Hiilikuitukomposiittimateriaali on kuituvahvisteinen materiaali, joka on valmistettu hiilikuidusta ja hartsista, metallista, keramiikasta ja muista matriiseista. Keveytensä, korkean lujuutensa ja korkean lämpötilan kestävyytensä ansiosta sitä on käytetty laajalti ilmailu- ja avaruustekniikassa, urheilu- ja vapaa-ajanviettokyvyssä sekä suurnopeusjunissa viime vuosina. Myös autoteollisuudessa ja maanrakennustekniikassa. Hiilikuitukomposiittimateriaaleilla on erinomainen väsymiskestävyys, korroosionkestävyys ja erinomaiset rakenteelliset ominaisuudet suuren lujuuden ja lujuuden ansiosta, mikä tekee niistä sopivia merisovelluksiin, joissa on erityisvaatimuksia materiaalien ominaisuuksille. Viime vuosina hiilikuitukomposiiteilla on ollut yhä tärkeämpi rooli laivanrakennuksessa, offshore-energiantuotannossa ja meritekniikan korjauksessa.
1. Hakemus aluksella
Hiilikuitukomposiiteilla on luontainen etu perinteisiin laivanrakennusmateriaaleihin verrattuna. Ensinnäkin hiilikuitukomposiiteilla on hyvät mekaaniset ominaisuudet. Runko on valmistettu kevyeksi ja polttoaineenkulutukseltaan alhaiseksi, ja rakennusprosessi on suhteellisen yksinkertainen, sykli on lyhyt ja muovaus on kätevää, joten rakennus- ja ylläpitokustannukset ovat paljon alhaisemmat kuin teräslaivan. Samaan aikaan, koska hiilikuidun ja hartsimatriisin välinen rajapinta voi tehokkaasti estää halkeamien etenemisen, materiaalilla on hyvä väsymiskestävyys. Lisäksi hiilikuitupinnan kemiallisen inertin rakenteen ansiosta rungolla on ominaisuudet, jotka tekevät siitä vaikeasti epifyyttisen ja korroosionkestävän vesieliöille, mikä on myös laivanrakennusominaisuus. Yksi tärkeimmistä tekijöistä materiaalien valinnassa. Siksi hiilikuitukomposiittimateriaaleilla on ainutlaatuisia kattavia suorituskykyetuja laivanrakennuksessa, ja niitä käytetään nyt laajalti tällä alalla. Samalla hiilikuituteollisuuden kehitys on edistetty sovellusalueen laajenemisesta.
1.1 Sotilasalukset
Hiilikuitukomposiiteilla on hyvät akustiset, magneettiset ja sähköiset ominaisuudet: ne ovat läpinäkyviä, ääntä läpäiseviä ja ei-magneettisia, joten niitä voidaan käyttää sota-alusten häiveominaisuuksien parantamiseen. Komposiittimateriaalien käyttö aluksen ylärakenteessa ei ainoastaan vähennä rungon painoa, vaan se myös lähettää ja vastaanottaa sähkömagneettisia aaltoja ennalta määrätyllä taajuudella suojaamalla välikerrokseen upotettua taajuusselektiivistä kerrosta, joka suojaa vihollisen tutkan sähkömagneettisilta aalloilta. Esimerkiksi Norjan laivaston vuonna 1999 rakentama "skjold"-luokan risteilijä käytti voileipäkomposiittia, joka koostui polyvinyylikloridivaahtoydinkerroksesta, lasikuidusta ja hiilikuituvälikerroksesta. Tämä rakenne ei ainoastaan paranna lujuus-painosuhdetta, vaan sillä on myös hyvä iskunkestävyys. Suorituskyky parantaa myös huomattavasti matalamagneettisia, infrapuna- ja tutkatunnistusominaisuuksia. Vuonna 2000 käyttöönotetuissa ruotsalaisissa Visby-luokan fregateissa käytetään kaikki hiilikuitukomposiittimateriaaleja, joilla on erityistoimintoja painon vähentäminen, tutka ja infrapunainen kaksoishiiviskely.
