Kohlefaserverbundwerkstoffe sind faserverstärktes Material aus Kohlefasern und Harzen, Metallen, Keramiken und anderen Materialien. Aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer hohen Festigkeit und hohen Temperaturbeständigkeit finden sie seit Jahren breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, im Sport- und Freizeitbereich sowie im Hochgeschwindigkeitsverkehr. Auch im Automobilbau und im Tiefbau kommen sie zum Einsatz. Kohlefaserverbundwerkstoffe zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit und hohe Ermüdungsbeständigkeit sowie eine hervorragende Konstruktionsleistung aus. Daher eignen sie sich für maritime Anwendungen mit besonderen Anforderungen an die Materialeigenschaften. Achten Sie darauf. Kohlefaserverbundwerkstoffe spielen in den letzten Jahren eine immer wichtigere Rolle im Schiffbau, der Offshore-Energieentwicklung und der Schiffsreparatur.
1.Anwendung an Bord
Kohlefaserverbundwerkstoffe bieten gegenüber herkömmlichen Schiffbaumaterialien einen wesentlichen Vorteil. Erstens zeichnen sich Kohlefaserverbundwerkstoffe durch gute mechanische Eigenschaften aus. Der Schiffsrumpf zeichnet sich durch geringes Gewicht und niedrigen Kraftstoffverbrauch aus. Der Bauprozess ist relativ einfach, die Zykluszeiten kurz und die Formgebung bequem, sodass die Bau- und Wartungskosten im Vergleich zu Stahlschiffen deutlich niedriger sind. Da die Grenzfläche zwischen Kohlefaser und Harzmatrix die Rissausbreitung wirksam verhindert, weist das Material eine gute Ermüdungsbeständigkeit auf. Darüber hinaus ist der Schiffsrumpf aufgrund der chemischen Inertheit der Kohlefaseroberfläche schwer von Wasserorganismen besiedelbar und korrosionsbeständig, was ebenfalls zu den wichtigsten Faktoren bei der Materialauswahl im Schiffsbau zählt. Daher bieten Kohlefaserverbundwerkstoffe einzigartige Leistungsvorteile im Schiffbau und finden dort breite Anwendung. Gleichzeitig wird die Entwicklung der Kohlefaserindustrie durch die Erweiterung des Anwendungsspektrums vorangetrieben.
1.1Militärschiffe
Kohlefaserverbundwerkstoffe zeichnen sich durch gute akustische, magnetische und elektrische Eigenschaften aus: Sie sind transparent, schalldurchlässig und nicht magnetisch und können daher zur Verbesserung der Tarnfähigkeit von Kriegsschiffen eingesetzt werden. Die Verwendung von Verbundwerkstoffen im Schiffsaufbau reduziert nicht nur das Gewicht des Rumpfes, sondern ermöglicht auch das Senden und Empfangen elektromagnetischer Wellen mit einer vorgegebenen Frequenz durch Abschirmung der in die Zwischenschicht eingebetteten frequenzselektiven Schicht vor feindlichen Radarwellen. Beispielsweise wurde für den 1999 von der norwegischen Marine gebauten Kreuzer der „Skjold“-Klasse ein Sandwich-Verbundwerkstoff verwendet, der aus einer Kernschicht aus Polyvinylchloridschaum, Glasfaser und einer Kohlefaser-Zwischenschicht besteht. Diese Konstruktion verbessert nicht nur das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, sondern weist auch eine gute Schlagfestigkeit auf. Die Leistung verbessert zudem die Eigenschaften der schwachen Magnetisierung, der Infrarot- und der Radarabtastung erheblich. Die im Jahr 2000 in Dienst gestellten schwedischen Fregatten der Visby-Klasse verwenden alle Kohlefaserverbundwerkstoffe, die über spezielle Funktionen zur Gewichtsreduzierung sowie zur doppelten Radar- und Infrarot-Tarnfähigkeit verfügen.
