탄소 섬유 복합재는 탄소 섬유와 수지, 금속, 세라믹 등의 매트릭스로 만들어진 섬유 강화 소재입니다. 경량, 고강도, 내열성 등의 특징으로 인해 최근 항공우주, 스포츠 및 레저, 고속철도 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 자동차 및 토목 공학 분야에서도 탄소 섬유 복합재는 고강도 및 고강도 특성으로 인해 뛰어난 피로 저항성, 내식성, 그리고 시공 성능이 뛰어나 특수한 재료 특성이 요구되는 해양 분야에 적합합니다. 탄소 섬유 복합재는 최근 조선, 해양 에너지 개발, 해양 엔지니어링 수리 분야에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다.
1. 기내 신청
탄소 섬유 복합재는 기존 조선 재료에 비해 우수한 장점을 가지고 있습니다. 첫째, 탄소 섬유 복합재는 우수한 기계적 성질을 가지고 있습니다. 선체는 가볍고 연료 소비량이 낮은 특성을 가지고 있으며, 건조 공정이 비교적 간단하고 주기가 짧으며 성형이 편리하여 강철선보다 건조 및 유지 보수 비용이 훨씬 저렴합니다. 또한, 탄소 섬유와 수지 매트릭스의 계면이 균열 확산을 효과적으로 방지하여 피로 저항성이 우수합니다. 또한, 탄소 섬유 표면의 화학적 불활성으로 인해 선체는 수생 생물의 부착이 어렵고 내부식성이 우수하여 선박 건조에 중요한 요소입니다. 이는 재료 선택의 가장 중요한 요소 중 하나입니다. 따라서 탄소 섬유 복합재는 조선 분야에서 독보적인 종합적인 성능 우위를 가지고 있으며, 현재 이 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 동시에 탄소 섬유 산업의 발전은 응용 분야 확장을 통해 촉진되고 있습니다.
1.1 군함
탄소 섬유 복합재는 음향, 자기 및 전기적 특성이 우수합니다.투명하고, 음향 투과성이 있으며, 비자성이므로 군함의 스텔스 성능을 향상시키는 데 사용할 수 있습니다.함선의 상부 구조에 복합 재료를 사용하면 선체의 무게를 줄일 뿐만 아니라 중간층에 내장된 주파수 선택층을 차폐하여 적의 레이더 전자파를 차폐함으로써 미리 정해진 주파수의 전자파를 송수신합니다.예를 들어, 1999년 노르웨이 해군이 건조한 "skjold"급 순양함은 폴리염화비닐 폼 코어층, 유리 섬유 및 탄소 섬유 중간층으로 구성된 샌드위치 복합재를 사용했습니다.이 설계는 강도 대 중량비를 향상시킬 뿐만 아니라 내충격성도 우수합니다.또한 성능은 낮은 자기, 적외선 및 레이더 스캐닝 방지 특성을 크게 향상시킵니다. 2000년에 취역한 스웨덴의 비스비급 호위함은 모두 탄소 섬유 복합 소재를 사용했는데, 이는 중량 감소, 레이더 및 적외선 이중 스텔스 기능이라는 특수 기능을 갖추고 있습니다.
탄소섬유 강화 복합소재 마스트를 선박에 적용하는 것이 점차 확산되고 있습니다. 2006년 미국에서 취역한 LPD-17 함정은 탄소섬유/발사코어 첨단 복합소재 마스트를 사용합니다. 기존의 개방형 마스트와 달리 LPD-17은 새로운 완전 밀폐형 마스트/감지 시스템(AEM/S)을 사용합니다. 이 탄소섬유 복합소재 마스트의 상부는 주파수 선택적 표면재(FSS)로 덮여 특정 주파수의 전파를 통과시키고, 하부는 레이더파를 반사하거나 레이더 흡수재에 흡수될 수 있습니다. 따라서 레이더 스텔스 및 탐지 기능이 우수합니다. 또한, 다양한 안테나와 관련 장비가 구조적으로 균일하게 결합되어 부식이 잘 되지 않아 장비 유지 보수에 더욱 유리합니다. 유럽 해군은 나노섬유로 만든 유리섬유와 탄소섬유를 보강재로 결합하여 유사한 폐쇄형 통합 센서 마스트를 개발했습니다. 다양한 레이더 빔과 통신 신호가 서로 방해받지 않고 통과할 수 있도록 하며, 손실이 매우 낮습니다. 2006년, 이 첨단 기술 마스트 ATM은 영국 해군의 항공모함 "로열 아크"에 사용되었습니다.
탄소 섬유 복합재는 선박의 다른 부분에도 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 추진 시스템의 프로펠러 및 추진 축 시스템으로 사용되어 선체의 진동 및 소음을 완화할 수 있으며, 주로 정찰선과 고속 크루즈선에 사용됩니다. 또한, 기계 및 장비의 방향타, 일부 특수 기계 장치 및 배관 시스템에도 사용될 수 있습니다. 또한, 고강도 탄소 섬유 로프는 해군 군함 케이블 및 기타 군수품에도 널리 사용됩니다.
