Koolstofvezelcomposiet is een vezelversterkt materiaal, gemaakt van koolstofvezel en hars, metaal, keramiek en andere matrixen. Vanwege het lichte gewicht, de hoge sterkte en de hoge temperatuurbestendigheid, is het de laatste jaren veelvuldig gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, sport en vrije tijd, en hogesnelheidstreinen. Ook in de automobielindustrie en civiele techniek zijn koolstofvezelcomposieten uitstekend bestand tegen vermoeiing, corrosie en constructieve prestaties dankzij hun hoge sterkte. Dit maakt ze geschikt voor maritieme toepassingen met speciale eisen aan de materiaaleigenschappen. Let op: koolstofvezelcomposieten hebben de laatste jaren een steeds belangrijkere rol gespeeld in de scheepsbouw, offshore energieontwikkeling en reparatie van maritieme constructies.
1. Toepassing aan boord
Koolstofvezelcomposieten hebben een natuurlijk voordeel ten opzichte van traditionele scheepsbouwmaterialen. Ten eerste hebben koolstofvezelcomposieten goede mechanische eigenschappen. De romp wordt geproduceerd met kenmerken als een licht gewicht en een laag brandstofverbruik. Het bouwproces is relatief eenvoudig, de cyclus is kort en het gieten is gemakkelijk, waardoor de bouw- en onderhoudskosten veel lager zijn dan die van een stalen schip. Tegelijkertijd heeft het materiaal een goede vermoeiingsweerstand, omdat de interface tussen de koolstofvezel en de harsmatrix scheurvorming effectief voorkomt. Bovendien heeft de romp, dankzij de chemische inertheid van het koolstofvezeloppervlak, eigenschappen die waterorganismen moeilijk te verteren en corrosiebestendig maken, wat ook een belangrijke factor is bij de scheepsbouw. Dit is een van de belangrijkste factoren bij de materiaalkeuze. Daarom bieden koolstofvezelcomposieten unieke, uitgebreide prestatievoordelen in de scheepsbouw en worden ze nu veel gebruikt in deze sector. Tegelijkertijd is de ontwikkeling van de koolstofvezelindustrie bevorderd door de uitbreiding van het toepassingsgebied.
1.1Militaire schepen
Koolstofvezelcomposieten hebben goede akoestische, magnetische en elektrische eigenschappen: ze zijn transparant, geluiddoorlatend en niet-magnetisch, waardoor ze kunnen worden gebruikt om de stealth-prestaties van oorlogsschepen te verbeteren. Het gebruik van composietmaterialen in de bovenbouw van het schip vermindert niet alleen het gewicht van de romp, maar zendt en ontvangt ook elektromagnetische golven op een vooraf bepaalde frequentie door de frequentieselectieve laag in de tussenlaag af te schermen om de elektromagnetische radargolven van de vijand af te schermen. Zo gebruikte de kruiser van de "Skjold"-klasse, gebouwd door de Noorse marine in 1999, een sandwichcomposiet bestaande uit een kernlaag van polyvinylchlorideschuim, glasvezel en een tussenlaag van koolstofvezel. Dit ontwerp verbetert niet alleen de sterkte-gewichtsverhouding, maar heeft ook een goede slagvastheid. De prestaties verbeteren ook aanzienlijk de eigenschappen van laagmagnetisch, anti-infrarood en anti-radar scanning. De Zweedse fregatten van de Visby-klasse, die in 2000 in gebruik werden genomen, maken allemaal gebruik van koolstofvezelcomposietmaterialen, die speciale functies hebben: gewichtsvermindering, radar en infrarood dubbele stealth.
