ขอบเขตการใช้งานของวัสดุคอมโพสิต

วัสดุผสมถูกผลิตขึ้นโดยการนำวัสดุสองชนิดขึ้นไปมาผสมกัน เพื่อให้วัสดุเหล่านั้นเสริมและปรับปรุงคุณสมบัติซึ่งกันและกัน แต่ยังคงรักษาคุณลักษณะเฉพาะตัวของแต่ละวัสดุไว้ในผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

เครื่องรีดแผ่นพลาสติก

เครื่องจักรสำหรับรีไซเคิลพลาสติก

เนื่องจากประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม วัสดุคอมโพสิตจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในหลากหลายสาขา และบทความชุดนี้จะรวบรวมข้อมูลอย่างครอบคลุมเกี่ยวกับสาขาการใช้งานหลักของวัสดุคอมโพสิต ได้แก่ การบินและอวกาศ อุตสาหกรรมยานยนต์ การก่อสร้าง พลังงาน การเก็บพลังงาน โครงสร้างพื้นฐาน การเดินเรือ ท่อส่งและถังเก็บ การกีฬาและความบันเทิง การขนส่ง และอีกสิบสาขา

1

การบินและอวกาศ

ผู้ผลิตอากาศยานรายใหญ่ เช่น แอร์บัสของยุโรปและโบอิ้งของสหรัฐอเมริกา ได้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการนำวัสดุคอมโพสิตมาประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมการบินในวงกว้าง ขณะที่นาซาได้มองหาผู้ผลิตวัสดุคอมโพสิตสำหรับจรวดและยานอวกาศอื่นๆ ที่มีโซลูชันวัสดุคอมโพสิตที่เป็นนวัตกรรมใหม่

สัดส่วนของวัสดุคอมโพสิตในเครื่องบินรุ่นใหม่แต่ละรุ่นที่พัฒนาโดยโบอิ้งเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ และสัดส่วนของวัสดุคอมโพสิตในเครื่องบินโบอิ้ง 787 ดรีมไลเนอร์นั้นสูงกว่า 50% ชิ้นส่วนโครงสร้างหลักของโบอิ้ง 787 ดรีมไลเนอร์ทำจากวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์แบบ "แซนด์วิช" และแผ่นลามิเนตคาร์บอนไฟเบอร์ขั้นสูงมากขึ้น แทนที่วัสดุคอมโพสิตไฟเบอร์กลาสแบบดั้งเดิม

ในทางกลับกัน เส้นใยอะรามิดถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการสร้างส่วนประกอบปีกด้านหน้าและด้านหลัง รวมถึงผนังกั้นห้อง ถังเชื้อเพลิง และพื้นที่มีความแข็งแรงและน้ำหนักเบามาก นอกจากนี้ วัสดุคอมโพสิตขั้นสูงที่ประกอบด้วยเส้นใยที่มีความแข็งแรงสูงและแข็งแกร่งฝังอยู่ในวัสดุเมทริกซ์ทั่วไปก็ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศเช่นกัน

2

อุตสาหกรรมยานยนต์

อุตสาหกรรมยานยนต์ซึ่งเป็นตลาดปลายทางที่ใหญ่ที่สุดสำหรับวัสดุคอมโพสิตนั้น คุ้นเคยกับวัสดุคอมโพสิตเป็นอย่างดี นอกจากการบุกเบิกการออกแบบยานยนต์แล้ว วัสดุคอมโพสิตยังช่วยทำให้รถยนต์มีน้ำหนักเบาขึ้นและประหยัดน้ำมันมากขึ้น รถยนต์ต้องการกลไกที่เชื่อถือได้และทำงานประสานกันอย่างลงตัว พร้อมด้วยชิ้นส่วนที่สามารถทนต่อแรงเสียดทาน การกัดกร่อน และการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิได้

ความไม่แม่นยำในการออกแบบหรือการผลิตจะส่งผลต่อประสิทธิภาพและอาจทำให้ผู้ผลิตสูญเสียธุรกิจ เมื่อเปรียบเทียบกับเหล็กกล้า วัสดุคอมโพสิตมีประสิทธิภาพตรงตามและเหนือกว่าความต้องการของอุตสาหกรรมยานยนต์ คุณสมบัติพิเศษเหล่านี้ได้แก่:

