Kompozitní materiál z uhlíkových vláken je vlákny vyztužený materiál vyrobený z uhlíkových vláken a pryskyřice, kovu, keramiky a dalších matric. Díky své nízké hmotnosti, vysoké pevnosti, odolnosti vůči vysokým teplotám atd. se v posledních letech široce používá v leteckém průmyslu, sportu a volném čase, vysokorychlostní železnici. V automobilovém průmyslu a stavebnictví. Kompozitní materiály z uhlíkových vláken mají vynikající odolnost proti únavě, odolnost proti korozi a vynikající konstrukční vlastnosti díky vysoké pevnosti a pevnosti, což je činí vhodnými pro námořní aplikace se zvláštními požadavky na materiálové vlastnosti. Dávejte pozor. V posledních letech hrají kompozity z uhlíkových vláken stále důležitější roli v lodním stavitelství, rozvoji energetických zdrojů na moři a opravách lodního inženýrství.
1. Žádost na palubě
Kompozity z uhlíkových vláken mají oproti tradičním materiálům pro stavbu lodí přirozenou výhodu. Za prvé, kompozity z uhlíkových vláken mají dobré mechanické vlastnosti. Trup je vyroben s charakteristikami nízké hmotnosti a nízké spotřeby paliva a konstrukční proces je relativně jednoduchý, cyklus je krátký a tvarování je pohodlné, takže náklady na konstrukci a údržbu jsou mnohem nižší než u ocelových lodí. Zároveň, protože rozhraní mezi uhlíkovými vlákny a pryskyřičnou matricí dokáže účinně zabránit šíření trhlin, má materiál dobrou odolnost proti únavě; navíc díky chemické inertitě povrchu uhlíkových vláken má trup vlastnosti, že je obtížné epifyticky reagovat na vodní organismy a je odolný proti korozi, což je také důležité pro konstrukci lodi. Jedním z nejdůležitějších faktorů při výběru materiálů je proto, že kompozitní materiály z uhlíkových vláken mají jedinečné komplexní výkonnostní výhody v lodním stavitelství a nyní se v této oblasti široce používají. Zároveň byl rozvoj průmyslu uhlíkových vláken podporován rozšířením aplikační oblasti.
1.1 Vojenské lodě
Kompozity z uhlíkových vláken mají dobré akustické, magnetické a elektrické vlastnosti: jsou průhledné, zvukopropustné a nemagnetické, takže je lze použít ke zlepšení stealth výkonu válečných lodí. Použití kompozitních materiálů v nástavbě lodi nejen snižuje hmotnost trupu, ale také přenáší a přijímá elektromagnetické vlny na předem určené frekvenci stíněním frekvenčně selektivní vrstvy zabudované do mezivrstvy, která odstíní elektromagnetické vlny nepřátelského radaru. Například křižník třídy „Skjold“ postavený norským námořnictvem v roce 1999 použil sendvičový kompozit sestávající z jádrové vrstvy z polyvinylchloridové pěny, skleněných vláken a mezivrstvy z uhlíkových vláken. Tato konstrukce nejen zlepšuje poměr pevnosti k hmotnosti, ale má také dobrou odolnost proti nárazu. Výkon také výrazně zlepšuje vlastnosti nízkomagnetického, infračerveného a antiradarového skenování. Švédské fregaty třídy Visby, které byly uvedeny do provozu v roce 2000, všechny používají kompozitní materiály z uhlíkových vláken, které mají speciální funkce snižování hmotnosti, radaru a infračervené dvojité stealth.
Aplikace kompozitních stožárů vyztužených uhlíkovými vlákny na lodích se postupně objevila. Loď LPD-17, která byla ve Spojených státech uvedena do provozu v roce 2006, používá pokročilý kompozitní stožár s jádrem z uhlíkových vláken a balsy. Na rozdíl od původního otevřeného stožáru používá LPD-17 nový plně uzavřený systém stožáru/snímání (AEM/S). Horní část tohoto kompozitního stožáru z uhlíkových vláken pokrývá frekvenčně selektivní povrchový materiál (FSS), který umožňuje průchod vln se specifickou frekvencí, a spodní polovina může odrážet radarové vlny nebo být absorbována radarovými materiály. Díky tomu má dobrý radarový stealth a detekční funkce. Kromě toho jsou různé antény a související zařízení v konstrukci rovnoměrně kombinovány, takže se snadno nekoroduje a je to výhodnější pro údržbu zařízení. Evropské námořnictvo vyvinulo podobný uzavřený integrovaný senzorový stožár vyrobený ze skleněných vláken vyrobených z nanovláken v kombinaci s uhlíkovými vlákny jako výztuhou. Umožňuje nerušený průchod různých radarových paprsků a komunikačních signálů a ztráty jsou extrémně nízké. V roce 2006 byl tento pokročilý stožárový bankomat použit na letadlové lodi „Royal Ark“ britského námořnictva.