De toepassing van koolstofvezelversterkte composietmasten op schepen is geleidelijk aan opgekomen. Het LPD-17-schip, dat in 2006 in de Verenigde Staten in gebruik werd genomen, maakt gebruik van een geavanceerde composietmast met koolstofvezel en balsa-kern. In tegenstelling tot de oorspronkelijke open mast maakt de LPD-17 gebruik van een nieuw, volledig gesloten mast/sensorsysteem (AEM/S). Het bovenste deel van deze koolstofvezelcomposietmast bedekt het frequentieselectieve oppervlaktemateriaal (FSS), waardoor golven met een specifieke frequentie erdoorheen kunnen, en de onderste helft kan radargolven reflecteren of worden geabsorbeerd door radarabsorberende materialen. Daarom heeft het goede radar stealth- en detectiefuncties. Bovendien zijn diverse antennes en bijbehorende apparatuur gelijkmatig gecombineerd in de structuur, waardoor corrosie niet snel optreedt en onderhoud van de apparatuur wordt bevorderd. De Europese marine heeft een vergelijkbare gesloten, geïntegreerde sensormast ontwikkeld, gemaakt van nanovezelglasvezel gecombineerd met koolstofvezel als versterking. Deze mast zorgt ervoor dat verschillende radarbundels en communicatiesignalen ongestoord met elkaar kunnen worden doorgegeven, en het verlies is extreem laag. In 2006 werd deze geavanceerde ATM-mast gebruikt op het vliegdekschip "Royal Ark" van de Britse marine.
Koolstofvezelcomposieten kunnen ook in andere aspecten van het schip worden gebruikt. Zo kan het bijvoorbeeld worden gebruikt als schroef en aandrijfas in het voortstuwingssysteem om trillingen en geluid van de romp te verminderen, en wordt het vooral gebruikt in verkenningsschepen en snelle cruiseschepen. Het kan ook worden gebruikt als roer in machines en apparatuur, sommige speciale mechanische apparaten en leidingsystemen. Daarnaast worden hoogwaardige koolstofvezelkabels ook veel gebruikt in kabels voor oorlogsschepen en andere militaire artikelen.
1.2Civiele jachten
Grote jachten zijn over het algemeen particulier eigendom en duur, en vereisen een laag gewicht, hoge sterkte en duurzaamheid. Koolstofvezelcomposieten kunnen worden gebruikt in de instrumentenpanelen en antennes van jachten, roeren en in versterkte structuren zoals dekken, kajuiten en scheepsschotten. Het traditionele composietjacht is voornamelijk gemaakt van GVK, maar door onvoldoende stijfheid is de romp vaak te zwaar na het voldoen aan de ontwerpeisen voor stijfheid. Bovendien is glasvezel kankerverwekkend, wat geleidelijk in het buitenland wordt verboden. Het aandeel koolstofvezelcomposieten dat in de huidige composietjachten wordt gebruikt, is aanzienlijk toegenomen en sommige gebruiken zelfs koolstofvezelcomposieten. Bijvoorbeeld bij de superjacht "Panama" van Baltic, een dubbelschip, zijn de romp en het dek gesandwiched met een koolstofvezel/epoxyharshuid, Nomex honingraat en CorecellTM structureel schuimkern. De romp is 60 meter lang. Het totale gewicht is echter slechts 210 ton. De Sunreef 80 Levante, een koolstofvezel catamaran gebouwd door de Poolse catamaran Sunreef Yachts, maakt gebruik van vinylesterhars sandwichcomposieten, pvc-schuim en koolstofvezelcomposieten. De mastgieken zijn gemaakt van speciaal vervaardigd koolstofvezelcomposieten en slechts een deel van de romp is gemaakt van glasvezelversterkte kunststoffen (GVK). Het onbelaste gewicht is slechts 45 ton. Hoge snelheid, laag brandstofverbruik en uitstekende prestaties.
Het in 2014 gebouwde "Zhongke·Lianya"-jacht is momenteel het enige volledig uit koolstofvezel vervaardigde jacht in China. Het is een groen jacht, gemaakt van een combinatie van koolstofvezel en epoxyhars. Het is 30% lichter dan hetzelfde type glasvezeljacht en is sterker, sneller en verbruikt minder brandstof.
Bovendien maken de kabels en koorden van het jacht gebruik van hoogwaardige koolstofvezelkabels om de veiligheid te garanderen. Omdat koolstofvezel een hogere trekmodulus heeft dan staal en een treksterkte die meerdere of zelfs tientallen keren hoger is dan die van staal, en bovendien de geweven eigenschappen van de vezel heeft, wordt koolstofvezelkabel gebruikt als basismateriaal, dat staaldraadkabels en organische polymeerkabels kan vervangen. Onvoldoende.
