Il materiale composito in fibra di carbonio è un materiale rinforzato con fibre, composto da fibra di carbonio e resina, metallo, ceramica e altre matrici. Grazie alla sua leggerezza, all'elevata resistenza, alla resistenza alle alte temperature, ecc., negli ultimi anni è stato ampiamente utilizzato in ambito aerospaziale, sportivo e ricreativo, nonché nel settore ferroviario ad alta velocità. È stato inoltre impiegato anche nei settori automobilistico e dell'ingegneria civile. I materiali compositi in fibra di carbonio offrono un'eccellente resistenza alla fatica, alla corrosione e ottime prestazioni costruttive grazie all'elevata resistenza meccanica, il che li rende adatti ad applicazioni marine con requisiti specifici in termini di proprietà dei materiali. Da tenere d'occhio. Negli ultimi anni, i compositi in fibra di carbonio hanno svolto un ruolo sempre più importante nella cantieristica navale, nello sviluppo energetico offshore e nelle riparazioni di ingegneria navale.
1.Applicazione a bordo
I compositi in fibra di carbonio presentano un vantaggio naturale rispetto ai materiali tradizionali per la costruzione navale. In primo luogo, presentano buone proprietà meccaniche. Lo scafo è realizzato con caratteristiche di leggerezza e basso consumo di carburante, e il processo di costruzione è relativamente semplice, il ciclo è breve e lo stampaggio è pratico, quindi i costi di costruzione e manutenzione sono molto inferiori a quelli di una nave in acciaio. Allo stesso tempo, poiché l'interfaccia tra la fibra di carbonio e la matrice di resina può prevenire efficacemente la propagazione delle cricche, il materiale presenta una buona resistenza alla fatica; inoltre, grazie all'inerzia chimica della superficie in fibra di carbonio, lo scafo presenta caratteristiche che lo rendono difficilmente attaccabile dagli organismi acquatici e resistente alla corrosione, caratteristiche che caratterizzano anche la costruzione navale. Uno dei fattori più importanti nella scelta dei materiali. Pertanto, i materiali compositi in fibra di carbonio offrono vantaggi prestazionali unici e completi nella costruzione navale e sono ora ampiamente utilizzati in questo campo. Allo stesso tempo, l'espansione del campo di applicazione ha favorito lo sviluppo dell'industria della fibra di carbonio.
1.1Navi militari
I compositi in fibra di carbonio presentano buone proprietà acustiche, magnetiche ed elettriche: sono trasparenti, permeabili al suono e amagnetici, quindi possono essere utilizzati per migliorare le prestazioni stealth delle navi da guerra. L'utilizzo di materiali compositi nella sovrastruttura della nave non solo riduce il peso dello scafo, ma trasmette e riceve anche onde elettromagnetiche a una frequenza predeterminata schermando lo strato selettivo in frequenza incorporato nell'interstrato per schermare le onde elettromagnetiche radar nemiche. Ad esempio, l'incrociatore di classe "Skjöld", costruito dalla Marina norvegese nel 1999, utilizzava un composito sandwich costituito da uno strato centrale in schiuma di polivinilcloruro, fibra di vetro e interstrato in fibra di carbonio. Questo design non solo migliora il rapporto resistenza/peso, ma offre anche una buona resistenza agli urti. Le prestazioni migliorano notevolmente anche le caratteristiche di bassa magneticità, scansione anti-infrarosso e anti-radar. Le fregate svedesi di classe Visby, entrate in servizio nel 2000, utilizzano tutte materiali compositi in fibra di carbonio, che presentano speciali funzioni di riduzione del peso e doppia stealth radar e infrarossa.
