高科技复合材料取代传统材料的 3 个原因

许多基于科学和工程的进步得出的结论是，复合材料的性能通常优于更传统的选择。以下是使它们如此有前途的一些优点。

1.提高可持续性

全球关注的焦点是气候变化和过量废物产生等紧迫问题。人们越来越关注开发可持续材料来取代那些可能会更频繁地被丢弃的材料。许多环保复合材料可以满足需求。

可修复的碳纤维组件可延长使用寿命

碳纤维复合材料是替代传统金属的流行替代品，用于从飞机零件到高尔夫球杆的所有物品。然而，它们中的大多数一旦损坏几乎不可能修复或回收。

华盛顿大学研究人员的一项新进展可以克服这一不利因素。该团队创造了一种新材料，它与传统的碳纤维复合材料一样轻巧且坚固，但如果破裂则易于修复。人们可以通过传统方式或基于射频的加热反复修复损伤。

该材料属于一个相对较新的类别，称为碳纤维增强玻璃体 (vCFRP)。其他类型的碳纤维复合材料分为两大类。第一种类型含有环氧树脂，可提供永久硬度。第二类具有较软的胶水，可以将材料分解以进行返工，但以降低强度和刚度为代价。但是，vCFRP 允许链接、取消链接和重新链接，而不会出现这种妥协。

用于汽车内部减排的碳纤维部件

在另一个通过碳纤维复合材料的进步提高可持续性的案例中，一家瑞士公司用一种由天然纤维制成的更可持续的复合材料替换了九个通常用于赛车运动的车辆内部部件。这导致材料排放量减少了 94%，并将从摇篮到大门的排放量减少了 90%。

复合材料的另一个优点是它们可以超越其原始性能，例如经过耐热处理的再生木材。这意味着当人们更多地了解复合材料如何改变他们认为熟悉的常见材料的特性时，他们可能会感到惊讶。

这些是这些未来复合材料如何有助于全球提高可持续性的努力的众多例子中的一些。企业领导者甚至可以将它们作为卖点，以表明环境可持续性贯穿于公司运营。例如，使用它们的风力涡轮机制造商优先考虑延长弹性，而不是过早地将物品送到垃圾填埋场。

2。增强基本流程

使用复合材料的人经常研究如何帮助用户改进他们的工艺。例如，复合螺钉是组装地板的常见选择，因为它们通常比传统的木质版本更密集。它们还具有更细的螺纹和相对较小的头部，使它们更容易进入甲板。

改进螺丝可以节省人工成本，增加获得好结果的机会，这只是一个例子。加强现有流程的方法几乎可以在任何阶段变得明显，从设计产品到通过质量检查。

机器人协助生产复合风扇叶片

与复合材料相关的大部分正在进行的工作都涉及未来的方法，例如将机器人技术和机器学习应用于开发工作。

例如，劳斯莱斯拥有一个新的专用设施，用于开发新的复合材料。其中一种方法涉及使用机器人来帮助制造用于喷气发动机的复合材料风扇叶片。

碳纤维复合材料层叠在风扇外壳模具上

每个组件都有大约 500 层碳纤维材料，每层都在工厂工人监督的全自动过程中应用。机器人在装配线工位之间提升和移动零件，确保平稳、高效的操作。

机器学习可以改进复合测试

研究人员还希望利用机器学习在通常用于测试复合材料缺陷的方法上取得进展。最流行的传统方法是基于 X 射线和超声波的测试。然而，这两者都有其缺点，促使研究人员解决这些限制。

Russell Varley 是澳大利亚制造研究机构 Carbon Nexus 的复合材料教授。他说，“了解和开发用于复合材料产品无损检测的下一代分析方法具有改变行业的巨大潜力。”

一个组织为此项目授予了研究经费，以了解机器学习是否可以针对一些众所周知的复合测试问题。例如，使用基于 X 射线的方法在资本和运营投资方面是成本密集型的​​。

这些案例研究并不意味着人们已经停止尝试改进与传统材料相关的工艺。然而，全球材料专家对复合材料的持续浓厚兴趣导致大部分研究集中在由至少两种成分材料制成的新选择上。

高科技复合材料改变颜色以显示缺陷

本节前面的两个示例强调了复合材料通常如何与拥抱工业 4.0 的努力保持一致。然而，在使材料本身加速工厂流程方面也有令人着迷的工作。

研究人员开发了一种复合层压板，可以根据变形改变颜色。他们相信这将允许在早期阶段发现问题并提醒人们注意可能的材料故障。到目前为止，人们只在实验室中使用过这种材料。但是，如果它像开发人员希望的那样工作，那么这项创新可以通过多种方式改进流程。

例如，它可以防止工人制造具有内部缺陷的复合材料，并最大限度地减少未来的召回。该团队还报告说，他们的新材料由层组成，抗断裂且重量轻。由于这些是复合材料最理想的特性之一，因此本发明具有广泛的应用和吸引力。

3.进一步基于材料的改进

复合材料的另一个优点是它们使工程师和科学家能够开发出满足传统选择无法满足的需求的新选择。人们一直在寻找可行的方法来改进产品。复合材料通常显示出前进的方向。

由无纺布制成的新型复合材料

非织造织物是由不需要针织或编织的粘合纤维制成的织物。研究人员最近创造了一种新的复合材料，属于这一类。他们相信他们的创新可能是医疗产品的理想选择，例如绷带和口罩。

创造一种可能与人的皮肤接触数小时或更长时间的材料需要仔细考虑复合材料所需的特性。在这种情况下，团队需要透气性和吸水性。他们还想加入棉花以增加舒适度。

测试表明，新面料比传统面料更吸水。它在拉伸恢复测试中也表现良好，表明该材料可以很好地承受重复使用。该团队承认，虽然其他选择具有良好的透气性和拉伸能力，但添加棉的选择应该提供另一个明显的好处。

高科技材料可以减少手机屏幕破裂的麻烦

由于屏幕是当今智能手机必不可少的部分，因此许多人不遗余力地保护它们。例如，即使制造商安装了超耐用玻璃，许多智能手机用户也会添加屏幕保护膜或将他们的设备插入特殊保护壳中，以更加安心。然而，与复合玻璃相关的创新可以减少对这些额外步骤的需求。

一个国际研究团队的项目产生了一种玻璃复合材料，可以最大限度地减少屏幕破损并提供更亮的显示。这些材料基于卤化铅钙钛矿，其工作原理类似于微型太阳能电池板，因为它们可以捕获和储存能量。基本方法是将纳米晶体包裹在多孔玻璃中。

该方法应该会改进当前用于设备屏幕的纳米晶体技术。从事该项目的小组警告说，虽然他们相信他们的技术是可扩展的，但仍有很多工作要做。他们需要找出创造具有所需特性的材料的最佳方法。

高科技材料大有可为

这些只是复合材料的众多优点中的一部分，这些优点使人们对未来的发展感到兴奋。传统材料在许多情况下仍然占有一席之地，但这些例子显示了使用复合材料产生特定结果的好处。