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนต่ำ

มีเสถียรภาพทางมิติที่ดีเยี่ยม ช่วยรักษารูปทรงและมีความน่าเชื่อถือ

ความต้านทานการกัดกร่อนในสภาวะเปียกและแห้ง

มีความแข็งแรงทนทานต่อแรงกระแทกสูง สามารถทนต่อการใช้งานซ้ำๆ ได้

มีน้ำหนักเบาเพื่อลดมวลโดยรวมของยานพาหนะ

ฉนวนกันเสียงที่ดีกว่าและประสิทธิภาพที่ดีกว่า

ความสามารถในการรับสี รวมถึงความสามารถในการตรงตามข้อกำหนดพื้นผิวระดับ A กระบวนการทาสีและการอบสี

ผลิตง่ายและต้นทุนค่อนข้างต่ำ

การใช้งานทั่วไปของวัสดุคอมโพสิตในโครงสร้างภายในและภายนอกรถยนต์

วัสดุคอมโพสิตถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในชิ้นส่วนโครงสร้างยานยนต์หลายประเภท ตั้งแต่ตัวเรือนไฟหน้าไปจนถึงชิ้นส่วนฉนวนไฟฟ้าและความร้อนใต้ฝากระโปรงรถ รวมถึงชิ้นส่วนภายนอกตัวถังรถยนต์ โครงสร้างภายใน และชิ้นส่วนตกแต่ง ตัวอย่างการใช้งานวัสดุคอมโพสิตในชิ้นส่วนยานยนต์ทั่วไปมีดังต่อไปนี้:

แผ่นเบี่ยงลมและสปอยเลอร์

ท่อร่วมไอดี

เคสและฝาครอบแบตเตอรี่

กันชนและคานกันชน

ฝาครอบหัวกระบอกสูบ (เช่น วาล์ว, แขนโยก, เพลาลูกเบี้ยว)

กรอบหน้าต่าง/หลังคาซันรูฟ

แผ่นเปิดกระจังหน้า

ตัวเรือนไฟหน้าด้านหน้า

แผ่นกันความร้อน (เช่น เครื่องยนต์ ระบบส่งกำลัง)

ค้ำยันและวัสดุหุ้ม

3

ภาคการก่อสร้าง

วงการก่อสร้างกำลังประสบกับการเติบโตอย่างมากในด้านความเข้าใจและการใช้งานวัสดุคอมโพสิต วัสดุคอมโพสิตมอบประสิทธิภาพและคุณค่าสูงให้กับสถาปนิกและนักออกแบบในโครงการขนาดใหญ่ และการใช้งานในงานก่อสร้างเชิงพาณิชย์และที่อยู่อาศัยก็เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

ในบทความล่าสุด Palari Group ได้สร้างชุมชนและบ้านที่ยั่งยืนด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ Mighty Buildings เป็นบริษัทเทคโนโลยีการก่อสร้างที่ใช้การพิมพ์ 3 มิติ หุ่นยนต์ และระบบอัตโนมัติในการสร้างบ้านที่ราคาไม่แพงและยั่งยืน ส่วนประกอบพื้นฐานของบ้านคือ Mighty Panel ซึ่งเป็นแผ่นคอมโพสิตโพลีเมอร์ 100% ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ มีคุณสมบัติโครงสร้าง ฉนวนกันความร้อน ระบบ MEP กันอากาศ/ความชื้น/ไฟ และวัสดุตกแต่งภายใน/ภายนอก Mighty Buildings พิมพ์แผ่นแต่ละแผ่นที่โรงงาน จากนั้นประกอบเป็นบ้านที่ไซต์ก่อสร้าง

ในงานก่อสร้าง คุณสมบัติความแข็งแรงสูงของเส้นใยคาร์บอนมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่ง เส้นใยคาร์บอนมีความแข็งแรงมาก อ่อนนุ่ม และปูง่าย สามารถใช้ซ่อมแซมและเสริมความแข็งแรงให้กับอาคาร ทำให้ดูเหมือนอาคารใหม่ได้ แผ่นลามิเนตเส้นใยคาร์บอนถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อเพิ่มความสามารถในการรับน้ำหนักของพื้นและเสา นอกจากนี้ เส้นใยคาร์บอนยังทนต่อความเสียหายจากแผ่นดินไหว จึงสามารถใช้เสริมความแข็งแรงโครงสร้างของอาคารใหม่และใช้ทดแทนเหล็กสำเร็จรูปได้

