РАСШИРЕНИЕ РОЛИ ПУЛТРУЗИОННЫХ КОМПОЗИТОВ В 5G ГОРОДАХ Рынок строительных заказов уже сейчас обладает огромной возможностью для роста для индустрии композитных материалов. Однако в то время, как многие факторы, способствующие более широкому использованию композитных материалов в урабнизированной среде, такие как высокая прочность, легкий вес и свобода выбора проектных решений, уже прочно устоялись, новым фактором, который еще больше будет способствовать их внедрению, является пропускание радиочастотных (РЧ) сигналов. Для реализации потенциала мобильных сетей следующего поколения 5G в умных городах будущего с большим потоком передачи данных потребуется плотная сеть с малыми ячейками 5G, что приведет к увеличению спроса на материалы с повышенным радиочастотным пропусканием. Этот факт открывает новые возможности для пултрузионных композитов, применяемых в обтекателях антенн 5G и базовых станциях, а также новых концепций, таких как умные фонарные столбы. Архитекторам и градостроителям также потребуются новые материалы, которые обеспечивают более низкие потери 5G сигнала по сравнению с традиционными строительными материалами, с целью обеспечить надежные услуги 5G связи внутри здания. Будущее разумно Стремительная урбанизация - это глобальная преобладающая тенденция, формирующая будущее нашего мира. Более половины мирового населения уже проживает в городских районах, и ожидается, что к 2025 году этот показатель возрастет до 70%, причем большая часть этого роста приходится на Африку и Азию. Данная возрастающая урбанизация приведет к созданию новых мегаполисов с населением в 10 и более миллионов человек. Прогнозируется, что к 2030 году таких мегаполисов будет не менее 40, причем семь из десяти крупнейших городов будут находиться в Азии. Данные городские районы станут движущей силой глобальной экономики, являясь источником экономической мощи, превосходящей таковую во многих стран. Являясь мощными экономической основой и центром инноваций и повышения производительности труда, города будут и впредь привлекать миллионы людей, ищущих больших возможностей, повышения благосостояния и улучшения качества жизни. Управление этим ростом на устойчивой основе создаст значительные трудности и потребует огромных инвестиций в инфраструктуру и услуги. Одним из направлений будущих инвестиций являются телекоммуникации. Будущие города будут «умнее» путём внедрения цифровых и управляемых данными технологических решений, с целью помочь им функционировать более эффективно и предоставлять новые услуги для жителей и бизнеса. Это будет возможно только при наличии эффективной и надежной телекоммуникационной сети. По данным Международного союза электросвязи (МСЭ) и Агентства Организации Объединенных Наций по информационно-коммуникационным технологиям, число подключенных к Интернете устройств, по прогнозам, достигнет 50 миллиардов начиная с 2025 года. Для удовлетворения этих постоянно растущих потребностей в передаче данных необходимо будет создать новую цифровую инфраструктуру и быстрые сети связи с высокой пропускной способностью. 5G технология является предлагаемым решением данной проблемы. Работая на более высоких частотах, чем нынешние мобильные сети, ожидается, что сеть 5G обеспечит более высокую скорость передачи данных до 10-20 гигабайт в секунду (Гбайт/с) и большую пропускную способность, допуская по меньшей мере 1 миллион подключенных устройств на квадратный километр. Важно отметить, что сеть 5G также сможет значительно сократить время реакции или задержку в 1 или менее миллисекунду. Ожидается, что эта принципиальное новое сочетание приведет к появлению целого новейшего поколения приложений и успехам в развитии промышленности. В дополнение к расширенной широкополосной мобильной связи, сеть 5G будет иметь ключевое значение для использования огромного потенциала интернета вещей (IoT), позволяя подключать миллионы или потенциально миллиарды устройств и датчиков для массовых межмашинных коммуникаций с целью поддержки новых технологий, включая искусственный интеллект, робототехнику, автоматизированные заводы и виртуальную реальность. Данная технология также позволит обеспечить сверхнадёжную связь с малой задержкой (URLLC) для критически важных приложений, требующих управления устройствами в режиме реального времени, таких как удаленная медицинская помощь, связь между транспортными средствами и инфраструктурой и автономные