O material composto de fibra de carbono é un material reforzado con fibra feito de fibra de carbono e resina, metal, cerámica e outras matrices. Debido á súa lixeireza, alta resistencia, alta resistencia á temperatura, etc., utilizouse amplamente nos últimos anos na industria aeroespacial, deportiva e de lecer, no ferrocarril de alta velocidade. Nos campos da automoción e da enxeñaría civil. Os materiais compostos de fibra de carbono teñen unha excelente resistencia á fatiga, á corrosión e un excelente rendemento de construción debido á súa alta resistencia, o que os fai axeitados para aplicacións mariñas con requisitos especiais sobre as propiedades dos materiais. Atención. Nos últimos anos, os materiais compostos de fibra de carbono desempeñaron un papel cada vez máis importante na construción naval, no desenvolvemento de enerxía no mar e na reparación de enxeñaría mariña.
1. Aplicación a bordo
Os materiais compostos de fibra de carbono teñen unha vantaxe natural sobre os materiais tradicionais para a construción naval. En primeiro lugar, os materiais compostos de fibra de carbono teñen boas propiedades mecánicas. O casco fabrícase coas características de peso lixeiro e baixo consumo de combustible, e o proceso de construción é relativamente sinxelo, o ciclo é curto e o moldeo é cómodo, polo que o custo de construción e mantemento é moito menor que o dun buque de aceiro. Ao mesmo tempo, dado que a interface entre a fibra de carbono e a matriz de resina pode evitar eficazmente a propagación de gretas, o material ten unha boa resistencia á fatiga; ademais, debido á inercia química da superficie da fibra de carbono, o casco ten as características de que os organismos acuáticos son difíciles de epifitar e resistentes á corrosión, o que tamén é a construción do barco. Un dos factores máis importantes na selección de materiais. Polo tanto, os materiais compostos de fibra de carbono teñen vantaxes de rendemento únicas e integrais na construción naval e agora son amplamente utilizados neste campo. Ao mesmo tempo, o desenvolvemento da industria da fibra de carbono foi promovido a partir da expansión do campo de aplicación.
1.1 Buques militares
Os materiais compostos de fibra de carbono teñen boas propiedades acústicas, magnéticas e eléctricas: son transparentes, permeables ao son e non magnéticos, polo que se poden empregar para mellorar o rendemento furtivo dos buques de guerra. O uso de materiais compostos na superestrutura do barco non só reduce o peso do casco, senón que tamén transmite e recibe ondas electromagnéticas a unha frecuencia predeterminada ao protexer a capa selectiva de frecuencia incrustada na intercapa para protexer as ondas electromagnéticas do radar inimigo. Por exemplo, o cruceiro da clase "skjold" construído pola Armada Norueguesa en 1999 empregou un composto tipo sándwich que consiste nunha capa central de escuma de cloruro de polivinilo, fibra de vidro e intercapa de fibra de carbono. Este deseño non só mellora a relación resistencia-peso, senón que tamén ten unha boa resistencia ao impacto. O rendemento tamén mellora considerablemente as características de escaneo de baixa magnetización, antiinfravermello e antiradar. As fragatas suecas da clase Visby, que foron postas en servizo no ano 2000, empregan materiais compostos de fibra de carbono, que teñen funcións especiais de redución de peso, radar e dobre furtividade infravermella.
A aplicación de mastros compostos reforzados con fibra de carbono en barcos foi xurdindo gradualmente. O barco LPD-17, que foi comisionado nos Estados Unidos en 2006, usa un mastro composto avanzado con núcleo de fibra de carbono/balsa. A diferenza do mastro aberto orixinal, o LPD-17 usa un novo sistema de mastro/sensores totalmente pechado (AEM/S), a parte superior deste mastro composto de fibra de carbono cobre o material superficial selectivo de frecuencia (FSS), o que permite que as ondas cunha frecuencia específica pasen a través del, e a metade inferior pode reflectir as ondas de radar ou ser absorbida por materiais absorbentes de radar. Polo tanto, ten boas funcións de sigilo e detección de radar. Ademais, varias antenas e equipos relacionados están combinados uniformemente na estrutura, o que non é doado de corroer e é máis propicio para o mantemento do equipo. A Armada Europea desenvolveu un mastro sensor integrado pechado similar feito de fibra de vidro fabricada con nanofibra combinada con fibra de carbono como reforzo. Permite que varios feixes de radar e sinais de comunicación pasen sen ser perturbados entre si, e a perda é extremadamente baixa. En 2006, este caixeiro automático de mastro de tecnoloxía avanzada utilizouse no portaavións "Royal Ark" da Armada Británica.
Os compostos de fibra de carbono tamén se poden empregar noutros aspectos do barco. Por exemplo, pódense empregar como sistema de hélice e eixo de propulsión no sistema de propulsión para mitigar os efectos de vibración e o ruído do casco, e úsanse principalmente en barcos de recoñecemento e cruceiros rápidos. Poden empregarse como temón en maquinaria e equipos, algúns dispositivos mecánicos especiais e sistemas de tubaxes. Ademais, as cordas de fibra de carbono de alta resistencia tamén se empregan amplamente en cables de buques de guerra navais e outros artigos militares.