Der Einsatz von kohlenstofffaserverstärkten Verbundmasten auf Schiffen hat sich zunehmend durchgesetzt. Das 2006 in den USA in Dienst gestellte Schiff LPD-17 verfügt über einen fortschrittlichen Verbundmast aus Kohlenstofffaser und Balsaholz. Im Gegensatz zum ursprünglichen offenen Mast verwendet die LPD-17 ein neues, vollständig geschlossenes Mast-/Sensorsystem (AEM/S). Der obere Teil dieses Kohlenstofffaser-Verbundmastes ist mit einem frequenzselektiven Oberflächenmaterial (FSS) bedeckt, das Wellen einer bestimmten Frequenz durchlässt. Die untere Hälfte kann Radarwellen reflektieren oder von radarabsorbierenden Materialien absorbiert werden. Dadurch bietet er gute Radar-Tarn- und -Erkennungsfunktionen. Darüber hinaus sind verschiedene Antennen und zugehörige Geräte gleichmäßig in der Struktur integriert, was Korrosion verhindert und die Wartung erleichtert. Die europäische Marine hat einen ähnlichen geschlossenen Sensormast entwickelt, der aus nanofaserverstärkten Glasfasern mit Kohlenstofffasern als Verstärkung besteht. Er ermöglicht die ungestörte Übertragung verschiedener Radarstrahlen und Kommunikationssignale bei äußerst geringen Verlusten. Im Jahr 2006 wurde dieser Mast-Geldautomat mit fortschrittlicher Technologie auf dem Flugzeugträger „Royal Ark“ der britischen Marine eingesetzt.
Kohlefaserverbundwerkstoffe können auch in anderen Bereichen des Schiffsbaus eingesetzt werden. Beispielsweise können sie als Propeller und Antriebswellensystem im Antriebssystem eingesetzt werden, um Vibrationen und Geräusche des Rumpfes zu dämpfen. Sie werden hauptsächlich in Aufklärungsschiffen und schnellen Kreuzfahrtschiffen verwendet. Sie können als Ruder in Maschinen und Anlagen, einigen speziellen mechanischen Geräten und Rohrleitungssystemen eingesetzt werden. Darüber hinaus werden hochfeste Kohlefaserseile häufig in Kriegsschiffkabeln und anderen militärischen Geräten verwendet.
1.2Zivile Yachten
Große Yachten sind in der Regel in Privatbesitz und teuer. Sie müssen leicht, robust und langlebig sein. Kohlefaserverbundwerkstoffe werden für Instrumentenanzeigen, Antennen, Ruder und verstärkte Strukturen wie Decks, Kabinen und Schiffsschotten verwendet. Traditionelle Verbundyachten bestehen hauptsächlich aus faserverstärktem Kunststoff (GFK). Aufgrund mangelnder Steifigkeit ist der Rumpf jedoch oft zu schwer, selbst wenn er die Steifigkeitsanforderungen nicht erfüllt. Zudem ist Glasfaser krebserregend und wird im Ausland nach und nach verboten. Der Anteil von Kohlefaserverbundwerkstoffen in modernen Verbundyachten hat deutlich zugenommen, und einige Yachten verwenden sogar Kohlefaserverbundwerkstoffe. Beispielsweise bestehen Rumpf und Deck der baltischen Superyacht „Panama“, einem Doppelkahn, aus einer Außenhaut aus Kohlefaser und Epoxidharz, Nomex®-Waben und einem CorecellTM-Strukturschaumkern. Der Rumpf ist 60 m lang, wiegt aber nur 210 t. Der Sunreef 80 Levante, ein Kohlefaser-Katamaran des polnischen Katamaranherstellers Sunreef Yachts, besteht aus Vinylesterharz-Sandwich-Verbundwerkstoffen, PVC-Schaum und Kohlefaser-Verbundwerkstoffen. Die Mastausleger bestehen aus kundenspezifischen Kohlefaser-Verbundwerkstoffen, und nur ein Teil des Rumpfes besteht aus GFK. Das Leergewicht beträgt nur 45 t. Hohe Geschwindigkeit, geringer Kraftstoffverbrauch und hervorragende Leistung.
Die 2014 gebaute Yacht „Zhongke·Lianya“ ist derzeit die einzige Vollcarbon-Yacht in China. Sie ist eine umweltfreundliche Yacht aus einer Kombination von Carbonfasern und Epoxidharz. Sie ist 30 % leichter als vergleichbare Fiberglas-Yachten und zeichnet sich durch höhere Stabilität, höhere Geschwindigkeit und geringeren Kraftstoffverbrauch aus.
