1JECComposites中国2022.6复材制造CompositesManufacturingISSN2707-3459面向中国的先进复合材料工程技术www.JECcomposites.com2022.6可再生能源Renewables可持续发展Sustainability复材制造CompositesManufacturing自动化生产/设计/增材制造/国防AutomationManufacturing/Design/AdditiveManufacturing/Defence革新方案InnovationSolutions建筑学/玻璃纤维/机械加工Architecture/GlassFibre/Machining102JECComposites中国2022.6复材制造CompositesManufacturing1JECComposites中国2022.6复材制造CompositesManufacturingIndustrialCommunicationsGroupLtd.订阅期刊Subscription广告业务Advertising:Europe欧洲:RaheelMohammad,+33189204065,mohammad@jeccomposites.com2020年版权所有©Copyright2020JECCompositesMagazine.Allrightsreserved.JEC集团授权IndustrialCommunicationsGroupLtd.独家出版《JECComposites中国》.经授权的所有材料都隶属于JECCompositesMagazine.未经书面许可，不得进行任何形式的复制和转载.国际发行刊号：ISSN2707-3459www.JECcomposites.com/chinaFranckGlowacz,Editor-in-Chief/MediaDirector,glowacz@jeccomposites.comNellyBaron:Marketing/CommunicationDirector,baron@jeccomposites.com承印:上海钦钦印刷科技有限公司PrintedbyShanghaiQinQinPrintingCo.Ltd.上海市静安区武定路555号8楼837室电话Tel:0213251-7225中国大陆China:0213251-7225,bruno@icgl.com.hk目录CONTENTS复材制造CompositesManufacturing专栏：可再生能源SpecialReport:Renewables自动化生产一次性生产圆柱格架结构One-shotManufacturingofCylindricalLatticeAtructuresforSatelliteApplications设计FRP复合材料产品图纸ProductDrawingsforFRPComposites增材制造在真正的3D打印中打印连续碳纤维PrintingContinuousCarbonFibreinTrue3D国防方案无人机作为僚机DronesAsWingmen1012可再生能源为未来提供动力PoweringtheFuture氢气的商用价值复合材料和氢气，共同努力实现低碳经济CompositesandHydrogen,WorkingTogetherforALow-carbonEconomy专栏：可持续发展SpecialReport:Sustainability14162122解决方案InnovationSolutions242627建筑学石墨烯纳米技术在复合材料中的应用GrapheneNanotechnologyinCompositesforAChallengingArchitecturalDesign玻璃纤维玻纤增强复材重新定义风能的可能性GlassReinforcedCompositesContinuetoRedefinethePossibilityofWindEnergy机械加工定制化CFRP机械零件lntroductionofCustom-machinedCFRPMechanicalParts应用带行星齿轮的高效节能混合动力传动系统Energy-efficientHybridDriveSystemWithAPlanetaryGear循环利用生态系统复合材料回收：寻求循环经济CompositesRecycling:InSearchoftheCircularEconomy原材料高达92%的再生材料制成的新型复合材料InnovativeCompositesMadeFromUpto92%ReclaimedMaterials建筑生物复合材料与自动化：建筑业的可持续未来BiocompositesandAutomation:ASustainableFuturefortheBuildingIndustry24682JECComposites中国2022.6复材制造CompositesManufacturing一次性生产圆柱格架结构One-shotManufacturingofCylindricalLatticeAtructuresforSatelliteApplicationsATGEurope开发了一种非间断的预浸料纤维放置格架结构的一次性制造工艺，该点阵结构由规则和对称的箍和螺旋肋系统组成，旨在取代当前的卫星中心管设计。ATGInnovation有限公司（ATGEurope的爱尔兰子公司）正在引领这项技术的产业化。KellyMatthews,LeadEngineer,ATGInnovation;BrendanMurray,DesignEngineer,ATGInnovationRobertTelford,AnalysisEngineer,ATGInnovation;BartSmeets,TechnologyCoordinator,ATGEurope卫星中心管(SCT)结构构成卫星的结构主干，目前所使用得是基于CFRP的夹层结构，并带有穿孔铝蜂窝芯。这些结构需要对附件进行大量加固，并会是漫长而复杂的制造过程。这导致需为SCT寻找替代设计和概念，以此减少交货时间并改善结构的功能。为此，出于多种原因，包括优化的设计架构、一次性制造工艺和质量等原因，强调了由规则和对称的环箍和斜向肋系统组成的CFRP格架网格结构有望取代当前的SCT结构优化的设计架构复合格架结构是一系列结构架构，它利用连续纤维复合材料形成规则相交的网格图案（图1）。它们提供了减轻重量的能力，并增加了结构功能，因为可以定制配置以适应不同的载荷分布，同时还可以在制造过程中直接包含贴片以形成局部连接点。这种设计架构利用了纤维增强聚合物(FRP)材料的多种固有特性，与标准/各向同性结构相比具有多种优势，包括：—肋骨采用单向纤维材料，在其纵向上提供最佳强度和刚度，重量轻。其中几个的组合单向纤维肋条以智能选择的角度相互放置，提供最佳整体和局部承载能力的优化，加上肋条也相互稳定（图2）。—由于将FRP补片直接集成到网格结构中会提供灵活性，因此可以根据质量和位置优化局部附着点（图3）。肋骨可以在圆柱体的一端或两端过渡到整体层压板，这有助于圆柱体与相邻结构的连接（图4）。创新制造通常，FRP结构的大部分是增材制图1：圆柱格架结构图2：交叉加强筋，结构稳定高效图3：结构附着点的集成修补图5：圆柱形网格后固化图4：过渡到层压板区域，以便与相邻结构连接3JECComposites中国2022.6复材制造CompositesManufacturing图7：试验台上全尺寸1.5m直径的网格圆柱体图6：具有各种设计元素的演示器造（而不是从金属块中铣掉材料）。具体而言，这项技术的特点是一次成型工艺，即整个圆柱形复合材料零件（相对于扁平零件而言具有显著的3D复杂性）在单个工艺步骤中增材制造（图5）。目前的工艺包括将预浸料丝束手动铺在芯轴上，直接集成局部附着补片，并在高压釜中一次性固化，从而提高材料使用效率，降低制造时间和成本。这种制造方法具有多个优点，例如可获得的纤维体积分数更高，约为60%，从而产生更高的特定性能，并能减少通常与夹层板结构相关的昂贵且耗时的后处理操作数量。在实现这些优势的同时，还保持或超过了现有结构解决方案的性能水平（重量、刚度、强度）。使用单向纤维肋形成网格结构还可以方便地访问和查看制造的圆柱状结构内部，这有助于将系统集成到具有电缆、燃油管等的生产程序中。网格结构可能意味着，在系统集成期间，没有人需要进入圆柱状结构内部，如果必须有人进入，那么与典型的夹层板结构相比，它有充足的光线和通风。从健康和安全的角度来看，这是有益的，由于更好的照明和对结构的访问，同时可能会减少执行组装和集成活动所花费的时间测试活动进行了广泛的测试活动，以验证为生产SCT网格结构而开发的制造工艺。最初，进行试片级测试以描述材料特性，并定义A基材料特性值，这些值用于所有后续有限元（FE）分析。然后，制造了一个网格结构的平板，用于单元级测试，其结果输入到更复杂的圆柱形结构的设计和分析中。这些单元级测试包括测试肋骨的抗压强度、模量、弯曲强度和模量，以及测试节点的抗压强度和弯曲强度，结果显示与FE预测有很好的相关性。这些活动的输出被输入到全尺寸SCT网格圆柱体的分析中。使用所开发的工艺制造了一个直径为0.5m的中型圆柱形样品，并作为演器，以揭示和解决圆柱形零件相对于平板的制造困难和不可预见的影响。该零件的复杂性很高，具有多个连接区域和类型，同时也允许在弯曲结构中进行钻孔试验（图6）。最后，考虑到在之前步骤中吸取的所有经验教训，设计、制造了一个全尺寸1.5m直径的网格圆筒，并在代表性卫星设计荷载下进行了测试，以评估其承载能力。设计和制造包括带有适合与大型试验台连接的端部区域附件的组件（图7）。试验包括剪切腹板的局部连接荷载、整体压缩和组合压缩加弯曲，以达到结构的破坏荷载。该气缸重量小于10kg，很容易承受175kN的设计压缩载荷，最终在184kN\/m的线载荷下发生故障，相当于870kN的总压缩载荷。复合材料测试实验室（CTL）在爱尔兰戈尔韦的工厂进行了试片和元素级测试。与NUIG及其重型结构实验室（同样位于爱尔兰戈尔韦）共同开展了全面测试活动设计和制造包括带有适合与大型试验台连接的端部连接区的组件（图7）。测试包括来自抗剪腹板的局部附件载荷、整体压缩和组合压缩加弯曲，以达到结构的破坏载荷。该圆柱状物体重量不到10kg，很容易承受175kN的设计压缩载荷，最终在184kN/m的线载荷下失效，相当于870kN的总压缩载荷。试片和单元级测试由复合材料测试实验室(CTL)在其位于爱尔兰Galway中进行。全面测试活动是在与同样位于爱尔兰Galway的NUIG及其重型结构实验室联合进行的。质量效率这项技术采用了一种高效的架构，因为单向复合肋只放置在需要的地方，从而优化了架构的质量。由于目前发射到太空的成本是每公斤10，000欧元，质量效率在航天器结构中极其重要。ATGInnovation进行的一项可行性研究表明，与标准CFRP和铝蜂窝夹层板设计相比，用于典型卫星中心管设计的网格结构可以节省高达25%的质量。此外，由于该技术的定制设计和增材制造特性，材料浪费更少，在制造过程中，接入端口和切口无缝集成到结构中。其他应用在各种不同的市场中已经确定了一些潜在的应用，包括载人航空（机身、设备框架）、无人航空（大型无人机）和可再生能源（风力涡轮机结构）。网格技术还可以与蒙皮相结合，创建网格加强架构，从而为其他航天器应用（如发射器结构）提供高效的结构解决方案。ATGEurope已经对该应用程序进行了调查，并取得了可喜的初步结果。www.atg-europe.com/solutions/composites4JECComposites中国2022.6复材制造CompositesManufacturingFRP复合材料产品图纸ProductDrawingsforFRPComposites在本文中，FRPConsultant（一家为公司提供工程支持的日本公司）描述了FRP（复合材料）产品图纸，这是设计师创建的主要技术文件。