תחום השימוש בחומרים מרוכבים

חומרים מרוכבים מיוצרים על ידי שילוב של שני חומרים או יותר כך שהם משלימים ומשפרים זה את זה, אך שומרים על המאפיינים הייחודיים שלהם במוצר הסופי.

מכונת אקסטרוזיה של יריעות פלסטיק

מכונות למחזור פלסטיק

בשל ביצועיהם המצוינים, חומרים מרוכבים נמצאים בשימוש נרחב בתחומים שונים, וסדרת מאמרים זו תכלול רשימה מקיפה של תחומי היישום העיקריים של חומרים מרוכבים, כולל: תעופה וחלל, תעשיית הרכב, בנייה, אנרגיה, אגירת אנרגיה, תשתיות, ימיות, צינורות ומיכלי אחסון, ספורט ובידור, תחבורה ועשרה תחומים נוספים.

1

אווירי

יצרניות ציוד מקורי גדולות בתחום התעופה, כמו איירבוס האירופית ובואינג האמריקאית, הראו פוטנציאל ליישום בקנה מידה גדול של חומרים מרוכבים בתעופה, בעוד שנאס"א מחפשת יצרני חומרים מרוכבים עבור רקטות וחלליות אחרות עם פתרונות מרוכבים חדשניים.

שיעור החומרים המרוכבים בכל דור חדש של מטוסים שפותחו על ידי בואינג גדל, ושיעור החומרים המרוכבים במטוס הבואינג 787 דרימליינר עבר את ה-50%. הרכיבים המבניים העיקריים של מטוס הבואינג 787 דרימליינר עשויים מחומרים מרוכבים "סנדוויץ'" העשויים יותר מסיבי פחמן ומלמינציות מתקדמות מסיבי פחמן, תוך התרחקות מחומרים מרוכבים מסיבי פחמן מיושנים.

מצד שני, סיבי ארמיד נמצאים בשימוש נרחב בבניית מכלולי כנף מובילים ואחוריים, כמו גם מחיצות קשיחות וקלות מאוד, מיכלי דלק ורצפות. בנוסף, חומרים מרוכבים מתקדמים המורכבים מסיבים בעלי חוזק גבוה וקשיחים המשובצים בחומרי מטריצה ​​נפוצים נמצאים בשימוש נרחב גם בתעשיית התעופה והחלל.

2

תעשיית הרכב

כשוק השימוש הסופי הגדול ביותר לחומרים מרוכבים, תעשיית הרכב אינה זרה לחומרים מרוכבים. בנוסף לעיצוב כלי רכב פורץ דרך, חומרים מרוכבים מסייעים להפוך כלי רכב לקלים וחסכוניים יותר בדלק. כלי רכב דורשים מנגנונים אמינים ומסונכרנים עם רכיבים שיכולים לעמוד בחיכוך, קורוזיה ותנודות טמפרטורה.

אי דיוקים בתכנון או בייצור ישפיעו על הביצועים ויכולים לעלות ליצרן בעסקאות. בהשוואה לפלדה מתכתית, ביצועיהם של חומרים מרוכבים עומדים בדרישות תעשיית הרכב ואף עולים עליהן. תכונות ייחודיות אלה כוללות:

מקדם התפשטות תרמית נמוך

יציבות ממדית מעולה לשמירת צורה ואמינות

עמידות בפני קורוזיה בתנאים רטובים ויבשים

חוזק פגיעות גבוה לעמידות בשימוש חוזר

משקל קל יחסית כדי להפחית את המסה הכוללת של הרכב

בידוד רעש טוב יותר וביצועים טובים יותר

קבלה לצביעה, כולל יכולת לעמוד בדרישות משטח Class A, צביעה ותהליכי אפייה

קל לייצור ועלות יחסית נמוכה

יישומים אופייניים של חומרים מרוכבים במבנים פנימיים וחיצוניים של כלי רכב

חומרים מרוכבים נמצאים בשימוש נרחב בסדרה של חלקים מבניים לרכב, החל ממעטפות פנסים ועד רכיבי בידוד חשמלי ותרמי מתחת למכסה המנוע, ועד לחלקים החיצוניים של גוף הרכב, מבנים פנימיים וחלקי גימור. יישומים נפוצים של חומרים מרוכבים בחלקי רכב מפורטים להלן:

