Visión general del desarrollo de la mecánica de materiales compuestos.
Desarrollo y aplicación de materiales compuestos
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Los materiales compuestos se refieren a dos o más sustancias diferentes combinadas de diferentes maneras Materiales, que pueden poner en juego las ventajas de varios materiales, superar las deficiencias de un solo material y ampliar la gama de aplicaciones de los materiales. Debido a que los materiales compuestos tienen las características de peso ligero, alta resistencia, fácil procesamiento y moldeado, excelente elasticidad, resistencia a la corrosión química y buena resistencia a la intemperie, han reemplazado gradualmente a la madera y las aleaciones metálicas y se utilizan ampliamente en la industria aeroespacial, automovilística, electrónica y eléctrica. La construcción y los equipos de fitness y otros campos se han desarrollado rápidamente en los últimos años.
Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, la resina y la fibra de vidrio continúan avanzando técnicamente y, en general, las capacidades de fabricación de los fabricantes han mejorado. El precio y el costo de los materiales compuestos reforzados con fibra de vidrio han sido aceptados por muchas industrias. , pero muchas industrias han aceptado los materiales compuestos reforzados con fibra de vidrio. Los materiales compuestos aún no son lo suficientemente fuertes para competir con el metal. Por ello, han ido apareciendo uno tras otro materiales compuestos reforzados como la fibra de carbono y la fibra de boro, haciendo más completa la familia de compuestos poliméricos y convirtiéndose en un material imprescindible para muchas industrias. En la actualidad, la producción anual de materiales compuestos en el mundo ha alcanzado más de 5,5 millones de toneladas, con un valor de producción anual de más de 130 mil millones de dólares estadounidenses, si se incluyen los productos aeroespaciales militares de alto valor de Europa y Estados Unidos. el valor de salida será aún más sorprendente. Desde una perspectiva global, la producción mundial de materiales compuestos se concentra principalmente en Europa, América y Asia Oriental. En los últimos años, la producción y la demanda de materiales compuestos en Europa y Estados Unidos han seguido creciendo, mientras que Japón en Asia se ha desarrollado relativamente lentamente debido a la recesión económica, pero el mercado en China, especialmente en China continental, se ha desarrollado. rápidamente. Según las estadísticas de PPG, el mayor fabricante de materiales compuestos del mundo, la cuota mundial de materiales compuestos de Europa en el año 2000 fue aproximadamente del 32%, con una producción anual de aproximadamente 2 millones de toneladas. Al mismo tiempo, la tasa de crecimiento anual promedio de los materiales compuestos en los Estados Unidos en la década de 1990 fue aproximadamente el doble de la tasa de crecimiento del PIB estadounidense, alcanzando entre 4 y 6. En 2000, la producción anual de materiales compuestos en los Estados Unidos alcanzó aproximadamente 1,7 millones de toneladas. En particular, el rápido aumento de los materiales compuestos para automóviles ha provocado el resurgimiento de los automóviles estadounidenses en el mercado mundial. El desarrollo de materiales compuestos en Asia en los últimos años está estrechamente relacionado con los cambios generales en la economía política, y la participación de cada país ha cambiado mucho. En general, los materiales compuestos en Asia seguirán creciendo, con una producción total en 2000 de aproximadamente 1,45 millones de toneladas y se espera que alcance 1,8 millones de toneladas en 2005.
