Армирующий материал

В качестве армирующих материалов для композитных материалов на основе смол в основном используются стекловолокно и углеродное волокно. — арамидные волокна, волокна из полиэтилена сверхвысокой молекулярной массы и другие.

Стекловолокно

В настоящее время основными видами стекловолокна, используемыми для высокопроизводительных композитных материалов, являются высокопрочное стекловолокно, кварцевое стекловолокно и высококремнезёмистое стекловолокно. Поскольку высокопрочное стекловолокно обладает хорошим соотношением цены и качества, его темпы роста также достаточно высоки — ежегодный прирост достигает... Более 10%. Высокопрочные стекловолоконные композиты применяются не только в военной отрасли, но и в последние годы широко используются в гражданских продуктах — например, в бронешлемах, бронежилетах, крыльях вертолётов, обтекателях радаров самолётов раннего предупреждения, различных высоконапорных резервуарах, прямых панелях гражданских самолётов, спортивном инвентаре, различных высокотемпературных изделиях, а также в недавно опубликованных шинных каркасных нитях с выдающимися эксплуатационными характеристиками. Кварцевое стекловолокно и высококремнезёмистое стекловолокно относятся к высокотемпературным стекловолокнам и являются весьма идеальными термостойкими и огнестойкими материалами. Армирование фенольных смол этими волокнами позволяет получать композитные детали различной конструкции, обладающие высокой термостойкостью и устойчивостью к абляции; такие материалы активно применяются в качестве теплозащитных материалов для ракет и ракет-носителей. На сегодняшний день из трёх основных армирующих волокон — углеродного, арамидного и высокопрочного стекловолокна — которые используются в высокоэффективных композитах на основе полимерных матриц, реализованных в Китае, лишь высокопрочное стекловолокно достигло международного передового уровня и обладает собственными правами интеллектуальной собственности; при этом уже сформировалась небольшая промышленная отрасль, производящая в настоящее время до 500 тонн этого материала ежегодно.

Углеродное волокно

Углеродное волокно обладает такими характеристиками, как высокая прочность, высокий модуль упругости, высокая термостойкость и электропроводность; вначале оно получило широкое применение в аэрокосмической отрасли, а в последние годы стало активно использоваться в спортивном инвентаре и спортивных товарах. Согласно прогнозам, промышленное углеродное волокно будет масштабно внедряться в таких областях, как гражданское строительство, транспорт, автомобилестроение и энергетика. В период с 1997 по 2000 год ежегодный темп роста углеродных волокон для космической отрасли оценивался примерно в 31%, тогда как ежегодный темп роста углеродных волокон для промышленного применения, по оценкам, достигнет 130%. Общий уровень производства углеродных волокон в Китае пока относительно низкий и соответствует уровню середины и конца 1970-х годов за рубежом; разница с зарубежными странами составляет около 20 лет. Основные проблемы отечественных углеродных волокон заключаются в недостаточной стабильности характеристик и высоком коэффициенте разброса, отсутствии высокопрочных углеродных волокон, ограниченном ассортименте и неполной стандартизации размеров, недостаточной длине непрерывных нитей, отсутствии поверхностной обработки и сравнительно высокой цене. Если вы хотите подробнее познакомиться с углеродно-волокнистыми композитными материалами, мы ранее уже опубликовали множество статей об углеродном волокне; можете ознакомиться с ними.

Арамидное волокно

Начиная с 1980-х годов, Нидерланды, Япония и бывший СССР также поочерёдно приступили к разработке и производству арамидных волокон. Арамидные волокна из Японии и России уже представлены на рынке, а их ежегодный темп роста достигает около 20%. Арамидные волокна обладают высоким удельным прочностью и удельным модулем упругости, поэтому широко применяются в высокопроизводительных композитных материалах для изделий в области авиации и космонавтики (например, корпуса ракетных двигателей, отсеки авиационных двигателей, обтекатели, рули направления и т.п.), кораблестроении (включая авианосцы, атомные подводные лодки, яхты, спасательные шлюпки и др.), автомобилестроении (например, каркасы шин, высоконапорные шланги, фрикционные материалы, баллоны высокого давления и др.), а также в термостойких транспортных лентах и спортивном инвентаре.