shuichiroyoshida,CEO,FRPconsultant当被视为“产品规范”时，纤维增强塑料（FRP）产品图纸参考材料标准（材料规范）和工艺标准（工艺规范）（图1）。FRP产品图纸和模型设计的作用此配置是确定产品规格的基本形式。在飞机工业中，这种关键配置被定义为“类型设计”。模型设计由形状、材料和制造方法三大支柱定义。确定这些参数后，FRP产品具有以安全为中心的恒定技术性能。例如，在飞机行业，型号认证（TC）——在飞机和飞机发动机上安装FRP零件的认证过程的第一步——需要这三个文件。除了飞机行业，设计师还认为FRP产品图纸是制造稳定产品的类型设计支柱。FRP产品图纸大纲创建了零件图的设计师会觉得大部分内容都很常见。在这些一般内容中，尺寸公差和几何公差以及目视检查有时被省略。特别是在原型图的情况下，也有没有标明数字的情况，可能只有在产品完成后才会出现问题。FRP零件图包括六个关键点：目视检查、尺寸和几何公差、层压结构、无损检测、工艺标准和材料标准。目视检查当FRP产品用作可见零件时，目视检查是一项重要要求。目视检查在检测FRP中最可怕的分层方面也起着决定性的作用。主要目的是检测凹痕。对于普通均质材料，表面层上的凹痕通常仅限于该零件的变形。但对于FRP，由于表面层上的小凹痕，分层可能发生在面积大几倍的下层。由于这种分层可能是内部断裂过程的起点，因此应不惜一切代价避免这种缺陷。检测树脂缺陷也很重要。当荷载从基体树脂传递到增强纤维时，FRP的特性得到了展示。基体树脂的浸渍不足会导致因荷载传递机制中断而导致应力集中，这可能会在意外荷载或位置导致断裂。尺寸和几何公差FRP的各向异性在使用良好时提供了优异的性能，但它也是成型后产生应变的原因之一。应变更可能发生在薄而大的模制产品中。作为对策，FRP顾问建议在形状设计阶段创建参考区域（基准），并将其作为几何公差数据连接起来。同样重要的是，尺寸检查区域由尽可能平行或垂直于参考区域的表面组成。如果实际测量结果不稳定，可以考虑使用约束夹具。设置这些公差时，设计师必须如上所述设置形状和检查过程。叠层配置FRP的厚度通过将片状材料堆叠成几层来增加。最终模制产品的机械和物理性能取决于每层的方向和材料。因此，FRP顾问将重点放在澄清FRP零件图纸中的叠层配置的重要性上，特别是产品的典型横截面视图，或每层中的材料和堆叠方向角。无损检测FRP的一个特点是，断裂（主要是分层）在没有从外部可见的情况下进行。因此，当FRP材料用于支撑负载的零件时，应在装运前进行所有无损检测。图纸中描述的无损检测要求包括：最大允许尺寸、最大允许面积、缺陷数量和不可评估尺寸。在设计这些材料时，通过将断裂韧性值和计算机辅助工程（CAE）结果与材料寿命曲线进行比较来确定阈值是常用的工作方式。大多数无损检测技术都是利用密度特性的差异来检测缺陷的。在超声波的情况下，可以检测到具有不同声阻抗（密度和声速的乘积）的边界层中的回波。在X射线计算机断层扫描（CT）中，通过透明度的差异来检测缺陷。然而，由于FRP由两种或两种以上密度不同的材料组成，当仅提取空气层时，有必要从检测目标中排除纤维和树脂以及边界层。此时，将调整检查设备的增益。通过定义可能被忽略的缺陷的大小，作者的意思是确定不可评估的维度。工艺规范（spec）工艺规范规定了FRP产品的工艺和检验方法，其主要目的是保证模制FRP产品的最低质量。航空行业之外不需要本文件，但参考本文件有很多好处。本文件规定了每个工艺参数（如温度和压力）、特殊工艺（如检查和维修）或所用设备和夹具的要求。该文件还定义了记录方法，从而有助于在将来加快对质量问题原因的调查。材料规范（spec）材料规范的目的是明确材料的最低要求，以允许交付FRP材料。为此，应明确确定材料规格的参数，如评估方法、视觉要求、储存记录和包装形式，以及材料特性。结论在本文中，FRP顾问概述并描述了FRP零件图的要点，以强调其重要性。有了这些文件，公司相信FRP产品可以按照设计师绘制的形式制造，而不受常规材料固定概念的约束。www.frp-consultant.com图1：FRP图纸的作用。5JECComposites中国2022.6复材制造CompositesManufacturing用作SMC/BMC工艺生产复合材料制品的高效增稠剂MagPro®的优势MagPro®高活性氧化镁，是间接煅烧粉碎的天然氢氧化镁而获得的粉末状产品。MagPro®150和MagPro®170用作SMC/BMC工艺生产玻璃纤维填充用复合材料的增稠剂。用于增加复合材料粘度的氧化镁，应具有高比表面积（130m2/g以上）和稳定的粒度分布。选择正确的增稠剂，是获得无成型缺陷、无裂纹、无凹陷的优质零件的最重要条件。⸰不含关键杂质-硫酸盐和氯化物⸰粒径精确且均匀⸰生产、运输及储存过程安全⸰质量稳定⸰采用绿色环保的原材料制成www.bruciteplus.cninfo@brucite.plus+7(495)789–65–306JECComposites中国2022.6复材制造CompositesManufacturing在真正的3D打印中打印连续碳纤维PrintingContinuousCarbonFibreinTrue3DElectroimpact开发了一种连续纤维增强热塑性3D打印系统，具有六个自由度。该系统可实现航空航天级复合材料零件的无工具快速制造，同时提供现有制造方法无法实现的新设计自由度。自2014年Markforged第一台商用连续纤维3D打印机MarkOne问世以来，世界各地的工程师都梦想着一种能够3D打印大规模连续纤维增强零件的系统。事实证明，完全以增材方式生产复杂零件的能力是一个难以捉摸的挑战，其强度是大多数金属的数倍，但塑料的密度很高，而且不需要昂贵的叠层工具或高压釜。几家公司，包括经验丰富的老手和初创公司，都已进入这一领域，试图在价值数十亿美元的更广泛的增材制造（AM）市场中开拓一部分。Electroimpact一直在与航空航天合作伙伴合作，为OEM应用开发这项技术。梦想航空航天行业的许多人会正确地认为，大规模连续纤维3D打印已经以自动纤维铺设（AFP）和自动铺带（ATL）的形式存在。两者都是AM技术，通过沉积后续材料层来生产复合材料零件。然而，这些技术需要一个成型零件的叠层工具来将材料沉积到其上。设想的真正的连续纤维3D打印机不需要叠层工具或真空装袋，也不需要大量的辅助设备或二次处理步骤，如高压釜。相反，它是一个通用制造平台，试图从系统中移除尽可能多的约束，使最终用户能够创建各种各样的零件，并创建传统方法无法生产的几何图形。其结果将是创造出以前想象不到的新的复合材料设计，包括大幅增加集成结构，从而减少连接组件所需的紧固件和粘合剂的数量。基本原理无论具体的纤维和基体材料选择如何，任何高质量复合材料零件都有三个基本特征。这些是：1）纤维体积分数（纤维与基体材料的比率）、2）孔隙度和3）纤维的平直度。Electroimpact并非唯一追求连续纤维3D打印系统的公司。其他团队对此挑战采取了两种根本不同的方法。一些人试图将传统的熔融灯丝制造（FFF）3D打印机与一种将连续纤维引入熔融热塑性流体中，并将其嵌入打印部件的机制相结合。其他人则选择使用UV催化热固性树脂，在工具点将其连续纤维增强材料与树脂混合，并在过程中使用UV辐射启动快速固化树脂。这些“共挤”过程试图将太多的步骤合并到一个单一的系统中。首先，始终如一的纤维体积分数很难接近航空级(50%以上)。沉积材料系统的刀点在空间中通过工件的编程刀具路径时必须加速或减速。因此，液体或熔融基体注入纤维的过程也必须与工具点同步加速和减速。正如任何经验丰富的复合材料生产商可以证明的那样，最均匀的材料是在整个过程处于稳定状态时生产的，而不是在经历大的瞬态时生产的。当这种方法用于高纤维体积时，更难实现纤维的均匀润湿。这通常会导致干纤维斑块和基质中纤维分布不良。浸渍步骤最好在稳定运行的专用生产设备中离线执行。该设备专门设计用于生产具有均匀纤维CodyBrown,ProjectManager,ElectroimpactInc.图1：间隔门-剖面图显示了打印蜂窝结构和连续纤维连接点的组合。图2：过渡风管-单壁过渡到带内部支撑结构的双壁风管。7JECComposites中国2022.6复材制造CompositesManufacturing分布和体积分数的高品质预浸渍材料。其次是孔隙率的问题，空隙不承载载荷。按照Gold-standard，航空航天级高压一级结构复合材料通过在高压釜中真空下固化层压板，同时应用几个大气压，达到低于1%的孔隙率。这种力是巨大的，但结果是几乎所有的空隙都从层板上消除了。非热压罐材料系统在航空航天领域得到了越来越多的应用，其孔隙率通常在3%以下。它们消除了昂贵的高压灭菌器，但仍然需要真空来巩固层板并消除空隙，以及使用烤箱进行固化。不以某种方式巩固层压材料的系统将永远无法达到生产高质量零件所需的低孔隙率水平。最后，沉积连续纤维的物理要求它在一定的张力下沉积。早期的一个教训是，你不能推绳子，你必须铺绳子。如果该工艺要求在基体材料软化时在任何点推动纤维，则会导致纤维成束。不直的纤维在伸直之前不会承载负荷。对于复合材料部件，束状纤维意味着载荷完全由强度低得多的基体材料承担。SCRAM技术Electroimpact正在旧技术的基础上开发一种新技术。该系统名为SCRAM，或可量产复合材料机器人增材制造，是FFF3D打印机和热塑性AFP机器的集成。该系统由一个精确的机器人、一个旋转的建造平台和一个环境气氛控制的建造室组成。末端执行器携带多个材料系统来打印可溶性支撑材料（“工具”）、连续纤维带和短切纤维材料。每次打印都是从机器人将支撑材料放置在构建平台上开始的。然后自动切换到打印连续纤维和短切纤维增强材料来生产零件。连续纤维采用“原位固结”方法沉积，其中胶带被激光焊接到基材上，并在过程中压实。由此产生的连续纤维增强零件的孔隙率达到了高压釜外的水平。加入短切纤维材料系统以补充连续纤维。高纤维体积分数的连续纤维引入了全向FFF工艺所不具备的几何约束程度。通常，有些功能的复杂性超过了纯连续纤维带所能产生的复杂性。在这些情况下，设计师可以使用短切纤维材料来产生所需的特征。一旦打印完成，支撑材料就会溶解掉，留下成品。材料系统均为热塑性材料，因此无需后续的高压釜或烘箱循环来固化零件。SCRAM过程不同于传统的FFF3D打印，因为它使用真正的六轴刀轨来生产零件。大多数AM系统，如FFF、SLA和SLS，都是所谓的“2.5D”，其中平坦的2D层相互堆叠，以生成3D形状。相反，SCRAM是一个真正的3D过程，末端效应器将材料沉积在真正的六自由度空间中。在沉积连续纤维时，这一点尤其重要，以便根据荷载路径调整纤维方向，并从构建平台产生平面外的准各向同性铺层。挑战生产这种复杂的技术有四大挑战：1）材料系统，2）打印硬件，3）控制系统，以及4）零件编程。在许多试图开发这项技术的团队中，有些团队在其中的两三个领域取得了令人印象深刻的进展，但没有一个团队似乎征服了所有四个领域。材料系统本身是需要克服的最根本的挑战。有很多聚合物可供选择，但一旦添加了极端要求，如高温使用、耐化学性、烟雾和毒性要求，就几乎没有聚合物了。此外，它们的处理可能非常具有挑战性。其次，由于纤维承载大部分负荷，因此希望使用尽可能高的纤维体积，同时能够可靠地沉积材料并实现良好的粘图3：正在进行的间隔门打印。合。由于所有这些原因，经过多次试验，Electroimpact在PAEK基热塑性塑料和50-60%纤维体积上得到了解决。打印硬件的复杂程度令人惊讶，而且有细微差别。该技术的FFF方面因其简单性而为工程师和爱好者所熟悉。即使是平板电荷铺层的AFP也经过了改进和简化，现在可以在适度的实验室环境中使用。然而，一旦人们开始在六个自由度中打印并加入连续纤维，准确性就变得极其关键。可生产零件的复杂性直接取决于系统的灵活性和准确性。末端效应器上的每个组件增加了体积，并对可以生成的几何体提出了可能的限制。要控制如此复杂的机械系统，你只需要一台工业CNC。复杂的运动学、结构件计算、刀具定义和精度都需要它。最后，CAM软件与系统本身一样复杂。