L'applicazione di alberi in composito rinforzato con fibra di carbonio sulle navi è emersa gradualmente. La nave LPD-17, entrata in servizio negli Stati Uniti nel 2006, utilizza un albero in composito avanzato con anima in fibra di carbonio/balsa. A differenza dell'albero aperto originale, l'LPD-17 utilizza un nuovo sistema di rilevamento/albero completamente chiuso (AEM/S). La parte superiore di questo albero in composito in fibra di carbonio ricopre il materiale superficiale selettivo in frequenza (FSS), consentendo il passaggio di onde con una frequenza specifica, mentre la metà inferiore può riflettere le onde radar o essere assorbita da materiali radar assorbenti. Pertanto, offre buone funzioni di stealth e rilevamento radar. Inoltre, diverse antenne e apparecchiature correlate sono combinate uniformemente nella struttura, il che non si corrode facilmente e favorisce la manutenzione delle apparecchiature. La Marina Militare Europea ha sviluppato un albero sensore chiuso simile, integrato, realizzato in fibra di vetro a nanofibre combinata con fibra di carbonio come rinforzo. Ciò consente a diversi fasci radar e segnali di comunicazione di passare indisturbati tra loro, con perdite estremamente basse. Nel 2006, questo albero ATM dalla tecnologia avanzata è stato utilizzato sulla portaerei "Royal Ark" della Marina britannica.
I compositi in fibra di carbonio possono essere utilizzati anche in altri aspetti della nave. Ad esempio, possono essere utilizzati come eliche e sistemi di alberi di propulsione nel sistema di propulsione per mitigare gli effetti delle vibrazioni e il rumore dello scafo, e sono utilizzati principalmente nelle navi da ricognizione e nelle navi da crociera veloci. Possono essere utilizzati come timoni in macchinari e attrezzature, in alcuni dispositivi meccanici speciali e nei sistemi di tubazioni. Inoltre, i cavi in fibra di carbonio ad alta resistenza sono ampiamente utilizzati anche nei cavi per navi da guerra e in altri dispositivi militari.
1.2Yacht civili
Gli yacht di grandi dimensioni sono generalmente di proprietà privata e costosi, e richiedono leggerezza, elevata resistenza e durata. I compositi in fibra di carbonio possono essere utilizzati nei quadranti e nelle antenne degli strumenti, nei timoni e nelle strutture rinforzate come ponti, cabine e paratie. Lo yacht composito tradizionale è realizzato principalmente in FRP, ma a causa dell'insufficiente rigidità, lo scafo risulta spesso troppo pesante nonostante i requisiti di progettazione in termini di rigidità, e la fibra di vetro è cancerogena, il cui utilizzo è gradualmente vietato all'estero. La percentuale di compositi in fibra di carbonio utilizzata negli yacht compositi di oggi è aumentata significativamente e alcuni hanno persino utilizzato compositi in fibra di carbonio. Ad esempio, il superyacht "Panama" di Baltic, a doppia chiatta, ha scafo e ponte rivestiti con un rivestimento in fibra di carbonio/resina epossidica, nido d'ape Nomex e anima in schiuma strutturale CorecellTM; lo scafo è lungo 60 m. Ma il peso totale è di sole 210 tonnellate. Il Sunreef 80 Levante, un catamarano in fibra di carbonio costruito dal cantiere polacco Sunreef Yachts, utilizza compositi sandwich in resina vinilestere, schiuma di PVC e compositi in fibra di carbonio. I boma dell'albero sono realizzati su misura in compositi in fibra di carbonio e solo una parte dello scafo è in FRP. Il peso a vuoto è di sole 45 tonnellate. Velocità elevata, bassi consumi e prestazioni eccellenti.
Lo yacht "Zhongke·Lianya", costruito nel 2014, è attualmente l'unico yacht interamente in fibra di carbonio in Cina. Si tratta di uno yacht ecologico realizzato con una combinazione di fibra di carbonio e resina epossidica. È il 30% più leggero dello stesso tipo di yacht in vetroresina e offre maggiore resistenza, velocità maggiore e consumi inferiori.
Inoltre, i cavi e i cavi dello yacht utilizzano funi in fibra di carbonio ad alta resistenza per garantire la sicurezza. Poiché la fibra di carbonio ha un modulo di trazione superiore a quello dell'acciaio e una resistenza alla trazione di diverse volte o addirittura decine di volte, e possiede la proprietà di intreccio della fibra, la fune in fibra di carbonio viene utilizzata come materiale di base, che può sostituire la fune in acciaio e la fune in polimero organico. Insufficiente.
