Το σύνθετο υλικό από ανθρακονήματα είναι ένα υλικό ενισχυμένο με ίνες, κατασκευασμένο από ανθρακονήματα και ρητίνη, μέταλλο, κεραμικά και άλλες μήτρες. Λόγω του ελαφρού βάρους, της υψηλής αντοχής, της αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες κ.λπ., έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στην αεροδιαστημική, τον αθλητισμό και την αναψυχή, καθώς και στις σιδηροδρομικές μεταφορές υψηλής ταχύτητας τα τελευταία χρόνια. Στους τομείς της αυτοκινητοβιομηχανίας και των πολιτικών μηχανικών. Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα έχουν εξαιρετική αντοχή στην κόπωση, αντοχή στη διάβρωση και εξαιρετική κατασκευαστική απόδοση λόγω της υψηλής αντοχής και της υψηλής αντοχής, γεγονός που τα καθιστά κατάλληλα για θαλάσσιες εφαρμογές με ειδικές απαιτήσεις στις ιδιότητες των υλικών. Προσέξτε. Τα τελευταία χρόνια, τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα έχουν διαδραματίσει ολοένα και πιο σημαντικό ρόλο στη ναυπηγική βιομηχανία, την ανάπτυξη ενέργειας στην ανοικτή θάλασσα και την επισκευή της θαλάσσιας μηχανικής.
1. Εφαρμογή επί του πλοίου
Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα έχουν ένα φυσικό πλεονέκτημα έναντι των παραδοσιακών υλικών ναυπηγικής. Πρώτον, τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα έχουν καλές μηχανικές ιδιότητες. Το κύτος κατασκευάζεται με χαρακτηριστικά ελαφρού βάρους και χαμηλής κατανάλωσης καυσίμου, και η διαδικασία κατασκευής είναι σχετικά απλή, ο κύκλος είναι σύντομος και η χύτευση είναι βολική, επομένως το κόστος κατασκευής και συντήρησης είναι πολύ χαμηλότερο από αυτό του χαλύβδινου πλοίου. Ταυτόχρονα, επειδή η διεπαφή μεταξύ των ινών άνθρακα και της ρητίνης μπορεί να αποτρέψει αποτελεσματικά την εξάπλωση των ρωγμών, το υλικό έχει καλή αντοχή στην κόπωση. Επιπλέον, λόγω της χημικής αδράνειας της επιφάνειας των ινών άνθρακα, το κύτος έχει τα χαρακτηριστικά ότι οι υδρόβιοι οργανισμοί είναι δύσκολο να επιφυτικοί και ανθεκτικό στη διάβρωση, κάτι που είναι επίσης η κατασκευή του πλοίου. Ένας από τους πιο σημαντικούς παράγοντες στην επιλογή υλικών. Επομένως, τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα έχουν μοναδικά πλεονεκτήματα συνολικής απόδοσης στη ναυπηγική βιομηχανία και πλέον χρησιμοποιούνται ευρέως σε αυτόν τον τομέα. Ταυτόχρονα, η ανάπτυξη της βιομηχανίας ινών άνθρακα έχει προωθηθεί από την επέκταση του πεδίου εφαρμογών.