商用3D打印机的用户习惯于使用切片软件，该软件导入零件的实体模型并自动生成打印机的刀轨。在2.5D中工作时，算法生成刀具路径相对简单，因为给定层只有两个自由度。如果删除此简化约束并允许在所有六个自由度中进行材质沉积，则路径生成问题将变得更加困难。Electroimpact选择专注于他们的核心优势：硬件和控制系统，而不是试图独自征服所有四个方面。该公司与最适合创建材料系统和CAM软件的行业同行合作。由此产生的综合系统代表着在克服上述所有四项挑战方面取得的重大进展，因此显示出其他地方尚未看到的能力。未来虽然在SCRAM的成熟方面还有更多的工作要做，但其发展仍在快速进行，围绕其的热情和兴趣水平将继续推动其向前发展。如今，SCRAM已经能够生产以前无法制造的零件几何形状。进一步的发展将集中于加强工业生产并全面提高性能指标。等待已经结束，真正的六自由度连续纤维增强3D打印终于到来www.electroimpact.com/3d8JECComposites中国2022.6复材制造CompositesManufacturing无人机作为僚机DronesAsWingmen2020年5月，波音澳大利亚公司展示了其波音航空动力团队系统（ATS）的首个原型。ATS是根据澳大利亚皇家空军（RAAF）的需求共同开发的，旨在提供一个无人机中队，以支持飞行员执行空中任务。这是澳大利亚自二战以来从未生产过战斗机的历史性项目。2019年3月，波音公司提交了ATS项目“忠诚僚机”的第一个3D效果图。在其光滑的曲线背后，是一架由人工智能驾驶、提供战斗空中支援的无人机(UAV)，波音公司认为这是空战的未来。该项目在澳大利亚开发，得到了澳大利亚政府和当地空军的支持。与目前市场上的其他解决方案相比，该公司的目标是通过提供价格合理的无人机来提高空军任务的效率。倍增力无论是在和平时期还是在冲突时期，空军任务的性质都非常不同。它们可能涉及保护车队和空运货物；情报和侦察；对战略目标和目标进行监视和打击。在这一范围内，传统部队使用的飞机基本上是由机内人员驾驶的，这就带来了多重限制，并且与战斗机的最终成本一样高。核心是保护飞行员，这是各国政府的一项主要政治任务。为了实现这一点，许多集成系统被添加到飞机的初始重量上，如紧急疏散系统，尤其是机载接口和控制系统。这些都会对能源消耗产生级联效应，这是影响战斗机航程和投送的一个关键因素考虑到人类飞行员，需要对人体工程学、驾驶舱逃生舱的设计和人机界面进行更多的研究。许多因素严重影响了研制军用飞机的成本。在这种情况下，波音澳大利亚公司和澳大利亚政府进行了密切接触，以便为澳大利亚空军配备这种新型破坏性武器。“忠诚僚机”计划旨在从头开始，为执行任务的战斗机飞行员配备三架AI控制的无人机作为护卫。因此，飞行员可以完全专注于自己的飞行计划，而不必担心与护航人员的潜在冲突，因为人工智能特别关注这一方面。这些独立无人机不需要地面控制，事实上消除了传统无人机所涉及的所有微型任务。尽管必要时可以随时收回控制权，但地面人员可以更充分地关注手头任务的总体战术战略。通过这种方式，波音公司开发的无人机与同类其他无人机不同，无人机需要在地面与行动中的无人机协同进行人工干预，例如美国空军（USAF）使用的MQ-9“收割者”。所有这些要素结合在一起，形成了波音澳大利亚公司总结为“实现灵活的第三方自主行为”的概念，因此有了“忠诚僚机”的称号。一个既雄心勃勃又具有历史意义的项目“忠诚僚机”是一种11.7米长的无人机，飞行距离3700公里。它的发动机使它能够达到亚音速巡航速度，这是在执行任务时跟上战斗机的必要条件。该无人机由先进的复合材料制成，拥有波音公司生产的“最大的树脂注入单件”。机翼仅由两个复合材料部件（顶部和底部）组成，这是该集团在波音787“Dreamliner”（先进的窑外树脂灌注工艺）的制造过程中取得的进步。这有助于降低生产成本和流程。忠诚的僚机也可以定制，因为机头部分可以在不到一个小时的时间内在地面上切换（快速启动系统）。该设备的容量为1500升，可用空间意味着可以为各种设备配置该装备，波音尚未公布这些设备的详细信息。尽管如此，军事专家和顾问认为，它基本上是用于跟踪和传感器系统或武器。该项目有35家澳大利亚公司作为合作伙伴，如RUAGAustralia、BAESystems，取得了显著进展。从一张白纸开始，在项目开始14个月后，第忠诚的僚机是未来空战的一部分。©波音澳大利亚公司9JECComposites中国2022.6复材制造CompositesManufacturing一份作品就完成了。波音空中联队系统完全在澳大利亚实施，是波音澳大利亚公司与澳大利亚国防部在澳大利亚政府的财政支持（4000万澳元投资）下雄心勃勃的合作成果。澳大利亚总理ScottMorisson表示：“忠诚的僚机计划将使我们深入澳大利亚工业，使我们更加自力更生。”。这也是波音公司第一次在美国以外的地方实施如此规模的项目。该项目对其生产手段也很有野心。这些团队建立了飞行设备的全数字概念，从而创建了一个数字双胞胎。然后，该模型为工程师提供了一个沙盒环境，工程师通过模拟软件使每个元件承受物理应力。然后，他们能够观察到它的反应和行为，节省了物理测试阶段的宝贵时间。不必创建中间原型所节省的时间和金钱是可观的。因此，从最严格的意义上讲，相关团队能够交付更接近于样机而不是原型机的设备。考虑到这一点，在项目推出的早期阶段，考虑在全面升级时实现忠诚僚机的自动化生产线已经实施。通过这种方式，波音澳大利亚公司能够在整个开发过程中测试和验证所选择的概念，从一开始就将自己投射到大规模生产的条件中。价格合理的新产品虽然波音公司目前的重点是澳大利亚领土和政府组织，但波音公司的计划是基于一种新需求的定义：在空中作战期间协助现有飞机。由于澳大利亚皇家空军（RAAF）从美国F-35飞机项目采购，其机队在技术上可与美国空军飞机相媲美。这不是一个小细节。有了这些飞行器作为“忠诚僚机”无人机团队的先导，该公司确保了向其他全球公司商业化所必需的技术互操作性。这家美国巨头的设计可以轻松适应各种技术限制，尤其是使飞机与护航舰配对所需的软件。这家美国巨头正试图重新定位自己，以对抗其在军用无人机领域已经成熟的竞争对手。在项目的初始阶段向市场开放可以让波音公司弥补在这一领域损失的时间，当人们回忆起波音公司多年来一直是无人机的先驱时，这是令人惊讶的。为了将“忠诚僚机”与目前军事上可用的其他解决方案进行比较，我们可以以美国空军为例制定一个价值量表。例如，五角大楼设计、LockheedMartin公司生产的F-35战斗机的成本约为8000万美元。在“传统”航空类别中，根据开发的型号，它可以将机组人员和武器库的射程控制在870-1140公里范围内。MQ-9“收割者”估计每架大约1800万美元，而“战斧”导弹每枚大约200万美元。波音公司的“忠诚僚机”，凭借其特点和新颖的操作方式，将其定位为每架200万美元，在价格方面具有不可否认的优势。Swarm系统预计在今年年底准备就绪。©波音澳大利亚公司波音澳大利亚公司于2020年2月完成第一架忠诚的僚机机身。©波音澳大利亚公司即将到来的测试阶段目前的生产预计，澳大利亚空军订购的三架无人机将于近期交付。在计划于2020年进行的下一轮测试中，他们必须证明其在整个概念方面的操作能力：控制接口、传感器模块、维护计划以及数据传输和软件稳定的可靠性。“这对我们国家和澳大利亚的国防创新来说是一个真正的历史性时刻。”。Hon.ScottMorrison议员、澳大利亚总理。“忠诚的僚机将是探索我们空军未来保护我们国家及其盟友所需的关键能力的关键。”英国皇家空军司令MelHupfeld表示，第一架飞机的推出是波音忠诚僚机项目的一个重要里程碑。“这个项目是通过合作实现创新的一个很好的例子，以及通过与国防工业合作可以实现什么。”Hupfeld空军中将说。”这表明了空军与澳大利亚波音公司以及国防工业之间关系的重要性。我期待着探索这架飞机未来可能为我们现有机队带来的能力。”第一次试飞还将旨在展示飞机在三架无人机小队陪同下的战术能力，并将经受各种实验操作场景。此次会议的目标是强调波音创新对空战的影响。这些测试飞行的成功将意味着该飞机将在2025投产。www.boeing.comwww.airforce.gov.au10专栏：可再生能源SpecialReport:RenewablesJECComposites中国2022.6为未来提供动力PoweringtheFuture对于任何希望在国际舞台上长期维护其主权和独立的国家来说，确保向人民和国家经济活动所需的设施供电至关重要。除了生存之外，经济发展也关系到这场竞争，并通过这场竞争取得了巨大的历史性进步。此外，这种竞争促进了区域、然后是全球大国的出现。长期以来，发展和获得现代性基本上都是以化石燃料能源为基础的，这与重大的工业革命有关，而反过来，利用新能源所需的技术理解又使之成为可能。但在许多全球大国已经耗尽本国化石燃料资源（天然气、木炭、石油）之际，复杂的问题正在浮出水面。例如，继续探索和开发化石燃料的成本越来越高。我们的生活方式产生了对气候具有持久影响的碳足迹，仅在2019年，估计就产生了333亿吨温室气体。制约因素和新的危机改变了我们设计其他能源的方式，从“替代”逐步转向“可再生”。这种概念上的改变远远不是一个细节，也不是语言使用上的变化，而是一种魅力。世界大国和大公司都在为可持续经营开发新的解决方案和方法，以获取必要的能源来支付其能源账单。这种范式的变化也可以归因于强大的经济驱动力，例如太阳能，其价格比2005年低了65%，可以与化石燃料竞争。在这种情况下，复合材料占了上风。非常耐候，是减轻高压电缆重量的一个因素。无磁性，是集成到配电电路中的理想材料。强大而耐用，使操作员无需执行重复的、昂贵的维护干预。最后，它们提供了多种设计选项，有助于如何构建新的基础设施，并促进其融入我们的日常世界。改善动力传输SterlitePower提供ACCC®（铝导体复合增强）电力导体，其碳纤维和玻璃纤维芯与热固性树脂配对，包裹在梯形铝绞线中，以挑战传统的铝导体钢芯（ACSR）导体。ACCC®的混合组件依靠复合材料提供承重（重量）和耐温所需的结构，而铝组件负责传输电流。这就产生了一种比钢制导线更轻、更坚固的导线，就像今天大多数导线一样。通过减少导线的总重量，复合芯有助于减轻高压线路塔的总负荷，从而延长这些基础设施的使用寿命。与相同直径的金属导线相比，它们还可以减少25-40%的线路损耗，这是一个重要的论据，因为大城市地区和通信基础设施对能源极度贪婪。www.sterlitepower.com使可再生能源更加绿色CompositesVCI提供工程专业知识和一流的技术团队，以支持复合材料在可再生能源领域的应用。该公司为风力发电行业以及其他专用于获取水电的应用制造涡轮机舱和旋转器盖。为了减少可再生能源基础设施对环境的影响，CompositesVCI利用了复合材料的最佳特性：重量减轻以获得更好的性能、耐候性、耐腐蚀性和耐火性、高耐久性和低导电性。https://compositesvci.com11专栏：可再生能源SpecialReport:RenewablesJECComposites中国2022.6利用潮汐的力量潜艇应用程序设计需要专业知识，并为维护阶段之间可能出现的风险做好准备，这些风险非常昂贵，如果必须在敌对环境中执行，则更是如此。由于英国潜艇舰队的合作，PEComposites在这一领域积累了丰富的经验。通过参与PLAT-O项目（海上能源平台），证明了他们在控制这些风险方面的能力。在该项目中，该公司开发了适用于浮标并确保结构稳定性的复合鼻锥。PEComposites通过其对材料选择、涂层和该元件设计的贡献，帮助最大限度地利用涡轮机的能量，同时保证抵抗风暴等自然破坏力。www.pecomposites.com提高太阳能电池板的可靠性并减轻重量太阳能电池板行业正在经历一场过山车式的演变，将许多参与者赶出了市场，而市场正努力在全球范围内建立竞争力。尽管如此，太阳能仍然相当受欢迎，并受益于一系列集中创新以改进现有解决方案。