1.2 Iates civís
Os iates grandes adoitan ser de propiedade privada e caros, o que require lixeireza, alta resistencia e durabilidade. Os materiais compostos de fibra de carbono pódense usar nos indicadores de instrumentos e antenas dos iates, nos temóns e en estruturas reforzadas como cubertas, cabinas e mamparos de barcos. O iate composto tradicional está feito principalmente de FRP, pero debido á rixidez insuficiente, o casco adoita ser demasiado pesado despois de cumprir os requisitos de deseño de rixidez, e a fibra de vidro é un carcinóxeno, o que se está a prohibir gradualmente no estranxeiro. A proporción de materiais compostos de fibra de carbono utilizados nos iates compostos actuais aumentou significativamente e algúns incluso utilizaron materiais compostos de fibra de carbono. Por exemplo, no superiate "Panama" de Baltic, unha barcaza dobre, o casco e a cuberta están intercalados cunha pel de fibra de carbono/resina epoxi, un panal de abella Nomex e un núcleo de escuma estrutural CorecellTM, o casco ten 60 m de longo. Pero o peso total é de só 210 toneladas. O Sunreef 80 Levante, un catamarán de fibra de carbono construído pola empresa polaca de catamaráns Sunreef Yachts, emprega materiais compostos tipo sándwich de resina de éster de vinilo, escuma de PVC e materiais compostos de fibra de carbono. As botavaras do mastro son materiais compostos de fibra de carbono personalizados e só unha parte do casco emprega FRP. O peso sen carga é de só 45 toneladas. Velocidade elevada, baixo consumo de combustible e excelente rendemento.
O iate "Zhongke·Lianya" construído en 2014 é actualmente o único iate de fibra de carbono na China. Trátase dun iate ecolóxico feito dunha combinación de fibra de carbono e resina epoxi. É un 30 % máis lixeiro que o mesmo tipo de iate de fibra de vidro e ten maior resistencia, maior velocidade e menor consumo de combustible.
Ademais, os cables e cables do iate empregan cordas de fibra de carbono de alta resistencia para garantir a seguridade. Dado que a fibra de carbono ten un módulo de tracción superior ao do aceiro e unha resistencia á tracción varias veces ou incluso decenas de veces, e ten a propiedade tecida da fibra, a corda de fibra de carbono utilízase como material base, que pode compensar a corda de aceiro e a corda de polímero orgánico. Insuficiente.z
2. Aplicación no desenvolvemento da enerxía mariña
2.1 Campos de petróleo e gas submarinos
Nos últimos anos, os materiais compostos de fibra de carbono empregáronse cada vez máis no campo do desenvolvemento de petróleo e gas mariño. A corrosión no ambiente mariño, o alto cizallamento e o forte cizallamento causado polo fluxo de corrente baixa da auga impoñen requisitos estritos sobre as propiedades de resistencia á corrosión, resistencia e fatiga do material. Os compostos de fibra de carbono teñen vantaxes obvias en canto a lixeireza, durabilidade e anticorrosión no desenvolvemento de campos petrolíferos mariños: unha plataforma de perforación a 1500 m de profundidade ten un cable de aceiro cunha masa duns 6500 t, mentres que a densidade do composto de fibra de carbono é de aceiro ordinario. 1/4, se se usa material composto de fibra de carbono para substituír parte do aceiro, a capacidade de carga da plataforma de perforación reducirase significativamente e aforrarase o custo de construción da plataforma. O movemento alternativo da vara de bombeo levará facilmente á fatiga do material debido á presión desequilibrada entre a auga do mar e a presión dentro do tubo. Romper e usar material composto de fibra de carbono pode resolver este problema; debido á resistencia á corrosión do ambiente da auga do mar, a súa vida útil na auga do mar é maior que a do aceiro e a profundidade de uso é máis profunda.
Os compostos de fibra de carbono pódense usar como tubos de pozos de produción, varillas de succión, tanques de almacenamento, oleodutos submarinos, plataformas, etc. en plataformas de perforación de campos petrolíferos. O proceso de fabricación divídese nun proceso de pultrusión e un proceso de enrolamento húmido. A pultrusión úsase xeralmente en tubos comúns e tubos de conexión. O método de enrolamento úsase xeralmente como superficie do tanque de almacenamento e do recipiente a presión, e tamén se pode usar nun tubo flexible anisotrópico no que o material composto de fibra de carbono se enrola e se dispón nun ángulo específico na capa de armadura.