Hiilikuituvahvisteisten komposiittimastojen käyttö laivoissa on yleistynyt vähitellen. Yhdysvalloissa vuonna 2006 käyttöön otettu LPD-17-alus käyttää hiilikuitu-/Balsa-ytimestä valmistettua edistynyttä komposiittimastoa. Toisin kuin alkuperäinen avoin masto, LPD-17 käyttää uutta täysin suljettua masto-/anturijärjestelmää (AEM/S). Tämän hiilikuitukomposiittimaston yläosa peittää taajuusselektiivisen pintamateriaalin (FSS), joka päästää tietyn taajuuden omaavat aallot läpi, ja alaosa voi heijastaa tutka-aaltoja tai absorboitua tutkaa absorboiviin materiaaleihin. Siksi sillä on hyvät tutkan häive- ja havaitsemistoiminnot. Lisäksi erilaiset antennit ja niihin liittyvät laitteet on yhdistetty tasaisesti rakenteeseen, mikä ei ole helppo korrodoitua ja edistää laitteiden huoltoa. Euroopan laivasto on kehittänyt vastaavan suljetun integroidun anturimaston, joka on valmistettu nanokuiduista valmistetusta lasikuidusta ja hiilikuidusta vahvikkeena. Se sallii erilaisten tutkasäteiden ja tietoliikennesignaalien häiriöttömän kulun toistensa kanssa, ja häviöt ovat erittäin pienet. Vuonna 2006 tätä edistyksellistä teknologiaa hyödyntävää mastoautomaattia käytettiin Britannian laivaston Royal Ark -lentotukialuksella.
Hiilikuitukomposiitteja voidaan käyttää myös muissa laivan osissa. Esimerkiksi niitä voidaan käyttää potkurina ja propulsioakselijärjestelmänä propulsiojärjestelmässä rungon tärinävaikutusten ja melun lieventämiseksi, ja niitä käytetään enimmäkseen tiedustelualuksissa ja nopeissa risteilyaluksissa. Niitä voidaan käyttää peräsimenä koneissa ja laitteissa, joissakin erikoismekaanisissa laitteissa ja putkistojärjestelmissä. Lisäksi erittäin lujia hiilikuituköysiä käytetään laajalti myös laivaston sota-alusten kaapeleissa ja muissa sotilastuotteissa.
1.2 Siviilijahdit
Suuret jahdit ovat yleensä yksityisomistuksessa ja kalliita, ja niiltä vaaditaan keveyttä, suurta lujuutta ja kestävyyttä. Hiilikuitukomposiitteja voidaan käyttää jahtien mittaritauluissa ja antenneissa, peräsimissä sekä vahvistetuissa rakenteissa, kuten kansissa, hyteissä ja laivojen laipioissa. Perinteinen komposiittijahti on pääasiassa valmistettu FRP:stä, mutta riittämättömän jäykkyyden vuoksi runko on usein liian painava jäykkyyssuunnitteluvaatimusten täyttämisen jälkeen, ja lasikuitu on syöpää aiheuttava aine, jonka käyttö on vähitellen kielletty ulkomailla. Nykyisissä komposiittijahdeissa käytettyjen hiilikuitukomposiittien osuus on kasvanut merkittävästi, ja joissakin on jopa käytetty hiilikuitukomposiitteja. Esimerkiksi Balticin superjahdin "Panama" kaksoisproomussa runko ja kansi on kerrostettu hiilikuitu-/epoksihartsipäällysteellä, Nomex-kennorakenteisella rakenteellisella vaahtoytimellä, ja rungon pituus on 60 metriä. Kokonaispaino on kuitenkin vain 210 tonnia. Puolalaisen katamaraaniyhtiö Sunreef Yachtsin rakentama hiilikuituinen katamaraani Sunreef 80 Levante käyttää vinyyliesterihartsikomposiitteja, PVC-vaahtoa ja hiilikuitukomposiitteja. Maston puomit ovat mittatilaustyönä valmistettuja hiilikuitukomposiitteja, ja vain osa rungosta on valmistettu lasikuitumuodista. Tyhjäpaino on vain 45 tonnia. Nopea nopeus, alhainen polttoaineenkulutus ja erinomainen suorituskyky.
Vuonna 2014 rakennettu ”Zhongke·Lianya”-jahti on tällä hetkellä Kiinan ainoa kokonaan hiilikuituinen jahti. Se on ympäristöystävällinen jahti, joka on valmistettu hiilikuidun ja epoksihartsin yhdistelmästä. Se on 30 % kevyempi kuin vastaavan tyyppinen lasikuitujahti ja sillä on suurempi lujuus, suurempi nopeus ja pienempi polttoaineenkulutus.