仍在这个行业参与竞争的ArmageddonEnergy公司推出了第二款太阳能电池板SolarClover。该型号设计用于屋顶安装，由于广泛使用复合材料，因此重量更轻，适应性更强。它将透明聚合物层与EconCore开发的热塑性背衬相结合，并利用杜邦材料在太阳能领域的专业技术成果。因此，ArmageddonEnergy成功地将每块面板的重量减轻了70-80%，从而使面板更坚固，需要的维护更少。www.armageddonenergy.com12专栏：可再生能源SpecialReport:RenewablesJECComposites中国2022.6复合材料和氢气，共同努力实现低碳经济CompositesandHydrogen,WorkingTogetherforALow-carbonEconomy无论是在制氢、储存还是转化为电能方面，复合材料都曾出现在这个非常有前景的市场上。在某些应用中，它们甚至没有直接的竞争对手，至少目前是这样。绿色制氢拓宽了我们行业的可能性范围。在寻求能够成功减少二氧化碳和颗粒物排放并在全球保持合理气候的能源组合时，氢是不应忽视的解决方案之一。然而，目前这并不是最有益的解决办法。事实上，绝大多数氢是由煤或天然气等化石燃料产生的。然而，当生产由可再生能源过程提供动力时，如电解，即将水分离为氢和氧的化学过程，它是可以弥补的。电解需要电。虽然一些太阳能电池板基板和水力涡轮机叶片是由复合材料制成的，但风力发电是在复合材料行业获得一致支持的。虽然风力发电行业仍在增长，但由于平衡向电网供应的能源所需的昂贵存储解决方案，其增长速度放缓。事实上，当需求较低时，风力涡轮机可能会产生不必要的电力，或者导致电压峰值，导致停机——这是一种异端邪说。利用风力涡轮机和水电解联合生产氢气，是一个双赢的解决方案。从科罗拉多州国家风能技术中心的国家可再生能源实验室Wind2H2（风能转氢）项目等先驱，我们已经发展到范围更大的项目。西门子Gamesa可再生能源公司（SiemensGamesaRenewableEnergySA）在丹麦启动了一个试点项目，该项目使用一台3兆瓦的风力涡轮机为400千瓦的电解槽供电。该项目产生的一部分氢气将用于为整个丹麦的出租车提供燃料（见图1）。今年年初，西门子Gamesa和西门子能源公司宣布了一项1.2亿欧元的五年预算，用于开发一个全面集成的海上解决方案，到2026年将风能转化为氢能。据西门子Gamesa称，每年生产8000万公吨氢气，目前主要用于满足工业的非能源需求。到2030年，由于使用量的增加，这一数字预计将增加2000万公吨。此外，目前只有1%是使用绿色能源生产的。剩下的来自煤炭和天然气，每年产生8.3亿吨二氧化碳，相当于德国或全球货物运输业的全部排放量!将所有制氢转化为风力发电将需要820GW的容量，比当前所有风力涡轮机容量的总和高出26%。此外，对2050年项目的预测显示，氢消耗量将达到5亿吨，这表明风力发电行业具有相当大的增长潜力。鉴于涡轮叶片尺寸不断增加，复合材料是其疲劳寿命以及在如此长的长度上的质量和挠度的最佳选择。对于这一目的，金属的使用现在是微不足道的，并且只保留在非常小的叶片上，就像直升机叶片一样。电解作用该行业的另一个机会是复合膜的开发。这一概念也不是新概念，因为这一领域的项目是由法国替代能源和原子能委员会（CEA）实施的。通过瑞士Membrasenz公司等初创公司的努力，新项目正在涌现。然而，由于在专利获得批准之前商业秘密是常态，目前很难找到更多细节。复合材料也可用于传统过滤或海水反渗透脱盐的上游。氢在能源领域的多种使用方式氢作为一种绿色能源，有着广阔的发展前景。它可用于运输（乘用车和商用车、卡车、公共汽车、叉车、航空、图1：西门子GamesaBrande风电制氢项目。©西门子Gamesa表1：按类型和地理位置列出的FC车辆的当前和未来数量。（来源：德勤中国和法国美孚公司）13专栏：可再生能源SpecialReport:RenewablesJECComposites中国2022.6海运、电动自行车等）、固定电源（燃气轮机、热电联产、不间断电源系统、分布式发电）和其他各种应用（便携式电源、无人机等）。虽然其中一些发展仍处于早期阶段，但燃料电池电动汽车（FCEV）已开始进入市场，火车和渡轮紧随其后。尽管它们的能量密度不高，但最成熟的解决方案仍然是在通过纤维缠绕生产的碳纤维罐中进行高压储存。罐体可能仍然是由钢制成的，尽管当运输方便是首要任务或与车辆集成是目标时，罐体太重了。在这里，复合材料是唯一可行的解决方案。燃料电池电动汽车使用氢气的燃料电池电动汽车应为复合材料提供一种新的中继器，以促进中期增长。首先，FCEV将作为客车首次亮相，卡车、火车、船只和飞机都将配备这项技术，但由于体积或技术成熟程度的原因，这项技术的配备程度较低。表1列出了2030年（韩国为2040年）的目标，结合了公路车辆和氢加油站的数据。总共有1000多万辆氢燃料乘用车可以流通。国家目标相当雄心勃勃，美国、欧洲和韩国宣布了最高目标。虽然这些数字令人奉承，但必须结合实际情况并与汽车总产量进行比较。例如，2019年制造了6700多万辆汽车（来源：OICA）。如果我们根据配备两个60升复合油箱的轻型FCEV进行预测，我们可以估计每辆车的碳纤维消耗量为50千克（如东丽T700），树脂消耗量为24千克（目前为环氧树脂）。这相当于500000公吨碳纤维，或者说是当今全球碳纤维产量的四到五倍。在其最新的年度报告中，参与其中的主要制造商之一东丽的估计更为保守。据预测，2019-2030年期间，风力涡轮机叶片、氢罐和燃料电池基板等工业应用的复合年增长率为9%。即便如此，10年来9%的年增长率仍然是一个非常特殊的数字。在轻量化的FCEV方面，丰田和现代在氢燃料汽车商业化生产的全球制造商中排名第一，其次是本田和梅赛德斯-奔驰。宝马（BMW）和奥迪（Audi）应于2022年首次推出其首款车型。Miral的例子让我们仔细看看丰田，它在推出第二款Mirai七年后刚刚发布了第二款。这家日本OEM雄心勃勃，目标是2020款Mirai的销量是2014款的十倍。在这个版本中，丰田成功地将汽车的价格降低了20%，同时将续航能力提高了30%。为了更好地平衡车辆质量，丰田新车型配备了141升油箱（见图2）。很明显，这种价格下跌加上许多国家的政府激励措施，应该有助于其商业成功。燃料电池技术仍然很昂贵，但如果所有制造商在价格上取得类似的进展，民主化肯定会很快实现。这一点尤其正确，因为必要的基础设施正在同时发展；许多加油站正在建设中（见表1，右栏）。在2020年奥运会上，日本希望在氢动力汽车和FCEV汽车方面展示其领先优势。尽管2019冠状病毒疾病阻碍了其计划，但该国仍在深入参与，因为它必须进口大量能源。因此，氢的绿色生产是其能源组合中有利可图的组成部分。燃料电池用双极板燃料电池生产商和制造双极板的分包商对材料和生产技术的细节相当低调。此外，与可用的解决方案相比，复合材料排名很高。简单地说，双极板用于从环境空气中获取氧气，使其与氢气接触（从储罐中），形成水并释放电子，从而产生电流。图2:丰田Mirai2014版和2020版之间的变化。三种使用复合材料的技术值得注意，它们基于膨胀/柔性石墨材料、模压/填充/颗粒复合石墨材料以及碳和石墨涂层金属板。此外，虽然我们没有听到太多来自他们的消息，但有很多参与者，包括Ballard、SchunkCarbonTechnology、EisenhuthGmbH&Co.KG，以及法国初创企业Hycco。世界各地的实验室都在进行研究。类似地，复合材料也可用于电池与燃料电池耦合的应用中，以吸收消耗的瞬时峰值（例如FCEV加速）。那么…一切看起来都很美好？重申一下，通过减少二氧化碳的产生，复合材料提供了与应对全球变暖极其相关的技术解决方案。然而，投资对于绿色发电站和加油站基础设施来说都是巨大的，因为它们用于生产碳纤维等原材料。压力容器制造业还需要大量投资和大力缩短生产时间，因为很难想象有一排永无止境的纤维缠绕机。双极板的生产也将取得进展。液态有机氢载体或硅氢化物等可避免氢气在250至700巴压力下储存的竞争技术现已退出实验室。目前，它们尚未达到大规模市场应用所需的成熟度。记住，颠覆性创新需要大约二十年的时间才能出现大规模商业应用。幸运的是，使用复合材料的解决方案具有领先优势。www.jeccomposites.com14专栏：可持续发展SpecialReport:SustainabilityJECComposites中国2022.6带行星齿轮的高效节能混合动力传动系统Energy-efficientHybridDriveSystemWithAPlanetaryGearEnergyLight驱动系统通过使用基于纤维增强复合材料轻质设计的专利驱动技术，显著提高了工业应用的能效。一年前，Kabel.Consult.Ing推出了一种带有行星齿轮的节能混合驱动系统。太阳齿轮由伺服电机和第二个相同伺服该皮带带有Kevlar/碳纤维张力元件和聚氨酯齿。齿圈外的高性能正时皮带可实现紧密且无间隙的负载链连接。聚氨酯齿还起到机械低通过滤器的作用，防止/抑制传动系内的振动。根据相同的原理，整个系统现在可以与其他相同的驱动单元模块化耦合。作为整个工业部门的一个示例，绕线和放线电机、横向电机以及电线或电缆制造系统中推拉和拉拔设备中使用的电机（拉拔、镀锌、成束、布线、绞合、扭转和挤压工艺）可能只使用一种电机尺寸或类型。节能复合材料在创新中使用复合材料所创造的价值是开发一种节能驱动系统，该系统不仅经济、模块化、免维护，而且在电机和整个机械传动系的最佳效率范围内表现出卓越的精度、动态性和可靠性。即使产品、参数和工艺变化较大，也能确保驱动系统和机械动力传动系的平稳运行。电机的最佳效率范围为1.00±0.33x额定转速和0.75±0.15x额定扭矩。新驱动系统的一个主要优点是驱动电机的额定损耗和空载损耗比当前技术水平低几倍。另一个优点是，驱动中涉及的所有机械动力传动系都可以在最佳效率范围内连续运行。与现有技术相比，机械传动装置或单个动力传动系的空载扭矩同样降低了几倍。因此，驱动系统具有非常高的整体效率、优化的能量平衡，从而降低了能源成本。而且，由于电机和动力传输部件不断在其最佳效率范围内运行，因此大部分驱动输出在过程本身中得到了有效利用。JuanCarlosGonzálezVillar,Proprietor,Kabel.Consult.Ing模块化结构中的分布式数字驱动技术。电机的齿圈驱动。输出通过行星齿轮架产生。驱动系统的机械部分的特点是，行星齿轮的齿圈由高性能正时皮带驱动，预定用于Emobility的驱动系统。15专栏：可持续发展SpecialReport:SustainabilityJECComposites中国2022.6COMPETENCEINTECHNICALTEXTILESVISITUS:CHINACOMPOSITESEXPO2022SHANGHAI,SEPTEMBER27–29SustainableFibreComposites–readmore:一种新型高效节能行星齿轮混合驱动系统。迈向第四次工业革命在20世纪80年代和90年代的第三次工业革命开始时，所谓的“安全缓冲垫”进入了机器。当时，每台机器都标配了开关变速箱和无级变速箱（CVT），但现在有一台大型电机的尺寸是为了满足机器的最大扭矩要求，还有一台坚固的单线齿轮箱的尺寸是为了满足机器的最大速度要求。当能源成本为0.05欧元/千瓦时，没有人关心能源成本。但如今，价格更像是0.15欧元/千瓦时。因此，需要重新思考。基于网络物理系统的智能工厂仍处于发展阶段。他们还需要几年的时间才能渗透到工业的各个领域。第三次工业革命减少了机器中的机械驱动工程，并加剧了对电气工程的依赖。第四次工业革命将使部分机械设备恢复原状。到那时，机电一体化将明确地表明自己的立场。机器制造商使用超过所需尺寸2倍的电机的时代将最终成为过去。复合材料将是其重要组成部分。电气传动技术电气传动技术是最重要的工业技术之一。在工业部门，全球超过6000TWh的电力通过电力驱动转换为机械动力；这大约相当于全球发电量的27%（来源：西门子）。