Волокно из полиэтилена сверхвысокой молекулярной массы

Удельная прочность волокон из полиэтилена сверхвысокой молекулярной массы занимает первое место среди всех видов волокон; особенно выделяются их высокая устойчивость к воздействию химических реагентов и отличные антистарящие свойства. Эти волокна также обладают превосходной прозрачностью для высокочастотных гидролокаторов и устойчивостью к коррозии морской водой. Многие страны уже используют их для изготовления обтекателей высокочастотных гидролокаторов на военных кораблях, что значительно повышает способности судов к обнаружению и разминированию мин. Помимо военной сферы, волокна из полиэтилена сверхвысокой молекулярной массы имеют широкие перспективы применения в таких областях, как автомобилестроение, судостроение, медицинское оборудование и спортинвентарь. С момента появления эти волокна вызвали огромный интерес и серьёзное внимание со стороны развитых стран мира.

Композитные материалы на основе термореактивных смол

Композитные материалы на основе термореактивных смол — это материалы, в которых в качестве матрицы используются термореактивные смолы, такие как ненасыщенные полиэфирные смолы. Композитные материалы, в которых в качестве матрицы используются эпоксидные смолы, фенольные смолы, винилэфирные смолы и другие, а в качестве армирующих материалов — стекловолокно, углеродное волокно, арамидное волокно, волокно из полиэтилена сверхвысокой молекулярной массы и другие. Эпоксидные смолы отличаются высокой химической стойкостью, электроизоляционными свойствами, коррозионной стойкостью, хорошей адгезией и высокой механической прочностью; они широко применяются в таких отраслях, как химическая промышленность, легкая промышленность, машиностроение, электроника, гидротехника, транспорт, автомобилестроение, бытовая техника и аэрокосмическая отрасль. В 1993 году мировое производство эпоксидных смол составляло 1,3 миллиона тонн; в 1996 году оно возросло до 1,43 миллиона тонн, в 1997 году — до 1,48 миллиона тонн, в 1999 году — до 1,5 миллиона тонн, а к 2003 году достигло примерно 1,8 миллиона тонн. Китай начал исследовать эпоксидные смолы с 1975 года. По неполным данным, в настоящее время в Китае насчитывается около 170 предприятий по производству эпоксидных смол общей производственной мощностью более 500 тысяч тонн, при этом коэффициент использования оборудования составляет около 80%. Фенольные смолы обладают такими характеристиками, как термостойкость, износостойкость, высокая механическая прочность, отличная электроизоляционная способность, низкая дымообразующая способность и превосходная кислотостойкость, благодаря чему они широко применяются во всех отраслях композитной промышленности. В 1997 году мировое производство фенольных смол составило 3 миллиона тонн, из которых на США пришлось 1,64 миллиона тонн. Китай произвёл 180 тысяч тонн, импортировав ещё 40 тысяч тонн. Винилэфирные смолы — это новая группа термореактивных смол, разработанных в 1960-х годах. Они характеризуются хорошей коррозионной стойкостью, устойчивостью к растворителям, высокой механической прочностью, большой удлинённостью, отличной адгезией к таким материалам, как металл, пластик и бетон, хорошей усталостной стойкостью, высокими электрическими характеристиками, устойчивостью к термическому старению, низкой степенью усадки при отверждении и возможностью отверждения как при комнатной температуре, так и при нагреве. Компания «Нанкин Цзиньлин Дисман Резин Лтд.» внедрила винилэфирные смолы серии Atlac из Голландии, обладающие высокой коррозионной стойкостью; эти смолы уже широко используются для резервуаров, ёмкостей, трубопроводов и других конструкций. Некоторые их разновидности подходят также для гидроизоляции и горячего прессования. Производством винилэфирных смол также занимаются такие компании, как «Нанкин Цюлон Композит Материалс Лтд.», Шанхайский завод «Синьхуа Резин» и «Наньтун Минцзя Полимер Лтд.».

