Materiał kompozytowy z włókna węglowego to materiał wzmacniany włóknem wykonany z włókna węglowego i żywicy, metalu, ceramiki i innych matryc. Ze względu na swoją lekkość, wysoką wytrzymałość, odporność na wysoką temperaturę itp., jest szeroko stosowany w lotnictwie, sporcie i rekreacji, kolei dużych prędkości w ostatnich latach. W dziedzinach motoryzacji i inżynierii lądowej. Materiały kompozytowe z włókna węglowego mają doskonałą odporność na zmęczenie, odporność na korozję i doskonałe parametry konstrukcyjne dzięki wysokiej wytrzymałości i wysokiej wytrzymałości, co czyni je odpowiednimi do zastosowań morskich ze szczególnymi wymaganiami dotyczącymi właściwości materiału. Uważaj. W ostatnich latach kompozyty z włókna węglowego odgrywają coraz ważniejszą rolę w budownictwie okrętowym, rozwoju energetyki morskiej i naprawach inżynierii morskiej.
1. Aplikacja na pokładzie
Kompozyty z włókna węglowego mają naturalną przewagę nad tradycyjnymi materiałami do budowy statków. Po pierwsze, kompozyty z włókna węglowego mają dobre właściwości mechaniczne. Kadłub jest produkowany z cechami lekkości i niskiego zużycia paliwa, a proces budowy jest stosunkowo prosty, cykl jest krótki, a formowanie jest wygodne, więc koszty budowy i konserwacji są znacznie niższe niż w przypadku statku stalowego. Jednocześnie, ponieważ interfejs między włóknem węglowym a matrycą żywiczną może skutecznie zapobiegać rozprzestrzenianiu się pęknięć, materiał ma dobrą odporność na zmęczenie; ponadto, ze względu na chemiczną obojętność powierzchni włókna węglowego, kadłub ma cechy, że organizm wodny jest trudny do epifitycznego i odporny na korozję, co jest również konstrukcją statku. Jednym z najważniejszych czynników przy wyborze materiałów. Dlatego materiały kompozytowe z włókna węglowego mają unikalne kompleksowe zalety wydajnościowe w budownictwie okrętowym i są obecnie szeroko stosowane w tej dziedzinie. Jednocześnie rozwój przemysłu włókien węglowych został promowany dzięki ekspansji pola zastosowań.
1.1Statki wojenne
Kompozyty z włókna węglowego mają dobre właściwości akustyczne, magnetyczne i elektryczne: są przezroczyste, przepuszczają dźwięk i są niemagnetyczne, dzięki czemu można je stosować w celu poprawy parametrów stealth okrętów wojennych. Zastosowanie materiałów kompozytowych w nadbudówce okrętu nie tylko zmniejsza wagę kadłuba, ale także przesyła i odbiera fale elektromagnetyczne o ustalonej częstotliwości, osłaniając warstwę selektywną częstotliwościowo osadzoną w międzywarstwie, aby osłonić wrogie fale elektromagnetyczne radarowe. Na przykład krążownik klasy „skjold” zbudowany przez norweską marynarkę wojenną w 1999 r. wykorzystywał kompozyt warstwowy składający się z warstwy rdzenia z pianki polichlorku winylu, włókna szklanego i międzywarstwy z włókna węglowego. Taka konstrukcja nie tylko poprawia stosunek wytrzymałości do masy, ale ma również dobrą odporność na uderzenia. Wydajność znacznie poprawia również właściwości skanowania niskomagnetycznego, antypodczerwonego i antyradarowego. Szwedzkie fregaty klasy Visby, które zostały oddane do użytku w 2000 r., wszystkie wykorzystują materiały kompozytowe z włókna węglowego, które mają specjalne funkcje redukcji wagi, podwójnej stealth radarowego i podczerwonego.