1.1 Στρατιωτικά πλοία
Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα έχουν καλές ακουστικές, μαγνητικές και ηλεκτρικές ιδιότητες: είναι διαφανή, ηχοδιαπερατά και μη μαγνητικά, επομένως μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση της απόδοσης stealth των πολεμικών πλοίων. Η χρήση σύνθετων υλικών στην υπερκατασκευή του πλοίου όχι μόνο μειώνει το βάρος του κύτους, αλλά επίσης μεταδίδει και λαμβάνει ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε προκαθορισμένη συχνότητα, θωράκιση του στρώματος επιλεκτικής συχνότητας που είναι ενσωματωμένο στο ενδιάμεσο στρώμα για την προστασία των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων ραντάρ του εχθρού. Για παράδειγμα, το καταδρομικό κλάσης "skjold" που κατασκευάστηκε από το Νορβηγικό Ναυτικό το 1999 χρησιμοποίησε ένα σύνθετο σάντουιτς που αποτελείται από ένα στρώμα πυρήνα αφρού πολυβινυλοχλωριδίου, υαλοβάμβακα και ενδιάμεσο στρώμα ινών άνθρακα. Αυτός ο σχεδιασμός όχι μόνο βελτιώνει την αναλογία αντοχής προς βάρος, αλλά έχει και καλή αντοχή σε κρούσεις. Η απόδοση βελτιώνει επίσης σημαντικά τα χαρακτηριστικά της χαμηλής μαγνητικής, αντι-υπέρυθρης και αντι-ραντάρ σάρωσης. Οι σουηδικές φρεγάτες κλάσης Visby, οι οποίες τέθηκαν σε λειτουργία το 2000, χρησιμοποιούν όλες σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα, τα οποία έχουν ειδικές λειτουργίες μείωσης βάρους, ραντάρ και υπέρυθρης διπλής stealth.
Η εφαρμογή σύνθετων ιστών ενισχυμένων με ίνες άνθρακα σε πλοία έχει σταδιακά αναδυθεί. Το πλοίο LPD-17, το οποίο τέθηκε σε λειτουργία στις Ηνωμένες Πολιτείες το 2006, χρησιμοποιεί έναν προηγμένο σύνθετο ιστό από ίνες άνθρακα/πυρήνα Balsa. Σε αντίθεση με τον αρχικό ανοιχτό ιστό, το LPD-17 χρησιμοποιεί ένα νέο πλήρως κλειστό σύστημα ιστού/ανίχνευσης (AEM/S), το άνω μέρος αυτού του σύνθετου ιστού από ίνες άνθρακα καλύπτει το υλικό επιλεκτικής συχνότητας (FSS), επιτρέποντας τη διέλευση κυμάτων με συγκεκριμένη συχνότητα, και το κάτω μισό μπορεί να αντανακλά κύματα ραντάρ ή να απορροφάται από υλικά απορρόφησης ραντάρ. Επομένως, έχει καλές λειτουργίες μυστικότητας και ανίχνευσης ραντάρ. Επιπλέον, διάφορες κεραίες και σχετικός εξοπλισμός συνδυάζονται ομοιόμορφα στη δομή, κάτι που δεν διαβρώνεται εύκολα και είναι πιο ευνοϊκό για τη συντήρηση του εξοπλισμού. Το Ευρωπαϊκό Ναυτικό έχει αναπτύξει έναν παρόμοιο κλειστό ενσωματωμένο ιστό αισθητήρων κατασκευασμένο από ίνες γυαλιού από νανοΐνες σε συνδυασμό με ίνες άνθρακα ως ενίσχυση. Επιτρέπει σε διάφορες δέσμες ραντάρ και σήματα επικοινωνίας να περνούν ανενόχλητα μεταξύ τους, και η απώλεια είναι εξαιρετικά χαμηλή. Το 2006, αυτό το προηγμένης τεχνολογίας ιστό ATM χρησιμοποιήθηκε στο αεροπλανοφόρο "Royal Ark" του Βρετανικού Ναυτικού.
Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε άλλες πτυχές του πλοίου. Για παράδειγμα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως σύστημα προπέλας και άξονα πρόωσης στο σύστημα πρόωσης για τον μετριασμό των επιπτώσεων των κραδασμών και του θορύβου του κύτους και χρησιμοποιούνται κυρίως σε πλοία αναγνώρισης και γρήγορα κρουαζιερόπλοια. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πηδάλιο σε μηχανήματα και εξοπλισμό, σε ορισμένες ειδικές μηχανικές συσκευές και συστήματα σωληνώσεων. Επιπλέον, τα σχοινιά από ανθρακονήματα υψηλής αντοχής χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως σε καλώδια πολεμικών πλοίων και σε άλλα στρατιωτικά είδη.