4

สาขาการจัดเก็บพลังงาน

วัสดุคอมโพสิตเก็บพลังงานอเนกประสงค์ (MESCs) ถูกพัฒนาขึ้นโดยการฝังชั้นแบตเตอรี่เข้าไปในโครงสร้าง โดยใช้หมุดย้ำแบบประสานเพื่อยึดชั้นแบตเตอรี่เข้าด้วยกัน ซึ่งช่วยปรับปรุงคุณสมบัติทางกล การทดสอบเชิงทดลองแสดงให้เห็นว่า MESCs สามารถมีพฤติกรรมทางเคมีไฟฟ้าที่เทียบเคียงได้กับวัสดุอื่นๆ เมื่อเทียบกับเซลล์แบบถุง MESCs มีความแข็งแกร่งทางกลสูงกว่าถึง 15 เท่า ที่ประสิทธิภาพการห่อหุ้ม 60%

การประยุกต์ใช้คอมโพสิตในด้านการจัดเก็บพลังงานในด้านอื่นๆ ที่น่าสนใจ ได้แก่:

ถังไฮโดรเจนสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ

ระบบเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน

แบตเตอรี่วัสดุผสมจากธรรมชาติ

5

สาขาโครงสร้างพื้นฐาน

กล่าวโดยเคร่งครัดแล้ว ไม่มีเส้นแบ่งที่ชัดเจนระหว่างโครงสร้างพื้นฐานและอาคาร ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการเกิดขึ้นของวัสดุคอมโพสิตโครงสร้างใหม่ที่มีต้นทุนต่ำและประสิทธิภาพสูง การก่อสร้างโครงสร้างพื้นฐานได้เข้าสู่ยุคใหม่ ไม่เพียงแต่พลาสติกเสริมใยแก้ว (FRP) จะสามารถใช้แทนเหล็กในโครงสร้างรับน้ำหนักหลายแห่งได้เท่านั้น แต่ยังได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถเสริมความแข็งแรงให้กับคานคอนกรีตด้วยพลาสติกเสริมใยแก้ว (FRP) ที่ยึดติดภายในหรือภายนอกได้อีกด้วย

วัสดุคอมโพสิตที่ทำจากเส้นใยแก้ว อะรามิด หรือคาร์บอน กำลังได้รับการพิจารณามากขึ้นเรื่อยๆ สำหรับการดึงลวดก่อน การดึงลวดหลัง หรือการเสริมแรงคอนกรีต ในอนาคต ระบบ FRP อาจถูกนำมาใช้แทนเหล็กเส้นที่ผุกร่อนในพื้นสะพานคอนกรีตหรือโครงสร้างพื้นคอนกรีตกลางแจ้งอื่นๆ

ความต้านทานการกัดกร่อนเป็นหนึ่งในปัจจัยหลักที่ทำให้เส้นใยคาร์บอนเป็นที่น่าสนใจอย่างมากในภาคโครงสร้างพื้นฐาน เส้นใยคาร์บอนจะไม่เกิดการกัดกร่อนและสนิม ดังนั้นชั้นคอนกรีตเสริมเส้นใยคาร์บอนจึงสามารถบางลงได้มาก เนื่องจากไม่จำเป็นต้องคำนึงถึงการป้องกันการกัดกร่อนเหมือนแกนเหล็ก ซึ่งช่วยลดปริมาณคอนกรีตที่ใช้ในการก่อสร้างได้อย่างมาก และยังมีประโยชน์อื่นๆ เช่น ลดต้นทุนและเร่งความคืบหน้าในการก่อสร้าง ลดระยะเวลาการแห้งตัว เป็นต้น นอกจากนี้ เนื่องจากมีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าที่ดี เส้นใยคาร์บอนจึงสามารถใช้ในการป้องกันการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า สามารถส่งข้อมูลพารามิเตอร์ของอาคาร และกลายเป็นส่วนสำคัญของอาคารอัจฉริยะได้