2. Toepassing in de ontwikkeling van mariene energie
2.1 Onderzeese olie- en gasvelden
De laatste jaren worden koolstofvezelcomposieten steeds vaker gebruikt in de maritieme olie- en gaswinning. Corrosie in het mariene milieu, hoge schuifkrachten en sterke schuifkrachten veroorzaakt door onderstromen in het water stellen hoge eisen aan de corrosiebestendigheid, sterkte en vermoeiingseigenschappen van het materiaal. Koolstofvezelcomposieten bieden duidelijke voordelen op het gebied van lichtheid, duurzaamheid en corrosiebestendigheid bij de ontwikkeling van offshore olievelden: een boorplatform op 1500 meter diepte heeft een stalen kabel met een massa van ongeveer 6500 ton, terwijl de dichtheid van koolstofvezelcomposieten gelijk is aan die van gewoon staal. 1/4, als koolstofvezelcomposietmateriaal wordt gebruikt om een deel van het staal te vervangen, wordt het draagvermogen van het boorplatform aanzienlijk verminderd en worden de bouwkosten van het platform bespaard. De heen-en-weergaande beweging van de zuigerstang leidt gemakkelijk tot materiaalvermoeidheid door de onevenwichtige druk tussen het zeewater en de druk in de buis. Breken en het gebruik van koolstofvezelcomposietmateriaal kunnen dit probleem oplossen; vanwege de corrosiebestendigheid van het zeewatermilieu, is de levensduur in zeewater langer dan bij staal en is de gebruiksdiepte groter.
Koolstofvezelcomposieten kunnen worden gebruikt als productieputpijpen, zuigerstangen, opslagtanks, onderzeese pijpleidingen, dekken, enz. op boorplatforms in olievelden. Het productieproces is onderverdeeld in een pultrusieproces en een nat wikkelproces. Pultrusie wordt over het algemeen toegepast op zowel gewone als verbindingspijpen. De wikkelmethode wordt doorgaans gebruikt voor het oppervlak van de opslagtank en het drukvat, en kan ook worden gebruikt in een anisotrope flexibele pijp waarin het koolstofvezelcomposietmateriaal onder een specifieke hoek in de pantserlaag wordt gewikkeld en geplaatst.
De doorlopende zuigerstang van koolstofvezelcomposietmateriaal heeft een lintachtige structuur, vergelijkbaar met folie, en is zeer flexibel. Geproduceerd en toegepast in de Verenigde Staten in de jaren 90. Het is gemaakt van koolstofvezel als versterkende vezel en onverzadigde hars als basismateriaal. Het wordt geproduceerd door middel van pultrusie na vernetting en uitharding bij hoge temperatuur. Van 2001 tot 2003 gebruikte China een koolstofvezel-zuigerstang en een gewone stalen zuigerstang in het zuivere-balkolieveld om een piloot te maken. Het gebruik van koolstofvezel-zuigerstang kan de olieproductie aanzienlijk verhogen en de belasting van de motor verminderen, wat energiezuiniger is. Bovendien is de koolstofvezelcomposiet-zuigerstang beter bestand tegen vermoeiing en corrosie dan de stalen zuigerstang en is hij geschikter voor toepassing in de ontwikkeling van onderzeese olievelden.
2.2 Windenergie op zee
De overvloedige windenergiebronnen op zee vormen een belangrijk gebied voor toekomstige ontwikkeling en vormen het meest geavanceerde en veeleisende gebied binnen de windenergietechnologie. De kustlijn van China is ongeveer 1800 km lang en er zijn meer dan 6000 eilanden. De zuidoostkust en de eilanden zijn rijk aan windenergiebronnen en gemakkelijk te ontwikkelen. De afgelopen jaren zijn inspanningen om de ontwikkeling van offshore windenergie te bevorderen ondersteund door relevante departementen. Meer dan 90% van het gewicht van windturbinebladen bestaat uit composietmaterialen. Zware wind op zee en een hoge energieopwekking vereisen ongetwijfeld grotere bladen en een betere specifieke sterkte en duurzaamheid. Uiteraard kunnen koolstofvezelcomposietmaterialen voldoen aan de eisen voor de ontwikkeling van grootschalige, lichtgewicht, hoogwaardige en goedkope bladen voor energieopwekking, en zijn ze geschikter voor maritieme toepassingen dan glasvezelcomposietmaterialen.