Lisäksi jahdin kaapeleissa ja vaijereissa käytetään turvallisuuden varmistamiseksi erittäin lujia hiilikuituköysiä. Koska hiilikuidun vetolujuusmoduuli on teräkseen verrattuna suurempi ja vetolujuus useita kertoja tai jopa kymmeniä kertoja, ja sillä on kuidun kudontaominaisuus, hiilikuituköyttä käytetään perusmateriaalina, joka voi korvata teräsköyden ja orgaanisen polymeeriköyden. Riittämätön.z
2. Sovellus merienergian kehittämisessä
2.1 Sukellusveneiden öljy- ja kaasukentät
Viime vuosina hiilikuitukomposiittimateriaaleja on käytetty yhä laajemmin meren öljyn- ja kaasuntuotannossa. Meriympäristön korroosio, korkea leikkausvoima ja veden alivirtauksen aiheuttama voimakas leikkausvoima asettavat tiukat vaatimukset materiaalin korroosionkestävyydelle, lujuudelle ja väsymisominaisuuksille. Hiilikuitukomposiiteilla on ilmeisiä etuja keveyden, kestävyyden ja korroosionkestävyyden suhteen offshore-öljykenttien kehittämisessä: 1500 metrin syvyydessä porauslautalla on noin 6500 tonnin massainen teräsvaijeri, kun taas hiilikuitukomposiitin tiheys on tavallista terästä. Jos hiilikuitukomposiittimateriaalia käytetään korvaamaan osa teräksestä, porauslautan kuormituskyky pienenee merkittävästi ja lautan rakennuskustannukset säästyvät. Imukupin edestakainen liike johtaa helposti materiaalin väsymiseen meriveden ja putken sisäisen paineen välisen epätasapainon vuoksi. Hiilikuitukomposiittimateriaalin rikkominen ja käyttö voi ratkaista tämän ongelman; merivesiympäristön korroosionkestävyyden ansiosta sen käyttöikä merivedessä on pidempi kuin teräksellä ja käyttösyvyys on suurempi.
Hiilikuitukomposiitteja voidaan käyttää öljykenttien porauslautoilla tuotantoputkina, imutankoina, varastosäiliöinä, sukellusveneputkistojen, kansien jne. Valmistusprosessi jaetaan pultruusioprosessiin ja märkäkäämitysprosessiin. Pultruusiota käytetään yleensä tavallisissa putkissa ja liitosputkissa. Käämitysmenetelmää käytetään yleensä varastosäiliön ja paineastian pinnalla, ja sitä voidaan käyttää myös anisotrooppisessa joustavassa putkessa, jossa hiilikuitukomposiittimateriaali on kierretty ja järjestetty tiettyyn kulmaan panssarikerroksessa.
Hiilikuitukomposiittimateriaalista valmistettu jatkuva imutanko on nauhamainen rakenne, joka muistuttaa kalvoa ja jolla on hyvä joustavuus. Yhdysvallat valmisti ja otti sen käyttöön 1990-luvulla. Se on valmistettu hiilikuidusta lujitekuituna ja tyydyttymättömästä hartsista perusmateriaalina. Se valmistetaan pultruusioprosessilla korkeassa lämpötilassa tapahtuvan ristisilloituskovettamisen jälkeen. Vuosina 2001–2003 Kiinassa käytettiin hiilikuituimutankoa ja tavallista teräksistä imutankoa puhdaspalkkiöljykentillä pilottimoottorin valmistukseen. Hiilikuituimutangon käyttö voi merkittävästi lisätä öljyntuotantoa ja vähentää moottorin kuormitusta, mikä on energiatehokkaampaa. Lisäksi hiilikuitukomposiittiimutanko on väsymis- ja korroosionkestävämpi kuin teräksinen imutanko, ja se soveltuu paremmin merenalaisten öljykenttien kehittämiseen.
