El material compuesto de fibra de carbono es un material reforzado con fibra, compuesto por resina, metal, cerámica y otras matrices. Gracias a su ligereza, alta resistencia y resistencia a altas temperaturas, entre otras características, se ha utilizado ampliamente en los últimos años en la industria aeroespacial, deportiva y de ocio, así como en la construcción ferroviaria de alta velocidad. También se utiliza en los sectores de la automoción y la ingeniería civil. Los materiales compuestos de fibra de carbono presentan una excelente resistencia a la fatiga y a la corrosión, así como un excelente rendimiento constructivo gracias a su alta resistencia y dureza, lo que los hace adecuados para aplicaciones marinas con requisitos especiales en cuanto a las propiedades del material. En los últimos años, los compuestos de fibra de carbono han adquirido una importancia creciente en la construcción naval, el desarrollo de energías marinas y la reparación de ingeniería naval.
1. Aplicación a bordo
Los compuestos de fibra de carbono presentan una ventaja natural sobre los materiales tradicionales para la construcción naval. En primer lugar, poseen buenas propiedades mecánicas. El casco se fabrica con características de ligereza y bajo consumo de combustible, y el proceso de construcción es relativamente simple, el ciclo es corto y el moldeo es conveniente, por lo que el costo de construcción y mantenimiento es mucho menor que el de los buques de acero. Al mismo tiempo, dado que la interfaz entre la fibra de carbono y la matriz de resina previene eficazmente la propagación de grietas, el material presenta una buena resistencia a la fatiga. Además, debido a la inercia química de la superficie de la fibra de carbono, el casco presenta características que dificultan la epífita de organismos acuáticos y son resistentes a la corrosión, características que también se aplican en la construcción naval. Este es uno de los factores más importantes en la selección de materiales. Por lo tanto, los materiales compuestos de fibra de carbono poseen ventajas únicas de rendimiento integral en la construcción naval, y ahora se utilizan ampliamente en este campo. Al mismo tiempo, se ha impulsado el desarrollo de la industria de la fibra de carbono a partir de la expansión de su campo de aplicación.
1.1 Buques militares
Los compuestos de fibra de carbono poseen buenas propiedades acústicas, magnéticas y eléctricas: son transparentes, permeables al sonido y no magnéticos, por lo que pueden utilizarse para mejorar el sigilo de los buques de guerra. El uso de materiales compuestos en la superestructura del buque no solo reduce el peso del casco, sino que también transmite y recibe ondas electromagnéticas a una frecuencia predeterminada mediante el blindaje de la capa selectiva de frecuencia integrada en la capa intermedia para proteger las ondas electromagnéticas del radar enemigo. Por ejemplo, el crucero clase "Skjöld", construido por la Armada Noruega en 1999, utilizó un compuesto sándwich compuesto por una capa central de espuma de cloruro de polivinilo, fibra de vidrio y una capa intermedia de fibra de carbono. Este diseño no solo mejora la relación resistencia-peso, sino que también ofrece una buena resistencia al impacto. Su rendimiento también mejora considerablemente las características de bajo magnetismo, antiinfrarrojos y antirradar. Las fragatas suecas clase Visby, puestas en servicio en el año 2000, utilizan materiales compuestos de fibra de carbono, que cuentan con funciones especiales de reducción de peso y doble sigilo por radar e infrarrojos.
La aplicación de mástiles compuestos reforzados con fibra de carbono en buques ha ido en aumento. El buque LPD-17, puesto en servicio en Estados Unidos en 2006, utiliza un mástil compuesto avanzado con núcleo de fibra de carbono/balsa. A diferencia del mástil abierto original, el LPD-17 utiliza un nuevo sistema de mástil/detección completamente cerrado (AEM/S). La parte superior de este mástil compuesto de fibra de carbono está recubierta de material superficial selectivo en frecuencia (FSS), lo que permite el paso de ondas con una frecuencia específica, mientras que la mitad inferior puede reflejar las ondas de radar o ser absorbida por materiales absorbentes de radar. Por lo tanto, posee buenas funciones de sigilo y detección de radar. Además, diversas antenas y equipos relacionados están integrados uniformemente en la estructura, lo que dificulta su corrosión y facilita el mantenimiento del equipo. La Armada Europea ha desarrollado un mástil sensor integrado cerrado similar, fabricado con fibra de vidrio a base de nanofibras combinada con fibra de carbono como refuerzo. Este mástil permite que diversos haces de radar y señales de comunicación se transmitan sin interferencias, con una pérdida de señal extremadamente baja. En 2006, este mástil ATM de tecnología avanzada se utilizó en el portaaviones "Royal Ark" de la Armada británica.
