Области применения стеклокомпозитов
Области применения стеклокомпозитов.
В настоящее время невозможно найти в зарубежной практике класс технических, транспортных, строительных конструкций, в котором не было бы примера использования композитных материалов. Веское подтверждение такому прогрессирующему процессу - ежегодно увеличивающееся потребление стекловолокна в гражданском производстве.
На диаграмме показано распределение мирового потребления стекловолокна в 2008 году. Доля России приходится на фрагмент "остальные регионы", то есть находится в составе стран, входящих в 2%.
Стеклокомпозиты применяются во многих областях народного хозяйства и технических отраслей. Механическая прочность, хороший коэффициент светопропускания и способность окрашиваться в любой цвет требуемой интенсивности позволяет использовать стеклокомпозиты в строительстве в виде плоских и гофрированных листов, рулонных материалов, многослойных панелей и фонарей. Для хранения химических продуктов применяют стеклопластики, стойкие к коррозии, которые оказались намного экономичнее нержавеющей стали.
В электротехнике стеклокомпозиты используют в качестве электроизоляционных и конструкционных материалов, а также для изделий при изготовлении высоковольтных выключателей, траверс, изоляторов, панелей, деталей, электрических машин, и корпусов приборов и т.д. Широкое применение нашли стеклокомпозиты в авиационной промышленности и ракетно-космической технике, где используются их высокая удельная прочность, стойкость к вибрационным нагрузкам, а также к кратковременному действию высоких температур.
Коррозионная стойкость, антимагнитные свойства и технологичность, определили использование стеклокомпозитов в судостроении в производстве лодок и катеров, а также речных и морских судов со значительным водоизмещением, глубоководных аппаратов и тому подобное. В химической, нефтяной и горнодобывающей отраслях нашли применение стеклокомпозитные трубы и емкости из стеклокомпозита для транспортировки и хранения агрессивных жидкостей и шахтного водоотлива, а также вентиляционные системы для отвода паров и газов.
Стеклокомпозит применяется в различных отраслях машиностроения, из которых следует особо отметить автомобильную промышленность, станкостроение, вагоностроение (это крыши и сиденья автобусов и вагонов, кузова и детали автомашин, контейнеры, цистерны и т.д.). Стеклокомпозиты также применяют для производства спортивного инвентаря и товаров народного потребления (кресла, цветочницы, шесты для прыжков, удочки, ограждения балконов, мотошлемы, и многое другое).
Рассмотрим на основании имеющегося зарубежного опыта применение стеклокомпозитов в различных областях гражданского строительства. Одними из наиболее сложных и ответственных являются искусственные сооружения автодорог: мосты, эстакады, тоннели. За рубежом уже построено несколько сотен пешеходных и автомобильных мостов и эстакад, конструкции которых частично или полностью состоят из композитных материалов. Освоено практически всё - опоры, силовые балки, мостовые настилы, перильные ограждения, ливневые системы, кабельные каналы и прочее. Большое распространение получили настилы взамен традиционных при реконструкции и ремонте старых мостов. Такие конструкции доказали свою высокую эффективность ввиду того, что они в несколько раз легче традиционных, а это приводит к сокращению сроков монтажа и упрощению строительства. В тоннельных сооружениях стеклокомпозиты используют в виде защитно-облицовочных плит, панелей, анкерных устройств для укрепления грунта в виде стержней различного сечения, армирующих бетон решёток.
Другой областью применения стеклокомпозитов являются инженерные сооружения, требующие огромных затрат на содержание. Это перильные ограждения, столбы, линии электропередач, решетки и настилы производственных площадок, опоры и подвески воздушных силовых электросетей для электрофицированного железнодорожного и городского транспорта.
В дорожной инфраструктуре стеклокомпозиты нашли применение в ограждающих конструкциях: всевозможных сетках, решётках, панелях и анкерах, используемых для усиления откосов насыпей; трубах для проколов под автотрассами; столбах рекламных и информационных щитов. Композитные материалы используют при строительстве домов. Кроме широко распространенных оконных рам и раздвижных дверей из стеклокомпозита, прочные и "теплые" профили позволяют быстро собирать несущие каркасы для малоэтажных домов и мобильных временных жилищ для геологов, нефтяников, малых посёлков при ликвидации последствий стихийных бедствий и катастроф. Такие постройки имеют малую массу и не требуют специальных грузоподъемных механизмов при монтаже, обладают повышенной сберегающей способностью. Кроме того, в области домостроения используются всевозможные трубы из копозитных материалов для мусоропроводов, кабельных каналов, канализационных систем, водоснабжения и так далее.
