Talrijke wetenschappelijke en technische ontwikkelingen hebben geleid tot de conclusie dat de eigenschappen van composietmaterialen vaak superieur zijn aan meer traditionele keuzes. Hier zijn enkele van de voordelen die ze zo veelbelovend maken.

1. Duurzaamheid verbeteren

Wereldwijde focus ligt op urgente zaken als klimaatverandering en overmatige afvalproductie. Mensen zijn steeds meer bezig met het ontwikkelen van duurzame materialen ter vervanging van materialen die waarschijnlijk vaker zullen worden weggegooid. Veel milieuvriendelijke composietmaterialen kunnen in de behoefte voorzien.

Repareerbare koolstofvezelcomponenten om de bruikbare levensduur te verlengen

Koolstofvezelcomposieten zijn populaire alternatieven om conventionele metalen te vervangen die voor alles worden gebruikt, van vliegtuigonderdelen tot golfclubs. De meeste zijn echter vrijwel onmogelijk te repareren of te recyclen als ze eenmaal kapot zijn.

Een nieuwe vooruitgang door onderzoekers van de Universiteit van Washington zou dat nadeel kunnen overwinnen. Het team creëerde een nieuw materiaal dat even licht en sterk is als conventionele koolstofvezelcomposieten, maar gemakkelijk te repareren als het barst. Mensen kunnen de schade herhaaldelijk traditioneel of met op radiofrequentie gebaseerde verwarming herstellen.

Het materiaal valt binnen een relatief nieuwe categorie, genaamd koolstofvezelversterkte vitrimeren (vCFRP). Andere soorten koolstofvezelcomposieten vallen in twee hoofdgroepen. De eerste soort bevat epoxy, wat een blijvende hardheid geeft. Die in de tweede categorie hebben een zachtere lijm die het mogelijk maakt het materiaal af te breken voor herbewerking, maar dit gaat ten koste van verminderde sterkte en stijfheid. Met vCFRP's kunt u echter koppelen, ontkoppelen en opnieuw koppelen zonder dergelijke compromissen.

Koolstofvezelcomponent voor minder uitstoot in auto's

In een ander geval van verbeterde duurzaamheid door de vooruitgang van koolstofvezelcomposiet, verving een Zwitsers bedrijf negen interieurcomponenten van voertuigen die typisch worden gebruikt in de autosport door een duurzamer composietmateriaal gemaakt van natuurlijke vezels. Dit zorgde voor een reductie van 94% van de materiële emissies en een verlaging van de cradle-to-gate-emissies met 90%.

Een ander voordeel van composietmaterialen is dat ze hun oorspronkelijke eigenschappen kunnen overtreffen, zoals teruggewonnen hout dat is behandeld voor hittebestendigheid. Dat betekent dat mensen misschien verrast zullen zijn als ze meer te weten komen over hoe composieten de eigenschappen van gewone materialen kunnen veranderen, waarvan ze dachten dat ze het goed wisten.

Dit zijn enkele van de vele voorbeelden van hoe deze futuristische composietmaterialen kunnen bijdragen aan de wereldwijde inspanningen om de duurzaamheid te verbeteren. Bedrijfsleiders zouden ze zelfs als verkoopargument kunnen gebruiken om te laten zien dat ecologische duurzaamheid in alle bedrijfsactiviteiten terug te vinden is. Fabrikanten van windturbines die ze gebruiken, geven bijvoorbeeld prioriteit aan langdurige veerkracht boven het voortijdig verzenden van items naar stortplaatsen.

2. Essentiële processen verbeteren

Mensen die met composietmaterialen werken, onderzoeken vaak hoe ze gebruikers kunnen helpen hun processen te verbeteren. Composietschroeven zijn bijvoorbeeld veelvoorkomende keuzes voor het monteren van terrasplanken, omdat ze doorgaans dichter zijn dan traditionele houtversies. Ze hebben ook fijnere schroefdraad en relatief kleinere koppen, waardoor ze gemakkelijker in terrasplanken kunnen worden gereden.

Het verbeteren van schroeven kan arbeidskosten besparen en de kans op geweldige resultaten vergroten, en dit is slechts één voorbeeld. Manieren om een ​​bestaand proces te versterken, kunnen in vrijwel elke fase duidelijk worden, van het ontwerpen van een product tot het doorstaan ​​van kwaliteitscontroles.

Robots helpen bij de productie van composiet ventilatorbladen

Veel van het lopende werk in verband met composietmaterialen betreft futuristische benaderingen, zoals het toepassen van robotica en machine learning bij ontwikkelingsinspanningen.

Rolls-Royce heeft bijvoorbeeld een nieuwe speciale faciliteit voor de ontwikkeling van nieuwe composietmaterialen. Een van de benaderingen daar betreft het gebruik van robots om composiet ventilatorbladen te maken die in straalmotoren worden gebruikt.

Composietmateriaal van koolstofvezel is gelaagd op een mal van een ventilatorbehuizing

Elk onderdeel heeft ongeveer 500 lagen koolstofvezelmateriaal, elk aangebracht in een volledig geautomatiseerd proces onder toezicht van fabrieksarbeiders. Robots tillen en verplaatsen de onderdelen tussen assemblagelijnstations, wat zorgt voor een soepele, efficiënte werking.

Machineleren kan composiettesten verbeteren

Onderzoekers hopen ook machine learning te gebruiken om vooruitgang te boeken met de methoden die gewoonlijk worden toegepast om composietmaterialen op gebreken te testen. De meest populaire traditionele methoden zijn op röntgen- en echografie gebaseerde tests. Beide hebben echter hun nadelen, wat onderzoekers ertoe aanzet om de beperkingen aan te pakken.