1.2 Πολιτικά γιοτ
Τα μεγάλα γιοτ είναι γενικά ιδιωτικά και ακριβά, απαιτώντας ελαφρύ βάρος, υψηλή αντοχή και ανθεκτικότητα. Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πίνακες οργάνων και κεραίες γιοτ, πηδάλια και σε ενισχυμένες κατασκευές όπως καταστρώματα, καμπίνες και διαφράγματα πλοίων. Τα παραδοσιακά σύνθετα γιοτ κατασκευάζονται κυρίως από FRP, αλλά λόγω ανεπαρκούς ακαμψίας, το κύτος είναι συχνά πολύ βαρύ αφού πληροί τις απαιτήσεις σχεδιασμού ακαμψίας, και οι ίνες γυαλιού είναι καρκινογόνες, οι οποίες σταδιακά απαγορεύονται στο εξωτερικό. Η αναλογία των σύνθετων υλικών από ανθρακονήματα που χρησιμοποιούνται στα σημερινά σύνθετα γιοτ έχει αυξηθεί σημαντικά, και ορισμένα έχουν χρησιμοποιήσει ακόμη και σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα. Για παράδειγμα, η διπλή φορτηγίδα "Panama" της Baltic, το κύτος και το κατάστρωμα είναι στριμωγμένα με δέρμα από ανθρακονήματα / εποξειδική ρητίνη, κηρήθρα Nomex και πυρήνα δομικού αφρού CorecellTM, το κύτος έχει μήκος 60 μέτρα. Αλλά το συνολικό βάρος είναι μόνο 210 τόνοι. Το Sunreef 80 Levante, ένα καταμαράν από ανθρακονήματα που κατασκευάστηκε από την πολωνική Sunreef Yachts, χρησιμοποιεί σύνθετα υλικά σάντουιτς από ρητίνη βινυλεστέρα, αφρό PVC και σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα. Τα μπούμα των ιστών είναι κατασκευασμένα από ειδικά κατασκευασμένα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα και μόνο ένα μέρος του κύτους χρησιμοποιεί FRP. Το βάρος χωρίς φορτίο είναι μόνο 45 τόνοι. Υψηλή ταχύτητα, χαμηλή κατανάλωση καυσίμου και εξαιρετική απόδοση.
Το γιοτ «Zhongke·Lianya», που κατασκευάστηκε το 2014, είναι σήμερα το μόνο γιοτ στην Κίνα από ανθρακονήματα. Είναι ένα πράσινο γιοτ κατασκευασμένο από συνδυασμό ανθρακονημάτων και εποξειδικής ρητίνης. Είναι 30% ελαφρύτερο από το ίδιο είδος γιοτ από υαλοβάμβακα και έχει μεγαλύτερη αντοχή, μεγαλύτερη ταχύτητα και χαμηλότερη κατανάλωση καυσίμου.
