ハイテク複合材料が従来の材料に取って代わる3つの理由

多くの科学および工学に基づく進歩により、複合材料の特性は多くの場合、従来の選択肢よりも優れているという結論に至りました。これらを非常に有望にするいくつかの利点があります。

1。持続可能性の向上

世界的な焦点は、気候変動や過剰な廃棄物の生産などの緊急の問題にあります。人々は、より頻繁に廃棄される可能性が高いものに取って代わる持続可能な材料の開発にますます関心を持っています。多くの環境に優しい複合材料がニーズを満たすことができます。

使用可能な寿命を延ばすための修理可能なカーボンファイバーコンポーネント

炭素繊維複合材料は、飛行機の部品からゴルフクラブまであらゆるものに使用されている従来の金属に代わる人気のある代替品です。ただし、それらのほとんどは、一度壊れたら修理またはリサイクルすることは事実上不可能です。

ワシントン大学の研究者による新たな進歩は、その欠点を克服する可能性があります。チームは、従来の炭素繊維複合材料と同じくらい軽くて強いが、ひびが入った場合に簡単に修理できる新しい材料を作成しました。人々は、伝統的に、または高周波ベースの加熱で、損傷を繰り返し修復することができます。

この材料は、炭素繊維強化ビトリマー（vCFRP）と呼ばれる比較的新しいカテゴリーに含まれています。他のタイプの炭素繊維複合材料は、2つの主要なグループに分類されます。最初のタイプはエポキシを含み、永久的な硬度を与えます。 2番目のカテゴリの接着剤は、強度と剛性が低下しますが、再加工のために材料を分解できる柔らかい接着剤が特徴です。ただし、vCFRPを使用すると、そのような妥協なしに、リンク、リンク解除、および再リンクが可能になります。

車のインテリアカットエミッション用のカーボンファイバーコンポーネント

炭素繊維複合材料の進歩によって持続可能性が向上した別のケースでは、スイスの会社が、モータースポーツで通常使用される車両の9つの内装部品を、天然繊維で作られたより持続可能な複合材料に交換しました。これにより、材料排出量が94％削減され、クレードルからゲートへの排出量が90％削減されました。

複合材料のもう1つの利点は、耐熱性のために処理された再生木材など、元の特性を超えることができることです。つまり、複合材料が一般的な材料の特性をどのように変えることができるかについて、よく知っていると思っていたので、人々は驚くかもしれません。

これらは、これらの未来的な複合材料が持続可能性を改善するための世界的な取り組みにどのように貢献できるかを示す多くの例の一部です。ビジネスリーダーは、環境の持続可能性が企業の運営全体に及ぶことを示すためのセールスポイントとしてそれらを使用することもできます。たとえば、それらを使用する風力タービンメーカーは、埋め立て地にアイテムを時期尚早に送るよりも、長期にわたる回復力を優先します。

2。重要なプロセスの強化

複合材料を扱う人々は、ユーザーがプロセスを改善するのにどのように役立つかを調査することがよくあります。たとえば、複合ネジは通常、従来の木製バージョンよりも密度が高いため、デッキを組み立てるための一般的な選択肢です。彼らはまた、より細い糸と比較的小さな頭を持っているので、デッキに打ち込むのが簡単です。

ネジを改良することで人件費を節約し、素晴らしい結果を得る可能性を高めることができます。これはほんの一例です。既存のプロセスを強化する方法は、製品の設計から品質チェックまで、事実上すべての段階で明らかになる可能性があります。

ロボットが複合ファンブレードの製造を支援

複合材料に関連する進行中の作業の多くは、ロボット工学や機械学習を開発作業に適用するなど、未来的なアプローチに関係しています。

たとえば、ロールスロイスには、新しい複合材料を開発するための新しい専用施設があります。そこでのアプローチの1つは、ジェットエンジンで使用される複合ファンブレードの作成を支援するためにロボットを使用することに関するものです。

炭素繊維複合材料がファンケース型に重ねられています

各コンポーネントには約500層の炭素繊維材料があり、それぞれが工場労働者の監督下にある完全に自動化されたプロセスで適用されます。ロボットが部品を持ち上げて組立ラインステーション間で移動し、スムーズで効率的な操作を保証します。

機械学習は複合テストを改善する可能性があります

研究者はまた、機械学習を使用して、複合材料の欠陥をテストするために通常適用される方法を進歩させることを望んでいます。最も一般的な従来の方法は、X線および超音波ベースのテストです。ただし、どちらにも欠点があり、研究者は制限に対処する必要があります。