En términos de aplicación, los materiales compuestos se utilizan principalmente en la industria aeroespacial, automotriz y otras industrias en Estados Unidos y Europa. En 2000, el consumo de materiales compuestos para piezas de automóviles en los Estados Unidos alcanzó las 148.000 toneladas, y se estima que el consumo de materiales compuestos para automóviles europeos alcanzará las 105.000 toneladas en 2003. En Japón, los materiales compuestos se utilizan principalmente en la construcción residencial, como en equipos de baño. El consumo de estos productos en 2000 alcanzó las 75.000 toneladas, mientras que el consumo en automóviles y otros sectores fue sólo de 24.000 toneladas. Sin embargo, desde una perspectiva global, la industria automotriz es el mayor usuario de materiales compuestos y su potencial de desarrollo futuro todavía es enorme. Actualmente se están desarrollando muchas tecnologías nuevas. Por ejemplo, para reducir el ruido de los motores y aumentar el confort de los automóviles, se están realizando esfuerzos para desarrollar placas de acero amortiguadoras de vibraciones con resina termoplástica adherida entre dos capas de placas laminadas en frío para satisfacer las necesidades de los motores en desarrollo; Los pistones, bielas y cojinetes de motores de alta velocidad, sobrealimentación y alta carga han comenzado a utilizar materiales compuestos de matriz metálica. Para cumplir con los requisitos de ligereza de los automóviles, se utilizarán cada vez más materiales compuestos nuevos en la industria de fabricación de automóviles. Al mismo tiempo, a medida que la gente presta cada vez más atención a las cuestiones de protección ambiental en los últimos años, se ha promovido aún más la aplicación de materiales compuestos poliméricos para reemplazar la madera. Por ejemplo, los materiales compuestos procesados a partir de fibras vegetales y residuos de plástico se han utilizado ampliamente como paletas y cajas de embalaje en América del Norte para reemplazar los productos de madera, y los materiales compuestos degradables también se han convertido en el foco de la investigación de desarrollo nacional y extranjera;
Además, la nanotecnología ha ido atrayendo gradualmente la atención de la gente y la investigación y el desarrollo de nanocompuestos también se ha convertido en un nuevo punto de interés. La modificación de los plásticos con nanómetros puede cambiar la agregación y las formas cristalinas de los plásticos, dándoles así nuevas propiedades. Al tiempo que se supera la contradicción incompatible entre rigidez y dureza de los materiales tradicionales, también se mejora en gran medida el rendimiento general del material.
Materiales de refuerzo para materiales compuestos a base de resina
Los materiales de refuerzo utilizados en materiales compuestos a base de resina incluyen principalmente fibra de vidrio, fibra de carbono, fibra de aramida, fibra de polietileno de peso molecular ultraalto, etc.
1. Fibra de vidrio
Las fibras de vidrio que se utilizan actualmente en materiales compuestos de alto rendimiento incluyen principalmente fibra de vidrio de alta resistencia, fibra de vidrio de cuarzo y fibra de vidrio con alto contenido de sílice. Debido al alto costo de la fibra de vidrio de alta resistencia, la tasa de crecimiento también es relativamente rápida, con una tasa de crecimiento anual de más de 10. Los materiales compuestos de fibra de vidrio de alta resistencia no solo se utilizan en aplicaciones militares en los últimos años, también se utilizan ampliamente en productos civiles, como cascos antibalas, trajes antibalas, alas de helicópteros, radomos de aviones de alerta temprana y diversos recipientes a presión de alta presión. tableros rectos para aviones civiles, artículos deportivos, diversos productos resistentes a altas temperaturas y cables para neumáticos reportados recientemente con excelente rendimiento. La fibra de vidrio de cuarzo y la fibra de vidrio con alto contenido de sílice son fibras de vidrio resistentes a altas temperaturas y son materiales ideales resistentes al calor y al fuego. Se pueden utilizar para reforzar la resina fenólica para fabricar piezas compuestas resistentes a altas temperaturas y a la ablación. de diversas estructuras, que se utilizan ampliamente como materiales resistentes al calor para cohetes y misiles. Hasta ahora, entre las tres fibras de refuerzo de fibra de carbono, fibra de aramida y fibra de vidrio de alta resistencia utilizadas en materiales compuestos a base de resina de alto rendimiento que se han puesto en práctica en mi país, solo la fibra de vidrio de alta resistencia ha alcanzado el Nivel avanzado internacional y tiene derechos de propiedad intelectual independientes. Se ha convertido en una industria de pequeña escala, con una producción anual de hasta 500 toneladas en esta etapa.