Koolstofvezelcomposieten bieden aanzienlijke voordelen bij de opwekking van windenergie op zee. De kwaliteit van het koolstofvezelcomposietblad is laag en de stijfheid is hoog, en de modulus is 3 tot 8 keer hoger dan die van glasvezel. De luchtvochtigheid is hoog in een maritieme omgeving, het klimaat is wisselvallig en de ventilator draait 24 uur per dag. Het blad heeft een goede vermoeiingsweerstand en is bestand tegen slecht weer. Het verbetert de aerodynamische prestaties van het blad en vermindert de belasting op de toren en de as, waardoor het uitgangsvermogen van de ventilator soepeler en evenwichtiger is en de energie-efficiëntie wordt verbeterd. De geleidende eigenschappen, dankzij het speciale structurele ontwerp, voorkomen effectief schade door blikseminslag aan het blad, verlagen de productie- en transportkosten van het windturbineblad en hebben trillingsdempende eigenschappen.
3. Toepassingen in de maritieme techniek
Koolstofvezelcomposietmaterialen worden gebruikt in maritieme gebouwen. Ze maken voornamelijk gebruik van de eigenschappen van lichtgewicht, hoge sterkte en corrosiebestendigheid en vervangen traditionele stalen bouwmaterialen in de vorm van pezen en constructiedelen om het probleem van hoge transportkosten als gevolg van zeewatererosie en staaltransport op te lossen. Het is toegepast in gebouwen voor offshore-eilandriffen, dokken, drijvende platforms, lichtmasten, enz. Het gebruik van koolstofvezelcomposieten voor technische restauratie begon in de jaren 80 en Mitsubishi Chemical Corporation uit Japan nam het voortouw in het onderzoek naar de mechanische eigenschappen van koolstofvezelcomposieten en hun toepassing in technische wapening. De aanvankelijke onderzoeksfocus lag op de wapening van gewapende betonnen balken met koolstofvezelcomposieten, wat zich later ontwikkelde tot wapening en versterking van diverse civiele bouwwerken. De reparatie van offshore-olieplatforms en havens met koolstofvezelcomposieten is slechts één aspect van de toepassing ervan. Er zijn veel gerelateerde documenten. Vermeldenswaard is dat het Amerikaanse DFI-bedrijf koolstofvezelstaven gebruikte om de Pearl Harbor-terminal van de marine te repareren. Destijds gebruikten de technici innovatieve koolstofvezelstaven om de wapening te repareren. De gerepareerde steiger met koolstofvezelstang is bestand tegen 9 ton staal vanaf 2,5 meter hoogte. Hij valt eraf zonder beschadigd te raken, en het versterkende effect is duidelijk zichtbaar.
Wat betreft de toepassing van koolstofvezelcomposieten in de maritieme techniek, bestaat er ook een vorm van reparatie en versterking van onderzeese pijpleidingen of kolommen. Traditionele onderhoudsmethoden zoals lassen, lasverbetering, klemmen, grouting, enz. hebben hun eigen beperkingen en het gebruik van deze methoden is beperkter in de maritieme omgeving. De reparatie van koolstofvezelcomposieten wordt voornamelijk uitgevoerd met zeer sterke en sterk hechtende harsmaterialen zoals koolstofvezeldoek en epoxyhars. Deze worden aan het te repareren oppervlak gehecht, waardoor het dun en licht, zeer sterk, duurzaam, gemakkelijk te construeren en aanpasbaar aan verschillende vormen is. Dit heeft een aanzienlijk voordeel.
Geplaatst op: 23-03-2019