Баланс между высоким потенциалом и высокими затратами: растущая область композитных материалов

Обзор композитных материалов

Композитные материалы претерпевают заметные изменения в таких отраслях, как аэрокосмическая, автомобильная и морская ветроэнергетика. Их высокая прочность, легкий вес и устойчивость к коррозии делают их очень востребованными, предлагая значительные преимущества в производительности.

Перспективы рынка

Композитные материалы переживают значительный рост во всех отраслях. Согласно прогнозу Market Data Forecast, прогнозируется, что рынок композитных материалов существенно вырастет: с 97,06 млрд долларов США в 2023 году до 154,82 млрд долларов США к 2028 году, при этом среднегодовой темп роста (CAGR) ) 9,6%.

Лаборатория материалов и химических исследований Института промышленных технологий определяет аэрокосмическую, автомобильную и ветроэнергетику как ключевые рынки для композитных материалов. В автомобильном секторе переход на электромобили (EV) подчеркивает важность легких материалов и технологий быстрого отверждения. Движущей силой этого перехода являются такие инновации, как быстроотверждаемые смолы, автоматизированные производственные линии и экономичные материалы из углеродного волокна.

Крупные производители автомобилей, в том числе Tesla, BMW и Audi, используют композитные материалы в своих электрических и гибридных автомобилях для повышения производительности и увеличения запаса хода. Кроме того, инвестиции компании Voith в технологию автоматизированной намотки волокон для автомобильных деталей с годовой производственной мощностью около 65 000 единиц отражают стремление отрасли к повышению эффективности и масштабируемости.

ПЭТ-композиты: растущая область применения

Мировая индустрия композитных материалов переживает устойчивый рост, обусловленный достижениями и растущим спросом в таких секторах, как аэрокосмическая, автомобильная, строительная и электронная. В 2022 году мировой рынок композитных материалов оценивался в 677,1 миллиарда юаней, при этом совокупный годовой темп роста (CAGR) составил 7,8% с 2018 по 2022 год.

Композиты подразделяются в зависимости от матричного материала на композиты на основе смол, керамики и металла. Среди них на рынке доминируют композиты на основе смол, особенно композиты из ПЭТ. ПЭТ-композиты пользуются популярностью из-за их исключительной безопасности от повреждений, коррозионной стойкости, термической стабильности и диэлектрических свойств, что составляет более 80% рынка. Напротив, композиты на основе керамики и металлов занимают менее 10% рынка.

Достижения в области исследований

Последние достижения в функциональной модификации ПЭТ привели к разработке различных инновационных композиционных материалов, расширяющих возможности его применения в различных областях.

Проводящие ПЭТ-композиты

Исследования позволили создать проводящие композиты из ПЭТ, которые устраняют электромагнитные помехи, распространенную проблему традиционного ПЭТ из-за его изолирующих свойств. Благодаря обработке поверхности и внутренним добавкам эти композиты теперь обеспечивают улучшенную электромагнитную защиту для электронных устройств и улучшенные характеристики в качестве сепараторов литий-ионных аккумуляторов. Кроме того, композиционные материалы ПЭТ, такие как алюминиевые пленки и медная фольга, становятся жизнеспособной альтернативой традиционным токосъемникам. Эти передовые материалы обеспечивают такие преимущества, как уменьшенный вес, повышенная плотность энергии, повышенная безопасность и снижение затрат, демонстрируя значительный рыночный потенциал при продолжающемся массовом производстве.

Композитные оптические ПЭТ-пленки

В сфере производства фотоэлектрической энергии и плоскопанельной электроники все большую популярность набирают оптические композитные пленки из ПЭТ. Функциональные покрытия, нанесенные на эти ПЭТ-пленки, дают различные преимущества:

• Силиконовые покрытия обеспечивают превосходные антибликовые свойства и износостойкость.
• Полиуретановые покрытия идеально подходят для диффузии и повышения яркости.
• Акриловые покрытия известны своими экологически чистыми характеристиками: они не выделяют летучих органических соединений и при этом улучшают использование источников света.

Антибактериальные композитные нановолоконные мембраны

Мембраны из нанокомпозитных волокон на основе ПЭТ, производимые с помощью технологии электропрядения и наполненные наночастицами серебра, делают успехи в мембранном разделении, фильтрации воздуха и перевязочных материалах. Эти мембраны обладают исключительными антибактериальными свойствами, достигая эффективности 99,99% против E. coli и 99,97% против Staphylococcus aureus.

Успешное применение в автомобильной и аэрокосмической промышленности

Композиты из ПЭТ, известные своим превосходным соотношением прочности и веса, возможностью вторичной переработки, химической стойкостью и влагостойкостью, становятся все более популярными в высокопроизводительных секторах, таких как автомобилестроение и аэрокосмическая промышленность.