Los compuestos de fibra de carbono también se pueden utilizar en otros aspectos de los buques. Por ejemplo, se pueden utilizar como hélice y eje de propulsión para mitigar las vibraciones y el ruido del casco, y se emplean principalmente en buques de reconocimiento y cruceros rápidos. También se pueden utilizar como timón en maquinaria y equipos, algunos dispositivos mecánicos especiales y sistemas de tuberías. Además, las cuerdas de fibra de carbono de alta resistencia también se utilizan ampliamente en cables de buques de guerra y otros artículos militares.
1.2Yates civiles
Los yates grandes suelen ser de propiedad privada y costosos, y requieren ligereza, alta resistencia y durabilidad. Los compuestos de fibra de carbono se pueden utilizar en diales de instrumentos y antenas, timones y estructuras reforzadas como cubiertas, camarotes y mamparos. El yate tradicional de compuestos está hecho principalmente de PRFV, pero debido a su insuficiente rigidez, el casco suele ser demasiado pesado a pesar de cumplir con los requisitos de diseño de rigidez, y la fibra de vidrio es un carcinógeno, cuya prohibición en el extranjero está en curso. La proporción de compuestos de fibra de carbono utilizados en los yates actuales ha aumentado significativamente, e incluso algunos los han utilizado. Por ejemplo, el superyate "Panamá", una barcaza doble de Baltic, tiene el casco y la cubierta revestidos con fibra de carbono y resina epoxi, estructura en forma de panal de Nomex y núcleo de espuma estructural Corecell™. El casco tiene 60 m de eslora, pero su peso total es de tan solo 210 t. El Sunreef 80 Levante, un catamarán de fibra de carbono construido por la empresa polaca Sunreef Yachts, utiliza compuestos sándwich de resina de viniléster, espuma de PVC y compuestos de fibra de carbono. Las botavaras del mástil están hechas de compuestos de fibra de carbono personalizados, y solo una parte del casco está hecha de PRFV. Su peso en vacío es de tan solo 45 toneladas. Ofrece alta velocidad, bajo consumo de combustible y un excelente rendimiento.
El yate "Zhongke·Lianya", construido en 2014, es actualmente el único yate fabricado íntegramente en fibra de carbono en China. Es un yate ecológico fabricado con una combinación de fibra de carbono y resina epoxi. Es un 30 % más ligero que un yate de fibra de vidrio del mismo tipo, además de ser más resistente, más rápido y consumir menos combustible.
Además, los cables del yate utilizan cabos de fibra de carbono de alta resistencia para garantizar la seguridad. Dado que la fibra de carbono tiene un módulo de tracción superior al del acero y una resistencia a la tracción varias veces o incluso decenas de veces superior, y posee la propiedad de tejido de la fibra, el cabo de fibra de carbono se utiliza como material base, lo que puede compensar el uso del cable de acero y el cable de polímero orgánico. Insuficiente.
2. Aplicación en el desarrollo de energía marina
2.1 Yacimientos submarinos de petróleo y gas
En los últimos años, el uso de materiales compuestos de fibra de carbono en la explotación petrolera marina se ha generalizado. La corrosión marina, el alto esfuerzo cortante y la fuerte cizalladura causada por las corrientes submarinas imponen requisitos estrictos en cuanto a resistencia a la corrosión, resistencia y propiedades de fatiga del material. Los compuestos de fibra de carbono ofrecen ventajas evidentes en cuanto a ligereza, durabilidad y anticorrosión en la explotación de yacimientos petrolíferos offshore: una plataforma de perforación a 1500 m de profundidad utiliza un cable de acero con una masa de aproximadamente 6500 t, mientras que la densidad del compuesto de fibra de carbono es la del acero convencional. Si se utiliza material compuesto de fibra de carbono para sustituir parte del acero, la capacidad de carga de la plataforma de perforación se reduce significativamente y se ahorra en el coste de construcción. El movimiento alternativo de la varilla de bombeo puede provocar fácilmente fatiga del material debido al desequilibrio de presión entre el agua de mar y la presión interna del tubo. La rotura y el uso de material compuesto de fibra de carbono pueden solucionar este problema. Debido a la resistencia a la corrosión del entorno de agua de mar, su vida útil en agua de mar es más larga que la del acero y la profundidad de uso es mayor.
Los compuestos de fibra de carbono se pueden utilizar en tuberías de pozos de producción, varillas de bombeo, tanques de almacenamiento, tuberías submarinas, cubiertas, etc., en plataformas de perforación petrolífera. El proceso de fabricación se divide en pultrusión y bobinado húmedo. La pultrusión se utiliza generalmente en tuberías comunes y de conexión. El método de bobinado se utiliza generalmente en la superficie del tanque de almacenamiento y el recipiente a presión, y también se puede utilizar en tuberías flexibles anisotrópicas donde el material compuesto de fibra de carbono se enrolla y se dispone en un ángulo específico en la capa de blindaje.