Zastosowanie masztów kompozytowych wzmocnionych włóknem węglowym na statkach stopniowo się pojawiało. Okręt LPD-17, który został oddany do użytku w Stanach Zjednoczonych w 2006 r., wykorzystuje maszt kompozytowy z włókna węglowego/rdzenia balsowego. W przeciwieństwie do oryginalnego masztu otwartego, LPD-17 wykorzystuje nowy, całkowicie zamknięty maszt/system czujników. (AEM/S), górna część tego masztu kompozytowego z włókna węglowego pokrywa materiał powierzchni selektywnej częstotliwości (FSS), umożliwiając przechodzenie fal o określonej częstotliwości, a dolna połowa może odbijać fale radarowe lub być pochłaniana przez materiały pochłaniające radar. Dlatego ma dobre funkcje ukrywania się i wykrywania radaru. Ponadto różne anteny i powiązany sprzęt są równomiernie połączone w strukturze, która nie jest łatwa do skorodowania i bardziej sprzyja konserwacji sprzętu. Europejska Marynarka Wojenna opracowała podobny zamknięty zintegrowany maszt czujnikowy wykonany z włókna szklanego wykonanego z nanowłókien w połączeniu z włóknem węglowym jako wzmocnieniem. Umożliwia on niezakłócone przechodzenie różnych wiązek radarowych i sygnałów komunikacyjnych, a straty są wyjątkowo niskie. W 2006 roku ten zaawansowany technologicznie maszt ATM został zastosowany na lotniskowcu „Royal Ark” brytyjskiej marynarki wojennej.
Kompozyty z włókna węglowego mogą być również stosowane w innych aspektach statku. Na przykład, mogą być stosowane jako napęd i układ wałów napędowych w układzie napędowym w celu złagodzenia efektów drgań i hałasu kadłuba, i są najczęściej stosowane w statkach rozpoznawczych i szybkich statkach wycieczkowych. Mogą być stosowane jako ster w maszynach i urządzeniach, niektórych specjalnych urządzeniach mechanicznych i systemach rurowych. Ponadto, liny z włókna węglowego o wysokiej wytrzymałości są również szeroko stosowane w kablach okrętów wojennych i innych elementach wojskowych.
1.2Jachty cywilne
Duże jachty są zazwyczaj własnością prywatną i drogie, wymagają lekkiej wagi, wysokiej wytrzymałości i trwałości. Kompozyty z włókna węglowego mogą być stosowane w tarczach przyrządów i antenach jachtów, sterach i w konstrukcjach wzmacnianych, takich jak pokłady, kabiny i grodzie okrętowe. Tradycyjny jacht kompozytowy jest wykonany głównie z FRP, ale ze względu na niewystarczającą sztywność kadłub jest często zbyt ciężki po spełnieniu wymagań projektowych dotyczących sztywności, a włókno szklane jest czynnikiem rakotwórczym, który jest stopniowo zakazywany za granicą. Udział kompozytów z włókna węglowego stosowanych w dzisiejszych jachtach kompozytowych znacznie wzrósł, a niektóre nawet stosowały kompozyty z włókna węglowego. Na przykład superjacht „Panama” firmy Baltic, kadłub i pokład są przełożone powłoką z włókna węglowego / żywicy epoksydowej, plastrami miodu Nomex i rdzeniem z pianki konstrukcyjnej CorecellTM, kadłub ma 60 m długości. Ale całkowita masa wynosi tylko 210 ton. Sunreef 80 Levante, katamaran z włókna węglowego zbudowany przez polską firmę katamaranów Sunreef Yachts, wykorzystuje kompozyty typu sandwich z żywicy winyloestrowej, pianki PVC i kompozyty z włókna węglowego. Wysięgniki masztu są wykonane z kompozytów z włókna węglowego, a tylko część kadłuba wykorzystuje FRP. Masa bez obciążenia wynosi zaledwie 45 ton. Duża prędkość, niskie zużycie paliwa i doskonałe osiągi.
Jacht „Zhongke·Lianya” zbudowany w 2014 r. jest obecnie jedynym jachtem w pełni wykonanym z włókna węglowego w Chinach. Jest to zielony jacht wykonany z połączenia włókna węglowego i żywicy epoksydowej. Jest o 30% lżejszy od tego samego typu jachtu z włókna szklanego i ma większą wytrzymałość, większą prędkość i niższe zużycie paliwa.