До 1971 года промышленность Китая в области композитных материалов на основе термореактивных смол была в основном ориентирована на военно-промышленную продукцию; начиная с 70-х годов, она начала переходить на гражданские нужды. Начиная с 1987 года, различные регионы активно внедряли передовые зарубежные технологии, такие как технология вытягивания волокна в печи-котле, производственные линии для короткоствольного войлока и поверхностного войлока, а также технологии производства полиэфирных смол различных марок (из США, Германии, Нидерландов, Великобритании, Италии и Японии) и эпоксидных смол (Япония, Германия). Что касается технологий формования, были внедрены линии по производству намотанных труб и резервуаров, линии для процесса протяжки, линии SMC, установки для непрерывного изготовления плит, машины для формования методом передачи смолы (RTM), технологии напыления, технологии литья под давлением смол и линии по производству рыболовных удочек. Таким образом, была создана полноценная промышленная система, охватывающая исследования, проектирование, производство и обеспечение сырьём. К концу 2000 года количество предприятий Китая, занимающихся производством композитных материалов на основе термореактивных смол, превысило 3000; из них 51 предприятие получили сертификат системы качества ISO9000. Ассортимент продукции насчитывает более 3000 наименований, общий объём производства достиг 730 тысяч тонн в год, что ставит Китай на второе место в мире. Основные отрасли применения продукции — строительство, антикоррозионная защита, легкая промышленность, транспорт, судостроение и другие отрасли. В строительстве используются внутренние и наружные стеновые панели, прозрачные кровельные материалы, градирни, кожухи для кондиционеров, вентиляторы, резиновые водонагреватели, сантехническое оборудование, очистные сооружения и другие изделия. В нефтеперерабатывающей и химической промышленности они применяются преимущественно для изготовления труб и резервуаров. В транспортной отрасли основными изделиями являются кузова, капоты, бамперы для автомобилей; в железнодорожном транспорте — вагонные панели, двери и окна, сиденья; в судостроении — надувные катера, спасательные шлюпки, разведывательные катера, рыболовные суда и другие изделия. В сфере машиностроения и электротехники широко распространены такие изделия, как крышные вентиляторы, осевые вентиляторы, кабельные лотки, изоляционные стержни, печатные платы для интегральных микросхем и другие. В авиационно-космической и военной отраслях достигнуты значительные успехи в производстве легких самолетов, хвостовых оперений, спутниковых антенн, сопел ракет, бронированных плит, бронежилетов и торпед.

Термопластичный композит на основе смолы

Термопластичные композитные материалы на основе смолы — это В 1980-х годах были разработаны такие материалы, как длинноволокнистые армированные гранулы (LFP), предварительно пропитанные ленты с непрерывным волокном (MITT) и термопластичные композиты на основе стекловолоконного войлока (GMT). В зависимости от конкретных эксплуатационных требований в качестве матрицы для этих материалов используются преимущественно термопластичные инженерные пластмассы, такие как полипропилен (PP), полиэтилен (PE), полиамид (PA), полибутадиен-терефталевый терефталат (PBT), полиэфиримид (PEI), поликарбонат (PC), полиэфирсульфон (PES), полиэфирэтеркетон (PEEK), полиимид (PI) и полиамид-имид (PAI). В качестве волокон могут применяться любые возможные виды — стекловолокно, углеродное волокно, арамидное волокно и борное волокно. Благодаря постоянному совершенствованию технологии производства термопластичных смоляных композитов и их преимуществу в плане переработки и повторного использования, этот тип композитов развивается довольно быстро. В развитых странах Европы и США доля термопластичных смоляных композитов уже превышает 30% от общего объёма композитов на смоляной основе.