6

สนามพลังงานใหม่

การใช้วัสดุคอมโพสิตในด้านพลังงานหมุนเวียนจะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ โดยการสร้างโครงสร้างที่สามารถใช้ประโยชน์จากพลังงานที่ยั่งยืนได้ ด้วยน้ำหนักที่เบากว่า ค่าขนส่งและติดตั้งที่ต่ำกว่า และที่สำคัญที่สุดคือ ค่าบำรุงรักษาตลอดอายุการใช้งานที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับโครงสร้างโลหะ ทำให้วัสดุคอมโพสิตกลายเป็นวัสดุมาตรฐานสำหรับโครงการขนาดใหญ่ และยังเป็นทางเลือกที่ประหยัดอีกด้วย

ใบพัดกังหันลมที่มีน้ำหนักเบาและรูปทรงปีกที่ซับซ้อน ทำให้วัสดุคอมโพสิตกลายเป็นผู้นำในด้านนี้ โดยใช้แม่พิมพ์ที่ออกแบบมาเพื่อผลิตใบพัดได้อย่างประหยัดและใช้แรงงานน้อยที่สุด การวิจัยและพัฒนาในปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่การตอบสนองความต้องการขนาดที่ใหญ่ขึ้นของใบพัดกังหันและใบพัดโรเตอร์สำหรับระบบบนบกและนอกชายฝั่ง

7

ทุ่งมหาสมุทร

เป็นเวลานานหลายทศวรรษแล้วที่วัสดุคอมโพสิต FRP ถูกนำมาใช้ในงานทางทะเลอย่างประสบความสำเร็จ เช่น เรดาร์โดมและโครงสร้างขนาดใหญ่ เรือยอชต์ขนาดใหญ่ เรือทำงาน และเรือสำราญ และเมื่อไม่นานมานี้ FRP ยังถูกนำมาใช้ในงานที่ไม่ค่อยเป็นที่รู้จัก เช่น ตลับลูกปืน ใบพัด ฝาปิดช่องระบายอากาศในเรือพาณิชย์ ท่อไอเสีย และโครงสร้างหลังคา

การใช้คอมโพสิตใยแก้วในงานทางทะเลเป็นหนึ่งในสาขาสำคัญแรกๆ ของการประยุกต์ใช้ GRP ซึ่งได้ปฏิวัติความสามารถในการออกแบบและผลิตโครงสร้างคอมโพสิตขนาดใหญ่ในหลายๆ ด้าน เรือลำนี้ผลิตในสหราชอาณาจักรโดยใช้กระบวนการต่างๆ รวมถึง GRP แบบวางด้วยมือ การฉีดเรซิน เทอร์โมพลาสติก และพรีเพรกคาร์บอนไฟเบอร์ประสิทธิภาพสูงสำหรับเรือแข่ง

ข้อดีหลักของ GRP ในการใช้งานทางทะเล ได้แก่:

ความทนทานต่อสภาพแวดล้อม รวมถึงการไม่เน่าเปื่อย ความทนทานต่อการกัดกร่อน เป็นต้น

ความสามารถในการประมวลผลโครงสร้างไร้รอยต่อและรูปทรงซับซ้อน

ความสามารถในการปรับความแข็งแรงให้เหมาะสมกับสภาวะการรับน้ำหนัก

คุณสมบัติความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่ยอดเยี่ยม - โครงสร้างทางทะเลที่ทำจาก GRP โดยทั่วไปมีน้ำหนักเพียงครึ่งหนึ่งของโครงสร้างเหล็กที่มีขนาดเทียบเท่ากัน

บำรุงรักษาน้อยและซ่อมแซมง่าย

ความทนทานที่ดีเยี่ยม

เรือพายใช้คอมโพสิตวัสดุอย่างแพร่หลายมากกว่าโครงสร้างทางทะเลประเภทอื่น ๆ เนื่องจากข้อกำหนดพิเศษ วัสดุที่ใช้จึงไม่ใช่วัสดุก่อสร้างทางทะเลทั่วไป น้ำหนักที่น้อยที่สุดและความแข็งแกร่งสูงสุดเป็นสิ่งสำคัญในการออกแบบ เพื่อให้สามารถแล่นด้วยความเร็วสูงสุดและทนทานต่อคลื่นและองค์ประกอบอื่น ๆ ของสภาพแวดล้อมทางทะเล