Ponadto liny i kable jachtu wykorzystują wytrzymałe liny z włókna węglowego, aby zapewnić bezpieczeństwo. Ponieważ włókno węglowe ma moduł rozciągania wyższy niż stal i wytrzymałość na rozciąganie kilkakrotnie lub nawet kilkadziesiąt razy większą, a także ma tkane właściwości włókna, lina z włókna węglowego jest używana jako materiał bazowy, który może stanowić linę stalową i organiczną linę polimerową. Niewystarczające.z
2. Zastosowanie w rozwoju energetyki morskiej
2.1 Podwodne złoża ropy naftowej i gazu
W ostatnich latach materiały kompozytowe z włókna węglowego stały się coraz szerzej stosowane w dziedzinie rozwoju morskiego wydobycia ropy naftowej i gazu. Korozja w środowisku morskim, wysokie ścinanie i silne ścinanie spowodowane przez podprądowy przepływ wody nakładają surowe wymagania na odporność na korozję, wytrzymałość i właściwości zmęczeniowe materiału. Kompozyty z włókna węglowego mają oczywiste zalety w postaci lekkości, trwałości i odporności na korozję w rozwoju morskich złóż ropy naftowej: platforma wiertnicza o głębokości 1500 m ma stalowy kabel o masie około 6500 ton, podczas gdy gęstość kompozytu z włókna węglowego to zwykła stal. 1/4, jeśli materiał kompozytowy z włókna węglowego zostanie użyty do zastąpienia części stali, nośność platformy wiertniczej zostanie znacznie zmniejszona, a koszt budowy platformy zostanie zaoszczędzony. Ruch posuwisto-zwrotny pręta ssącego łatwo doprowadzi do zmęczenia materiału z powodu niezrównoważonego ciśnienia między wodą morską a ciśnieniem wewnątrz rury. Złamanie i użycie materiału kompozytowego z włókna węglowego może rozwiązać ten problem; Ze względu na odporność na korozję w środowisku wody morskiej, jego żywotność w wodzie morskiej jest dłuższa niż w przypadku stali, a głębokość użytkowania jest większa.
Kompozyty z włókna węglowego mogą być stosowane jako rury do odwiertów produkcyjnych, pręty pompowe, zbiorniki magazynowe, rurociągi podmorskie, pokłady itp. na platformach wiertniczych na polach naftowych. Proces produkcyjny dzieli się na proces pultruzji i proces nawijania na mokro. Pultruzja jest zazwyczaj stosowana w przypadku zwykłych rur i rur łączących. Metoda nawijania jest zazwyczaj stosowana na powierzchni zbiornika magazynowego i naczynia ciśnieniowego, a także może być stosowana w anizotropowej elastycznej rurze, w której materiał kompozytowy z włókna węglowego jest nawijany i układany pod określonym kątem w warstwie pancerza.
Ciągły pręt ssący z kompozytu włókna węglowego ma strukturę podobną do taśmy, podobną do folii i ma dobrą elastyczność. Wyprodukowany i zastosowany przez Stany Zjednoczone w latach 90. XX wieku. Wykonany jest z włókna węglowego jako włókna wzmacniającego i nienasyconej żywicy jako materiału bazowego. Jest wytwarzany w procesie pultruzji po utwardzaniu sieciującym w wysokiej temperaturze. W latach 2001–2003 Chiny stosowały pręt ssący z włókna węglowego i zwykły pręt ssący ze stali w czystym polu naftowym, aby wykonać pilotaż. Zastosowanie pręta ssącego z włókna węglowego może znacznie zwiększyć wydobycie ropy i zmniejszyć obciążenie silnika, co jest bardziej energooszczędne. Ponadto pręt ssący z kompozytu włókna węglowego jest bardziej odporny na zmęczenie i korozję niż pręt ssący ze stali i jest bardziej odpowiedni do zastosowań w rozwoju podmorskich pól naftowych.
2.2 Energetyka wiatrowa na morzu
Obfite zasoby energii wiatrowej na morzu są ważnym obszarem dla przyszłego rozwoju i najbardziej zaawansowaną i wymagającą dziedziną technologii energii wiatrowej. Linia brzegowa Chin ma około 1800 km i jest tam ponad 6000 wysp. Południowo-wschodnie wybrzeże i regiony wyspiarskie są bogate w zasoby wiatru i łatwe do rozwoju. W ostatnich latach wysiłki na rzecz promowania rozwoju energetyki wiatrowej na morzu były wspierane przez odpowiednie departamenty. Ponad 90% masy łopat turbin wiatrowych składa się z materiałów kompozytowych. Silne wiatry na morzu i wysoka generacja energii z pewnością będą wymagać większych łopat oraz lepszej wytrzymałości i trwałości. Oczywiście materiały kompozytowe z włókna węglowego mogą spełniać wymagania dotyczące opracowywania dużych, lekkich, wydajnych i niedrogich łopat turbin wiatrowych i są bardziej odpowiednie do zastosowań morskich niż materiały kompozytowe z włókna szklanego.