транспортные средства. Испытания сети 5G уже начались по всему миру. По данным ведущего поставщика ИКТ Ericsson, к 2024 году объемы мобильного трафика данных могут увеличиться в пять раз, и 25% этого трафика будет осуществляться сетями 5G. Радиочастотное материалов пропускание будет обуславливать выбор Ожидается, что услуги сети 5G будут широко доступны к 2025 году, но их широкое внедрение в городах сопряжено с трудностями. Несмотря на то, что для эксплуатации сети 5G были определены несколько диапазонов радиочастотного (РЧ) спектра, стимулом для работы 5G на высшем уровне будет являться высокочастотный спектр mmWave (также известный как миллиметровая волна или миллиметровый диапазон). Технически термин mmWave охватывает частоты в диапазоне 30-300 гигагерц (ГГц), но в отношении сети 5G он чаще используется для обозначения диапазонов выше 24 ГГц. МСЭ предложил ряд глобально возможных частот для сети 5G в диапазоне от 24 до 86 ГГц. Хотя эти высокочастотные волны способны переносить гораздо больше данных, чем современные мобильные сети, работающие в поддиапазоне в 6 ГГц, они имеют более короткие длины волн (в диапазоне 1-10 миллиметров) и перемещаются на гораздо более короткие расстояния. Даже при отсутствии препятствий на своем пути они могут распространяться только на один километр, прежде чем полностью исчезнуть. В городах и других средах, где сетевой трафик высок, технологии 5G придется полагаться на "малые ячейки". Эти маломощные микро-базовые станции (вышки сотовой связи) передают и принимают сигналы локально, как правило, в диапазоне от 10 метров до нескольких сотен метров. Малые ячейки уже широко используются в помещении и на открытом воздухе для устранения горячих участков, где требуется дополнительная пропускная способность, но технология миллиметровых волн потребует гораздо большего количества антенн и гораздо более плотной сети базовых станций, возможно, размещенных через каждые 250 метров или примерно этого, чтобы обеспечить тот же охват, что и нынешние сети 4G в определенной местности. Форум Small Cell Forum прогнозирует, что общая установленная база сети 5G, или многомодовые малые ячейки, достигнут 13,1 миллиона к 2025 году, что составляет более трети от общего числа используемых малых ячеек. Городские власти обычно требуют, чтобы неприглядные телекоммуникационные антенны и базовые станции были скрыты от глаз общественности, и поэтому интеграция тысяч небольших ячеек сети 5G в уже сложную городскую инфраструктуру будет непростой задачей. Поскольку антенны 5G и базовые станции физически намного меньше по размеру, чем те, что предназначены для 4G, для обеспечения быстрого развертывания услуг 5G и снижения затрат ожидается, что они изначально будут "спрятаны на видном месте" в существующей городской инфраструктуре и уличном оборудовании. Это создаст спрос на антенные защитные кожухи и обтекатели, корпуса базовых станций и маскировочные решения на основе 5G-пропускающих материалов, таких как композиты. Вторая трудность для сети 5G связана со сложной проблемой потери сигнала внутри зданий. Все радиочастотные сигналы теряют силу при прохождении через промежуточные материалы (в той степени, которая определяется материалом и его толщиной), но сигналы с более короткими длинами волн ослабляются быстрее, чем сигналы с более длинными длинами волн. 5 G cигналы с частотой миллиметрового диапазона выше 24 ГГц имеют плохое способность прохождение сквозь препятствия внутри здания. Традиционные строительные материалы, такие как цемент и кирпич, ослабляют и отражают эти высокочастотные сигналы, в меньшей степени так же происходит в случае дерева и стекла, а потери радиочастотных сигналов через металл очень высоки. Все более широкое использование энергосберегающих строительных материалов, таких как спектральноселективное покрытие и металлизированная изоляция, в рамках текущих "безуглеродных" стратегий уже усугубляет эту проблему. Многие дома и офисы испытывают трудности при приеме сигналов 3G и 4G внутри здания на настоящий момент, и это станет еще более серьезной проблемой с переходом на 5G. Поэтому новые материалы, предлагающие усиленное прохождение сигнала 5G внутри здании по сравнению с традиционным строительным материалам, станут более приемлемыми. Композитные материалы обладают многими свойствами, которые делают их перспективными строительными материалами для городов будущего, в числе которых