La varilla de bombeo continua de material compuesto de fibra de carbono presenta una estructura en forma de cinta, similar a una película, y posee buena flexibilidad. Producida y aplicada en Estados Unidos en la década de 1990. Está hecha de fibra de carbono como fibra de refuerzo y resina insaturada como material base. Se produce mediante un proceso de pultrusión tras un curado por reticulación a alta temperatura. De 2001 a 2003, China utilizó una varilla de bombeo de fibra de carbono y una varilla de bombeo de acero común en yacimientos petrolíferos de viga pura para construir un piloto. El uso de varillas de bombeo de fibra de carbono puede aumentar significativamente la producción de petróleo y reducir la carga del motor, lo que resulta en una mayor eficiencia energética. Además, la varilla de bombeo de compuesto de fibra de carbono es más resistente a la fatiga y a la corrosión que la varilla de bombeo de acero, y es más adecuada para su aplicación en el desarrollo de yacimientos petrolíferos submarinos.
2.2 Energía eólica marina
Los abundantes recursos eólicos marinos constituyen un área importante para el desarrollo futuro y constituyen el campo más avanzado y exigente de la tecnología eólica. China tiene una costa de aproximadamente 1800 km y cuenta con más de 6000 islas. La costa sureste y las regiones insulares son ricas en recursos eólicos y fáciles de desarrollar. En los últimos años, los departamentos pertinentes han apoyado los esfuerzos para promover el desarrollo de la energía eólica marina. Más del 90 % del peso de las palas de energía eólica consiste en materiales compuestos. Los fuertes vientos en el mar y la alta generación de energía requieren palas de mayor tamaño, con mayor resistencia y durabilidad. Obviamente, los materiales compuestos de fibra de carbono pueden satisfacer los requisitos de desarrollo de palas de generación de energía a gran escala, ligeras, de alto rendimiento y bajo costo, y son más adecuados para aplicaciones marinas que los materiales compuestos de fibra de vidrio.
Los compuestos de fibra de carbono ofrecen ventajas significativas en la generación de energía eólica marina. Las palas de compuesto de fibra de carbono son de baja calidad y alta rigidez, con un módulo de 3 a 8 veces superior al de las palas de fibra de vidrio. En entornos marinos, la humedad es alta, el clima es variable y el ventilador funciona las 24 horas. Las palas tienen buena resistencia a la fatiga y resisten las inclemencias del tiempo. Esto mejora su rendimiento aerodinámico y reduce la carga sobre la torre y el eje, lo que permite una salida de potencia más uniforme y equilibrada, mejorando así la eficiencia energética. Su conductividad, gracias a un diseño estructural especial, previene eficazmente los daños causados por rayos en las palas; reduce los costes de fabricación y transporte de las palas de aerogeneradores; y amortigua las vibraciones.
3. Aplicaciones de la ingeniería marina
Los materiales compuestos de fibra de carbono se utilizan en la construcción de ingeniería naval. Se caracterizan principalmente por su ligereza, alta resistencia y resistencia a la corrosión, y sustituyen a los materiales de construcción de acero tradicionales en forma de tendones y piezas estructurales para solucionar el problema del elevado coste del transporte del acero resistente a la erosión marina. Se han aplicado en edificios de arrecifes de islas marinas, muelles, plataformas flotantes, torres de iluminación, etc. El uso de compuestos de fibra de carbono para la restauración de obras de ingeniería comenzó en la década de 1980, cuando Mitsubishi Chemical Corporation de Japón lideró la investigación de las propiedades mecánicas de los compuestos de fibra de carbono y su aplicación en el refuerzo de obras de ingeniería. La investigación inicial se centró en el refuerzo de vigas de hormigón armado con compuestos de fibra de carbono, que posteriormente evolucionó hacia el refuerzo de diversas obras de ingeniería civil. La reparación de plataformas petrolíferas y puertos marinos con compuestos de fibra de carbono es solo un aspecto de su aplicación. Existen numerosos documentos relacionados. Cabe mencionar que la empresa estadounidense DFI utilizó varillas de fibra de carbono para reparar la terminal naval de Pearl Harbor. En aquel entonces, los técnicos utilizaron innovadoras varillas de fibra de carbono para reparar el refuerzo. El muelle reparado con varilla de fibra de carbono soporta 9 toneladas de acero desde una altura de 2,5 m. Se desmonta sin sufrir daños, y el efecto de mejora es evidente.
En cuanto a la aplicación de compuestos de fibra de carbono en la ingeniería marina, también se utilizan para la reparación y el refuerzo de tuberías o columnas submarinas. Los métodos tradicionales de mantenimiento, como la soldadura, la mejora de las soldaduras, las abrazaderas y el rejuntado, presentan limitaciones, y su uso es más restringido en el entorno marino. La reparación de compuestos de fibra de carbono se realiza principalmente con materiales de resina de alta resistencia y alta adherencia, como tela de fibra de carbono y resina epoxi, que se adhieren a la superficie a reparar, lo que los hace delgados, ligeros, resistentes, duraderos, fáciles de construir y adaptables a diferentes formas. Esto presenta una ventaja significativa.
Hora de publicación: 23 de marzo de 2019