Επιπλέον, τα καλώδια και τα συρματόσχοινα του γιοτ χρησιμοποιούν σχοινιά από ανθρακονήματα υψηλής αντοχής για να εξασφαλίζουν ασφάλεια. Δεδομένου ότι οι ίνες άνθρακα έχουν μέτρο εφελκυσμού υψηλότερο από αυτό του χάλυβα και αντοχή σε εφελκυσμό αρκετές ή και δεκάδες φορές, και έχουν την υφασμένη ιδιότητα της ίνας, το σχοινί από ανθρακονήματα χρησιμοποιείται ως βασικό υλικό, το οποίο μπορεί να αντισταθμίσει το χαλύβδινο συρματόσχοινο και το οργανικό πολυμερές σχοινί. Ανεπαρκές.z
2. Εφαρμογή στην ανάπτυξη της θαλάσσιας ενέργειας
2.1 Υποθαλάσσια πεδία πετρελαίου και φυσικού αερίου
Τα τελευταία χρόνια, τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα έχουν χρησιμοποιηθεί όλο και περισσότερο στον τομέα της θαλάσσιας ανάπτυξης πετρελαίου και φυσικού αερίου. Η διάβρωση στο θαλάσσιο περιβάλλον, η υψηλή διάτμηση και η ισχυρή διάτμηση που προκαλούνται από τη ροή του νερού υπόγεια επιβάλλουν αυστηρές απαιτήσεις στην αντοχή στη διάβρωση, την αντοχή και τις ιδιότητες κόπωσης του υλικού. Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα έχουν προφανή πλεονεκτήματα ως προς το ελαφρύ, ανθεκτικό και αντιδιαβρωτικό τους βάρος στην ανάπτυξη υπεράκτιων πετρελαιοπηγών: μια πλατφόρμα γεώτρησης βάθους νερού 1500 μέτρων διαθέτει χαλύβδινο καλώδιο με μάζα περίπου 6500 τόνων, ενώ η πυκνότητα του σύνθετου υλικού από ανθρακονήματα είναι από συνηθισμένο χάλυβα. Κατά 1/4, εάν το σύνθετο υλικό από ανθρακονήματα χρησιμοποιηθεί για την αντικατάσταση μέρους του χάλυβα, η ικανότητα φορτίου της πλατφόρμας γεώτρησης θα μειωθεί σημαντικά και το κόστος κατασκευής της πλατφόρμας θα εξοικονομηθεί. Η παλινδρομική κίνηση της ράβδου αναρρόφησης θα οδηγήσει εύκολα σε κόπωση του υλικού λόγω της ανισορροπημένης πίεσης μεταξύ του θαλασσινού νερού και της πίεσης μέσα στον σωλήνα. Το σπάσιμο και η χρήση σύνθετου υλικού από ανθρακονήματα μπορεί να λύσει αυτό το πρόβλημα. Λόγω της αντοχής στη διάβρωση του περιβάλλοντος θαλασσινού νερού, η διάρκεια ζωής του στο θαλασσινό νερό είναι μεγαλύτερη από τον χάλυβα και το βάθος χρήσης είναι βαθύτερο.
Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως σωλήνες παραγωγικών πηγαδιών, ράβδοι αναρρόφησης, δεξαμενές αποθήκευσης, υποθαλάσσιοι αγωγοί, καταστρώματα κ.λπ. σε πλατφόρμες γεώτρησης πετρελαίου. Η διαδικασία κατασκευής χωρίζεται σε μια διαδικασία έλξης με έλξη και μια διαδικασία υγρής περιέλιξης. Η έλξη με έλξη χρησιμοποιείται γενικά σε κοινούς σωλήνες και σωλήνες σύνδεσης. Η μέθοδος περιέλιξης χρησιμοποιείται γενικά ως επιφάνεια της δεξαμενής αποθήκευσης και του δοχείου πίεσης και μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε έναν ανισότροπο εύκαμπτο σωλήνα στον οποίο το σύνθετο υλικό από ανθρακονήματα τυλίγεται και διατάσσεται υπό συγκεκριμένη γωνία στο στρώμα θωράκισης.