A vara de succión continua de material composto de fibra de carbono ten unha estrutura en forma de cinta similar á película e ten boa flexibilidade. Producida e aplicada polos Estados Unidos na década de 1990. Está feita de fibra de carbono como fibra de reforzo e resina insaturada como material base. Prodúcese mediante un proceso de pultrusión despois do curado por reticulación a alta temperatura. De 2001 a 2003, China utilizou unha vara de succión de fibra de carbono e unha vara de succión de aceiro ordinaria no campo de petróleo de feixe puro para fabricar un piloto. O uso de vara de succión de fibra de carbono pode aumentar significativamente a produción de petróleo e reducir a carga do motor, o que é máis eficiente enerxeticamente. Ademais, a vara de succión composta de fibra de carbono é máis resistente á fatiga e á corrosión que a vara de succión de aceiro, e é máis axeitada para a súa aplicación no desenvolvemento de campos petrolíferos submarinos.
2.2 Enerxía eólica mariña
Os abundantes recursos de enerxía eólica no mar constitúen unha área importante para o desenvolvemento futuro e o campo máis avanzado e esixente da tecnoloxía eólica. A costa da China ten uns 1800 km e hai máis de 6000 illas. A costa sueste e as rexións insulares son ricas en recursos eólicos e fáciles de desenvolver. Nos últimos anos, os esforzos para promover o desenvolvemento da enerxía eólica mariña recibiron o apoio dos departamentos pertinentes. Máis do 90 % do peso das palas de enerxía eólica consiste en materiais compostos. Os fortes ventos no mar e a xeración de alta potencia requirirán palas máis grandes e unha mellor resistencia e durabilidade específicas. Obviamente, os materiais compostos de fibra de carbono poden cumprir os requisitos do desenvolvemento de palas de xeración de enerxía a grande escala, lixeiras, de alto rendemento e de baixo custo, e son máis axeitados para aplicacións mariñas que os materiais compostos de fibra de vidro.
Os materiais compostos de fibra de carbono teñen vantaxes significativas na xeración de enerxía eólica mariña. A pala composta de fibra de carbono ten baixa calidade e alta rixidez, e o módulo é de 3 a 8 veces maior que o do produto de fibra de vidro; a humidade é alta no ambiente mariño, o clima é cambiante e o ventilador funciona durante 24 horas. A pala ten unha boa resistencia á fatiga e pode resistir o mal tempo. Mellora o rendemento aerodinámico da pala e reduce a carga na torre e no eixo, de xeito que a potencia de saída do ventilador é máis suave e equilibrada, e a eficiencia enerxética mellora. O rendemento condutivo, a través dun deseño estrutural especial, pode evitar eficazmente os danos causados polos raios na pala; reduce o custo de fabricación e transporte da pala da turbina eólica; e ten características de amortiguación de vibracións.
3. Aplicacións da enxeñaría mariña
Os materiais compostos de fibra de carbono utilízanse en edificios de enxeñaría mariña. Empregan principalmente as características de lixeireza, alta resistencia e resistencia á corrosión, e substitúen os materiais de construción tradicionais de aceiro en forma de tendóns e pezas estruturais para resolver o problema do alto custo de transporte do aceiro pola erosión da auga do mar e o transporte. Aplicouse a edificios de arrecifes de illas mariñas, peiraos, plataformas flotantes, torres de iluminación, etc. O uso de compostos de fibra de carbono para a restauración de enxeñaría comezou na década de 1980, e Mitsubishi Chemical Corporation do Xapón tomou a iniciativa na investigación das propiedades mecánicas dos compostos de fibra de carbono e a súa aplicación no reforzo de enxeñaría. O foco inicial da investigación foi o reforzo de vigas de formigón armado utilizando compostos de fibra de carbono, que posteriormente evolucionaron cara ao reforzo de diversas enxeñarías civís. A reparación de plataformas petrolíferas e portos mariños mediante compostos de fibra de carbono é só un aspecto da súa aplicación. Hai moitos documentos relacionados. Cómpre mencionar que a empresa estadounidense DFI utilizou varas de fibra de carbono para reparar a terminal de Pearl Harbor da Armada. Naquel momento, os técnicos utilizaron varas de fibra de carbono innovadoras para reparar o reforzo. O peirao reparado con varas de fibra de carbono pode soportar aceiro de 9 toneladas desde 2,5 m de altura. Cae sen danarse e o efecto de mellora é obvio.
En canto á aplicación de materiais compostos de fibra de carbono na enxeñaría mariña, tamén existe un tipo de reparación e reforzo de tubaxes ou columnas submarinas. Os métodos tradicionais de mantemento, como a soldadura, a mellora de soldaduras, as abrazaderas, a rejuntadura, etc., teñen as súas propias limitacións, e o uso destes métodos é máis restrinxido no ambiente mariño. A reparación de materiais compostos de fibra de carbono faise principalmente con materiais de resina de alta resistencia e alta adhesividade, como tecido de fibra de carbono e resina epoxi, que se adhiren á superficie de reparación, polo que é delgado e lixeiro, de alta resistencia, boa durabilidade, cómoda na construción e adaptable a diferentes formas. Ten unha vantaxe significativa.
Data de publicación: 23 de marzo de 2019