Kompozity z uhlíkových vláken lze použít i v jiných aspektech lodi. Například je lze použít jako systém vrtule a hnacího hřídele v pohonném systému ke zmírnění vibračních účinků a hluku trupu a používají se především u průzkumných lodí a rychlých výletních lodí. Lze je použít jako kormidlo ve strojích a zařízeních, některých speciálních mechanických zařízeních a potrubních systémech. Kromě toho se vysokopevnostní lana z uhlíkových vláken široce používají také v kabelech válečných lodí a dalších vojenských položkách.
1.2 Civilní jachty
Velké jachty jsou obvykle v soukromém vlastnictví a jsou drahé, vyžadují nízkou hmotnost, vysokou pevnost a odolnost. Kompozity z uhlíkových vláken lze použít v přístrojových cifernících a anténách jachet, kormidlech a ve vyztužených konstrukcích, jako jsou paluby, kajuty a lodní přepážky. Tradiční kompozitní jachta je vyrobena převážně z FRP, ale kvůli nedostatečné tuhosti je trup často příliš těžký i po splnění požadavků na tuhost a skleněná vlákna jsou karcinogenní, což je v zahraničí postupně zakázáno. Podíl kompozitů z uhlíkových vláken používaných v dnešních kompozitních jachtách se výrazně zvýšil a některé dokonce používají kompozity z uhlíkových vláken. Například dvojitý člun Balticovy superjachty "Panama", trup a paluba jsou sendvičově obloženy vrstvou z uhlíkových vláken a epoxidové pryskyřice, voštinou Nomex a jádrem z strukturální pěny CorecellTM, trup je dlouhý 60 m. Celková hmotnost je však pouze 210 tun. Sunreef 80 Levante, katamarán z uhlíkových vláken postavený polskou společností Sunreef Yachts, využívá sendvičové kompozity z vinylesterové pryskyřice, PVC pěnu a kompozity z uhlíkových vláken. Výložníky stěžně jsou vyrobeny z uhlíkových vláken na zakázku a pouze část trupu je vyrobena z FRP. Hmotnost bez zatížení je pouze 45 tun. Nabízí vysokou rychlost, nízkou spotřebu paliva a vynikající výkon.
Jachta „Zhongke·Lianya“ postavená v roce 2014 je v současnosti jedinou jachtou v Číně vyrobenou výhradně z uhlíkových vláken. Je to zelená jachta vyrobená z kombinace uhlíkových vláken a epoxidové pryskyřice. Je o 30 % lehčí než stejný typ jachty ze skelných vláken a má vyšší pevnost, vyšší rychlost a nižší spotřebu paliva.
Kromě toho jachtové kabely a lana používají pro zajištění bezpečnosti vysokopevnostní lana z uhlíkových vláken. Protože uhlíkové vlákno má vyšší modul pružnosti v tahu než ocel a několikanásobnou nebo dokonce desítkonásobnou pevnost v tahu a má tkané vlastnosti vlákna, používá se jako základní materiál lano z uhlíkových vláken, které může nahradit ocelové lano a lano z organických polymerů. Nedostatečné.z
2. Aplikace v rozvoji mořské energie
2.1 Podmořská ropná a plynová pole
V posledních letech se kompozitní materiály z uhlíkových vláken stále více používají v oblasti těžby ropy a zemního plynu v moři. Koroze v mořském prostředí, vysoké smykové napětí a silné smykové namáhání způsobené spodním prouděním vody kladou přísné požadavky na odolnost proti korozi, pevnost a únavové vlastnosti materiálu. Kompozity z uhlíkových vláken mají zjevné výhody v lehkosti, odolnosti a antikorozní ochraně při těžbě ropy na moři: vrtná plošina v hloubce 1500 m má ocelové lano o hmotnosti přibližně 6500 tun, zatímco hustota kompozitu z uhlíkových vláken je běžná ocel. Pokud se kompozitní materiál z uhlíkových vláken použije jako náhrada části oceli, výrazně se sníží nosnost vrtné plošiny a ušetří se náklady na její výstavbu. Vrátný pohyb sací tyče snadno vede k únavě materiálu v důsledku nevyváženého tlaku mezi mořskou vodou a tlakem uvnitř trubky. Lámání a použití kompozitního materiálu z uhlíkových vláken může tento problém vyřešit; Díky odolnosti proti korozi v mořském prostředí je jeho životnost v mořské vodě delší než u oceli a hloubka použití je větší.
Kompozity z uhlíkových vláken lze použít jako potrubí pro produkční vrty, sací tyče, skladovací nádrže, podmořské potrubí, paluby atd. v ropných vrtných plošinách. Výrobní proces se dělí na proces pultruze a proces mokrého navíjení. Pultruze se obecně používá u běžných trubek a spojovacích trubek. Metoda navíjení se obecně používá jako povrch skladovací nádrže a tlakové nádoby a lze ji také použít v anizotropní flexibilní trubce, ve které je kompozitní materiál z uhlíkových vláken navinut a uspořádán pod určitým úhlem v pancéřové vrstvě.