1.2민간 요트
대형 요트는 일반적으로 개인 소유이며 가격이 비싸 경량, 고강도, 내구성이 요구됩니다. 탄소 섬유 복합재는 요트의 계기판과 안테나, 방향타, 그리고 갑판, 객실, 선박 격벽과 같은 보강 구조물에 사용될 수 있습니다. 전통적인 복합재 요트는 주로 FRP로 제작되었지만, 강성이 부족하여 강성 설계 요건을 충족하더라도 선체가 너무 무거워지는 경우가 많습니다. 유리 섬유는 발암 물질로, 해외에서는 점차 사용이 금지되고 있습니다. 오늘날 복합재 요트에 사용되는 탄소 섬유 복합재의 비중은 크게 증가했으며, 일부 요트에서는 탄소 섬유 복합재를 사용하기도 합니다. 예를 들어, 발틱(Baltic)의 슈퍼 요트 "파나마(Panama)" 더블 바지선은 선체와 갑판이 탄소 섬유/에폭시 수지 외피, 노멕스(Nomex) 허니콤, 그리고 코어셀(Corecell™) 구조용 폼 코어로 샌드위치 구조로 되어 있으며, 선체 길이는 60m입니다. 그러나 총 중량은 210톤에 불과합니다. 폴란드 쌍동선 제작사인 선리프 요트(Sunreef Yachts)에서 제작한 탄소 섬유 쌍동선 선리프 80 레반테(Sunreef 80 Levante)는 비닐 에스테르 수지 샌드위치 복합재, PVC 폼, 탄소 섬유 복합재를 사용합니다. 마스트 붐은 맞춤형 탄소 섬유 복합재로 제작되었으며, 선체의 일부에만 FRP가 사용되었습니다. 무하중은 45톤에 불과합니다. 빠른 속도, 낮은 연료 소비량, 탁월한 성능을 자랑합니다.
2014년에 건조된 "중커·롄야(Zhongke·Lianya)" 요트는 현재 중국에서 유일한 풀 카본 파이버 요트입니다. 탄소 섬유와 에폭시 수지를 결합하여 제작된 친환경 요트입니다. 같은 유형의 유리 섬유 요트보다 30% 가볍고, 강도가 높으며, 속도가 빠르고 연료 소비량이 적습니다.
또한, 요트의 케이블과 케이블은 안전성을 보장하기 위해 고강도 탄소 섬유 로프를 사용합니다. 탄소 섬유는 강철보다 인장 탄성률이 높고 인장 강도가 수배 또는 수십 배에 달하며, 섬유 특유의 직조 특성을 가지고 있어, 강철 와이어 로프와 유기 폴리머 로프를 대체할 수 있는 기본 소재로 사용됩니다. 부족합니다.
2. 해양에너지 개발에의 응용
2.1 해저 석유 및 가스전
최근 몇 년 동안 탄소 섬유 복합 재료는 해양 석유 및 가스 개발 분야에서 점점 더 널리 사용되고 있습니다. 해양 환경에서의 부식, 높은 전단력, 그리고 물의 저류 흐름으로 인한 강한 전단력은 재료의 내식성, 강도 및 피로 특성에 대한 엄격한 요구 사항을 부과합니다. 탄소 섬유 복합 재료는 해상 유전 개발에서 가볍고 내구성이 뛰어나며 내부식성이 뛰어나다는 장점이 있습니다. 1,500m 수심 시추 플랫폼에는 약 6,500t의 강철 케이블이 있지만 탄소 섬유 복합 재료의 밀도는 일반 강철의 1/4입니다. 탄소 섬유 복합 재료로 강철의 일부를 대체하면 시추 플랫폼의 하중 용량이 크게 감소하고 플랫폼의 건설 비용이 절감됩니다. 석커 막대의 왕복 운동은 해수와 튜브 내부 압력의 불균형으로 인해 재료 피로로 이어지기 쉽습니다. 탄소 섬유 복합 재료를 파단하여 사용하면 이 문제를 해결할 수 있습니다. 해수환경에 대한 내식성이 뛰어나 해수에서의 사용수명이 강철보다 길고 사용깊이도 더 깊습니다.
탄소 섬유 복합재는 유전 시추 플랫폼의 생산정 파이프, 석커 로드, 저장 탱크, 해저 파이프라인, 데크 등에 사용될 수 있습니다. 제조 공정은 풀트루전(Pultrusion) 공정과 습식 와인딩(Wet Winding) 공정으로 구분됩니다. 풀트루전은 일반적으로 일반 파이프와 연결 파이프에 사용됩니다. 와인딩 방식은 일반적으로 저장 탱크와 압력 용기 표면에 사용되며, 탄소 섬유 복합재가 장갑층에서 특정 각도로 감겨 배열된 이방성 유연 파이프에도 사용될 수 있습니다.