Η συνεχής ράβδος αναρρόφησης από σύνθετο υλικό από ανθρακονήματα έχει μια δομή που μοιάζει με κορδέλα, παρόμοια με την μεμβράνη, και έχει καλή ευκαμψία. Παράγεται και εφαρμόζεται στις Ηνωμένες Πολιτείες τη δεκαετία του 1990. Είναι κατασκευασμένη από ανθρακονήματα ως ενισχυτική ίνα και ακόρεστη ρητίνη ως βασικό υλικό. Παράγεται με διέλαση μετά από σκλήρυνση με σταυροσύνδεση σε υψηλή θερμοκρασία. Από το 2001 έως το 2003, η Κίνα χρησιμοποίησε μια ράβδο αναρρόφησης από ανθρακονήματα και μια συνηθισμένη ράβδο αναρρόφησης από χάλυβα στο καθαρό πετρελαϊκό πεδίο για την κατασκευή ενός πιλότου. Η χρήση ράβδου αναρρόφησης από ανθρακονήματα μπορεί να αυξήσει σημαντικά την απόδοση λαδιού και να μειώσει το φορτίο του κινητήρα, κάτι που είναι πιο ενεργειακά αποδοτικό. Επιπλέον, η ράβδος αναρρόφησης από σύνθετο υλικό από ανθρακονήματα είναι πιο ανθεκτική στην κόπωση και την αντοχή στη διάβρωση από τη χαλύβδινη ράβδο αναρρόφησης και είναι πιο κατάλληλη για εφαρμογή στην ανάπτυξη υποθαλάσσιων πετρελαϊκών πεδίων.
2.2 Υπεράκτια αιολική ενέργεια
Οι άφθονοι αιολικοί πόροι στη θάλασσα αποτελούν σημαντικό τομέα για μελλοντική ανάπτυξη και τον πιο προηγμένο και απαιτητικό τομέα της τεχνολογίας αιολικής ενέργειας. Η ακτογραμμή της Κίνας έχει μήκος περίπου 1800 χλμ. και υπάρχουν περισσότερα από 6.000 νησιά. Οι νοτιοανατολικές ακτές και οι νησιωτικές περιοχές είναι πλούσιες σε αιολικούς πόρους και εύκολα αξιοποιήσιμες. Τα τελευταία χρόνια, οι προσπάθειες για την προώθηση της ανάπτυξης της υπεράκτιας αιολικής ενέργειας έχουν υποστηριχθεί από τις αρμόδιες υπηρεσίες. Περισσότερο από το 90% του βάρους των πτερυγίων αιολικής ενέργειας αποτελείται από σύνθετα υλικά. Οι μεγάλοι άνεμοι στη θάλασσα και η υψηλή παραγωγή ενέργειας είναι αναπόφευκτο να απαιτούν μεγαλύτερα πτερύγια και καλύτερη ειδική αντοχή και ανθεκτικότητα. Προφανώς, τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα μπορούν να καλύψουν τις απαιτήσεις της ανάπτυξης πτερυγίων παραγωγής ενέργειας μεγάλης κλίμακας, ελαφρών, υψηλής απόδοσης και χαμηλού κόστους και είναι πιο κατάλληλα για θαλάσσιες εφαρμογές από τα σύνθετα υλικά από υαλονήματα.
Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα έχουν σημαντικά πλεονεκτήματα στην παραγωγή θαλάσσιας αιολικής ενέργειας. Η λεπίδα από σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα έχει χαμηλή ποιότητα και υψηλή ακαμψία, και το μέτρο ελαστικότητας είναι 3 έως 8 φορές μεγαλύτερο από αυτό του προϊόντος από υαλονήματα. Η υγρασία είναι μεγάλη στο θαλάσσιο περιβάλλον, το κλίμα είναι μεταβαλλόμενο και ο ανεμιστήρας λειτουργεί για 24 ώρες. Η λεπίδα έχει καλή αντοχή στην κόπωση και μπορεί να αντισταθεί στις κακές καιρικές συνθήκες. Βελτιώνει την αεροδυναμική απόδοση της λεπίδας και μειώνει το φορτίο στον πύργο και τον άξονα, έτσι ώστε η ισχύς εξόδου του ανεμιστήρα να είναι πιο ομαλή και πιο ισορροπημένη, και να βελτιώνεται η ενεργειακή απόδοση. Η αγώγιμη απόδοση, μέσω του ειδικού δομικού σχεδιασμού, μπορεί να αποφύγει αποτελεσματικά τις ζημιές που προκαλούνται από κεραυνό στη λεπίδα, να μειώσει το κόστος κατασκευής και μεταφοράς της λεπίδας ανεμογεννήτριας και να έχει χαρακτηριστικά απόσβεσης κραδασμών.