2. Fibra de carbono
La fibra de carbono tiene una serie de propiedades como alta resistencia, alto módulo, resistencia a altas temperaturas, conductividad, etc. Fue ampliamente utilizada por primera vez en el campo aeroespacial. En los últimos años, se ha utilizado ampliamente en equipamiento deportivo y también se utiliza ampliamente en artículos deportivos. Se prevé que la fibra de carbono de grado industrial se utilizará a gran escala en la construcción civil, el transporte, los automóviles, la energía y otros campos. De 1997 a 2000, se estima que la tasa de crecimiento anual de la fibra de carbono aeroespacial fue del 31%, mientras que se estima que la tasa de crecimiento anual de la fibra de carbono industrial alcanzará el 130%. El nivel general de fibra de carbono en mi país es todavía relativamente bajo, equivalente al nivel de los países extranjeros a mediados y finales de la década de 1970, y la brecha con los países extranjeros es de unos 20 años. Los principales problemas de la fibra de carbono nacional son el rendimiento inestable y el gran coeficiente de dispersión, la falta de fibra de carbono de alto rendimiento, la variedad única, las especificaciones incompletas, la longitud continua insuficiente, la falta de tratamiento de superficie y el alto precio.
3. Fibra de aramida
Desde la década de 1980, los Países Bajos, Japón y la antigua Unión Soviética también han llevado a cabo sucesivamente trabajos de investigación y desarrollo sobre la fibra de aramida. Se han introducido en el mercado fibras de aramida procedentes de Japón y Rusia, y la tasa de crecimiento anual ha alcanzado aproximadamente el 20%. La fibra de aramida tiene una resistencia específica y un módulo específico elevados, por lo que se utiliza ampliamente en piezas compuestas de alto rendimiento en el campo aeroespacial (como carcasas de motores de cohetes, góndolas de motores de aviones, carenados, timones, etc.), barcos (como portaaviones ), submarinos nucleares, yates, botes salvavidas, etc.), automóviles (como cordones para neumáticos, mangueras de alta presión, materiales de fricción, cilindros de gas a alta presión, etc.), así como cintas transportadoras resistentes al calor, equipos deportivos, etc. .
4. Fibra de polietileno de peso molecular ultraalto
La resistencia específica de la fibra de polietileno de peso molecular ultraalto ocupa el primer lugar entre todos los tipos de fibras, especialmente su resistencia a la erosión de agentes químicos. y excelentes propiedades anti-envejecimiento. También tiene una excelente permeabilidad al sonar de alta frecuencia y resistencia a la corrosión del agua de mar. Muchos países lo han utilizado para fabricar cúpulas de sonar de alta frecuencia para barcos, lo que mejora en gran medida la capacidad de detección y barrido de minas de los barcos. Además del campo militar, la fibra de polietileno de peso molecular ultraalto también tiene amplias perspectivas de aplicación en la fabricación de automóviles, construcción naval, equipos médicos, equipos deportivos y otros campos. Una vez que salió esta fibra, atrajo gran interés y atención por parte de los países desarrollados del mundo.
5. Materiales compuestos a base de resinas termoestables
Los materiales compuestos a base de resinas termoestables se refieren a resinas termoestables como resina de poliéster insaturada, resina epoxi, resina fenólica, resina de éster vinílico, etc. Es un material compuesto hecho de fibra de vidrio, fibra de carbono, fibra de aramida, fibra de polietileno de peso molecular ultraalto, etc. como matriz y materiales reforzados. La resina epoxi se caracteriza por una excelente estabilidad química, aislamiento eléctrico, resistencia a la corrosión, buenas propiedades de unión y alta resistencia mecánica. Se usa ampliamente en la industria química, industria ligera, maquinaria, electrónica, conservación de agua, transporte, automóviles, electrodomésticos, industria aeroespacial y. otros campos.
