复合材料轻量化解决方案如何推动新加坡智慧城市发展

新加坡经常被誉为全球首屈一指的智慧城市。随着全球城市变得越来越智能，基础设施将如何支持智慧城市发展？领先的复合材料技术公司Exel Composites的营销主管Robert Glass解释了复合材料如何帮助推动智慧城市的发展。公共交通系统是智慧城市的一个关键要素。为了优化通勤，智慧城市需要传感器来积累和管控大量的交通数据。显然，响应数据基础设施将与当今的电力和水务基础设施同样重要。为了支持此基础设施，复合材料将在提供不间断的数据流中发挥关键作用。

复合材料为保护数据基础设施提供了极大的可能性。与屏蔽这些信号的金属不同，玻璃钢之类的复合材料是透波的。这使复合材料成为理想的材料，可以在整个智慧城市中连续不断地传输数据。

复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料。一般定义的复合材料需满足以下条件：

（i） 复合材料必须是人造的，是人们根据需要设计制造的材料;

（ii） 复合材料必须由两种或两种以上化学、物理性质不同的材料组分，以所设计的形式、比例、分布组合而成，各组分之间有明显的界面存在;

（iii）它具有结构可设计性，可进行复合结构设计;

（iv） 复合材料不仅保持各组分材料性能的优点，而且通过各组分性能的互补和关联可以获得单一组成材料所不能达到的综合性能。

复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属。

复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。石墨纤维与树脂复合可得到热膨胀系数几乎等于零的材料。纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500℃时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合， 使用温度可达1500℃，比超合金涡轮叶片的使用温度（1100℃）高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。

5G成为智慧城市发展中的另一个关键推动力。玻璃钢天线可以隐藏在灯杆和交通信号灯等现有基础设施中，使城市可以轻松地集成该技术。复合材料的轻质、耐腐蚀和透波的特性，有助于在当今和未来的智慧城市中推动数据传输。

基础设施对短波频率形成了进一步的障碍，可能会导致5G击墙。由于其超低延迟，5G的可用性可能会大幅降低，因为其高频可能难以穿透建筑物。由于80％的设备在建筑物内部使用，因此这种损失或可用性下降会严重影响该技术的采用。

但是，将玻璃钢构件结合到建筑物中（例如在门窗框架中）将有助于减少信号进入我们的房屋减弱的情况。此外，由于玻璃钢能够承受强烈的紫外线、极端温度和湿度的变化，复合材料部件还为智能城市建筑提供了耐用的材料，从而降低了整体生命周期成本。

为了优化公共交通，复合材料可以提供一种轻量化解决方案。复合材料用于整个车辆，这有助于节省燃料，减少污染并降低车辆生命周期的维护成本。

智慧城市不再是未来。复合材料在智慧城市的成功中扮演着重要的角色，它们的一系列优势打造了持久的解决方案。

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