Kompozyty z włókna węglowego mają znaczące zalety w morskiej generacji energii wiatrowej. Łopata z kompozytu z włókna węglowego ma niską jakość i wysoką sztywność, a moduł jest od 3 do 8 razy większy niż w przypadku produktu z włókna szklanego; wilgotność jest duża w środowisku morskim, klimat jest zmienny, a wentylator pracuje przez 24 godziny. Łopata ma dobrą odporność na zmęczenie i może wytrzymać złą pogodę. Poprawia to właściwości aerodynamiczne łopaty i zmniejsza obciążenie wieży i osi, dzięki czemu moc wyjściowa wentylatora jest płynniejsza i bardziej zrównoważona, a efektywność energetyczna jest poprawiona. Właściwości przewodzące, dzięki specjalnej konstrukcji konstrukcyjnej, mogą skutecznie zapobiegać uszkodzeniom spowodowanym uderzeniem pioruna w łopatę; zmniejszają koszty produkcji i transportu łopaty turbiny wiatrowej; i mają właściwości tłumienia drgań.
3. Zastosowania inżynierii morskiej
Materiały kompozytowe z włókna węglowego są stosowane w budynkach inżynierii morskiej. Wykorzystują głównie cechy lekkości, wysokiej wytrzymałości i odporności na korozję oraz zastępują tradycyjne stalowe materiały budowlane w postaci ścięgien i części konstrukcyjnych, aby rozwiązać problem wysokich kosztów transportu stali erozji morskiej i transportu. Zostały zastosowane w budynkach rafowych na wyspach morskich, dokach, platformach pływających, wieżach oświetleniowych itp. Zastosowanie kompozytów z włókna węglowego do renowacji inżynieryjnej rozpoczęło się w latach 80. XX wieku, a japońska firma Mitsubishi Chemical Corporation objęła prowadzenie w badaniach nad właściwościami mechanicznymi kompozytów z włókna węglowego i ich zastosowaniem we wzmacnianiu inżynieryjnym. Początkowe badania koncentrowały się na wzmacnianiu belek żelbetowych za pomocą kompozytów z włókna węglowego, które później przekształciły się w zbrojenie i wzmocnienie różnych elementów inżynierii lądowej. Naprawa platform wiertniczych i portów morskich za pomocą kompozytów z włókna węglowego to tylko jeden aspekt ich zastosowania. Istnieje wiele powiązanych dokumentów. Warto wspomnieć, że amerykańska firma DFI użyła prętów z włókna węglowego do naprawy terminalu marynarki wojennej Pearl Harbor. W tym czasie technicy użyli innowacyjnych prętów z włókna węglowego do naprawy wzmocnienia. Naprawiony dok z pręta z włókna węglowego wytrzymuje stal 9t z wysokości 2,5 m. Odpada bez uszkodzenia, a efekt wzmocnienia jest oczywisty.
Jeśli chodzi o zastosowanie kompozytów z włókna węglowego w inżynierii morskiej, istnieje również rodzaj naprawy i wzmocnienia rurociągów lub kolumn podmorskich. Tradycyjne metody konserwacji, takie jak spawanie, ulepszanie spoin, zaciski, iniekcja itp. mają swoje ograniczenia, a stosowanie tych metod jest bardziej ograniczone w środowisku morskim. Naprawa kompozytów z włókna węglowego odbywa się głównie z materiałów żywicznych o wysokiej wytrzymałości i wysokiej przyczepności, takich jak tkanina z włókna węglowego i żywica epoksydowa, które są przyklejane do naprawianej powierzchni, dzięki czemu są cienkie i lekkie, o wysokiej wytrzymałości, dobrej trwałości, wygodne w konstrukcji i dostosowują się do różnych kształtów. Ma znaczną zaletę.
Czas publikacji: 23-03-2019