La capacidad de producción mundial de resina epoxi fue de 1,3 millones de toneladas en 1993, aumentó a 1,43 millones de toneladas en 1996, 1,48 millones de toneladas en 1997, 1,5 millones de toneladas en 1999 y alcanzó alrededor de 1,8 millones de toneladas en 2003. China comenzó a estudiar resina epoxi en 1975. Según estadísticas incompletas, actualmente hay más de 170 fabricantes de resina epoxi en China, con una capacidad de producción total de más de 500.000 toneladas y una tasa de utilización de equipos de aproximadamente el 80%. La resina fenólica tiene las características de resistencia al calor, resistencia a la fricción, alta resistencia mecánica, excelente aislamiento eléctrico, baja generación de humo y excelente resistencia a los ácidos, por lo que se usa ampliamente en diversos campos de la industria de materiales compuestos. En 1997, la producción mundial de resina fenólica fue de 3 millones de toneladas, de las cuales Estados Unidos fue 1,64 millones de toneladas. La producción de nuestro país es de 180.000 toneladas y se importan 40.000 toneladas. La resina de éster vinílico es un nuevo tipo de resina termoestable desarrollada en la década de 1960. Se caracteriza por una buena resistencia a la corrosión, buena resistencia a los disolventes, alta resistencia mecánica, gran alargamiento y buena unión con metal, plástico, hormigón y otros materiales. Rendimiento, buena resistencia a la fatiga, buenas propiedades eléctricas, resistencia al envejecimiento por calor, baja contracción por curado y se puede curar a temperatura ambiente o calentar. Nanjing Jinling DSM Resin Co., Ltd. ha introducido la serie Atlac de resinas de éster vinílico altamente resistentes a la corrosión procedentes de los Países Bajos, que se han utilizado ampliamente en tanques de almacenamiento, contenedores, tuberías, etc. Algunas variedades también se pueden utilizar para impermeabilización y moldeado por prensado en caliente. Fabricantes como Nanjing Julong Composite Materials Co., Ltd., Shanghai Xinhua Resin Factory y Nantong Mingjia Polymer Co., Ltd. también producen resina de éster vinílico.
Antes de 1971, la industria de materiales compuestos a base de resina termoestable de mi país era principalmente productos militares. Después de la década de 1970, comenzó a pasar al uso civil. Desde 1987, se han introducido una gran cantidad de tecnologías extranjeras avanzadas desde diversos lugares, como trefilado en hornos, fieltro de hebras cortadas, líneas de producción de fieltro superficial y varias marcas de resina de poliéster (estadounidense, alemana, holandesa, británica, italiana, japonesa). y resina epoxi (japonesa), Alemania) en términos de tecnología de moldeo, ha introducido tubos de bobinado, líneas de producción de latas, líneas de producción de procesos de pultrusión, líneas de producción de SMC, unidades de fabricación de placas continuas y máquinas de moldeo por transferencia de resina (RTM); , tecnología de moldeo por inyección y tecnología de moldeo por inyección de resina y líneas de producción de cañas de pescar, etc., formando un sistema industrial completo desde la investigación, el diseño, la producción y la combinación de materias primas. A finales de 2000, había más de 3.000 resinas termoestables. fabricantes de materiales compuestos en mi país, y 51 de ellos habían pasado la certificación del sistema de calidad ISO9000. Hay más de 3.000 variedades de productos, con una producción total de 730.000 toneladas/año, ocupando el segundo lugar en el mundo. Los productos se utilizan principalmente en la construcción, anticorrosión, industria ligera, transporte, construcción naval y otros campos industriales. En cuanto a la construcción, existen paneles de pared internos y externos, tejas transparentes, torres de enfriamiento, campanas de aire acondicionado, ventiladores, tanques de agua de fibra de vidrio, artículos sanitarios, tanques de purificación, etc., en la industria petroquímica se utilizan principalmente en tuberías y almacenamiento; los tanques; en términos de transporte, se utilizan principalmente en automóviles, incluyen principalmente partes de carrocería, capós, parachoques y otros accesorios; los trenes tienen paneles de vagón, puertas, ventanas, asientos, etc., principalmente aerodeslizadores, botes salvavidas, botes de reconocimiento, barcos de pesca, etc.; en el campo de maquinaria y aparatos eléctricos, como ventiladores de techo, ventiladores de flujo axial, bandejas de cables, varillas aislantes, placas de circuitos integrados y otros productos de escala considerable en los campos aeroespacial y militar, aviones ligeros; , aletas traseras, antenas satelitales, boquillas de cohetes, placas antibalas, chalecos antibalas, torpedos, etc., han logrado avances importantes.