3. Εφαρμογές θαλάσσιας μηχανικής
Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα χρησιμοποιούνται σε κτίρια ναυπηγικής μηχανικής. Χρησιμοποιούν κυρίως τα χαρακτηριστικά του ελαφρού βάρους, της υψηλής αντοχής και της αντοχής στη διάβρωση και αντικαθιστούν τα παραδοσιακά χαλύβδινα δομικά υλικά με τη μορφή τενόντων και δομικών μερών για να λύσουν το πρόβλημα του υψηλού κόστους μεταφοράς του χάλυβα και της μεταφοράς από τη διάβρωση της θάλασσας. Έχουν εφαρμοστεί σε κτίρια υφάλων νησιών, αποβάθρες, πλωτές πλατφόρμες, πύργους φωτισμού κ.λπ. Η χρήση σύνθετων υλικών από ανθρακονήματα για την αποκατάσταση μηχανικών έργων ξεκίνησε τη δεκαετία του 1980 και η Mitsubishi Chemical Corporation της Ιαπωνίας ανέλαβε την πρωτοβουλία στην έρευνα των μηχανικών ιδιοτήτων των σύνθετων υλικών από ανθρακονήματα και την εφαρμογή τους στην ενίσχυση μηχανικών έργων. Η αρχική ερευνητική εστίαση ήταν στην ενίσχυση δοκών από οπλισμένο σκυρόδεμα χρησιμοποιώντας σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα, τα οποία αργότερα εξελίχθηκαν σε ενίσχυση και ενίσχυση διαφόρων έργων πολιτικού μηχανικού. Η επισκευή πλατφορμών και λιμένων πετρελαίου ανοικτής θάλασσας με σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα είναι μόνο μία πτυχή της εφαρμογής της. Υπάρχουν πολλά σχετικά έγγραφα. Αξίζει να σημειωθεί ότι η αμερικανική εταιρεία DFI χρησιμοποίησε ράβδους από ανθρακονήματα για την επισκευή του τερματικού σταθμού Pearl Harbor του Ναυτικού. Εκείνη την εποχή, οι τεχνικοί χρησιμοποίησαν καινοτόμες ράβδους από ανθρακονήματα για την επισκευή της ενίσχυσης. Η επισκευασμένη αποβάθρα από ράβδους ανθρακονημάτων μπορεί να αντέξει χάλυβα 9t από ύψος 2,5 μέτρων. Πέφτει χωρίς να υποστεί ζημιά και το ενισχυτικό αποτέλεσμα είναι προφανές.
Όσον αφορά την εφαρμογή των σύνθετων υλικών από ανθρακονήματα στη ναυπηγική μηχανική, υπάρχει επίσης ένας τύπος επισκευής και ενίσχυσης υποθαλάσσιων αγωγών ή στηλών. Οι παραδοσιακές μέθοδοι συντήρησης, όπως η συγκόλληση, η βελτίωση συγκολλήσεων, οι σφιγκτήρες, η αρμολόγηση κ.λπ., έχουν τους δικούς τους περιορισμούς και η χρήση αυτών των μεθόδων είναι πιο περιορισμένη στο θαλάσσιο περιβάλλον. Η επισκευή σύνθετων υλικών από ανθρακονήματα κατασκευάζεται κυρίως από υλικά ρητίνης υψηλής αντοχής και υψηλής συγκόλλησης, όπως ύφασμα από ανθρακονήματα και εποξειδική ρητίνη, τα οποία προσκολλώνται στην επιφάνεια επισκευής, επομένως είναι λεπτά και ελαφριά, υψηλής αντοχής, με καλή ανθεκτικότητα, βολικά στην κατασκευή και προσαρμόσιμα σε διαφορετικά σχήματα. Έχει ένα σημαντικό πλεονέκτημα.
Ώρα δημοσίευσης: 23 Μαρτίου 2019