วัสดุคอมโพสิตอีพ็อกซีเสริมใยคาร์บอนมักใช้สำหรับตัวเรือแบบรังผึ้งหรือแกนโฟม เฟรม กระดูกงู เสาเรือ คาน และบูม รวมถึงดรัมและเพลาของวินช์คาร์บอน การใช้ FRP ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพและลดความเสี่ยงของข้อบกพร่องในการเดินเรือและการชำรุดเสียหายภายใต้สภาพการเดินเรือระหว่างประเทศที่หลากหลาย

8

งานระบบท่อ

ระบบท่อคอมโพสิตถูกนำมาใช้ในโรงงานเคมีมานานกว่า 25 ปีแล้ว การใช้วัสดุคอมโพสิตในงานอุตสาหกรรมแพร่หลายมากขึ้นในช่วงทศวรรษ 1970 ปัจจุบัน การติดตั้งท่อและถังคอมโพสิตกำลังเพิ่มขึ้นในงานบนดินและใต้ดิน งานเชิงพาณิชย์ งานเทศบาล และงานที่อยู่อาศัย ก๊าซธรรมชาติราคาถูกยังช่วยขยายตลาดให้กว้างขึ้น เนื่องจากมีการพัฒนาโรงงานเคมีแห่งใหม่และขยายโรงงานเก่า

การใช้งานและผลิตภัณฑ์ทั่วไปของท่อคอมโพสิต ได้แก่:

การควบคุมมลพิษทางอากาศ

เพาะเลี้ยงสัตว์น้ำ

ประมวลผลทางเคมี

การกลั่นน้ำทะเล

ปิโตรเลียมและก๊าซธรรมชาติ

การบำบัดน้ำและน้ำเสีย

ท่อ

อุปกรณ์และซับใน

ระบบท่อ

การเคลือบถังเชื้อเพลิง

ถังเก็บน้ำมัน

คอนเทนเนอร์สำหรับกระบวนการ

เครื่องถู

วาล์ว

9

สาขากีฬาและนันทนาการ

คาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุที่โดดเด่นในวงการสินค้ากีฬามาโดยตลอด ตั้งแต่การแข่งรถ การเล่นสกี กอล์ฟ ตกปลา และเทนนิส คาร์บอนไฟเบอร์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย ด้วยความนิยมที่เพิ่มขึ้นและราคาที่ลดลงของคาร์บอนไฟเบอร์ ทำให้มีการนำมาใช้ในสินค้ากีฬามากขึ้น

ปัจจุบัน คาร์บอนไฟเบอร์ถูกนำมาใช้ในไม้เทนนิส สโนว์บอร์ด รถเลื่อน ไม้ฮอกกี้ คันเบ็ดตกปลา ไม้กอล์ฟ จักรยาน กระดานโต้คลื่น ว่าว รองเท้า และผลิตภัณฑ์กีฬาอื่นๆ อีกมากมาย

คาร์บอนไฟเบอร์ในกีฬาและนันทนาการ

ในปัจจุบัน กิจกรรมกีฬาและสันทนาการกลางแจ้งยอดนิยม 10 อันดับแรก มี 7 ประเภทที่ใช้วัสดุคอมโพสิต วัสดุคอมโพสิตเสริมใยแก้วและคาร์บอนไฟเบอร์ยังคงเข้ามาแทนที่ไม้และโลหะในคันเบ็ด ไม้เทนนิส ด้ามพายเรือคายัค เสาและกระดานวินด์เซิร์ฟ ไม้ฮอกกี้ ว่าว และแฮนด์จักรยาน

10

ยานพาหนะ

ในอุตสาหกรรมการขนส่งมีแนวโน้มที่จะใช้ยานพาหนะขนาดใหญ่ขึ้น ไม่ว่าจะเป็นรถบัส รถไฟ หรือรถบรรทุกพ่วง แนวคิดนั้นง่ายมาก คือ บรรทุกสินค้าได้มากขึ้น ความท้าทายคือการหาวิธีขนส่งสินค้าจำนวนมากได้อย่างปลอดภัย ในขณะเดียวกันก็ประหยัดเชื้อเพลิงและลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม วัสดุคอมโพสิตนำเสนอคำตอบที่น่าประทับใจสำหรับความท้าทายนี้