2. Applicazione nello sviluppo dell'energia marina
2.1 Giacimenti sottomarini di petrolio e gas
Negli ultimi anni, i materiali compositi in fibra di carbonio sono diventati sempre più ampiamente utilizzati nel campo dello sviluppo di petrolio e gas marino. La corrosione in ambiente marino, l'elevato taglio e il forte taglio causato dal flusso d'acqua sottocorrente impongono requisiti rigorosi in termini di resistenza alla corrosione, resistenza e proprietà di fatica del materiale. I compositi in fibra di carbonio presentano evidenti vantaggi in termini di leggerezza, durata e resistenza alla corrosione nello sviluppo di giacimenti petroliferi offshore: una piattaforma di perforazione profonda 1500 m ha un cavo d'acciaio con una massa di circa 6500 tonnellate, mentre la densità del composito in fibra di carbonio è pari a quella dell'acciaio ordinario. 1/4, se il materiale composito in fibra di carbonio viene utilizzato per sostituire parte dell'acciaio, la capacità di carico della piattaforma di perforazione sarà significativamente ridotta e i costi di costruzione della piattaforma saranno risparmiati. Il movimento alternato dell'asta di aspirazione porterà facilmente alla fatica del materiale a causa dello squilibrio di pressione tra l'acqua di mare e la pressione all'interno del tubo. La rottura e l'utilizzo di materiali compositi in fibra di carbonio possono risolvere questo problema; Grazie alla resistenza alla corrosione dell'ambiente marino, la sua durata in acqua di mare è più lunga rispetto all'acciaio e la profondità di utilizzo è maggiore.
I compositi in fibra di carbonio possono essere utilizzati come tubi di produzione per pozzi, aste di pompaggio, serbatoi di stoccaggio, condotte sottomarine, ponti, ecc. nelle piattaforme di perforazione petrolifera. Il processo di produzione si divide in un processo di pultrusione e un processo di avvolgimento a umido. La pultrusione è generalmente utilizzata su tubi comuni e tubi di collegamento. Il metodo di avvolgimento è generalmente utilizzato come superficie del serbatoio di stoccaggio e del recipiente a pressione e può essere utilizzato anche in un tubo flessibile anisotropo in cui il materiale composito in fibra di carbonio viene avvolto e disposto con un'angolazione specifica nello strato di armatura.
L'asta di aspirazione continua in materiale composito in fibra di carbonio ha una struttura nastriforme simile a una pellicola e presenta una buona flessibilità. È stata prodotta e applicata dagli Stati Uniti negli anni '90. È realizzata in fibra di carbonio come fibra di rinforzo e resina insatura come materiale di base. Viene prodotta mediante processo di pultrusione dopo reticolazione e indurimento ad alta temperatura. Dal 2001 al 2003, la Cina ha utilizzato un'asta di aspirazione in fibra di carbonio e un'asta di aspirazione in acciaio ordinario nel giacimento petrolifero Pure beam per realizzare un pilota. L'utilizzo di un'asta di aspirazione in fibra di carbonio può aumentare significativamente la produzione di petrolio e ridurre il carico del motore, con una maggiore efficienza energetica. Inoltre, l'asta di aspirazione in composito in fibra di carbonio è più resistente alla fatica e alla corrosione rispetto all'asta di aspirazione in acciaio ed è più adatta all'applicazione nello sviluppo di giacimenti petroliferi sottomarini.