находятся высокая прочностью и жесткостью, небольшой вес, коррозионная стойкость, низкие требованиями к техническому обслуживанию, термостойкостью и свобода выбора проектных решений. Необходимость обеспечения надежного покрытия сети 5G внутри зданий и снаружи приводит к дополнительной мотивации для интеграции в городское проектирование пултрузионных композитов пропускаемых радиочастоты (РЧ). Что такое пултрузия? Пултрузия-это непрерывный процесс получения линейных профилей из фиброармированного пластика (ФАП) (композитного) с постоянным поперечным сечением. В пултрузионной установке армирующие волокна пропитываются смолой и вытягиваются через нагретую фильеру, где происходит отверждение. Готовые профили обрезаются по длине в конце установки, а затем при необходимости могут храниться и использоваться в качестве строительных элементов. Процесс пултрузии может быть легко автоматизирован, что обеспечивает низкую трудоемкость, и поэтому является быстрым и эффективным способом производства высокоэффективных композитных деталей. Пултрузия предлагает конструктору-проектировщику большую свободу в выборе геометрической конфигурации, свойств и конструкции готового профиля. Могут быть изготовлены как сплошные, так и полые профили в простых и сложных формах поперечного сечения, включая трубы, стержни, двутавровые балки, Т-образные, U-образные и Z-образные профили. Возможно огромное разнообразие форм профилей. Поскольку пултрузия обеспечивает чрезвычайно высокую загрузку волокон и точно контролируемое содержание смолы, пултрузионные детали обладают превосходными структурными свойствами и производятся с неизменно высоким качеством. Можно использовать целый ряд армирующих волокон и форматов, включая стекло и углеродное волокно, а также различные термоотверждаемые матричные смолы, например, полиэфирные, эпоксидные и винилоэфирные, а также термопластичные пластмассы. Армирование, смола и добавки могут быть смешаны бесчисленными количеством способов с целью гарантировать, что готовый профиль обладает оптимальным сочетанием свойств, необходимых для конкретного применения. Практически любое поперечное сечение профиля может быть изготовлено в пределах следующих параметров: • максимальная длина: 12 транспортировке); м (определяется ограничениями в • максимальная ширина: 1350 мм / 900 мм (в зависимости от класса воспламеняемости); • толщина стенок: от 1,5 мм до максимально 60 мм , обычно 3-3,5 мм; • возможны надрезы и различные толщины стенок; • требуются радиусы от 0,5 мм до 2 мм. Пултрузионные профили пигментируются по всей толщине детали и могут быть выполнены практически в любом цвете. Могут быть использованы поверхностные покрытия для создания особых внешних эффектов, таких как отделка под дерево, мрамор и гранит. Профили также могут быть окрашены, вырезаны и просверлены с помощью обычных закаленных инструментов и соединены с помощью болтов, винтов, заклепок или клеев. Прочное устойчивое к ультрафиолетовому излучению покрытие обычно наносится на профили, предназначенные для наружного использования. Был разработан ряд стандартов, охватывающих проектирование, изготовление и монтаж пултрузионных профилей. Они включают в себя Предварительный стандарт по коэффициентам нагрузок и сопротивления пултрузионных фиброармированных полимерных конструкций (Pre-Standard for Load & Resistance Factor Design (LRFD) of Pultruded Fibre Reinforced Polymer (FRP) Structures), разработанный Американской ассоциацией производителей композитов (ACMA) и Американским обществом инженеровстроителей (ASCE), а также Европейский Стандарт EN 13 706, который определяет минимальные требования к качеству, допустимым пределам, прочности, жесткости и поверхности конструкционных профилей. Другими стандартам, используемыми в настоящее время, являются Руководство по проектированию Eurocomp Design Guide и стандарт CUR96 (CUR96:2017 Фиброармированный пластик в конструкционных и строительных опорных конструкциях) в Нидерландах. Работа над новыми Европейскими техническими спецификациями для проектирования и проверки композитных конструкций, используемых в зданиях, мостах и строительных объектах, в настоящее время ведется рабочей группой WG4 "Фиброармированные полимеры" при Техническом комитете 250 (CEN/TC250) Европейского комитета по стандартизации (CEN). По истечении срока их службы пултрузионные профили могут быть переработаны. Процесс измельчения