Высокая коррозионная стойкость обеспечила применения стеклокомпозитов в конструкциях, работающих в непосредственном контакте с водой: в сваях, дамбах, отстойных системах, очистных сооружениях.
Приведенный перечень отражает внедрение таких конструкций в мировой практике. В России успехи в этой области значительно скромнее. Это отражают и объемы производства, и объёмы потребления стекловолокна.
Общий объем производства стеклокомпозитных изделий, на пример в Северной Америке, находящейся в аналогичных климатических условиях составляет более 3 000 000 т/год. Этот показатель говорит о том, что в ближайшее временя в России, будет востребован не меньший объем стеклокомпозитных изделий.
Совокупный показатель затрат на производства (добыча, энергозатраты, выход продукции, удельный вес) равнопрочной единицы металла и стекловолокна, для металла выше ~ в 1.3 раза, по отношению к стекловолокну. Опыт строительства крупных плавильных печей в Китае (до 60 000 т/год), показал, что себестоимость стекловолокна может быть близкой к металлу, хотя указанный объем в десятки раз меньше объемов производства металла. Тоже касается производства второго компонента стеклокомпозита – полимерных смол. Применение высокотехнологичного оборудования за рубежом привело к тому, что отечественные смолы в 2 – 2.5 раза дороже импортных.
При этом даже в этих условиях, себестоимость 1 кг стеклокомпозитной продукции, когда одновременно производится и материал с заданными свойствами и готовое изделие, составляет ~ 3.5 доллара США, что сравнимо со стоимостью качественных сталей.
Реализацию проектов масштабных производств базальто и стеклокомпозитных изделий можно разделить на две группы:
долгосрочные отраслевые проекты, связанные с заменой традиционных материалов – сталь, бетон, дерево.
- в капитальном строительстве: арматура только по Московскому региону более 700 000 т/год
- УЖКХ: элементы уличного оформления (освещение, ограждения, люки канализации и т.д.)
- Водоканал: безнапорные и тепловые трубы (более 600000 км)
|
1. Европа (32%) 2. Азия (30%) 3. Южная Америка (3%) 4. Северная Америка (33%) 5. Остальные регионы (2%) |
| Сравнительные характеристики стеклокомпозита, стали, алюминиевых сплавов | |||
| Показатели | Сталь | Алюминиевые сплавы | Стеклокомпозит |
| Плотность (кг/м3) | 7800 | 2640-2800 | 1800-1900 |
| Модуль упругости, ГПА | 210 | 70-71 | 35 |
| Удельный модуль упругости, км | 2692 | 2500-2689 | 2895-3056 |
| Предел прочности (для металлов предел текучести) при растяжении, МПа | 240 | 50-440 | 1700 |
| Удельный предел прочности (для металлов предел текучести), км | 3,1 | 1,8-16,7 | 89-94 |
| Отношение усталостной прочности к статической (число циклов 10^7) | 0,26 | 0,27 | 0,29 |
| Теплопроводность при 20 градусах цельсия, Вт/м грЦ | 64 | 105-200 | 0,75 |
| Удельное объёмное электрическое сопротивление, Ом x м | Проводник | Проводник | 1,0x10^10 |
| Коэффициент линейного расширения, x10^6 град^-1 | 11,9-14,2 | 19,6-26,9 | 0,45-8,3 |
| Гигроскопичность, % | - | - | 0,5 |
| Стойкость к воздействию химически агрессивных сред, солевых растворов | Не стоек. Требуются мероприятия по защите от коррозии | Подвержен электрохимической коррозии. Требуются специальные меры по защите. | Стоек |
| Эксплуатационные затраты | Требуются регламентные работы не реже 1-2 раза в год | Требуются регламентные работы не реже 1 раза в год | Восстановление цветовой окраски по мере снижения её интенсивности |
| Возможность реализации архитектурно-дизайнерских решений | Требуется дорогостоящая реконструкция оборудования | Требуется дорогостоящая реконструкция оборудования | Требуется изготовление недорогой технологической оснастки |