Высокопроизводительные композитные материалы на основе термопластичных смол в основном выпускаются в виде литых деталей; матрица представляет собой... Основные материалы — полипропилен (PP) и полиамид (PA). Продукция включает трубопроводную арматуру (колена, тройники, фланцы), клапаны, рабочие колёса, подшипники, электрические и автомобильные детали, трубы, получаемые методом экструзии, формованные изделия GMT (например, кронштейны для сидений джипов), автомобильные педали, сиденья и другие компоненты. Применение стекловолоконно-армированного полипропилена в автомобилестроении включает системы вентиляции и отопления, корпуса воздушных фильтров, крышки коробок передач, каркасы сидений, прокладки для брызговиков, защитные кожухи для приводных ремней и многое другое.

Наполненный тальком ПП обладает высокой жесткостью, высокой прочностью, отличной устойчивостью к термическому старению и морозостойкостью. Усиленный тальком ПП находит важное применение в автомобильном интерьере — например, в качестве деталей систем вентиляции, приборных панелей и рычагов управления автоматическими тормозами. Так, американская компания HPM использует ПП, наполненный 20% талька, для изготовления звукопоглощающих потолков ячеистой структуры, а также корпусов барабанов для стеклоподъемников легковых автомобилей.

 

Мусковитовые композитные материалы обладают такими характеристиками, как высокая жёсткость, высокая температура теплового деформирования, низкий коэффициент усадки, низкая гибкость, стабильность размеров, а также низкая плотность и низкая цена; при этом используется мусковит. Из полипропиленовых композитных материалов изготавливают такие детали, как приборные панели автомобилей, защитные ободки для фар, крышки брызговиков, ограждения дверей, вентиляторы двигателей, жалюзи и другие компоненты. Благодаря демпфирующим свойствам этого материала можно производить акустические детали; благодаря его экранирующим свойствам — корпуса аккумуляторов и другие подобные изделия.

Исследования термопластичных композитных материалов на основе смол в Китае начались с... В конце 1980-х годов, после почти десятилетия быстрого развития, в 2000 году объём производства достиг 120 тысяч тонн, что составило около 17% от общего производства композитных материалов на основе смол. Основными матричными материалами по-прежнему остаются ПП и ПА; армирующими материалами преимущественно являются стекловолокно, в меньшей степени — углеродное волокно. В области термопластичных композитов пока не было значительных прорывов, и между нашей страной и развитыми государствами сохраняется разрыв.

Потенциал развития и горячие темы

Китай обладает большим потенциалом для развития композитных материалов, однако необходимо надлежаще решить следующие актуальные вопросы.

Инновации в области композитных материалов

Инновации в области композитных материалов включают технологическое развитие композитов, развитие технологий их производства, развитие продуктов на основе композитов и применение композитов. В частности, необходимо сосредоточиться на инновациях в области развития смоляной матрицы, инновациях в области развития армирующих материалов, инновациях в области развития производственных процессов и инновациях в области развития применения продуктов. До... В 2007 году доля Азии в общем мировом объёме продаж композитных материалов увеличится с 18% до 25%. В настоящее время потребление на душу населения в Азии составляет всего 0,29 кг, тогда как в США — 6,8 кг. Таким образом, регион Азии обладает огромным потенциалом для роста.

Развитие волокон на основе полиакрилонитрила

Развитие китайской углеродно-волоконной промышленности идёт медленно, начиная с... Обзор развития углеродных волокон, их особенности, процесс развития углеродных волокон в Китае, обзор и характеристики китайского рынка углеродных волокон на основе полиакрилонитрила, а также ситуация с научно-техническими исследованиями пятого пятилетнего плана свидетельствуют о том, что развитие углеродных волокон на основе полиакрилонитрила как необходимость, так и перспективность.