在德国，最大的用电量是工业部门，占总用电量的46%（250太瓦时或900千兆焦耳）。其中70%是由电动机和电动系统（175太瓦时或630千兆焦耳）造成的（来源：ABB）。在此背景下，Kabel.Consult.Ing的创新对市场潜力非常重要：未来20年内，仅电线电缆行业就有10000多台，其他行业也有1000000多台。www.kabelconsulting.de16专栏：可持续发展SpecialReport:SustainabilityJECComposites中国2022.6复合材料回收：寻求循环经济CompositesRecycling:InSearchoftheCircularEconomy回收复合材料带来了挑战，但整个行业的公司都在优先考虑可持续循环经济战略，并开发可行的回收流程和商业模式。在更多复合材料最终进入垃圾填埋场或复合材料用户接受更适合其循环经济战略的替代材料之前，解决复合材料回收难题是一种紧迫感。美国复合材料制造商协会（ACMA）CompositesGrowthInitiative副总裁JohnBuse表示：“业界需要准备好参与我们将要做的关于复合材料回收的工作。”“我们正处于蜜月阶段，但作为一个行业，我们没有太多的时间来解决我们知道在未来几年会出现的问题。现在是合作的时候了——是时候聚在一起，努力工作，设定可实现的目标，以便我们能够解决这些问题。”Busel和ACMA复合材料市场开发副总裁DanCoughlin担任了ACMA复合材料回收会议2020的主持人，该会议于5月在线举行。为期两天的会议的一个关键主题是复合材料在可持续循环经济中的地位。什么是循环经济？在这样的经济模式下，理想情况下，一切都保持在一个可持续的使用循环中。产品和工艺对环境的影响最小，几乎没有废物，废料和成品都可以回收或再利用。图1展示了废料回收工业研究所（ISRI）的概念复合回收生态系统的一个视图。该图显示了物料和信息流如何保持在一个连续的循环中。为复合材料产品创建循环经济是一项复杂的任务。每一个问题都会发掘出十几个新问题。假设你找到了一种回收复合废料的方法，并找到了回收材料的市场，这可不是一个小壮举。一旦这些材料被制成新产品，那么该产品能否在使用寿命结束时回收或重新利用？或者，你在产品中使用了一种可回收的复合材料，这一事实是否将决定其在垃圾填埋场的命运？如果是这样的话，是否因为使用复合材料与其他原材料相比节约了能源、水和自然资源，从而实现了更大的效益？或者，这种新的复合材料产品是如此坚固、稳定和耐用，以至于其超长的使用寿命有效地消除了对寿命终止的担忧？难怪生命周期分析，也称为生命周期评估（LCA），是一个蓬勃发展的新行业。在ACMA会议的第一天，ISRI的顶尖科学家指出了通常情况下阻碍循环成功的两个因素：1）材料加工、分离和识别的困难，2）材料成分的数量更多。ISRI首席科学家兼环境管理主任DavidWagger博士说：“我知道这对复合材料来说似乎是一件具有讽刺意味的事情。”。复合材料确实存在可持续性悖论。一方面，由于其重量轻、强度高，是实现现在一些最先进的环保举措的完美材料。仅举几例，复合材料用于可再生能源的风力涡轮机、电动汽车的轻质部件和节油飞机结构。然而，另一方面，使其如此引人注目的专有化学和加工技术也可能导致复杂性。公司如何可持续地处理复合废料和报废产品？本文讨论了复合材料供应链中的企业如何应对挑战，开发解决方案，并朝着复合材料循环经济的最终目标努力。可持续性设计为了实现循环经济商业模式，如果一个产品从一开始就设计为可回收或再利用，这会有所帮助。ISRI计划鼓励制造商在产品设计过程的早期优先考虑可回收性。（请参阅Focus：DesignforRecycling®）在评估风力涡轮机叶片回收方案时，GE可再生能源权衡“循环性考虑”。GE使用生命周期评价专家Quantis的框架，根据五个影响类别权衡选择：1）碳足迹（CO2和其他温室图1：废料回收工业协会（ISRI）提供了复合材料回收生态系统的概念视图。这是一个潜在配置的示例。对于一些复合产品的回收，如风力涡轮机叶片等大型物品，可能会有更多或不同的物流步骤，需要生态系统中更多或不同的参与者和流程。17专栏：可持续发展SpecialReport:SustainabilityJECComposites中国2022.6气体的释放），2）水足迹（淡水提取），3）人类健康（呼吸系统影响，癌症和其他疾病），4）生态系统质量（生物多样性下降），5）资源（不可再生能源消耗和矿产开采）。GE还采取了全面的系统优化方法，衡量：1）寿命终止的解决方案是否可扩展？2）技术是否足够成熟？3）回收物有市场吗？4）该流程是否具有成本效益？5）寿命终止解决方案是否能够实现循环？GE可再生能源公司服务生产力技术负责人MichelleSimpson在ACMA会议上发表主旨演讲时表示，该行业正在应对叶片回收的挑战，总体而言，有迹象表明该行业正在继续取得进展。为了找到解决方案，复合材料供应链的透明度非常重要。无论公司使用的是未经处理的复合材料还是复合回收材料（回收的复合材料），他们都需要知道这些材料含有什么，以便计划如何回收或再利用其废料和产品。Simpson说：“来料的性质对你做出的每一个决定都至关重要。”“这是一般回收的一个基本挑战：如何将一致的原材料引入您的流程中，以便生产一致的产品？如果您的原材料是可回收材料，那么这将变得越来越具有挑战性，因为每次都可能相同，也可能不同。”Simpson表示，如果业界开发一个数据库，让复合材料供应商可以列出其材料含量，这将很有帮助。然后，复合材料用户及其回收合作伙伴将能够更好地开发复合材料零件和产品的报废解决方案。复合材料行业还需要其回收工艺和废料类型的规范。根据ISRI的规定，典型的废料规范应包括：1）废料说明，2）任何允许的污染物列表，3）回收过程中允许的污染物百分比，以及4）即使数量很少也被禁止的成分和污染物列表。回收工艺规范应列出可接受的复合原料。Wagger说：“任何复合材料回收工艺都应该有一个与之配套的规范。”。“那么，没有人会对想要什么和人们应该提供什么感到困惑。此外，如果有任何监管问题，行业将有这些规范，准确解释回收过程中会发生什么以及回收过程会产生什么。规范将对建立一个功能性、可持续的复合材料生态系统非常有帮助。”对于要求高结构强度和其他关键性能特征的复合材料应用，材料选择的一致性和质量至关重要。在回收复合材料技术的应用中，这一规则也不例外。ELG碳纤维公司的产品开发工程师CamilleSeurat在全球第一个碳纤维钢轨转向架生产会议上介绍了再加工复合材料的作用。它被称为CAFIBO，一个源自CArbonFIbreBOgie的名字。转向架，也称为铁路货车，是一种用于将轨道车车轮和车轴固定在车厢上的底盘。CAFIBO开发工作是英国铁路安全和标准委员会资助的合作项目的一部分。该项目涉及ELG、MagmaStructures、阿尔斯通以及伯明翰大学和哈德斯菲尔德大学。联合体成员共同开发了一种优化的轻质转向架结构，该结构由剩余和回收的碳纤维制成。用于制造转向架构架的主要材料是ELG的Carbiso™Mnonwovenmat，由回收的碳纤维制成。该产品具有环保效益，且成本比纯碳纤维低40%。CAFIBO原型重量为715kg，比通常重量在1400-1500kg之间的传统钢转向架轻得多。这种重量减轻将有助于运输运营商提供更安全、更可持续和高效的铁路系统，并降低与轨道损坏和悬挂维护相关的成本。碳复合材料转向架设计符合所有英国和欧洲铁路标准。为了确保该概念能够发挥其潜力，今年晚些时候将在哈德斯菲尔德铁路研究所的试验台上开始对该结构进行广泛的疲劳和动态测试。调整回收物供需复合循环经济的另一个关键是使正确的市场需求与正确的复合回收物供应图2：ELG碳纤维有限公司运营着世界上第一条也是最大的碳纤维回收线（a）。ELG和几个合作伙伴使用了ELG的Carbiso™M无纺布再生碳纤维垫材料（b），以制造该CAFIBO轨道转向架原型（c）。图片由ELG碳纤维有限公司提供。abc回收设计®废料回收工业协会（ISRI）有一项针对回收的设计®倡议，鼓励制造商在设计阶段考虑其产品的命运。ISRI颁发年度回收设计奖。设计用于回收的产品遵循以下一般原则：●包含最大数量的可回收材料；●可通过当前或新设计的回收流程和程序轻松回收；●具有回收成本效益，回收成本不超过回收材料的价值；●不含不可回收或阻碍回收过程的有害物质；●尽可能减少回收产品所需的时间和成本；●通过包括回收材料和/或组件，减少原材料的使用；●在减少对环境的总体负面影响的同时，对产品的整体可回收性有净收益。来源:ISRI18专栏：可持续发展SpecialReport:SustainabilityJECComposites中国2022.6保持一致。如果没有最终用途，回收行为就失去了存在的理由。毕竟，如果只是让回收物永远呆在仓库里，那么在回收上花费资源并没有什么好处。Simpson说：“拥有一种有效的回收技术实际上只是挑战的一小部分。”。“你真的需要与市场的供应能力相匹配。”从供应方面来看，有两个主要因素在起作用：1）回收成分-成分中包含什么，是否一致？2）回收量——有多少，供应是否稳定？这两个因素都会影响回收物及其最终产品的经济价值。需求的一致性也是一个主要考虑因素。许多产品可以由复合回收材料制成，包括乐器、匹克球场表面、运动设备和家具。但这些市场能否提供足够的需求来支持广泛的复合材料回收工作？回收风力涡轮机叶片的一个最终用途是游乐场设备。Simpson说：“但问题是，这种游乐场设备的需求量与现有的供应量并不匹配。”。“因此，尽管这是一种非常可持续的使用方式，但它并不能解决该行业的问题。”该行业正在探索回收复合材料的潜在大量应用。VartegaInc.创始人兼首席执行官AndrewMaxey向ACMA会议与会者介绍了一种注塑汽车挡泥板组件。Vartega与福特和先进复合材料制造创新研究所（IACMI）等九家合作伙伴合作，使用10%的再生碳纤维加固聚酰胺66（PA66）复合材料，实现了高质量的表面光洁度。橡树岭国家实验室（ORNL）是挡泥板项目和其他七项IACMI计划的合作伙伴，正在扩大其回收快速创新和商业化实验室。该实验室与复合材料行业合作，试验和推广循环复合材料解决方案。在其他设备中，实验室有一个与辛辛那提股份有限公司合作开发的BigAreaAdditiveManufacturing（BAAM）系统。复合回收物被混合到BAAM用于3D打印大型项目的材料中，包括电线杆和预制混凝土模具。每个模具平均可使用200次，使用寿命比木制模具长40倍。此外，制造复合模具所需的劳动力更少。“利用这项技术开发回收碳和玻璃纤维的商业用途是一个重要的机会，”ORNL高级研发科学家、CompositeRecyclingandBio-DerivedMaterialsforAdditiveManufacturing(复合材料回收和生物基衍生材料增材制造)推力负责人SoydanOzcan博士说。加工和物流●收集复合材料进行回收为了商业化和扩大复合回收，必须有有效的废料流动途径。在ACMA会议上，GE的Simpson描述了两种类型的流动：规定：是浪费还是废弃？正如你所想象的那样，美国废品回收工业协会(ISRI)对废品还是略知一二的。今年5月，在ACMA复合材料回收大会上，ISRI首席科学家DavidWagger分享了ISRI和废金属行业多年来如何说服监管机构，让他们相信废金属是商品级材料，而不是废物。他说:“对于复合材料来说，这是一个很好的故事，复合材料在任何时候都不会被认为是浪费。”但是，废弃商品和废物之间有什么区别呢？这些术语经常互换使用。但是，如果一种材料被各部门正式归类为“废物”，那么它往往比商品级材料受到更严格的监管。ISRI将废料定义为用于回收并转移到其他用途或应用的物品。另一方面，它认为废物是被丢弃的东西，永远不会再被使用。但监管机构在定义上可能会更加挑剔，有时他们会评估用于回收材料的方法是否被视为废物处理或制造过程。对于被视为商品级的塑料，尤其是根据新巴塞尔公约（BC）规则，它们需要相对纯净且易于回收。