приводит к получению побочного продукта, который может быть использован в качестве наполнителя в строительных материалах, таких как бетон и асфальт, или повторно использован в процессе пултрузии в качестве наполнителя в матричной смоле. Важным достижением в Европе является переработка композитных материалов на основе стекловолокна, подвергающихся повторному измельчению путем совместной переработки в цементообжигательных печах. Этот метод становится все более популярным, поскольку он является высокоэффективным с точки зрения затрат, помогает снизить отрицательные воздействия на окружающую среду со стороны производства цемента и соответствует Европейской рамочной директиве по отходам (WFD) 2008/98/EC. Композитное измельчение, используемое для совместной переработки в цементообжигательных печах, является одновременно альтернативным топливом и сырьем (АFR). При объединении с другими сырьевыми материалами в потоке ввода с постоянным составом и теплотой сгорания неорганическая фракция выступает в качестве ценного сырьевого материала, а органическая - в качестве экономичного топлива для процесса кальцинирования. Преимущество композитов Пултрузионные стекловолоконные композиты обладают сочетанием свойств, недоступным для традиционных строительных материалов из стали, алюминия и дерева. Легкий вес: Пултрузионные профили на 80% легче стали и примерно на 30% легче алюминия. Поэтому они легко транспортируются, устанавливаются и просты в обращении, что приводит к снижению затрат. Полные конструкции часто могут быть предварительно собраны и отправлены на место работы, готовые к быстрой установке. Высокая прочность: стекловолоконные композиты обладают превосходными механическими свойствами, обеспечивая более высокую прочность, чем сталь и алюминий на основе соответствия кг на кг. Композиты являются анизотропными материалами, а пултрузионные профили достигают свои самые высокие значения прочности в продольном (осевом) направлении. Варьируя ориентацию и формат армирования, можно оптимизировать необходимую прочность или жесткость в том направлении, в котором эти свойства требуются. Значительной свободы при проектировании можно достигнуть с помощью возможности добавлять дополнительную прочность в площадях сечения, находящихся под сильным напряжением. Консолидация деталей: с помощью композитных материалов проектировщик способен интегрировать различные отдельные детали и функции в один профиль и может создавать сложные формы, которые невозможны при использовании других материалов. Эта способность сокращает число изготовленных частей, и по мере того, как частей, которые нужно соединить вместе, становится меньше, процесс монтажа упрощается. Отдельные композитные детали могут заменить сложные сборные системы из большого количества частей, которые производятся из традиционных материалов, таких как дерево, сталь или алюминий. Коррозионная стойкость: композит из стекловолокна является прочным, инертным, водонепроницаемым и невосприимчивым к широкому спектру химических элементов. Пултрузионные изделия не гниют, не ржавеют и не требуют даже минимального технического обслуживания по сравнению с традиционными строительными материалами. Композиты являются предпочтительным материалом в условиях воздействия внешней среды, особенно в прибрежных районах, подверженных перенесимым ветром и водой солевым агентам. Долговечность: композитные конструкции имеют длительный срок службы. Многие хорошо спроектированные композитные конструкции все еще находятся в использовании после 50 лет эксплуатации. В сочетании с их низкими требованиями к техническому обслуживанию эта долговечность является ключевым преимуществом. Противопожарная безопасность: составы композитов были разработаны в соответствии со строгими правилами пожарной безопасности. Достижения в области разработки смол и аддитивных технологий продолжают повышать пожарные и дымовые характеристики, а также характеристики токсичности композитных конструкций. Теплоизоляция: стекловолоконный композиционный материал обладает низкой теплопроводностью. В этом заключается значительное преимущество для сфер применений, где потери энергии должны быть сведены к минимуму, например, оконные и дверные системы, каналы темплотрасс. Стабильность размеров: композит из стекловолокна имеет низкий коэффициент теплового расширения, а пултрузионные профили не расширяются, не сжимаются и не