מגני בקרה וספוילרים

סעפת יניקה

מארז ומכסה הסוללה

פגושים וקורות פגוש

כיסויי ראשי צילינדרים (למשל שסתומים, זרועות נדנדה, גל זיזים)

מסגרת חלון/גג שמש

פלטת פתיחת גריל קדמית

בית הפנס הקדמי

מגני חום (למשל מנוע, תיבת הילוכים)

תמוכות וכיסויים

3

מגזר הבנייה

קהילת הבנייה חווה צמיחה משמעותית בהבנה ובשימוש בחומרים מרוכבים. חומרים מרוכבים מספקים לאדריכלים ומעצבים ביצועים וערך גבוהים בפרויקטים בקנה מידה גדול, והשימוש בהם בבנייה מסחרית ומגורים הולך וגובר.

במאמר שפורסם לאחרונה, קבוצת פאלארי בונה קהילות ובתים בני קיימא המודפסים בתלת-ממד. Mighty Buildings היא חברת טכנולוגיית בנייה המשתמשת בהדפסה תלת-ממדית, רובוטיקה ואוטומציה כדי ליצור בתים בני קיימא ובמחירים נוחים. אבן הבניין הבסיסית של הבית היא ה-Mighty Panel, פאנל מרוכב פולימרי 100% המודפס בתלת-ממד עם גימורים מבניים, בידוד, שילוב MEP, מחסום אוויר/לחות/אש וגימורים פנימיים/חיצוניים. Mighty Buildings מדפיסה פאנלים בודדים במפעל שלה, ולאחר מכן מרכיבה אותם לבתים באתר הבנייה.

בבנייה, לתכונות החוזק הגבוהות של סיבי פחמן יש תפקיד חיובי. סיבי פחמן חזקים במיוחד, רכים וקלים להנחה, וניתן להשתמש בהם לתיקון וחיזוק מבנים כדי לגרום להם להיראות כמו מבנים חדשים. למינציות של סיבי פחמן נמצאות בשימוש נרחב להגברת נשיאת העומס של רצפות ועמודים. בנוסף, סיבי פחמן עמידים בפני נזקי רעידת אדמה, כך שניתן להשתמש בהם גם לחיזוק מבני של מבנים חדשים וכתחליף לפלדה טרומית.

4

שדה אגירת אנרגיה

חומרים מרוכבים רב-תכליתיים לאגירת אנרגיה (MESCs) מפותחים על ידי הטמעת שכבות סוללה במבנה, עם מסמרות משתלבות המאבטחות את שכבות הסוללה, מה שעוזר לשפר את התכונות המכניות. ניסויים מראים כי ל-MESCs יכולות להיות התנהגות אלקטרוכימית דומה לחומרים אחרים. בהשוואה לתאי כיס, MESCs משיגים קשיחות מכנית גבוהה פי 15 ביעילות אנקפסולציה של 60%.

יישומים מייצגים נוספים של חומרים מרוכבים באגירת אנרגיה כוללים:

מיכלי מימן לתעופה וחלל

מערכת תאי דלק מימן

סוללה מחומר מרוכב טבעי

5

תחום התשתיות

למען האמת, אין הבחנה חד משמעית בין תשתיות למבנים. בשנים האחרונות, עם הופעתם של חומרים מרוכבים מבניים חדשים, זולים ובעלי ביצועים גבוהים, בניית תשתיות נכנסה לשלב חדש. לא רק שפלסטיק מחוזק בסיבים (FRP) יכול להחליף פלדה במבנים נושאי עומס רבים, אלא גם הוכח כי ניתן לחזק קורות בטון עם פלסטיק מחוזק בסיבים (FRP) המודבק פנימית או חיצונית.