如果是这样，BC及其全球成员国将允许此类塑料废物不受控制地流动。但是，如果塑料不被视为商品级，它们可能属于BC控制的非危险塑料废物新类别。在这种情况下，可以对这些材料实行更严格的监管，对它们在国家间的流动进行更多的制衡。最后，有一个单独但相关的讨论路线，围绕如何为监管目的定义复合废料，如果它将1）作为水泥窑燃料源燃烧，或2）用于通过热解过程产生燃料和其他副产品。根据《美国资源保护和回收法案》，有一些标准可用于识别用作燃烧装置燃料或成分的“无害二次材料”。这些材料不被视为固体废物。然而，热解装置不是燃烧装置。美国化学委员会（AmericanChemistryCouncil）建议，用于塑料制燃料和石化（PTFP）设施（包括热解工厂）的废料应归类为“制造原料或材料”，而不是固体废物。来源:ISRI图3：橡树岭国家实验室的回收快速创新和商业化实验室利用大面积添加剂制造系统（a）来制造这根电线杆（b）。电杆由回收的聚碳酸酯废料制成，用竹子加固。图片由美国能源部橡树岭国家实验室提供。ab19专栏：可持续发展SpecialReport:SustainabilityJECComposites中国2022.6单一流方法：使用此模型，单个回收流流向单个最终用途。通常，这种方法需要一致的回收物组成和可预测的体积。在某些情况下，最终应用可以容忍某些成分变化和体积波动。最终用户可能能够调整其流程以适应变化。单一流示例：来自一个来源的风力涡轮机叶片，用于水泥行业作为混合燃料和原材料。供应链整合方法：使用此模型，从不同的流中收集复合废料和报废组件。如果没有可靠的成分文件，可能需要对材料进行表征。然后，它将被分为不同的类型，并可以从那里流向满足各种不同的需求。通过这种方法，复合回收物的供应将更加稳定，对买家来说更加可靠。Simpson说，她目前还不知道这一模式在起作用，需要努力组织起来。“我认为这并不容易，但我确实认为这是可行的，这将大大增加所有正在开发的优秀技术的成功机会。这将对整个行业有所帮助。”●处理复合废料和报废产品热塑性复合材料废料和产品：它们经过一个机械回收过程。它们被分类、分离、切碎或剁碎，并根据需要混合。然后它们可以在增材制造、压缩注射成型和其他工艺中重复使用。热固性复合材料废料和产品：这些废料和产品经过热化学回收过程。废料或产品被分类并转换成适合加工机械的尺寸。热解是主要的加工方法。在热解过程中，复合材料在无氧条件下加热。它被分解，纤维被回收，从树脂和聚合物中捕获燃气。回收的纤维可以清洗并用于热固性复合工艺。或者它们可以复合并用于热塑性工艺。在ACMA会议上，几次演讲突出了由CHZTechnologies提供的Thermolyzer™。在这个热解系统中，热分解器在分解复合材料时产生气体。这些物质通过一组水性洗涤器来分离有毒物质。大部分气体用作热分解炉的可持续电源。CHZ合伙人ChuckLudwig表示，该公司一直在与IACMI和其他行业合作伙伴合作，以确定复合材料的加工“最佳点”，从而使回收的纤维保持最佳性能特征。例如，CHZ已经对其工艺进行了调整，以最大限度地减少对精细玻璃纤维的热量和应力。他说：“你对纤维处理得越轻，你就越有可能为它们找到一个好的应用。”。转换为能量：在某些情况下，复合纤维不会被回收，而是与整个复合基质一起被消耗，并用作水泥窑的燃料。为了将水泥配料加热到约1450°C的温度，窑炉需要消耗大量的燃料。复合废料，有时与其他废料混合，用作窑炉的工程20专栏：可持续发展SpecialReport:SustainabilityJECComposites中国2022.6图4:ACMA和IACMI的回收小组正在研究复合循环经济模型。目标报废产品是JohnDeere农业喷雾杆（a）。CHZTechnologies热裂解炉™系统（b）将用于在研磨机中粉碎后从动臂中回收玻璃纤维和碳纤维。然后，这些纤维将用于生产纤维增强热塑性片材，该片材可模制到新JohnDeere车辆的门板零件（c）中。燃料。工程燃料是煤炭的替代品，产生的温室气体排放量较低。复合材料中的PVC会带来一些氯排放风险，但一些窑炉的设计旨在减轻这种风险。关注法规复合材料及其回收过程的感知风险和复杂性会影响从监管角度看待两者的方式。Wagger鼓励ACMA复合材料回收会议参与者关注经济合作与发展组织（OECD）正在进行的关于塑料废物分类的辩论。截至撰写本文时，经合组织尚未采取将新巴塞尔公约（BC）修正案纳入塑料废物分类的方法。BC的目的是让各国更好地控制可能难以回收或处置的塑料的流动，即使这些塑料不符合危险品的传统定义。其最新行动旨在解决日益严重的塑料废物问题，包括塑料污染海洋的问题。但在实践中，新规则可能会使一些复合材料废料处于不稳定状态。BC是一个联合国方案，是控制危险废物越境转移及其处置的框架。从国际贸易的角度来看，只有当废旧复合材料按照协调关税表的3915类目之一流动时，BC塑料框架才适用于它们。这abc些类别包括各种类型的塑料垃圾、削皮和废料。从2021年1月1日起，BC呼吁成员国控制有害塑料垃圾的流动，并首次控制某些非有害塑料垃圾的流动。此外，BC创建了一个新的分类，B3011，用于塑料垃圾，“几乎不受污染和其他类型的废物”，以环境无害的方式回收每一种材料。符合B3011规定的塑料垃圾的流动将不受BC框架的控制。它基本上可以作为商品级废料自由交易。这些发展为何令人担忧?最大的问题是，对于哪些塑料垃圾会被归入哪些不同的类别，目前还不清楚。有必要就规范达成一致意见。否则，各个国家可能会以自己独特的方式解释BC的塑料垃圾法规。让事情变得更加复杂的是，美国是世界上唯一的非欧盟成员国之一。美国和其他36个国家都是经合组织成员国。根据BC的一项规定，允许经合发组织为无害环境管理的目的制订自己的报废材料贸易办法。“它可能会成为一个难以驾驭的动物园，”Wagger说。结论制造一种新的复合材料产品需要供应链协调、技术专长以及对供需模式的仔细分析。复合材料回收需要同样专注的努力，加上加强对环境可持续性的承诺和做正确的事情。与任何专业倡议一样，在达成可扩展、盈利的业务主张之前，它需要花时间解决问题。但这正是复合材料行业正在努力做的事情，它正朝着创建可持续复合材料循环经济的方向发展。www.acmanet.org复合循环经济示例JohnDeere及其供应链合作伙伴展示了复合材料零部件如何为循环经济模式做出贡献。在ACMA复合材料回收会议上，南达科他州矿业与技术学院（SDMines）的DavidSalem博士教授分享了ACMA和IACMI的一个回收小组项目。目标报废产品是JohnDeere农用喷雾杆，其中含有热固性树脂中的玻璃和碳纤维织物增强材料。本研究中没有喷雾臂材料，因此分别使用从风力涡轮机叶片和喷雾帽中回收的玻璃纤维和碳纤维来证明可行性。大型风叶和翼梁盖在研磨机中粉碎，然后材料在CHZTechnologiesThermolyzer™系统中回收纤维。这些纤维由SDMines进行清洁，一些纤维由Vartega股份有限公司进行致密化，以便将其很好地送入挤出机。然后，SDMines使用这些纤维生产纤维增强热塑性片材卷。SDMines使用其正在申请专利的挤压工艺制造不连续纤维热塑性片材（DiFTS）。该工艺旨在最大限度地提高光纤色散，最大限度地减少光纤损坏和长度衰减，并赋予光纤方向。这些板材被层压成6mm厚的1.2平方米的面板。这些面板由JohnDeere的承包商真空热成型为车门面板零件。（见图4。）案例研究没有详细说明门板部件的寿命终止计划，但表明该部件可以回收并用于热塑性化合物中，用于其他用途。来源：SDMines的复合材料和纳米复合材料先进制造中心（CNAM）21专栏：可持续发展SpecialReport:SustainabilityJECComposites中国2022.6高达92%的再生材料制成的新型复合材料InnovativeCompositesMadeFromUpto92%ReclaimedMaterials“直说吧，Infinici公司开发了一种技术，可以用EoL玻璃纤维增强塑料(GRP)和硬质聚氨酯(PUR)复合材料生产新的复合材料。起初，每个人都认为我们疯了：复合材料再也不能分离了……从技术上讲，这是不可能的……它没有回报……它没有市场……反对的理由不胜枚举。现在势头在我们这边。”全球范围内，对于能够回收和再利用塑料以及大规模减少二氧化碳排放的创新解决方案的压力越来越大。复合材料行业积极参与回收工艺和可持续材料设计的开发。Infinici无限地使用原材料的愿景让我们清楚地看到了它的地位。技术联盟Infinici认为，成功的技术和产品开发需要跨学科的合作方式和长期的产业合作。为此，成立了一个技术联盟，将技术与复杂的市场要求和全球二氧化碳目标相结合。此外，风叶退役等特殊业务的整合被规划为孤立的解决方案，在市场上没有机会。利用预测数据，可以精确地显示哪个风场的哪个叶片需要回收，以及何时需要回收，从而优化生产。该财团是国际性的，首先关注欧洲和美国。它独立运作，并在动态增长。欢迎新成员加入。进入新的复合材料Infinici技术的起源在于将PUR废料转化为木材复合材料的替代品。这项技术得到了扩展和采用，以便能够加工更高比例的玻璃纤维增强塑料（GRP）。它特别适用于将EoL风叶（GRP）RAlF-sTeFAnsTuhR,CEO;ReinhARdKessing,CTO,Infinici图1：Infinici复合材料生产的材料来源。图2：用于材料转化的Infinici技术。和车辆部件（PUR复合材料）转换为新的复合材料，其应用包括为建筑业生产高强度面板。该技术在新复合材料的再生材料含量、能源效率、生产成本、质量保证、环境足迹和温室气体排放方面取得了卓越的成果。在材料转化过程中，玻璃钢和聚氨酯的回收率高达92%。所有采用Infinici技术生产的新复合材料都可再次完全回收，并可作为原材料使用。22专栏：可持续发展SpecialReport:SustainabilityJECComposites中国2022.6生物复合材料与自动化：建筑业的可持续未来BiocompositesandAutomation:ASustainableFuturefortheBuildingIndustryBioMat/ITKE通过引领生物基材料及其在建筑中的自动化应用领域的研究，解决了当代建筑领域的问题。他们的1:1建筑演示展示了创新可以转移到建筑行业的途径。Jun.-Prof.Dr.-Ing.HanaaDahy,DepartmentDirector;PiotrBaszyński,ResearchAssociate,BioMat/ITKE,UniversityofStuttgart欧洲和全球的建筑业都给我们带来了许多挑战。该部门是能源和碎石材料消耗量最高的部门。促进对混凝土等不可回收材料（其生产贡献了全球一半以上的二氧化碳排放量）的需求向基于每年可再生资源的建筑材料的需求转变，是BioMat活动的根本目的。建筑业面临的挑战建筑业与其他行业的区别在于工程规模、每个项目在其预定义条件（如位置、固定和功能）方面的独特性，这实际上阻止了在1:1的水平上进行原型制作的可能性。这些先决条件减缓了与原材料复合材料生产相比，使用该技术生产复合材料可显著减少二氧化碳排放量。与工厂的SCADA系统相结合，一个数据库记录每一个原料流程。这使得材料转化过程和相关CO2管理具有最大的透明度、一致性和可重复性。Infinici技术Infinici技术的基本原理相对简单：“旧”（EoL）复合材料（在很大程度上）被机械分解为其基材。分离金属、异物和污染物。用新树脂单独处理分离、缩短和分类的旧玻璃纤维、PUR填料和粉末化树脂（根据应用情况，还可以添加其他原始纤维和/或PUR材料）。重新调整后，水分含量控制在恒定水平，材料流形成、分层和压实，以形成新的复合材料，主要以高强度面板材料的形式。Infinici技术基于干燥、完全独立的工艺。第一阶段包括几个连续的机械尺寸减小站，带有剪切、切割和锤式磨机、振动筛、辊盘筛站、重力分离和几个金属去除站，通过在线涡流分离器和一系列磁铁站分别去除所有黑色金属和所有有色金属。