деформируются. Высокие и низкие температурные характеристики: профили из стекловолокна сохраняют отличные механические свойства при повышенных и очень низких температурах (до -50°C). Электроизолятор: профили из стекловолокна не проводят ток и идеально подходят для компонентов в токопроводящих устройствах. Это ценное преимущество для повышения безопасности, например, в столбах для линий связи и электропередач, где металлические конструкции должны быть заземлены. Отличные диэлектрические свойства: композитные профили из стекловолокна почти "невидимы" для радиочастотных волн и уже много лет используются в таких телекоммуникационных технологиях, как базовые станции и антенные обтекатели, где они обеспечивают минимальное ослабление сигнала. Можно смешивать различные волокна и смолы для обеспечения целого ряда диэлектрических свойств, подходящих для разнообразных конечных применений. Усовершенствование материалов, попрежнему, нацелено на более низкие диэлектрические постоянные и тангенсы угла диэлектрических потерь, дабы обеспечить лучшую производительность при работе с более высокочастотными сигналами. Механизмы реализации композитного материала для 5G городов Пултрузионные композиты уже используются в производстве энергосберегающих окон и дверей, фасадов и облицовки, мостов и мостовых укреплений, уличного оборудования и освещения, а также в железнодорожных технологиях и применяются метрополитенах, например, в виде платформ и подъездных сооружений. Композиты также позволяют использовать концепции блочно-модульного строительства для создания доступного жилья. Потребность в конструкционных материалах, которые обеспечивают низкие диэлектрические потери при частотах миллиметрового диапазона, откроет дополнительные возможности для пултрузионных композитов во многих сферах. Общегородское размещение тысяч малых ячеек сети 5G с использованием существующей инфраструктуры и уличного оборудования, таких как фонарные столбы, светофоры, автобусные остановки, рекламные щиты, стены и верхушки зданий и даже ниже канализационных люков, создаст спрос на пропускающие 5G антенные кожухи и обтекатели, корпуса базовых станций, а также решения для отделки и маскирование городских улиц, таких общественных объектов, как стадионы, парки, аэропорты, железнодорожные вокзалы и отели. Тысячи малых ячеек также потребуются вдоль оживленных железнодорожных и автомобильных сетей для обеспечения будущего покрытия сетью 5G. Пултрузия идеально подходит для крупномасштабного и экономичного производства строительных элементов, начиная от простых плоских панелей, столбов, труб и цилиндрических антенных обтекателей и кожухов, и заканчивая более сложными выполненными на заказ конструкциями. В дополнение к минимизации затухания 5G сигнала и преодолению помех, высокопрочные, долговечные композитные конструкции являются простыми в установке, легкими технологическими решениями с низкими требованиями к техническому обслуживанию, также доказано, что они выдерживают высокий износ городской средой и суровые погодные условия. Компоненты могут быть выполнены в красках определенного цветового оттенка и финишной отделке, чтобы гармонировать с окружающей средой. Одной из популярных формирующихся платформ для малых ячеек сети 5G являются фонарные столбы. Рынок интеллектуального и сетевого освещения для коммерческих приложений, по прогнозам, достигнет 21 миллиарда долларов США к 2022 году, увеличиваясь совокупным ежегодным темпом роста в 21% с 2018 года, согласно данным компании по исследованию рынка IHS Markit. Опоры уличного и дорожного освещения являются идеальными местами для размещения 5G антенн и базовых станций, так как они могут быть быстро установлены для массового размещения. "Сетевые фонарные столбы" или "умные столбы" объединяют в себе энергосберегающее светодиодное освещение с внутренним пространством для оборудования сети 5G и антенн от многочисленных производителей комплексного оборудования (ОЕМ-производителей) в одном столбе, уменьшая тем самым уличный визуальный шум. Доступны проекты, которые могут удовлетворить требования различных городских пейзажей. Другие устройства, такие как камеры, датчики и экраны дисплеев, также могут быть "подключены", тем самым превращая простой фонарный столб в многофункциональный центр, способный приносить доход муниципалитетам. Данные металлические столбы подразумевают наличие пропускающих 5G антенных