탄소 섬유 복합재로 만든 연속식 흡착 막대는 필름과 유사한 리본 모양의 구조로 유연성이 우수합니다. 1990년대 미국에서 개발 및 응용되었습니다. 탄소 섬유를 보강 섬유로, 불포화 수지를 기본 재료로 사용하여 고온 가교 경화 후 인발 성형(Pultrulation) 공정으로 생산됩니다. 2001년부터 2003년까지 중국은 순수 빔 유전에서 탄소 섬유 흡착 막대와 일반 강철 흡착 막대를 사용하여 파일럿을 제작했습니다. 탄소 섬유 흡착 막대를 사용하면 오일 생산량을 크게 늘리고 모터 부하를 줄일 수 있어 에너지 효율이 더욱 높습니다. 또한, 탄소 섬유 복합 흡착 막대는 강철 흡착 막대보다 피로 및 내부식성이 뛰어나 해저 유전 개발에 더 적합합니다.
2.2 해상풍력 발전
풍부한 해상 풍력 자원은 미래 발전의 중요한 영역이자 풍력 발전 기술 분야에서 가장 선진적이고 수요가 높은 분야입니다. 중국의 해안선은 약 1,800km에 달하며 6,000개가 넘는 섬이 있습니다. 동남부 해안과 도서 지역은 풍력 자원이 풍부하고 개발이 용이합니다. 최근 몇 년 동안 관련 부처는 해상 풍력 발전 개발을 촉진하기 위한 노력을 기울여 왔습니다. 풍력 발전 블레이드 무게의 90% 이상이 복합 재료로 구성되어 있습니다. 해상에서 바람이 강하고 발전량이 많을수록 블레이드의 크기가 커지고 비강도와 내구성이 향상될 수밖에 없습니다. 탄소 섬유 복합 재료는 대규모, 경량, 고성능, 저비용 발전 블레이드 개발 요구를 충족할 수 있으며, 유리 섬유 복합 재료보다 해양 응용 분야에 더 적합합니다.
탄소 섬유 복합재는 해상 풍력 발전에 상당한 이점을 제공합니다. 탄소 섬유 복합재 블레이드는 품질이 낮고 강성이 높으며, 탄성 계수는 유리 섬유 제품의 3~8배입니다. 또한, 해양 환경의 습도가 높고 기후 변화가 심한 환경에서도 팬이 24시간 동안 작동합니다. 블레이드는 피로 저항성이 우수하여 악천후에도 견딜 수 있습니다. 블레이드의 공기 역학적 성능을 향상시키고 타워와 축의 하중을 줄여 팬의 출력이 더욱 부드럽고 균형 잡히도록 하며 에너지 효율을 향상시킵니다. 특수 구조 설계를 통해 전도성을 향상시켜 낙뢰로 인한 블레이드 손상을 효과적으로 방지하고 풍력 터빈 블레이드의 제조 및 운송 비용을 절감하며 진동 감쇠 특성을 갖습니다.
3. 해양 엔지니어링 응용 분야
탄소 섬유 복합재는 해양 엔지니어링 건축물에 사용됩니다. 경량, 고강도, 내식성 등의 특성을 활용하여, 기존 강철 건축 자재를 대체하여 해수 침식에 의한 높은 운송비 문제를 해결합니다. 해양 섬 암초 건축물, 부두, 부유식 플랫폼, 등대 등에 적용되어 왔습니다. 탄소 섬유 복합재가 엔지니어링 복원에 사용되기 시작한 것은 1980년대였으며, 일본 미쓰비시 케미컬(주)은 탄소 섬유 복합재의 기계적 특성 연구 및 엔지니어링 보강재 적용을 주도했습니다. 초기 연구는 탄소 섬유 복합재를 이용한 철근 콘크리트 보 보강에 중점을 두었으나, 이후 다양한 토목 구조물의 보강 및 보강재로 발전했습니다. 해양 석유 플랫폼과 항만 보수는 탄소 섬유 복합재의 적용 사례 중 일부에 불과하며, 관련 문헌이 많이 있습니다. 특히 미국 DFI(미 국방부)는 진주만 기지 보수에 탄소 섬유 막대를 사용했습니다. 당시 기술자들은 혁신적인 탄소 섬유 막대를 사용하여 보강재를 보수했습니다. 탄소섬유 막대로 수리된 부두는 2.5m 높이에서 9톤 강철을 견딜 수 있습니다. 손상 없이 떨어져 나가며, 보강 효과도 확실합니다.
해양 엔지니어링 분야에서 탄소 섬유 복합재의 적용과 관련하여, 해저 파이프라인이나 기둥의 수리 및 보강에도 탄소 섬유 복합재가 사용됩니다. 용접, 용접부 개량, 클램프, 그라우팅 등의 전통적인 유지 보수 방법은 한계가 있으며, 해양 환경에서는 이러한 방법의 사용이 더욱 제한적입니다. 탄소 섬유 복합재의 수리는 주로 탄소 섬유 천이나 에폭시 수지와 같은 고강도 고접착성 수지 소재를 사용하여 수리 표면에 접착되므로 얇고 가벼우며 강도가 높고 내구성이 우수하며 시공이 편리하고 다양한 형상에 적용 가능합니다. 이는 상당한 장점을 가지고 있습니다.
게시 시간: 2019년 3월 23일