甚至在旧一代转子叶片中仍然存在的铅平衡块沉积物也被可靠地过滤掉。重复重新研磨、进一步分类和重力分离可实现尽可能高的材料分离程度，并清除任何异物。在这些工艺步骤中，玻璃丝、PUR填料和热固性聚合物（环氧树脂）的分离程度尽可能高，它们以均匀的颗粒形式与纤维分离。在第二阶段，先前分离的纤维和细料以可调节的菜单驱动比率再次聚集在一起。然后，纤维和细料在单独的工位使用特殊的MDI粘合剂（基于4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯和高功能低聚物和异构体）进行处理。精确的再处理树脂材料然后转化（模制和压制）为新的高强度复合材料产品。原材料的粘合剂和基本成分确保了最终产品的耐水性。固化后不会发生有害的放气。由EoL风叶和汽车零部件制成的新型高强度复合材料面板在其他应用中，Infinici工艺允许生产高度均匀的单层或多层（2-5层）复合板。根据最终应用情况，面板可制成各种厚度（3-38mm）和标准堆积密度范围（800-1250kg/m3）。三层板结构已经提供了广泛的表面质量（粗糙、结构化到平滑）。芯层作为骨架，确保高强度，表面成分提供强大的弹性模量（MOE）和断裂模量（MOR）。改变密度和粘合剂含量可影响内粘结（IB）。Infinici产品开发结合了传统面板生产的工程技术和材料压缩工艺。由此产生的复合板在技术上远远优于目前市场上的木材（PB、MDF、HDF或胶合板）和木水泥板。与原材料制成的复合板相比，这些面板的生产成本更低。该公司计划稳步扩展其技术，并有潜力制定标准和开拓新的细分市场。对于核心市场，该公司提供技术许可证，并计划与行业合作伙伴和投资者一起在欧洲建立高达100,000吨/年的生产能力。www.infinici.de创新解决方案的引入。另一方面，建筑业是一个非凡的试验场，在这个试验场上，已经在其他领域得到验证的各种技术可以得到更大规模的验证。为此，BioMat与飞机设计和复合材料开发商等其他部门的专家密切合作，寻求创新技术，一旦将其移植到建筑行业，就可以为已经突出的问题提供新的解决方案。生物复合材料建筑设计的整体方法斯图加特大学ITKE的生物基材料和建筑材料循环（BioMat）是少有的将建筑领域的生物基材料知识和计算设计与各种制造技术相结合的学术部门之一。它的使命是研究建筑中不同的可23专栏：可持续发展SpecialReport:SustainabilityJECComposites中国2022.6持续性方面。其独特优势是基于强大的材料开发经验的多学科工作，尤其是在每年可再生资源的生物复合材料领域，以及结合数字制造经验的数字化建筑设计能力。BioMat领导着可持续性、生物复合材料和数字制造领域的各种研究和工业项目，并拥有生物复合材料领域的各种专利。在这些研究项目的范围内，探索了天然纤维增强聚合物的各种制造技术，以开发建筑产品和设计概念。在每个项目中，设计方案都不是作为单一最终产品开发的，而是被视为材料整个生命周期的一个阶段，从每年从可再生资源中采购原材料开始，到考虑到从设计到拆除政策开发的设计应用，到材料回收的可能性。2018年生物复合材料展馆经过多年的生物基材料在面向未来的可持续建筑中的应用研究，经过十个月的密集工作，在斯图加特市中心修建了实验性生物复合材料馆（图1）。展馆占地面积约55m²，跨度9.5m，高度3.6m，由一个由121个轻质生物复合材料构件组成的双曲型、数字化设计的分段式外壳组成，由单曲面木板连接。该板材由一个柔性木芯组成，该木芯层压在两个3D单板之间，形成3D刚性弯曲构件。层压不仅将柔性芯板的性质改变为所需的形状，而且还可以创建具有可调节机械性能的生物复合材料夹芯板，从而使原来可用的弹性材料变硬并用作结构组件。壳体的整体几何结构类似于3D织物，其中弯曲构件连接到空间各个图2：由层压Bioflexi制成的夹芯板。图1:2018年Biocomposite展馆一览。图3:定制生物复合材料Mock-up2019一览。方向的公共节点，以提供必要的空间刚度。展馆展示了生物复合材料新的美学建筑特征，并展示了其作为结构材料的可能用途。目标是使用之前由BioMat负责人HanaaDahy教授开发的层压生物复合柔性板（Bioflexi）建造展馆（图2）。该板由天然纤维与热塑性聚合物（主要是生物塑料）结合制成，通过挤压制成。天然纤维，如稻草，是农业生产的残留物，在作为当地建筑材料中焕发了第二春。这种材料被用作复合板的核心，它被层压在两块3D单板之间。展馆的设计经过了优化，只需将四种不同几何变化的生物复合板与可重复使用的螺钉连接即可进行组装。然后，这种方法可以将展馆分解为基本元素，以便以后在不同的位置和配置中使用。定制生物复合材料Mock-up2019定制生物复合材料Mock-up2019是利用数字制造技术和生成性设计方法从长亚麻纤维中提取生物基材料的新美学建筑特征的一个例子（图3）。这座小型建筑成功地建成了一个整体式单曲面雨棚，其设计为225cm高、125cm宽的轻质结构。选择定制纤维铺设（TFP）作为一种制造方法，以根据主要张力生产具有受控亚麻纤维方向的精确壳体结构。树冠形状进行了拓扑优化，以减少不必要的材料数量，并实现最佳亮度。实体模型结构由六层亚麻带基TFP预制件（1mx1.40m）组成，相互重叠。然后使用真空辅助树脂转移模塑（VARTM）工艺模塑现成的预制件。该项目说明了一种在复合材料领域已经建立并引入建筑行业的单纤维水平上微调材料性能的技术如何为设计轻质结构开辟全新的可能性。自动化是迈向可持续发展的一步从每年可再生资源中引入生物基材料，按照设计-拆卸原则设计结构，只能解决建筑可持续性问题的一部分。BioMat认为，基于纤维路径的计算机辅助设计和复合材料预制件的自动化制造的材料解决方案的引入，为建筑业提供了一个转变，从广泛依赖个体工人的手工劳动，逐步引入自动化生产过程，无论是单个建筑构件还是整个大跨度结构。这样，建筑业将有机会在生产力和资源的有效利用方面与其他行业竞争。www.itke.uni-stuttgart.deinsti-tute/biomat24解决方案InnovationSolutionsJECComposites中国2022.6石墨烯纳米技术在复合材料中的应用GrapheneNanotechnologyinCompositesforAChallengingArchitecturalDesignGazechimCompositesIbérica，S.A.（西班牙）凭借专为巴伦西亚新物流中心设计的前卫建筑组合，在巴黎举行的2019年JEC世界创新奖上入围决赛，并在芝加哥举行的2019年JEC创新奖上获得建筑类奖项。该项目旨在向建筑师、土木工程师和设计师展示复合材料应用于建筑的能力。它巩固了石墨烯纳米杂化复合材料在建筑领域的技术。在建筑的建造过程中，GraphenanoComposites采用了前卫的海军工程技术，与传统建筑材料的标准建立了差异因素。GazechimCompositesIbérica是GazechimGroup的子公司，在复合材料行业有着强大的影响力，其主要目标是推动该项目，承诺通过其在巴伦西亚（西班牙）的新物流平台，展示复合材料在仍有待开发的市场中的优势和可能性。通过与GraphenanoComposites公司的合作，该公司设计、开发和实施了不同的GRP建筑元素，如一个大型的、前卫的设计灵感的天篷:这种自支撑结构，连同其他实现的元件，在复合材料中利用石墨烯基纳米技术，具有很高的未来潜力。开发、制造和安装该项目面临的众多挑战之一是作为合作伙伴管理和协调复合价值链中的众多主要参与者，以使项目从蓝图变为现实。GazechimCompositesIbérica与9家材料供应商(Chem-Trend、Chomarat、Euromere、Gurit、Nouryon、Obo、OwensCorning、OmarCoatings和Polynt)、一个复合材料和一个土木工程办公室(GraphenanoComposite和Grupotec)、四个工业客户(GraphenanoComposites、LookComposites、Polymec和Xúquer)、一家建筑公司(ConstruccionesEliseoPla)、建筑和室内设计办公室(Onside)和项目总承包团队。采用不同的制造工艺，如真空灌注、拉挤和手工铺层。建筑的旗舰元素是一个巨大的自支撑天篷。该结构的总表面积为340平方米，利用石墨烯纳米技术，类似于船只的坚硬顶部，将海军建筑的概念转移到民用建筑。这项工作标志着首次在聚合物基体中应用纳米技术来提高复合材料性能。用石墨烯对基体进行纳米改性，以提高材料的弯曲模量和拉伸强度性能，同时降低结构的总重量。办公室立面中其他复合构件的总表面为275m²，遮阳板的剖面为880延米。此外，约3000延米的石墨烯改性复合钢筋用于加固项目部分区域的混凝土。物流中心装货码头上方的顶棚是迄今为止世界上最大的部分，采用石墨烯纳JulioGaliana,NavalEngineer/TechnicalManager,GraphenanoCompositesJoséa.BerJa,TechnicalManager,GazechimCompositesIbérica图1:340平方米雨棚的FEA屏幕截图。图2：240平方米复合雨棚部分之一的灌注过程。25解决方案InnovationSolutionsJECComposites中国2022.6图4：已安装复合构件的建筑物一览。图3：办公大楼的总视图，显示白色蝴蝶结。米技术制造的最新一代混合复合材料，目的是提高复合材料的最终性能。计算中考虑了风的动压力、可能的超负荷和雨水排放。图1显示了此过程的屏幕截图。使用复合材料制造零件具有以下优点：●小于同等钢制零件重量的一半；●无需重型和笨重的辅助支撑结构●由于顶棚是一个没有支柱的自支撑结构，因此完全消除了装载区内与卡车碰撞相关的风险；●由于该元件由调试地点附近的公司制造，因此运输和搬运成本较低。这一具有挑战性的设计之所以成为可能，是因为复合材料的高强度重量比，通过灌注过程使用Kerdyn™Green回收PET芯夹层结构使其最大化(见图2)。此外，该堆芯有助于提高机械性能，减少全球项目的碳足迹，为当前的循环经济和可持续发展政策做出贡献。本项目中需要强调的其他建筑元素位于办公大楼中，该办公大楼是与Onsidearchitectureoffice（巴伦西亚）合作开发的。立面由一层呈波浪状排列的板条保护，模拟海面的波浪。在它上面，白色的船首，一个突出的几何体，以一种几乎不可能的方式突出在它的顶点，唤起一艘船的船体（见图3和图4），漂浮在建筑物上方。880延米的复合板条提供的隔热有助于建筑节能和舒适。建筑师设计了板条布局，以优化建筑对太阳辐射的能量响应。在像巴伦西亚这样阳光直射数小时的温暖气候中，隔热非常重要。与铝等传统材料相比，复合材料的热效率可以节省大量能源。约3000米的石墨烯纳米杂化复合钢筋也被用于加固项目不同外部区域的混凝土。这些钢筋既提高了混凝土的强度，也提高了混凝土的抗湿性和耐大气性。促进更可持续的解决方案GazechimCompositesIbérica在该项目的几个关键方面带来了积极的影响:与建筑领域使用的传统材料相比，更积极的LCA(生命周期分析)和LCCA(生命周期成本分析)竞争力。从LCA的角度来看，与砖、铝和钢等传统材料相比，玻璃纤维复合材料每平方米的隐含能量更低(这是建筑的关键点)。该项目大量使用了来自Gurit的KerdynGreen®的高达100%回收PET泡沫芯。从LCCA的观点来看，积极的贡献是通过减少整体材料数量和降低运输重量来节约能源。通过石墨烯改性的Compograph®聚合物基体和设计的夹层结构，这些机械性能和长期耐用性都得到了提高，与传统材料相比，维护成本降低。结论该项目的主要总体目标是创建一个真实、全面的应用程序，向设计师、工程师和全球建筑市场发出明确的信息。引入这一水平的先进、新一代纳米复合材料，重新设定了竞争格局，并创造了与传统材料结构相比的新的性能差距。