обтекателей, расположенных внутри верхней части столба. Переход от металлических опор к композитным конструкциям дает дополнительные преимущества владельцам инфраструктуры. В то время, как сталь на данный момент является доминирующим материалом, используемым для изготовления столбов для линий связи и электропередач, власти по всему миру все чаще используют пултрузионные композитные столбы, которые устойчивы к коррозии, легче монтируются и обеспечивают более длительный срок службы при более низких затратах на жизненный цикл. Легкие композитные столбы часто можно переносить вручную и устанавливать без необходимости в тяжелом подъемном оборудовании, что делает их быстрыми в размещении, с минимальными повреждениями, особенно в труднодоступных городских районах с ограниченным доступом к дорогам. Композитные столбы также идеально подходят для районов, где коррозия является ключевой проблемой. Проект LuxTurrim5G на Smart City digital Ecosystem Creation, проводимый при поддержке Nokia Bell Labs, является одной из инициатив развития пултрузионных композитных фонарных столбов с интегрированными миниатюрными 5G антеннами и базовыми станциями. Помимо обеспечения энергосберегающего освещения, умные столбы создадут мощную сеть передачи 5G данных и будут включать в себя датчики, информационные дисплеи, камеры и другие устройства для тестирования различных услуг и бизнес-концепций. Композитные столбы скрывают 5G оборудование из поля зрения, защищают его от воздействия химических элементов, вандализма и краж, а также выполняет функцию обтекателя для антенн. Проект LuxTurrim5G также сравнивает потерю 5G сигнала через композитные строительные элементы с той, что происходит с обычными строительными материалами и конструкциями. Композиционные материалы могут обеспечить улучшенную проходимость сигнала миллиметровых волн одновременно с отличной теплоизоляцией внутри здания. Например, стеновая конструкция на основе композитной сэндвич-панели, содержащей пенопластовую сердцевину с композитными поверхностными слоями и включающей композитные двутавровые балки и оконные рамы, может соответствовать требованиям энергоэффективных зданий, а также усиливать прием 5G сигнала внутри здания. Кроме того, пултрузионные строительные элементы, такие как оконные рамы и двери, балки, панели и архитектурные фасады, являются легкими, прочными и не требующими особого обслуживания и ухода конструкциями, а также предоставляют возможности для сокращения количества деталей и низкую толщину стен для инновационных архитектурных концепций. Возможности для бизнеса изобретений Технология 5G будет стимулировать инновации и возможности во всех секторах, включая сырьевой сектор. Новая городская среда 5G предъявляет все более высокие требования к существующим строительным материалам. При выборе материалов для следующего поколения городской инфраструктуры архитекторы и планировщики теперь должны учитывать их совместимость с 5G сигналами миллиметрового диапазона в дополнение к требованиям производительности, безопасности и устойчивости. Растущее значение материалов, пропускаемых радиочастоты, для городской инфраструктуры новейшего поколения открывает новые рыночные возможности для индустрии композитных материалов, выходящие далеко за рамки масштабов современных строительных применений. Чтобы воспользоваться этой возможностью, необходимо привлечь всех участников цепочки поставок композитных материалов. Композиционные материалы с оптимизированными механическими и диэлектрическими свойствами могут обеспечить эффективные решения для высокопроизводительного применения технологии 5G. Антенные обтекатели 5G миллиметрового диапазона и базовые станции нуждаются в новых радиочастотных материалах для минимизации потерь сигнала и повышения эффективности сети. Сети умных фонарных столбов позволят мобильным операторам уплотнять свои мобильные сети, не влияя на уличный ландшафт, в то время как энергоэффективные системы зданий с усовершенствованной проникающей способностью радиочастотного сигнала открывают дополнительные возможности для прогрессивных проектировщиков, производителей и поставщиков. Объединяя преимущества более низких потерь 5G сигнала миллиметрового диапазона, рентабельного производства и креативного, многофункционального проектирования, пултрузионные композиты могут сыграть ключевую роль в инфраструктуре умных городов будущего, рассчитанной на технологию 5G.