Darüber hinaus werden für die Kabel und Seile der Yacht hochfeste Kohlefaserseile verwendet, um die Sicherheit zu gewährleisten. Da Kohlefasern einen höheren Zugmodul als Stahl und eine um ein Vielfaches oder sogar Zehnfache höhere Zugfestigkeit aufweisen und die Webeigenschaften der Fasern besitzen, werden Kohlefaserseile als Basismaterial verwendet, das Stahldrahtseile und organische Polymerseile ersetzen kann. Unzureichend.z
2. Anwendung in der Meeresenergieentwicklung
2.1 Unterwasser-Öl- und Gasfelder
In den letzten Jahren haben Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe in der Meeresöl- und -gasförderung zunehmend an Bedeutung gewonnen. Korrosion im Meeresumwelt, hohe Scherkräfte und starke Scherkräfte durch Unterströmungen stellen hohe Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und Ermüdungseigenschaften des Materials. Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe bieten bei der Erschließung von Offshore-Ölfeldern klare Vorteile hinsichtlich Leichtigkeit, Haltbarkeit und Korrosionsbeständigkeit: Eine Bohrplattform in 1500 m Wassertiefe verfügt über ein Stahlkabel mit einer Masse von etwa 6500 t, während die Dichte des Kohlenstofffaserverbundwerkstoffs gewöhnlichem Stahl entspricht. Wenn Kohlenstofffaserverbundwerkstoff einen Teil des Stahls ersetzt, wird die Tragfähigkeit der Bohrplattform erheblich reduziert und die Baukosten der Plattform werden gespart. Die Hin- und Herbewegung der Pumpenstange führt aufgrund des unausgeglichenen Drucks zwischen dem Meerwasser und dem Druck im Rohr leicht zu Materialermüdung. Das Brechen und die Verwendung von Kohlenstofffaserverbundwerkstoff können dieses Problem lösen. Aufgrund der Korrosionsbeständigkeit in der Meerwasserumgebung ist seine Lebensdauer in Meerwasser länger als bei Stahl und die Einsatztiefe ist größer.
Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe können als Förderrohre, Pumpenstangen, Lagertanks, Unterwasserpipelines, Decks usw. in Ölfeldbohrplattformen eingesetzt werden. Der Herstellungsprozess unterteilt sich in ein Pultrusionsverfahren und ein Nasswickelverfahren. Pultrusion wird üblicherweise bei herkömmlichen Rohren und Verbindungsrohren angewendet. Das Wickelverfahren wird üblicherweise für die Oberfläche von Lagertanks und Druckbehältern verwendet und kann auch bei anisotropen flexiblen Rohren eingesetzt werden, bei denen der Kohlenstofffaserverbundwerkstoff gewickelt und in einem bestimmten Winkel in der Panzerungsschicht angeordnet wird.
Das kontinuierliche Pumpengestänge aus Kohlefaserverbundwerkstoff hat eine bandartige, folienähnliche Struktur und ist gut flexibel. Es wurde in den 1990er Jahren in den USA hergestellt und eingesetzt. Es besteht aus Kohlefaser als Verstärkungsfaser und ungesättigtem Harz als Basismaterial. Es wird im Pultrusionsverfahren nach Vernetzungsaushärtung bei hohen Temperaturen hergestellt. Von 2001 bis 2003 wurden in China in einem reinen Strahlölfeld ein Kohlefaser-Pumpengestänge und ein herkömmliches Stahl-Pumpengestänge zur Herstellung eines Piloten verwendet. Durch den Einsatz eines Kohlefaser-Pumpengestänges kann die Ölförderung deutlich gesteigert und die Motorbelastung reduziert werden, was zu einer höheren Energieeffizienz führt. Darüber hinaus ist das Kohlefaserverbund-Pumpengestänge ermüdungs- und korrosionsbeständiger als das Stahl-Pumpengestänge und eignet sich daher besser für die Erschließung von Unterwasserölfeldern.