这清楚地表明了复合材料的竞争优势，同时也表明了在同一项目中将其与传统材料集成时存在的巨大协同效应和市场潜力。作为复合材料分销领域有影响力的领导者，GazechimCompositesIbérica致力于在采用先进材料方面迈出更进一步，并交流仍有待探索和转化的优势、可能性和未来机遇。www.gazechim.es26解决方案InnovationSolutionsJECComposites中国2022.6玻纤增强复材重新定义风能的可能性GlassReinforcedCompositesContinuetoRedefinethePossibilityofWindEnergy去年10月，一艘载有史上最长复材结构的船抵达Rotterdam。这个LM公司生产的107米长的风力发电涡轮机叶片比大西洋两岸任何一个足球场都要长——预示着下一代风力涡轮机的诞生。这些功率超过10MW的大型机器将不断降低风能行业的能源成本（LCOE），并推动其向低碳经济迈进。Dr.TomWassenberg,ProductLeader;Dr.ChrisSkinner,VicePresident,StrategicMarketingComposites,OwensCorning从一项新兴技术发展成为一项目前被大多数地区认可的最低能源成本技术，这一转变令人叹为观止。如我们所见，叶片长度从17米增长到60米以上，塔高从20米升高到130米以上。似乎没有什么能够阻挡它们前进的步伐，而这一难以置信的演变得益于其背后复合技术的变革。具有关键责任的新兴产业1973年的能源危机被许多人视为现代风电产业发展的导火索。随之而来的“油价冲击”引发了公众对西方经济体依赖石油进口的争论。除了节能措施外，政治家们还把注意力转向寻找替代能源，导致了一些倡议，如美国联邦风能计划（1973年）成立了瑞典国家能源发展委员会（1975年）；丹麦的实验涡轮机；以及由德国联邦政府在类似于风轮叶片的循环荷载作用下，弯曲梁的单位强度单位材料成本的比较。新方法将层压板的拉伸刚度提高了25%。BundesministeriumfürForschungundTechnologie领导的一系列政府资助项目最终实现了Growian（GrossWindkraftAnlage）的建造，这是一种双叶风力涡轮机，但以失败告终。在许多情况下，这些由政府资助的项目几乎都没能促进风力发电行业的发展。然而，在石油危机之后，只有丹麦证明了风力涡轮机的持续成功运行。在丹麦使用的涡轮机的基本技术概念是在20世纪初由丹麦PoulLaCour公司、德国AlbertBetz公司和美国PalmerCosslettPutnam公司发展起来的，由于设计的优越性，其有相对广泛的应用。特点包括：●光滑，快速运行的螺旋桨设计，产生低推力高扭矩和能够承受高风速的设计；●转子速度和功率输出可以通过叶片变桨来控制，这也提供了对高风速的有效保护。●采用纤维增强复合材生产出符合空气动力学的优化叶片形状，并使其达到最高效率，同时具有轻量化、耐疲劳和耐候性。丹麦的一些制造公司，如Vestas公司，抓住机会建造三叶转子和电网连接，并开始向私人业主或农民出售风力涡轮机的概念。这些通常都是小型涡轮机（60千瓦），转子15-16米。1986年，这些装置占丹麦电力需求的1%。但是从此，基于明确的许可和可用的测试站，它们开始呈指数级增长。这些风力涡轮机的转子叶片技术是在能源危机后的40年中发展起来的，现在更多地与轻型航空工程相关，而不是与传统机械工程相关。与可从现有工程领域“借用”的涡轮机所有其他部件不同，转子叶片必须重新开发，以匹配给定涡27解决方案InnovationSolutionsJECComposites中国2022.6轮机的载荷谱。然而与航空工程相比，风能运行的成本结构阻碍了传统的航空制造方法。就转子叶片而言，技术转让最初来自玻璃纤维复合材料占主导地位的现代造船和工业工程。早期丹麦风力涡轮机的转子叶片几乎都是由前造船工人制造的。转子叶片设计的起点一直是哪种材料最合适的问题。可进行首次评估的最重要属性包括：●比强度[强度/密度]●弹性模量●比模量[弹性模量/密度]●107至108次载荷循环后的疲劳强度●对航空航天工程中常见材料的分析表明，以下材料“原则上适用于”转子叶片结构通过对材料性能的比较，突出了玻璃纤维/树脂复合材料表现出的优异的性能平衡，使其成为在工程配置中提供成本效益高的强度的理想选择，就像在风轮叶片中发现的那样。这就解释了它们被作为旋翼叶片的首选材料的原因。玻璃增强材料推动了风能增长的竞赛从风能产业开始，加固结构就取自造船业。从20世纪70年代中期开始，复合工艺结构中常用的增强材料通常是机织粗纱或机织粗纱与短切纤维的组合。为了使叶片更长和更有效的空气动力学，材料需要改进。这种发展发生在两个方面。首先是从编织结构转移到无卷曲结构，这大大增加了平行铺设的增强纤维的百分比。再加上真空注入工艺的发展，使得重量级NCF能够被注入，从而获得高纤维体积分数。这种方法允许通过将纤维体积分数从35%增加到40%来增加材料刚度，纤维体积分数（FVF）是手糊的典型值，达到50-55%FVF。单向NCF织物对层压板拉伸刚度的影响从约25-30GPa增加到37GPa以上，即增加25%左右。其次是现代针织机的发展与数控允许建设真正的平行纬纱。NCF加固、VARTM工艺和高效生产技术的结合，使风叶生产商能够从提高成本和缩短生产时间中获益。降低成本和提高刚度有助于开发更长、更高效的叶片。使庞然大物的发展成为可能2010年随着LMWindPower的GloBlade®概念相关的叶片的引入，游戏发生了变化。该行业迅速从传统的织物系统过渡，转向优化的织物系统，以生产通常超过40米的叶片。从玻璃科学的角度来看，随着Corning®UltraBlade®面料解决方案产品线的推出，高模量材料在2010年全面进入市场。GloBlade结合先进的空气动力学与内部开发的专有翼型和经过验证的材料技术。Nielsen说：“材料技术是设计和制造这种相对较轻的玻璃纤维叶片的决定性参数。我们不得不将玻璃/聚酯叶片技术推向一个新的水平，以创造出一个73.5米长的、不使用碳的海上应用叶片。(《风能月刊》，2012)。从2010年起，该行业继续推动非卷曲织物、树脂和核心材料的创新，使更长结构的发展成为可能。该行业见证了在许多叶片的翼梁中大量采用高模量解决方案，并且这些玻璃解决方案的产量迅速增加，以支持这项技术的全球采用。这使得复合材料结构的层压板模量从~38GPa快速提高到~50GPa以上，从而实现结构的缩放和轻量化。复合材料行业在织物技术方面的持续创新，例如UltraBlade®G1、G2、G3和HE——使设计师能够获得更高的性能，同时降低叶片的重量，这对风能的LCOE产生了重大影响。下一个概念的挑战：更高模量或其他？这些叶片的扩展对复合材料技术的性能提出了更高的要求。我们已经在新的巨型叶片中看到了碳主梁的增长。这促使玻璃行业开发更高模量的解决方案（如UltraBlade）®X织物），并推进更高模量的玻璃，以确保玻璃的特定模量/成本保持竞争力，复合层压板的绝对模量继续提高。与这些叶片相关的制造挑战继续增长。用20吨以上的玻璃填充模具、装袋、注入和脱模的循环时间，使模具具有适当的ROC，这正成为关键，并对复合材料行业提出了挑战，围绕开发解决方案以支持叶片生产商的基本生产力（参见UltraBlade®HE织物）。我们还观察到行业在重新供电问题上面临的新挑战。风能的早期采用者正看到早期发电系统的寿命即将结束。问题是“延长使用寿命”还是“重新供电”，即拆除涡轮机并更换为更高效/更大的系统，以降低该位置的风能成本。这为进一步降低风电成本提供了极好的机会，但也给风电行业留下了围绕叶片回收的主要问题。许多倡议正在进行中（见WindEurope）。全面解决方案的开发和实施将是该行业未来发展的关键，并将为支持风能的进一步发展提供更多理由。有梦想就能成功在过去的十年里，我们见证了这个行业的巨大变化，坦率地说，我们只能预测在很短的时间内还会有更多的变化。随着超快速增长成为新的常态预期，我们正处于一场大规模技术变革的开端；传统的材料和工艺已经不够了，需要高模量、定制设计和下一代材料来满足市场的需求。今天的可能性比以往任何时候都要大，我们对自己将它变为现实的能力无比乐观；每一天，我们都承诺让世界成为一个更美好的生活、工作和娱乐场所，我们将一起改变它的发电方式。www.owenscorning.com多轴针织机生产NCFs2000-2020年不同增强结构的指示性层压板模量28解决方案InnovationSolutionsJECComposites中国2022.6定制化CFRP机械零件lntroductionofCustom-machinedCFRPMechanicalPartsDesign由热固性树脂制成的碳纤维增强塑料（CFRP）是广泛使用的材料，但专门生产加工设备的日本KyowaMFG公司认为，很少有提案能充分利用CFRP的潜力。该公司的产品除了具有碳纤维增强塑料（CFRP）中公认的重量轻和刚度外，还具有多种特性。CFRP机械零件的特性例如，KyowaMFG介绍了应客户要求制造的CFRP机械零件，该客户希望用CFRP替换铝零件。除了重量轻和刚度外，该公司还满足以下要求：1，振动吸收；2，高弹性；3，尺寸稳定性；4，疲劳强度；5，各向异性。通过消除振动造成的误差、长期载荷造成的形状变化和金属疲劳造成的破坏，该公司成功地抑制了长期部件更换的需求。此外，通过消除材料成型过程中产品不必要的强度方向，可以减小零件的尺寸。与普通铁制品相比，这些零件还具有耐水性和耐化学性，并且具有接近铝的散热性能。根据它们的使用方式，它们可以帮助散发机器产生的热量。CFRP砌块的使用为了充分利用这些特性，KyowaMFG使用了厚度为40mm的特定CFRP砌块。使用这种块状体，可以根据要装配的机器预先计算施加载荷的方向，并且可以根据载荷方向制造材料。此外，这使得生产比传统铝产品更小的部件成为可能，并比预期更轻。使用块状体的另一个原因是可以逐步处理原型模型。就模制产品而言，需要一个昂贵的模具，因此制作原型是无利可图的。此外，该公司没有使用砌块，而是考虑将多块板材粘合（粘合）或用螺钉堆叠。然而，第一种想法可能会因振动、负载或热而导致粘合剂脱落，第二种想法会因螺钉而导致更大的重量。因此，这些想法没有被采纳。最后，选择CFRP砌块最重要的原因是切割技术是该公司的主要专业领域。经典问题的解决方案一般来说，碳纤维布切割涉及三个主要问题：1）分层、2）不准确和3）刀具成本高。KyowaMFG通过以下方式解决了这些问题：●除了多年切割汽车零件所获得的技术和经验外，该公司还研究了刀片形状，并在每个加工步骤中使用最佳刀片。因此，可以避免任何分层。●由于块体本身是模制产品，原始精度不好。因此，在初级加工步骤中，首先对块体表面进行刮治，以达到适当的平行度和垂直度。通过这样做，该公司能够满足精度要求，并可以直接进行二次加工。此外，零件的加工精度可以达到1/100mm，从而得到精确的产品，如图纸所示。●CFRP切割刀片使用多种类型的昂贵刀片，如硬质合金和金刚石涂层，但根据加工技术，这些刀片并不总是必要的。另外，根据加工方法和加工位置适当更换刀片，可以减少不必要的磨损，并在加工零件时用尽可能少的刀片。因此，虽然CFRP切割通常被认为是昂贵的，但KyowaMFG能够保持较低的加工成本。总结公司旨在通过刮掉不影响上述性能的不必要零件来减轻产品的重量，并完成形状，从而通过避免与其他零件不必要的接触来改善散热。此外，连接部分为螺纹连接，然后添加SUS（不锈钢）螺旋插入件。KyowaMFG致力于根据每项要求提供定制方案。www.kyowa-tokai.comKatsumioomiya,Factorymanager,KyowaMFG图2：CFRP机械零件29解决方案InnovationSolutionsJECComposites中国2022.630解决方案InnovationSolutionsJECComposites中国2022.6