Автомобильный сектор

BMW интегрировала ПЭТ-композиты в свой электромобиль i3, используя эти материалы как в конструкции кузова, так и в компонентах интерьера. Такое стратегическое использование не только снижает вес автомобиля, но также повышает топливную экономичность и дальность полета. Кроме того, использование ПЭТ-композитов способствует снижению количества отходов и потребления ресурсов во время производства, тем самым повышая устойчивость производственного процесса.

Tesla аналогичным образом использует ПЭТ-композиты в Model 3, применяя их для внутренних и структурных компонентов. Эти композиты повышают долговечность и прочность деталей интерьера, оптимизируют производственные затраты и соответствуют приверженности Tesla к устойчивому развитию, обеспечивая экологические преимущества.

Аэрокосмический сектор

Boeing использует композиты ПЭТ в конструкции фюзеляжа и крыла 787 Dreamliner. Использование этих материалов повышает топливную экономичность, увеличивает дальность полета самолета и снижает затраты на техническое обслуживание. Коррозионная стойкость ПЭТ-композитов еще больше повышает долгосрочную надежность самолета.

Airbus использует композиты ПЭТ в компонентах крыла и фюзеляжа A350 XWB. Применение этих материалов помогает снизить вес самолета, снизить расход топлива, повысить как производительность, так и экономическую эффективность. Таким образом, ПЭТ-композиты играют решающую роль в повышении летно-технических характеристик и эксплуатационной эффективности самолетов.

Проблемы и будущие направления

Композитные материалы обеспечивают исключительные характеристики в аэрокосмической, автомобильной и ветроэнергетической отраслях, однако их развитию препятствует ряд серьезных проблем.

Высокие производственные затраты и технические сложности

Основными препятствиями, с которыми сталкиваются композиционные материалы, являются их высокая себестоимость и техническая сложность производственных процессов. Сырье для ПЭТ-композитов, такое как современные волокна и смолы, часто дорогое. Более того, такие процессы, как намотка волокна, пултрузия и инъекция смолы, требуют значительных капиталовложений и эксплуатационных затрат. В частности, коммерциализация высокоэффективной композитной медной фольги из ПЭТФ остается проблематичной из-за этих технологических и финансовых проблем.

Проблемы устойчивого развития и переработки

Индустрия композитных материалов все больше внимания уделяет устойчивому развитию, что обусловлено растущим экологическим сознанием. Существует высокий спрос на возобновляемые и перерабатываемые композиты с переходом к перерабатываемым материалам и недорогим технологиям переработки с низким энергопотреблением. Потребность в углеродном волокне и переработанных материалах особенно высока в аккумуляторных модулях электромобилей и больших лопастях ветряных турбин.

Отраслевые инициативы

Siemens Gamesa решает проблемы переработки лопастей ветряных турбин, стремясь к 2040 году добиться углеродной нейтральности во всей своей цепочке поставок. Компания сотрудничает с такими поставщиками, как Swancor, чтобы гарантировать, что все поставляемые смолы будут подлежать вторичной переработке к 2026 году.

Последние достижения в технологиях переработки композитов ПЭТ, таких как пиролиз, позволили эффективно перерабатывать композиты ПЭТ и повторно использовать их в высокопроизводительных продуктах. Эти технологии не только минимизируют воздействие отходов на окружающую среду, но и предоставляют производителям высококачественные переработанные материалы для использования в автомобильных деталях, аэрокосмических конструкциях и лопастях ветряных турбин.

Перспективы на будущее

Несмотря на эти достижения, отрасль по-прежнему сталкивается с препятствиями. Крайне важна потребность в стабильных поставках высококачественных волокнистых отходов и коммерчески жизнеспособных недорогих технологиях переработки. Успешная реализация решений по вторичной переработке требует сотрудничества между производителями вторичной переработки волокна и производителями продукции.

В настоящее время аэрокосмические отходы четко определены и отслеживаются, но сохраняются проблемы с определением и отслеживанием составных отходов в других секторах. Чтобы технологии переработки были успешными, они должны снизить затраты на процесс и соответствовать стандартам низкого уровня выбросов углекислого газа. Пиролиз остается самой передовой технологией переработки углеродного волокна, и постоянно предпринимаются усилия по разработке недорогого и энергоэффективного оборудования для стимулирования роста отрасли.

Решение этих проблем имеет важное значение для устойчивого роста и широкого внедрения композитных материалов, гарантируя, что они продолжат приносить значительные преимущества, одновременно сводя к минимуму их воздействие на окружающую среду.

Заключение

Несмотря на проблемы, продолжающиеся исследования и технологические достижения открывают путь для дальнейшего роста и внедрения композитных материалов. Решение этих проблем посредством инноваций и сотрудничества станет ключом к раскрытию всего потенциала этой многообещающей области.