2.2 Merituulivoima
Meren runsaat tuulivoimavarat ovat tärkeä alue tulevaisuuden kehitykselle ja tuulivoimateknologian edistynein ja vaativin ala. Kiinan rannikko on noin 1800 km pitkä ja siellä on yli 6 000 saarta. Kaakkoisrannikko ja saaristoalueet ovat rikkaat tuulivoimavaroiltaan ja helposti kehitettäviä. Viime vuosina asiaankuuluvat osastot ovat tukeneet toimia merituulivoiman kehittämisen edistämiseksi. Yli 90 % tuulivoimaloiden lapojen painosta koostuu komposiittimateriaaleista. Suuret merituulet ja suuri sähköntuotanto vaativat väistämättä suurempia lapoja sekä parempaa ominaislujuutta ja kestävyyttä. Hiilikuitukomposiittimateriaalit voivat luonnollisesti täyttää suurten, kevyiden, tehokkaiden ja edullisten sähköntuotantolapojen kehittämisen vaatimukset, ja ne sopivat paremmin merisovelluksiin kuin lasikuitukomposiittimateriaalit.
Hiilikuitukomposiiteilla on merkittäviä etuja merituulivoiman tuotannossa. Hiilikuitukomposiittiterällä on heikko laatu ja korkea jäykkyys, ja sen moduuli on 3–8 kertaa suurempi kuin lasikuitutuotteella; meriympäristön kosteus on korkea, ilmasto on vaihteleva ja tuuletin toimii 24 tuntia vuorokaudessa. Terällä on hyvä väsymiskestävyys ja se kestää huonoa säätä. Se parantaa terän aerodynaamista suorituskykyä ja vähentää tornin ja akselin kuormitusta, jolloin tuulettimen lähtöteho on tasaisempi ja tasapainoisempi ja energiatehokkuus paranee. Johtava suorituskyky erityisen rakennesuunnittelun ansiosta voi tehokkaasti estää salamaniskun aiheuttamat vauriot terään; vähentää tuuliturbiinin terän valmistus- ja kuljetuskustannuksia; ja sillä on tärinänvaimennusominaisuuksia.
3. Meritekniikan sovellukset
Hiilikuitukomposiittimateriaaleja käytetään laivatekniikan rakennuksissa. Ne hyödyntävät pääasiassa keveyttä, korkeaa lujuutta ja korroosionkestävyyttä ja korvaavat perinteisiä teräsrakennusmateriaaleja jänteiden ja rakenneosien muodossa ratkaistakseen meriveden aiheuttaman eroosion aiheuttaman teräksen korkeiden kuljetuskustannusten ongelman. Niitä on sovellettu offshore-saarien riuttarakennuksiin, telakoille, kelluville alustoille, valotorneihin jne. Hiilikuitukomposiittien käyttö insinöörien restauroinnissa alkoi 1980-luvulla, ja japanilainen Mitsubishi Chemical Corporation otti johtoaseman hiilikuitukomposiittien mekaanisten ominaisuuksien ja niiden sovellusten tutkimuksessa insinöörien raudoituksessa. Alkuperäinen tutkimus keskittyi teräsbetonipalkkien raudoittamiseen hiilikuitukomposiiteilla, jotka myöhemmin kehittyivät erilaisten maanrakennusten raudoittamiseen ja vahvistamiseen. Offshore-öljynporauslauttojen ja satamien korjaus hiilikuitukomposiiteilla on vain yksi sen soveltamisen osa-alue. Aiheeseen liittyviä asiakirjoja on monia. On syytä mainita, että yhdysvaltalainen DFI-yritys käytti hiilikuitutankoja laivaston Pearl Harbor -terminaalin korjaamiseen. Tuolloin teknikot käyttivät innovatiivisia hiilikuitutankoja raudoitusten korjaamiseen. Hiilikuitutankojen avulla korjattu telakka kestää 9 tonnin terästä 2,5 metrin korkeudesta. Se putoaa vaurioitumatta, ja parannusvaikutus on ilmeinen.
Hiilikuitukomposiittien soveltamisen osalta meritekniikassa on myös eräänlainen sukellusveneiden putkistojen tai pylväiden korjaus ja vahvistaminen. Perinteisillä kunnossapitomenetelmillä, kuten hitsauksella, hitsauksen parantamisella, puristimilla, injektoinnilla jne., on omat rajoituksensa, ja näiden menetelmien käyttö on meriympäristössä rajoitetumpaa. Hiilikuitukomposiittien korjaus valmistetaan pääasiassa erittäin lujista ja tarttuvista hartsimateriaaleista, kuten hiilikuitukankaasta ja epoksihartsista, jotka kiinnitetään korjauspintaan, joten ne ovat ohuita ja kevyitä, erittäin lujia, kestäviä, rakenteeltaan käteviä ja mukautuvat eri muotoihin. Niillä on merkittävä etu.
Julkaisun aika: 23.3.2019