Russell Varleyは、オーストラリアの製造研究施設であるCarbonNexusの複合材料の教授です。彼は、「複合製品の非破壊検査のための次世代分析手法を理解し、開発することは、業界を変革する大きな可能性を秘めています。」と述べました。

ある組織がこのプロジェクトに研究助成金を授与し、機械学習がいくつかのよく知られた複合テストの問題を対象にできるかどうかを確認しました。たとえば、X線ベースの方法を使用すると、設備投資と運用投資にコストがかかります。

これらのケーススタディは、人々が従来の材料に関連するプロセスを改善しようとするのをやめたことを意味するものではありません。ただし、世界中の材料専門家からの複合材料への継続的な高い関心により、研究の多くは、少なくとも2つの構成材料から作られた新しいオプションに焦点を当てています。

ハイテクコンポジットが色を変えて欠陥を表示する

このセクションの前の2つの例は、複合材料がインダストリー4.0を採用する取り組みとどのように連携するかを強調しています。ただし、材料自体が工場のプロセスを加速させるという魅力的な作業もあります。

研究者たちは、変形に応じて色が変化する複合ラミネートを開発しました。彼らは、これにより問題を早期に検出し、重大な障害の可能性を人々に警告できると信じています。これまでのところ、人々はラボでの資料のみを使用しています。ただし、開発者が期待するとおりに機能する場合、イノベーションはさまざまな方法でプロセスを改善する可能性があります。

たとえば、労働者が内部に弱点のある複合部品を製造することを防ぎ、将来のリコールを最小限に抑えることができます。チームはまた、層で構成された新しい素材が壊れにくく軽量であると報告しました。それらは複合材料の最も望ましい特性の1つであるため、本発明は幅広い用途と魅力を持つ可能性があります。

3。材料ベースの改善の促進

複合材料のもう1つの利点は、エンジニアや科学者が従来の選択では対処できないニーズを満たす新しいオプションを開発できることです。人々は常に製品を改善するための実行可能な方法を探しています。コンポジットは、多くの場合、前進の道を示しています。

不織布から作られた新しい複合材料

不織布は、編み物や織りを必要としない結合繊維から派生したものです。研究者は最近、このカテゴリに分類される新しい複合材料を作成しました。彼らは、彼らの革新が包帯やマスクなどの医療製品に理想的である可能性があると信じています。

一度に数時間以上人の皮膚に接触する可能性のある材料を作成するには、複合材料の望ましい特性について慎重に検討する必要があります。この場合、チームは通気性と吸水性を求めていました。彼らはまた、快適さのために綿を含めたかった。

テストでは、新しいファブリックが従来のオプションよりも吸収性が高いことが示されました。また、伸縮回復試験でも良好に機能し、繰り返し使用しても十分に耐えられることが示唆されました。チームは、他のオプションには優れた通気性と伸縮性がありますが、綿を追加するという選択は別の顕著な利点を提供するはずであることを認めました。

ハイテク素材はひびの入った電話スクリーンの煩わしさを制限する可能性があります

画面は今日のスマートフォンに欠かせない要素であるため、多くの人が画面を保護するために多大な労力を費やしています。たとえば、メーカーが超耐久性ガラスを設置している場合でも、多くのスマートフォン所有者は、スクリーンプロテクターを追加したり、デバイスを専用ケースに挿入したりして、安心感を高めています。ただし、複合ガラスに関連する革新により、これらの追加手順の必要性を減らすことができます。

国際的な研究チームのプロジェクトにより、画面の破損を最小限に抑え、より明るいディスプレイを提供できるガラス複合材が生まれました。材料はハロゲン化鉛ペロブスカイトに基づいており、エネルギーを捕らえて蓄えるため、ミニチュアソーラーパネルのように機能します。基本的なアプローチは、ナノ結晶を多孔質ガラスに包むことです。

その方法は、デバイススクリーンに使用されている現在のナノクリスタル技術を改善するはずです。このプロジェクトに取り組んでいるグループは、彼らの技術はスケーラブルであると信じていますが、まだやるべきことがたくさんあると警告しました。彼らは、望ましい特性を備えた材料を作成するための最良の方法を見つける必要があります。

ハイテク素材は多くの約束を示しています

これらは、将来がどうなるかについて人々を興奮させる複合材料の多くの利点のほんの一部です。従来の材料は依然として多くの場合に使用されていますが、これらの例は、複合材料を使用して特定の結果を生成することの利点を示しています。