חומרים מרוכבים העשויים מזכוכית, ארמיד או סיבי פחמן נשקלים יותר ויותר עבור מתיחה מקדימה, מתיחה לאחר מכן או חיזוק בטון. כדי להחליף מוטות מזוודים חלודים, ניתן להשתמש בסופו של דבר במערכות FRP בסיפוני גשרים מבטון או במבני רצפות בטון חיצוניים אחרים.

עמידות בפני קורוזיה היא אחד הגורמים העיקריים שהופכים סיבי פחמן לאטרקטיביים כל כך בתחום התשתיות. סיבי פחמן לא יחלידו ויחלידו, ולכן ניתן לדלל את שכבת הבטון מסיבי הפחמן בצורה משמעותית, מכיוון שאין צורך לשקול חומר נגד קורוזיה כמו בליבת הפלדה, מה שמפחית מאוד את כמות הבטון המשמשת בבניין, ויש לו גם יתרונות נוספים, כגון הפחתת עלויות והאצת התקדמות הבנייה, קיצור זמן הייבוש וכו'. בנוסף, בשל המוליכות החשמלית הטובה שלו, סיבי פחמן יכולים לשמש להגנה על הפרעות אלקטרומגנטיות, יכולים להעביר מידע על פרמטרי בניין ולהפוך לחלק בלתי נפרד מבניינים חכמים.

6

שדה אנרגיה חדש

השימוש בחומרים מרוכבים באנרגיה מתחדשת ימלא תפקיד חשוב יותר ויותר על ידי יצירת מבנים שיכולים לרתום אנרגיה בת קיימא. משקל נמוך יותר, עלויות הובלה והתקנה נמוכות יותר, וחשוב מכל, עלויות תחזוקה נמוכות יותר לאורך חיי המבנה בהשוואה למבני מתכת, הציבו חומרים מרוכבים כחומר דה פקטו עבור פרויקטים בקנה מידה גדול. לספק פתרונות חסכוניים.

משקלם הקל וצורות הכנף המורכבות של להבי טורבינות רוח הפכו את החומרים המרוכבים למובילים בתחום, תוך שימוש בתבניות שנועדו לייצר להבים בצורה חסכונית ובמינימום עבודה. המחקר והפיתוח הנוכחיים מכוונים לעמוד בגודל המוגבר הנדרש עבור להבי טורבינות ורוטורים עבור מערכות יבשתיות וימיות.

7

שדה האוקיינוס

במשך עשרות שנים, חומרים מרוכבים FRP (FRP) שימשו בהצלחה ביישומים ימיים כגון רדומים ומבנים ימיים, יאכטות-על, סירות עבודה וסירות פנאי. לאחרונה, FRP שימש ביישומים פחות מוכרים כגון מיסבים, מדחפים, פתחי תא מטען מסחריים, מפלטים ומבני גגות.

השימוש בחומרים מרוכבים מסיבי זכוכית ביישומים ימיים היה אחד התחומים המשמעותיים הראשונים של יישום GRP. הוא חולל מהפכה ביכולת לתכנן ולייצר מבנים מרוכבים גדולים בתחומים מרובים. הסירה מיוצרת בבריטניה באמצעות מגוון תהליכים, כולל GRP המונח ידנית, עירוי שרף, תרמופלסטיים ו-prepreg מסיבי פחמן בעלי ביצועים גבוהים עבור יאכטות מרוץ.

היתרונות העיקריים של GRP ביישומים ימיים הם:

עמידות סביבתית, כולל חופש מריקבון, עמידות בפני קורוזיה וכו'.