Russell Varley is hoogleraar composietmaterialen aan Carbon Nexus, een onderzoeksfaciliteit voor productie in Australië. Hij zei:"Het begrijpen en ontwikkelen van analysemethoden van de volgende generatie voor niet-destructief testen van composietproducten heeft een groot potentieel om de industrie te transformeren."

Een organisatie heeft voor dit project een onderzoeksbeurs toegekend om te kijken of machine learning een aantal bekende problemen met het testen van composieten kan aanpakken. Het gebruik van op röntgenstraling gebaseerde methoden is bijvoorbeeld kostenintensief in kapitaal en operationele investeringen.

Deze casestudy's impliceren niet dat mensen zijn gestopt met het proberen om processen die verband houden met traditionele materialen te verbeteren. Een aanhoudend grote belangstelling voor composieten van materiaalspecialisten over de hele wereld zorgt er echter voor dat veel van het onderzoek zich richt op nieuwere opties gemaakt van ten minste twee samenstellende materialen.

High-tech composieten veranderen van kleur om gebreken weer te geven

De twee voorgaande voorbeelden in dit gedeelte laten zien hoe composietmaterialen vaak aansluiten bij de inspanningen om Industrie 4.0 te omarmen. Er is echter ook fascinerend werk om de materialen zelf fabrieksprocessen te laten versnellen.

Onderzoekers ontwikkelden een composietlaminaat dat van kleur verandert als reactie op vervorming. Ze denken dat dit het mogelijk maakt om problemen in een vroeger stadium op te sporen en mensen te waarschuwen voor mogelijke materiële storingen. Mensen hebben het materiaal tot nu toe alleen in het lab gebruikt. Als het echter zo goed werkt als de ontwikkelaars hopen, kan de innovatie processen op tal van manieren verbeteren.

Het zou bijvoorbeeld kunnen voorkomen dat werknemers composietstukken met interne zwakheden vervaardigen en toekomstige terugroepacties tot een minimum beperken. Het team meldde ook dat hun nieuwe materiaal, bestaande uit lagen, breukvast en lichtgewicht is. Aangezien dit de meest wenselijke eigenschappen van composieten zijn, zou deze uitvinding brede toepassingen en aantrekkingskracht kunnen hebben.

3. Op materiaal gebaseerde verbeteringen voortzetten

Een ander voordeel van composietmaterialen is dat ze ingenieurs en wetenschappers in staat stellen nieuwe opties te ontwikkelen die voldoen aan behoeften die niet worden aangepakt door conventionele keuzes. Mensen zijn altijd op zoek naar haalbare manieren om producten te verbeteren. Composieten wijzen vaak de weg vooruit.

Nieuw composietmateriaal gemaakt van niet-geweven stoffen

Niet-geweven stoffen zijn stoffen die zijn afgeleid van bindvezels waarvoor geen breien of weven nodig is. Onderzoekers hebben onlangs een nieuw composietmateriaal gemaakt dat in deze categorie valt. Ze geloven dat hun innovatie ideaal zou kunnen zijn voor medische producten, zoals verbanden en maskers.

Om een ​​materiaal te maken dat uren of langer in contact kan komen met de huid van mensen, moet je goed nadenken over de gewenste eigenschappen van composietmaterialen. In dit geval wilde het team ademend vermogen en waterabsorptie. Ze wilden ook katoen gebruiken voor comfort.

Tests toonden aan dat de nieuwe stof meer absorberend was dan traditionele opties. Het presteerde ook goed in stretch-recovery-tests, wat suggereert dat het materiaal goed bestand zou zijn tegen herhaald gebruik. Het team erkende dat hoewel andere opties goed ademend en rekbaar zijn, de keuze om katoen toe te voegen een ander merkbaar voordeel zou moeten opleveren.

High-tech materiaal kan het gedoe van gebarsten telefoonschermen beperken

Omdat schermen zulke noodzakelijke onderdelen zijn van de smartphones van tegenwoordig, doen veel mensen veel moeite om ze te beschermen. Zelfs wanneer fabrikanten bijvoorbeeld ultraduurzaam glas installeren, voegen veel smartphonebezitters ook schermbeschermers toe of plaatsen hun apparaten in speciale hoesjes voor extra gemoedsrust. Een innovatie met betrekking tot composietglas zou de noodzaak voor die extra stappen echter kunnen verminderen.

Het project van een internationaal onderzoeksteam resulteerde in een glascomposiet dat schermbreuk tot een minimum kon beperken en een helderder scherm kon bieden. De materialen zijn gebaseerd op loodhalogenideperovskieten, die werken als miniatuurzonnepanelen omdat ze energie opvangen en opslaan. De basisbenadering is om nanokristallen in een poreus glas te wikkelen.

Die methode moet de huidige nanokristaltechnologieën die worden gebruikt voor apparaatschermen verbeteren. De groep die aan dit project werkte, waarschuwde dat, hoewel ze geloven dat hun technieken schaalbaar zijn, er nog veel werk te doen is. Ze moeten de beste manieren bedenken om materialen met de gewenste eigenschappen te maken.

High-tech materialen tonen veel belofte

Dit zijn slechts enkele van de vele voordelen van composietmaterialen die mensen enthousiast maken voor wat de toekomst in petto heeft. Traditionele materialen hebben nog steeds een plaats in tal van gevallen, maar deze voorbeelden laten de voordelen zien van het werken met composieten om specifieke resultaten te genereren.