Materiales compuestos de matriz de resina termoplástica
Los materiales compuestos de matriz de resina termoplástica se desarrollaron en la década de 1980 e incluyen principalmente gránulos reforzados con fibra larga (LFP) y cintas preimpregnadas reforzadas con fibra continua (MITT). Compuestos termoplásticos reforzados con estera de fibra de vidrio (GMT). Dependiendo de los requisitos de uso, la matriz de resina incluye principalmente plásticos de ingeniería termoplásticos como PP, PE, PA, PBT, PEI, PC, PES, PEEK, PI, PAI, etc. Los tipos de fibra incluyen fibra de vidrio, fibra de carbono y fibra de aramida. , fibra de boro, etc. variedades de fibra. Con la madurez continua de la tecnología de materiales compuestos a base de resina termoplástica y las ventajas de la reciclabilidad, esta variedad de materiales compuestos se ha desarrollado rápidamente. En los países desarrollados de Europa y Estados Unidos, los materiales compuestos a base de resina termoplástica han representado más del 30%. del total de materiales compuestos a base de resina.
Los materiales compuestos a base de resina termoplástica de alto rendimiento son en su mayoría piezas de inyección, y la matriz es principalmente PP y PA.
Los productos incluyen accesorios para tuberías (codos, tes, bridas), válvulas, impulsores, cojinetes, aparatos eléctricos y piezas de automóviles, tuberías extruidas, productos moldeados GMT (como soportes para asientos de Jeep), pedales y asientos para automóviles, etc. Las aplicaciones automotrices del polipropileno reforzado con fibra de vidrio incluyen sistemas de ventilación y calefacción, carcasas de filtros de aire, cubiertas de transmisión, marcos de asientos, juntas de guardabarros, protectores de correas de transmisión y más.
El PP relleno de talco tiene alta rigidez, alta resistencia, excelente resistencia al envejecimiento por calor y resistencia al frío. El PP reforzado con talco tiene importantes aplicaciones en la decoración de interiores de automóviles, como componentes de sistemas de ventilación, paneles de instrumentos y palancas de control de frenos automáticos. Por ejemplo, la empresa estadounidense HPM utiliza 20 PP relleno de talco para fabricar un techo fonoabsorbente con un revestimiento. estructura alveolar y alojamientos para tambores de cables de elevalunas para turismos.
Los materiales compuestos de mica tienen las características de alta rigidez, alta temperatura de distorsión por calor, baja contracción, baja flexibilidad, estabilidad dimensional, baja densidad y bajo precio. Los materiales compuestos de mica/polipropileno se pueden utilizar para fabricar tableros de instrumentos de automóviles. , anillos de protección de faros, cubiertas de guardabarros, barandillas de puertas, ventiladores de motor, persianas y otros componentes. Las propiedades de amortiguación del material se pueden utilizar para fabricar piezas de audio y sus propiedades de protección se pueden utilizar para fabricar cajas de baterías, etc.
La investigación de mi país sobre materiales compuestos a base de resinas termoplásticas comenzó a finales de la década de 1980 y ha logrado un rápido desarrollo en los últimos diez años. En 2000, la producción alcanzó las 120.000 toneladas, lo que representa aproximadamente el 17% del total. Producción de materiales compuestos a base de resina, los materiales de matriz utilizados siguen siendo principalmente PP y PA, y los materiales de refuerzo son principalmente fibra de vidrio, con una pequeña cantidad de fibra de carbono. No ha habido grandes avances en los materiales compuestos termoplásticos. Todavía hay una brecha con los países desarrollados.
El potencial de desarrollo y los puntos críticos de los materiales compuestos en mi país
El potencial de desarrollo de los materiales compuestos en mi país es grande, pero se deben abordar los siguientes temas candentes.
1. Innovación en materiales compuestos
La innovación en materiales compuestos incluye el desarrollo tecnológico de materiales compuestos, el desarrollo de procesos de materiales compuestos, el desarrollo de productos de materiales compuestos y la aplicación de materiales compuestos. Específicamente, debemos captar la innovación en el desarrollo de matrices de resina, el desarrollo de materiales de refuerzo, el desarrollo de procesos de producción y la innovación en el desarrollo de aplicaciones de productos. Para 2007, la proporción de Asia en las ventas totales mundiales de materiales compuestos aumentará de 18 a 25. Actualmente, el consumo per cápita de Asia es de sólo 0,29 kg, en comparación con los 6,8 kg de Estados Unidos. Asia tiene un gran potencial de crecimiento.
