復(fù)合材料輕量化解決方案如何推動(dòng)新加坡智慧城市發(fā)展

新加坡經(jīng)常被譽(yù)為全球首屈一指的智慧城市。隨著全球城市變得越來越智能，基礎(chǔ)設(shè)施將如何支持智慧城市發(fā)展？領(lǐng)先的復(fù)合材料技術(shù)公司Exel Composites的營(yíng)銷主管Robert Glass解釋了復(fù)合材料如何幫助推動(dòng)智慧城市的發(fā)展。公共交通系統(tǒng)是智慧城市的一個(gè)關(guān)鍵要素。為了優(yōu)化通勤，智慧城市需要傳感器來積累和管控大量的交通數(shù)據(jù)。顯然，響應(yīng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施將與當(dāng)今的電力和水務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施同樣重要。為了支持此基礎(chǔ)設(shè)施，復(fù)合材料將在提供不間斷的數(shù)據(jù)流中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

復(fù)合材料為保護(hù)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施提供了極大的可能性。與屏蔽這些信號(hào)的金屬不同，玻璃鋼之類的復(fù)合材料是透波的。這使復(fù)合材料成為理想的材料，可以在整個(gè)智慧城市中連續(xù)不斷地傳輸數(shù)據(jù)。

復(fù)合材料是人們運(yùn)用先進(jìn)的材料制備技術(shù)將不同性質(zhì)的材料組分優(yōu)化組合而成的新材料。一般定義的復(fù)合材料需滿足以下條件：

（i） 復(fù)合材料必須是人造的，是人們根據(jù)需要設(shè)計(jì)制造的材料;

（ii） 復(fù)合材料必須由兩種或兩種以上化學(xué)、物理性質(zhì)不同的材料組分，以所設(shè)計(jì)的形式、比例、分布組合而成，各組分之間有明顯的界面存在;

（iii）它具有結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性，可進(jìn)行復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);

（iv） 復(fù)合材料不僅保持各組分材料性能的優(yōu)點(diǎn)，而且通過各組分性能的互補(bǔ)和關(guān)聯(lián)可以獲得單一組成材料所不能達(dá)到的綜合性能。

復(fù)合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬。

復(fù)合材料中以纖維增強(qiáng)材料應(yīng)用最廣、用量最大。其特點(diǎn)是比重小、比強(qiáng)度和比模量大。例如碳纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合的材料，其比強(qiáng)度和比模量均比鋼和鋁合金大數(shù)倍，還具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、減摩耐磨、自潤(rùn)滑、耐熱、耐疲勞、耐蠕變、消聲、電絕緣等性能。石墨纖維與樹脂復(fù)合可得到熱膨脹系數(shù)幾乎等于零的材料。纖維增強(qiáng)材料的另一個(gè)特點(diǎn)是各向異性，因此可按制件不同部位的強(qiáng)度要求設(shè)計(jì)纖維的排列。以碳纖維和碳化硅纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，在500℃時(shí)仍能保持足夠的強(qiáng)度和模量。碳化硅纖維與鈦復(fù)合，不但鈦的耐熱性提高，且耐磨損，可用作發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片。碳化硅纖維與陶瓷復(fù)合， 使用溫度可達(dá)1500℃，比超合金渦輪葉片的使用溫度（1100℃）高得多。碳纖維增強(qiáng)碳、石墨纖維增強(qiáng)碳或石墨纖維增強(qiáng)石墨，構(gòu)成耐燒蝕材料，已用于航天器、火箭導(dǎo)彈和原子能反應(yīng)堆中。非金屬基復(fù)合材料由于密度小，用于汽車和飛機(jī)可減輕重量、提高速度、節(jié)約能源。用碳纖維和玻璃纖維混合制成的復(fù)合材料片彈簧，其剛度和承載能力與重量大5倍多的鋼片彈簧相當(dāng)。

5G成為智慧城市發(fā)展中的另一個(gè)關(guān)鍵推動(dòng)力。玻璃鋼天線可以隱藏在燈桿和交通信號(hào)燈等現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施中，使城市可以輕松地集成該技術(shù)。復(fù)合材料的輕質(zhì)、耐腐蝕和透波的特性，有助于在當(dāng)今和未來的智慧城市中推動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸。

基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)短波頻率形成了進(jìn)一步的障礙，可能會(huì)導(dǎo)致5G擊墻。由于其超低延遲，5G的可用性可能會(huì)大幅降低，因?yàn)槠涓哳l可能難以穿透建筑物。由于80％的設(shè)備在建筑物內(nèi)部使用，因此這種損失或可用性下降會(huì)嚴(yán)重影響該技術(shù)的采用。

但是，將玻璃鋼構(gòu)件結(jié)合到建筑物中（例如在門窗框架中）將有助于減少信號(hào)進(jìn)入我們的房屋減弱的情況。此外，由于玻璃鋼能夠承受強(qiáng)烈的紫外線、極端溫度和濕度的變化，復(fù)合材料部件還為智能城市建筑提供了耐用的材料，從而降低了整體生命周期成本。

為了優(yōu)化公共交通，復(fù)合材料可以提供一種輕量化解決方案。復(fù)合材料用于整個(gè)車輛，這有助于節(jié)省燃料，減少污染并降低車輛生命周期的維護(hù)成本。

智慧城市不再是未來。復(fù)合材料在智慧城市的成功中扮演著重要的角色，它們的一系列優(yōu)勢(shì)打造了持久的解決方案。

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