2.2 Energia eolica offshore
Le abbondanti risorse eoliche marine rappresentano un'area importante per lo sviluppo futuro e il campo più avanzato e impegnativo della tecnologia eolica. La costa cinese si estende per circa 1800 km e conta oltre 6.000 isole. La costa sud-orientale e le regioni insulari sono ricche di risorse eoliche e facili da sviluppare. Negli ultimi anni, gli sforzi per promuovere lo sviluppo dell'energia eolica offshore sono stati sostenuti dai dipartimenti competenti. Oltre il 90% del peso delle pale eoliche è costituito da materiali compositi. I forti venti in mare e l'elevata produzione di energia richiedono inevitabilmente pale più grandi, con una maggiore resistenza e durata specifiche. Ovviamente, i materiali compositi in fibra di carbonio possono soddisfare i requisiti per lo sviluppo di pale per la generazione di energia su larga scala, leggere, ad alte prestazioni e a basso costo, e sono più adatti alle applicazioni marine rispetto ai materiali compositi in fibra di vetro.
I compositi in fibra di carbonio offrono vantaggi significativi nella generazione di energia eolica marina. La pala in composito in fibra di carbonio è di bassa qualità ed elevata rigidità, e il modulo è da 3 a 8 volte superiore a quello del prodotto in fibra di vetro; l'umidità nell'ambiente marino è elevata, il clima è variabile e la ventola funziona 24 ore su 24. La pala ha una buona resistenza alla fatica e può resistere alle intemperie. Migliora le prestazioni aerodinamiche della pala e riduce il carico sulla torre e sull'asse, in modo che la potenza in uscita della ventola sia più fluida e bilanciata e l'efficienza energetica sia migliorata. Le prestazioni conduttive, grazie a uno speciale design strutturale, possono efficacemente prevenire i danni causati dai fulmini sulla pala; ridurre i costi di produzione e trasporto della pala della turbina eolica; e avere caratteristiche di smorzamento delle vibrazioni.
3. Applicazioni di ingegneria marina
I materiali compositi in fibra di carbonio sono utilizzati nelle costruzioni di ingegneria navale. Sfruttano principalmente le caratteristiche di leggerezza, elevata resistenza e resistenza alla corrosione, sostituendo i tradizionali materiali da costruzione in acciaio sotto forma di tendini e componenti strutturali per risolvere il problema degli elevati costi di trasporto dell'acciaio soggetto a erosione marina. Sono stati applicati a edifici per barriere coralline insulari offshore, banchine, piattaforme galleggianti, torri faro, ecc. L'uso di compositi in fibra di carbonio per il restauro ingegneristico è iniziato negli anni '80 e la Mitsubishi Chemical Corporation giapponese ha assunto un ruolo guida nella ricerca sulle proprietà meccaniche dei compositi in fibra di carbonio e sul loro utilizzo nel rinforzo ingegneristico. La ricerca iniziale si è concentrata sul rinforzo di travi in cemento armato utilizzando compositi in fibra di carbonio, che in seguito si è evoluta nel rinforzo e nel rinforzo di varie opere di ingegneria civile. La riparazione di piattaforme petrolifere e porti offshore con compositi in fibra di carbonio è solo un aspetto della sua applicazione. Esistono molti documenti correlati. Vale la pena ricordare che la società statunitense DFI ha utilizzato barre in fibra di carbonio per riparare il terminal della Marina di Pearl Harbor. All'epoca, i tecnici utilizzavano barre in fibra di carbonio innovative per riparare il rinforzo. Il pontile riparato in fibra di carbonio può resistere a carichi di acciaio di 9 tonnellate da 2,5 m di altezza. Cade senza danneggiarsi e l'effetto di miglioramento è evidente.
Per quanto riguarda l'applicazione dei compositi in fibra di carbonio nell'ingegneria navale, esiste anche un tipo di riparazione e rinforzo di condotte o colonne sottomarine. I metodi di manutenzione tradizionali come la saldatura, il miglioramento delle saldature, i morsetti, la stuccatura, ecc. presentano i loro limiti e il loro utilizzo è più limitato nell'ambiente marino. La riparazione dei compositi in fibra di carbonio è realizzata principalmente con materiali in resina ad alta resistenza e ad alta adesione, come il tessuto in fibra di carbonio e la resina epossidica, che aderiscono alla superficie da riparare, risultando sottili e leggeri, ad alta resistenza, di buona durata, pratici nella costruzione e adattabili a diverse forme. Presenta un vantaggio significativo.
Data di pubblicazione: 23 marzo 2019