Корректировка структуры стекловолокна

Китайское стекловолокно Более 70% используется для укрепления основы; на международном рынке это обеспечивает конкурентоспособность по стоимости, однако по ассортименту, спецификациям и качеству всё ещё существует разрыв с передовыми странами. Необходимо совершенствовать и развивать такие виды продукции, как пряжа, тканые полотна, нетканые войлочные материалы, плетёные изделия, швейные трикотажные изделия и композитные войлоки. Следует активизировать тесное сотрудничество между отраслями стекловолокна и стеклопластика, способствуя новому развитию материалов, армированных стекловолокном.

Рынок композитных материалов

Во-первых, композитные материалы для чистых и возобновляемых источников энергии, включая композитные материалы для ветроэнергетики, композитные материалы для установок по удалению серы из дымовых газов, композитные материалы для оборудования передачи и преобразования электроэнергии, а также высоконапорные резервуары для природного газа и водорода. Во-вторых, композитные материалы для автомобилей и городского железнодорожного транспорта, включая кузова автомобилей, рамы и наружные облицовочные детали кузова, корпуса железнодорожных вагонов, двери, сиденья, кабельные каналы, кабельные стойки, решётки и электрические шкафы. В-третьих, композитные материалы для пассажирских авиалайнеров, главным образом углеродные волокнистые композиты. Термопластичные композиты составляют примерно... 10%, основная продукция — это детали крыльев, вертикальное оперение, носовые обтекатели и другие компоненты. В ближайшие 20 лет Китай потребует дополнительно 661 региональный самолёт, что приведёт к формированию крупной отрасли гражданских пассажирских авиалайнеров; композитные материалы могут стать основой для создания новой сопутствующей индустрии. Во-вторых, композитные материалы для судов и лодок, в основном для яхт и рыболовных судов. Яхты, как высококлассные долговечные товары широкого потребления для развлечений, пользуются большим спросом в Европе и США. Несмотря на постепенное замедление развития рыболовного флота из-за сокращения рыбных ресурсов в Китае, благодаря уникальным преимуществам композитных материалов всё ещё есть возможности для их дальнейшего развития.

Инфраструктурные приложения

Композитные материалы как внутри страны, так и за рубежом широко применяются в строительстве мостов, жилых зданий и дорог; по сравнению с традиционными материалами они обладают многими преимуществами. Особенно широкий рынок сбыта у них на мостах, при усилении жилых зданий, в тоннельном строительстве, а также при ремонте и укреплении крупных хранилищ.

Обработка и регенерация

Уделять особое внимание развитию физического переработки (измельчённой переработки), химической переработки (термического пиролиза) и энергетической переработки, укреплять исследования в области технологических путей и комплексных методов обработки, строительство демонстрационных производственных линий, проведение исследований по повторному использованию материалов, активно расширять применение переработанных материалов в гипсе, в прессованных изделиях и в... Применение в формованных изделиях SMC/BMC и применение в типовых продуктах.

Технологии высокопроизводительных композитных материалов на основе смол в XXI веке представляют собой интеллектуальные материалы, способные одновременно обладать самовосстанавливающимися, саморазлагающимися, самодиагностическими и саморегулирующимися свойствами. Основное внимание уделяется разработке композитных материалов с высокой жесткостью, высокой прочностью и способностью работать в условиях повышенной влажности и температуры, формируя комплексную систему материалов, включающую их создание, технологию переработки, проектирование и контроль. В организационном плане это будет осуществляться через объединения и группировки, что позволит более эффективно использовать ресурсы всех видов — как технологические, так и материальные — и тесно взаимодействовать с преимуществами различных участников, способствуя дальнейшему развитию отрасли композитных материалов.

Отказ от ответственности: Данная статья предназначена исключительно для обмена и распространения профессиональных знаний о композитных материалах и рыночной информации и не используется в коммерческих целях. Если у вас возникнут сомнения относительно авторских прав на статью или точности её содержания, пожалуйста, немедленно свяжитесь с нами. Мы оперативно примем меры.