2.2 Offshore-Windenergie
Die reichlich vorhandenen Windkraftressourcen auf See sind ein wichtiges Gebiet für die zukünftige Entwicklung und das fortschrittlichste und anspruchsvollste Gebiet der Windkrafttechnologie. Chinas Küste ist etwa 1.800 km lang und umfasst mehr als 6.000 Inseln. Die Südostküste und die Inselregionen sind reich an Windressourcen und leicht zu erschließen. In den letzten Jahren wurde die Entwicklung der Offshore-Windkraft von den zuständigen Behörden gefördert. Mehr als 90 % des Gewichts der Rotorblätter von Windkraftanlagen bestehen aus Verbundwerkstoffen. Starke Winde auf See und eine hohe Stromerzeugung erfordern zwangsläufig größere Rotorblätter mit besserer spezifischer Festigkeit und Haltbarkeit. Offensichtlich können Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe die Anforderungen an die Entwicklung großer, leichter, leistungsstarker und kostengünstiger Rotorblätter zur Stromerzeugung erfüllen und sind für maritime Anwendungen besser geeignet als Glasfaser-Verbundwerkstoffe.
Kohlefaserverbundwerkstoffe bieten erhebliche Vorteile bei der Stromerzeugung durch maritime Windkraft. Kohlefaserverbundwerkstoffblätter zeichnen sich durch niedrige Qualität, hohe Steifigkeit und einen drei- bis achtmal höheren Modul als Glasfaserprodukte aus. In der Meeresumwelt ist die Luftfeuchtigkeit hoch, das Klima wechselhaft und der Ventilator läuft 24 Stunden am Tag. Die Blätter sind ermüdungsbeständig und witterungsbeständig. Sie verbessern die aerodynamische Leistung des Blattes und reduzieren die Belastung von Turm und Achse, wodurch die Leistungsabgabe des Ventilators gleichmäßiger und gleichmäßiger ist und die Energieeffizienz verbessert wird. Die Leitfähigkeit durch spezielles Konstruktionsdesign kann Schäden durch Blitzeinschläge am Blatt wirksam vermeiden, die Herstellungs- und Transportkosten der Windturbinenblätter senken und schwingungsdämpfende Eigenschaften aufweisen.
3. Anwendungen im Meeresingenieurwesen
Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe werden im Schiffsbau eingesetzt. Sie zeichnen sich vor allem durch ihr geringes Gewicht, ihre hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit aus und ersetzen herkömmliche Stahlbaustoffe in Form von Spanngliedern und Strukturbauteilen, um die hohen Transportkosten für seewassererosionsbeständigen Stahl zu lösen. Sie wurden bereits bei Offshore-Inselriffbauten, Docks, schwimmenden Plattformen und Leuchttürmen eingesetzt. Die Verwendung von Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen in der Ingenieursanierung begann in den 1980er Jahren. Die japanische Mitsubishi Chemical Corporation war federführend in der Erforschung ihrer mechanischen Eigenschaften und ihrer Anwendung in der technischen Bewehrung. Der anfängliche Forschungsschwerpunkt lag auf der Bewehrung von Stahlbetonträgern mit Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen, die sich später auf die Bewehrung verschiedener Tiefbauanwendungen entwickelte. Die Reparatur von Offshore-Ölplattformen und Häfen mit Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen ist nur ein Anwendungsbereich. Zahlreiche entsprechende Dokumente sind vorhanden. Erwähnenswert ist beispielsweise die Verwendung von Kohlenstofffaserstäben durch das US-amerikanische Unternehmen DFI zur Reparatur des Pearl-Harbor-Terminals der Marine. Damals verwendeten die Techniker innovative Kohlenstofffaserstäbe zur Reparatur der Bewehrung. Das mit Kohlefaserstäben reparierte Dock hält 9 Tonnen Stahl aus 2,5 m Höhe stand. Es fällt ohne Beschädigung ab und der Verstärkungseffekt ist offensichtlich.
Im Schiffsbau werden Kohlefaserverbundwerkstoffe auch zur Reparatur und Verstärkung von U-Boot-Pipelines oder -Säulen eingesetzt. Traditionelle Instandhaltungsmethoden wie Schweißen, Schweißnahtverbesserung, Klemmen, Verfugen usw. haben ihre Grenzen und sind im maritimen Bereich nur eingeschränkt anwendbar. Reparaturen an Kohlefaserverbundwerkstoffen erfolgen hauptsächlich mit hochfesten und haftstarken Harzmaterialien wie Kohlefasergewebe und Epoxidharz, die auf die zu reparierende Oberfläche geklebt werden. Dadurch sind sie dünn, leicht, hochfest, langlebig, einfach zu verarbeiten und an verschiedene Formen anpassbar. Dies bietet erhebliche Vorteile.
Beitragszeit: 23. März 2019