יכולת לעבד מבנים חלקים ומורכבים

יכולת התאמת חוזק לתנאי עומס

תכונות חוזק-משקל מצוינות - מבנים ימיים מ-GRP הם בדרך כלל חצי ממשקלם של מבני פלדה מקבילים.

תחזוקה נמוכה ותיקון קל

עמידות מצוינת

סירות משוטים משתמשות בחומרים מרוכבים באופן נרחב יותר מכל מבנה ימי אחר. עקב דרישות מיוחדות, החומרים בהם נעשה שימוש אינם חומרי בנייה ימיים אופייניים. משקל מינימלי וקשיחות מקסימלית היו קריטיים בתכנון שלהן על מנת שיוכלו לשוט במהירות מרבית ולעמוד בפני השפעות הגלים ואלמנטים אחרים של הסביבה הימית.

חומרים מרוכבים אפוקסי מחוזקים בסיבי פחמן משמשים בדרך כלל עבור גופי ספינות, מסגרות, קילים, תרנים, מוטות ובומים, תופי כננת וגירים מפחמן. השימוש ב-FRP מסייע בשיפור הביצועים ולמזער את הסיכון לפגמים ותקלות ניווט בתנאי שייט בינלאומיים משתנים.

8

שדה מערכת צנרת

מערכות צנרת מרוכבות נמצאות בשימוש במפעלים כימיים כבר יותר מ-25 שנה. השימוש בחומרים מרוכבים ביישומים תעשייתיים הפך לנפוץ בשנות ה-1970. כיום, צנרת מרוכבת ומיכלי ניקוז נמצאים במגמת עלייה ביישומים עיליים ומתחת לאדמה, מסחריים, עירוניים ומגורים. גז טבעי בעלות נמוכה מרחיב עוד יותר את השוק ככל שפותחים מתקנים כימיים חדשים ומתקנים ישנים מורחבים.

יישומים ומוצרים אופייניים של צינורות מרוכבים כוללים:

בקרת זיהום אוויר

מדגה

עיבוד כימי

הַתפָּלָה

נפט וגז טבעי

מים וטיפול בשפכים

צינור

אביזרים וציפויים

מערכת צנרת

ריפוד מיכל הדלק

מיכל אחסון שמן

מיכל תהליך

מגרד

שסתום

9

תחום הספורט והפנאי

סיבי פחמן תמיד היו בולטים בתחום מוצרי הספורט, החל ממרוצים ועד סקי, גולף, דיג וטניס, סיבי פחמן נמצאים בשימוש נרחב. עם הפופולריות הגוברת וירידת מחירם של סיבי פחמן, הם נמצאים בשימוש גובר בציוד ספורט.

סיבי פחמן משמשים כיום במחבטים רבים, סנובורד, מזחלות, מקלות הוקי, חכות דיג, מחבטי גולף, אופניים, גלשנים, עפיפונים, נעליים ומוצרי ספורט אחרים.

סיבי פחמן בספורט ופנאי

כיום, 7 מתוך 10 פעילויות הספורט והפנאי הפופולריות ביותר בחיק הטבע משתמשות בחומרים מרוכבים. חומרים מרוכבים מחוזקים בסיבי זכוכית ופחמן ממשיכים להחליף עץ ומתכת בחכות דיג, מחבטי טניס, מוטות/קורות למשוטי קיאקים, תרנים ולוחות גלישת רוח, מקלות הוקי, עפיפונים וכידוני אופניים.

10

תחבורה

ישנה מגמה בתעשיית התחבורה להשתמש בכלי רכב גדולים יותר. בין אם מדובר באוטובוס, רכבת או משאית מפרקית, הרעיון פשוט: לשאת יותר מטען. האתגר הוא למצוא דרכים לשאת מטענים גדולים יותר בבטחה תוך חיסכון בדלק והפחתת ההשפעה הסביבתית. חומרים מרוכבים מציעים תשובה מרשימה לאתגר זה.