2. Desarrollo de fibra a base de poliacrilonitrilo
El desarrollo de la industria de fibra de carbono de mi país es lento A partir de la revisión del desarrollo de CF, las características, el proceso de desarrollo de fibra de carbono nacional, el PAN de China. Descripción general del mercado de CF basada en CF, características, " A juzgar por la situación de la investigación científica y tecnológica en el Décimo Plan Quinquenal, es necesario y posible desarrollar fibras a base de poliacrilonitrilo.
3. Ajuste estructural de fibra de vidrio
Más del 70% de la fibra de vidrio de mi país se utiliza para reforzar sustratos. Tiene una ventaja de costos en el mercado internacional, pero sigue siendo inferior. a los países avanzados en términos de variedad, especificaciones y calidad, si hay una brecha, debemos mejorar y desarrollar hilos, telas tejidas, esteras no tejidas, telas trenzadas, telas cosidas y esteras compuestas, promover una estrecha cooperación entre la fibra de vidrio y industrias de fibra de vidrio y promover el nuevo desarrollo de materiales reforzados con fibra de vidrio.
4. Desarrollar el mercado de materiales compuestos para energía y transporte
En primer lugar, materiales compuestos para energía limpia y renovable, incluidos materiales compuestos para generación de energía eólica y materiales compuestos para dispositivos de desulfuración de gases de combustión. , Materiales compuestos para equipos de transmisión y transformación de energía y recipientes de alta presión para gas natural e hidrógeno; en segundo lugar, materiales compuestos para automóviles y transporte ferroviario urbano, incluidas carrocerías, bastidores y revestimientos exteriores de carrocerías de automóviles, carrocerías de transporte ferroviario, puertas, asientos, cables. canales y cables Marcos, rejillas, cajas eléctricas, etc.; en tercer lugar, materiales compuestos para aeronaves de aviación civil, principalmente materiales compuestos de fibra de carbono. Los materiales compuestos termoplásticos representan alrededor del 10% y los principales productos son piezas de alas, colas verticales, cubiertas de nariz, etc. En los próximos 20 años, mi país necesitará agregar 661 aviones regionales, lo que formará una gran industria de aviones de aviación civil. Los materiales compuestos se pueden incorporar a nuevas industrias que lo igualen. En cuarto lugar, los materiales compuestos se utilizan para barcos, principalmente yates; y los barcos de pesca son duraderos como entretenimiento de alta gama. Los bienes de consumo tienen un gran mercado en Europa y Estados Unidos. Debido a la reducción de los recursos pesqueros en mi país y el lento desarrollo de los barcos de pesca, las ventajas únicas de los materiales compuestos aún. tener espacio para el desarrollo.
5. Aplicaciones de infraestructura de materiales compuestos de fibra
Los materiales compuestos se utilizan ampliamente en puentes, casas y carreteras en el país y en el extranjero, y tienen muchas ventajas, especialmente. Existe un enorme mercado en puentes y en refuerzos de edificación, obras de construcción de túneles y reparación y refuerzo de grandes almacenes.
6. Procesamiento y regeneración integral de materiales compuestos
Centrarse en el desarrollo del reciclaje físico (reciclaje por trituración), el reciclaje químico (craqueo térmico) y la recuperación de energía, fortalecer la investigación en rutas técnicas. y tecnología de procesamiento integral, construcción de líneas de producción de demostración, investigación de reciclaje, expandir vigorosamente la aplicación de materiales reciclados en yeso, productos pultruidos, productos moldeados SMC/BMC y productos típicos.
La tecnología de materiales compuestos a base de resina de alto rendimiento del siglo XXI es un material inteligente que integra funciones de autorreparación, autodescomposición, autodiagnóstico y fabricación propia en materiales compuestos. Centrándonos en el desarrollo de materiales compuestos con alta rigidez, alta resistencia y uso en ambientes de alta humedad y calor, construimos un sistema de materiales que integra materiales, procesamiento de moldes, diseño e inspección. El sistema organizativo serán alianzas y grupos, que aprovecharán al máximo todos los recursos (recursos técnicos, recursos materiales) y conectarán estrechamente las ventajas de todos los aspectos para promover un mayor desarrollo de la industria de materiales compuestos.