипропилен широко применяется в интерьерной отделке автомобилей, например, в деталях вентиляционных систем, приборных панелях и рычагах автоматического торможения. Например, американская компания HPM использует полипропилен с 20% наполнением тальком для производства звукопоглощающих потолочных панелей с ячеистой структурой и корпусов для механизмов подъема стекол автомобилей.

Индия разработала композитный армированный вертолет

Композиты на основе слюды обладают высокой жесткостью, высокой температурой тепловой деформации, низкой усадкой, низкой гибкостью, стабильностью размеров, а также низкой плотностью и низкой стоимостью. Используя композиты слюда/полипропилен, можно изготавливать приборные панели автомобилей, защитные кольца фар, кожухи заслонок, дверные поручни, вентиляторы электродвигателей, жалюзи и другие детали. Благодаря демпфирующим свойствам этого материала можно изготавливать акустические компоненты, а благодаря экранирующим свойствам — аккумуляторные ящики и др.

Исследования композитов на основе термопластичных смол в Китае начались в конце 1980-х годов и за последние десять лет достигли быстрого развития. В 2000 году производство достигло 120 тысяч тонн, что составляет около 17% от общего объема производства композитов на основе смол. Основными матричными материалами остаются PP и PA, а в качестве армирующих материалов преимущественно используется стекловолокно, в меньшей степени углеродное волокно. В области термопластичных композитов значительных прорывов не достигнуто, и существует отставание от развитых стран.

Свернуть Потенциал развития и актуальные вопросы

Потенциал развития композитных материалов в Китае очень велик, но необходимо решить следующие актуальные вопросы.

Свернуть Инновации в композитных материалах

Инновации в композитных материалах включают технологическое развитие композитов, развитие производственных процессов, развитие продукции и применение композитов. В частности, необходимо сосредоточиться на инновациях в развитии смоляных матриц, армирующих материалов, производственных технологий и развитии применения продукции.

Свернуть Реструктуризация стекловолокна

Более 70% стекловолокна в Китае используется для усиления матриц, что дает конкурентное преимущество по стоимости на международном рынке, но по ассортименту, спецификациям и качеству существует отставание от передовых стран. Необходимо улучшать и развивать пряжу, тканые материалы, нетканые войлочные материалы, плетеные и шитые ткани, композитные войлочные материалы, продвигать тесное сотрудничество между стекловолокном и стеклопластиком, способствовать новому развитию материалов с усилением из стекловолокна.

Свернуть Рынок композитных материалов

Во-первых, композиты для чистой и возобновляемой энергии, включая композиты для ветроэнергетики, установки для десульфуризации дымовых газов, оборудование для передачи и распределения электроэнергии, а также высоконапорные сосуды для природного газа и водорода; во-вторых, композиты для автомобилей и городского рельсового транспорта, включая кузова автомобилей, каркасы и внешние покрытия, кузова рельсового транспорта, двери, сиденья, кабельные каналы, кабельные лотки, решетки, электрические шкафы и др.; в-третьих, композиты для гражданских авиалайнеров, в основном углеродные волоконные композиты. Термопластичные композиты составляют около 10%, основные изделия — компоненты крыльев, вертикальные оперения, носовые обтекатели и др. В течение следующих 20 лет в Китае потребуется дополнительно 661 региональный самолет, что создаст крупную индустрию гражданской авиации, и композиты могут стать новой отраслью, поддерживающей это развитие; в-четвертых, композиты для судов, в основном для яхт и рыболовных судов. Яхты как высококлассные развлекательные и долговечные потребительские товары имеют большой рынок в Европе и Америке. Из-за сокращения рыбных ресурсов в Китае развитие рыболовных судов идет медленно, но уникальные преимущества композитов все еще открывают возможности для развития.

Применение в инфраструктуре

Внутреннее и международное широкое применение композитов в мостах, зданиях и дорогах имеет множество преимуществ по сравнению с традиционными материалами, особенно на мостах, а также в укреплении зданий, туннельных работах и ремонте и усилении крупных складских помещений, где рынок широк.

Свернуть Обработка и переработка

Основное развитие физической переработки (измельчение), химической переработки (термический крекинг) и энергетической утилизации, усиление исследований технологических маршрутов и комплексных технологий обработки, строительство демонстрационных производственных линий, исследования по повторному использованию, активное расширение применения материалов вторичной переработки в гипсе, в изделиях методом вытягивания, а также в прессованных изделиях SMC/BMC и типичных продуктах.

Технология высокопроизводительных композитных материалов на основе смол XXI века представляет собой интеллектуальные материалы, обладающие самовосстановлением, самораспадом, самодиагностикой и самопроизводственными функциями. Основное внимание уделяется разработке композитных материалов с высокой жесткостью, высокой прочностью и устойчивостью к влажно-тепловым условиям, формированию интегрированной системы материалов, формовки, проектирования и контроля. Организационно система будет представлять собой альянсы и группировки, что позволит более полно использовать различные ресурсы (технические, материальные), тесно связывать преимущества всех сторон для дальнейшего развития композитной промышленности.

Отказ от ответственности: статья предназначена только для обмена и распространения профессиональных знаний и рыночной информации о композитных материалах, не для коммерческих целей. Если у вас есть сомнения относительно авторских прав статьи или точности её содержания, пожалуйста, свяжитесь с нами как можно скорее. Мы своевременно примем меры.