Kontinuální sací tyč z kompozitního materiálu z uhlíkových vláken má páskovitou strukturu podobnou filmu a vyznačuje se dobrou flexibilitou. Vyráběna a používána ve Spojených státech v 90. letech 20. století. Je vyrobena z uhlíkových vláken jako výztužných vláken a nenasycené pryskyřice jako základního materiálu. Vyrábí se pultruzí po zesíťování při vysoké teplotě. V letech 2001 až 2003 Čína používala v ropných polích s čistým paprskem sací tyč z uhlíkových vláken a běžnou ocelovou sací tyč k výrobě pilotního zařízení. Použití sací tyče z uhlíkových vláken může výrazně zvýšit produkci ropy a snížit zatížení motoru, což je energeticky účinnější. Sací tyč z uhlíkových vláken je navíc odolnější vůči únavě a korozi než ocelová sací tyč a je vhodnější pro použití při těžbě podmořských ropných polí.
2.2 Větrná energie na moři
Bohaté zdroje větrné energie na moři jsou důležitou oblastí pro budoucí rozvoj a nejpokročilejší a nejnáročnější oblastí technologie větrné energie. Čínské pobřeží je dlouhé přibližně 1800 km a nachází se zde více než 6000 ostrovů. Jihovýchodní pobřeží a ostrovní oblasti jsou bohaté na větrné zdroje a snadno se rozvíjejí. V posledních letech příslušné úřady podporovaly úsilí o rozvoj větrné energie na moři. Více než 90 % hmotnosti lopatek větrných elektráren tvoří kompozitní materiály. Silné větry na moři a vysoká výroba energie nevyhnutelně vyžadují větší lopatky a lepší specifickou pevnost a odolnost. Je zřejmé, že kompozitní materiály z uhlíkových vláken mohou splňovat požadavky na vývoj velkých, lehkých, vysoce výkonných a nízkonákladových lopatek pro výrobu energie a jsou vhodnější pro námořní aplikace než kompozitní materiály ze skleněných vláken.
Kompozity z uhlíkových vláken mají významné výhody při výrobě energie z větrných elektráren v mořích. Lopata z uhlíkových vláken má nízkou kvalitu a vysokou tuhost, jejíž modul je 3 až 8krát vyšší než u produktu ze skleněných vláken. Mořské prostředí má vysokou vlhkost, proměnlivé klima a ventilátor pracuje 24 hodin denně. Lopata má dobrou odolnost proti únavě a odolává nepříznivému počasí. Zlepšuje aerodynamický výkon lopatky a snižuje zatížení věže a nápravy, takže výstupní výkon ventilátoru je plynulejší a vyváženější a zlepšuje se energetická účinnost. Vodivost díky speciální konstrukční konstrukci může účinně zabránit poškození lopatky způsobenému úderem blesku, snížit výrobní a přepravní náklady lopatky větrné turbíny a mít tlumicí vlastnosti vibrací.
3. Aplikace v námořním inženýrství
Kompozitní materiály z uhlíkových vláken se používají v námořních inženýrských stavbách. Využívají především vlastnosti nízké hmotnosti, vysoké pevnosti a odolnosti proti korozi a nahrazují tradiční ocelové stavební materiály ve formě výztuh a konstrukčních dílů, aby vyřešily problém vysokých nákladů na přepravu oceli vystavené erozi mořskou vodou. Používají se na stavby na pobřežních ostrovních útesech, doky, plovoucí plošiny, osvětlovací věže atd. Používání kompozitů z uhlíkových vláken pro inženýrské rekonstrukce začalo v 80. letech 20. století a japonská společnost Mitsubishi Chemical Corporation se ujala vedení ve výzkumu mechanických vlastností kompozitů z uhlíkových vláken a jejich použití ve výztuži inženýrských staveb. Počáteční výzkum se zaměřil na vyztužování železobetonových nosníků pomocí kompozitů z uhlíkových vláken, které se později vyvinuly do výztuže a zesílení různých stavebních staveb. Oprava ropných plošin a přístavů na moři pomocí kompozitů z uhlíkových vláken je pouze jedním aspektem jejich použití. Existuje mnoho souvisejících dokumentů. Za zmínku stojí, že americká společnost DFI použila tyče z uhlíkových vláken k opravě terminálu Navy Pearl Harbor. Tehdy technici použili inovativní tyče z uhlíkových vláken k opravě výztuže. Opravený dok s tyčemi z uhlíkových vláken vydrží 9 tun oceli z výšky 2,5 m. Odpadá bez poškození a efekt vylepšení je zřejmý.
Pokud jde o použití kompozitů z uhlíkových vláken v námořním inženýrství, existuje také druh opravy a vyztužování podmořských potrubí nebo sloupů. Tradiční metody údržby, jako je svařování, vylepšování svarů, svorky, injektáž atd., mají svá vlastní omezení a použití těchto metod je v mořském prostředí omezenější. Opravy kompozitů z uhlíkových vláken se vyrábějí hlavně z vysoce pevných a vysoce přilnavých pryskyřičných materiálů, jako je uhlíková tkanina a epoxidová pryskyřice, které se přilepí k opravovanému povrchu, takže jsou tenké a lehké, vysoce pevné, odolné, pohodlné při konstrukci a přizpůsobitelné různým tvarům. To má významnou výhodu.
Čas zveřejnění: 23. března 2019