O compósito de fibra de carbono é um material reforçado com fibra, composto por fibra de carbono e resina, metal, cerâmica e outras matrizes. Devido à sua leveza, alta resistência, alta resistência à temperatura, etc., tem sido amplamente utilizado nos setores aeroespacial, esportivo e de lazer, bem como em ferrovias de alta velocidade nos últimos anos. Nos setores automotivo e de engenharia civil, os compósitos de fibra de carbono apresentam excelente resistência à fadiga, resistência à corrosão e excelente desempenho de construção devido à sua alta resistência e alta resistência, o que os torna adequados para aplicações marítimas com requisitos especiais em termos de propriedades do material. Fique atento. Nos últimos anos, os compósitos de fibra de carbono têm desempenhado um papel cada vez mais importante na construção naval, no desenvolvimento de energia offshore e na reparação de engenharia marítima.
1. Aplicação a bordo
Os compósitos de fibra de carbono apresentam uma vantagem natural sobre os materiais tradicionais de construção naval. Primeiro, os compósitos de fibra de carbono apresentam boas propriedades mecânicas. O casco é fabricado com características de leveza e baixo consumo de combustível, e o processo de construção é relativamente simples, o ciclo de vida é curto e a moldagem é conveniente, de modo que o custo de construção e manutenção é muito menor do que o de um navio de aço. Ao mesmo tempo, como a interface entre a fibra de carbono e a matriz de resina pode efetivamente impedir a propagação de rachaduras, o material apresenta boa resistência à fadiga; além disso, devido à inércia química da superfície da fibra de carbono, o casco possui as características de que os organismos aquáticos são difíceis de epífitas e resistentes à corrosão, o que também é importante na construção naval. Um dos fatores mais importantes na seleção de materiais. Portanto, os materiais compósitos de fibra de carbono apresentam vantagens únicas de desempenho abrangente na construção naval e agora são amplamente utilizados neste campo. Ao mesmo tempo, o desenvolvimento da indústria de fibra de carbono foi impulsionado pela expansão do campo de aplicação.
1.1Navios militares
Os compósitos de fibra de carbono têm boas propriedades acústicas, magnéticas e elétricas: são transparentes, permeáveis ao som e não magnéticos, podendo ser usados para melhorar o desempenho furtivo de navios de guerra. O uso de materiais compósitos na superestrutura do navio não só reduz o peso do casco, como também transmite e recebe ondas eletromagnéticas em uma frequência predeterminada, protegendo a camada seletiva de frequência embutida na camada intermediária para proteger as ondas eletromagnéticas do radar inimigo. Por exemplo, o cruzador da classe "skjold" construído pela Marinha Norueguesa em 1999 usou um compósito sanduíche consistindo de uma camada central de espuma de cloreto de polivinila, fibra de vidro e intercamada de fibra de carbono. Este projeto não só melhora a relação resistência-peso, mas também tem boa resistência ao impacto. O desempenho também aprimora significativamente as características de varredura magnética baixa, anti-infravermelho e anti-radar. As fragatas suecas da classe Visby, que foram comissionadas em 2000, usam materiais compósitos de fibra de carbono, que têm funções especiais de redução de peso, radar e dupla furtividade infravermelha.
A aplicação de mastros compostos reforçados com fibra de carbono em navios tem surgido gradualmente. O navio LPD-17, comissionado nos Estados Unidos em 2006, utiliza um mastro composto avançado de fibra de carbono/núcleo de balsa. Ao contrário do mastro aberto original, o LPD-17 utiliza um novo sistema de mastro/sensor totalmente fechado. (AEM/S), a parte superior deste mastro composto de fibra de carbono cobre o material de superfície seletiva de frequência (FSS), permitindo a passagem de ondas com uma frequência específica, e a metade inferior pode refletir ondas de radar ou ser absorvida por materiais absorventes de radar. Portanto, possui boas funções de furtividade e detecção de radar. Além disso, várias antenas e equipamentos relacionados são combinados uniformemente na estrutura, o que não é fácil de ser corroído e é mais propício à manutenção do equipamento. A Marinha Europeia desenvolveu um mastro de sensor integrado fechado semelhante, feito de fibra de vidro feita de nanofibra combinada com fibra de carbono como reforço. Ele permite que vários feixes de radar e sinais de comunicação passem sem perturbações entre si, com perdas extremamente baixas. Em 2006, esse mastro ATM de tecnologia avançada foi usado no porta-aviões "Royal Ark" da Marinha Britânica.
Compósitos de fibra de carbono também podem ser utilizados em outros aspectos da embarcação. Por exemplo, podem ser utilizados como hélices e eixos de propulsão no sistema de propulsão para atenuar os efeitos de vibração e ruído do casco, sendo utilizados principalmente em navios de reconhecimento e navios de cruzeiro rápido. Podem ser utilizados como leme em máquinas e equipamentos, alguns dispositivos mecânicos especiais e sistemas de tubulação. Além disso, cabos de fibra de carbono de alta resistência também são amplamente utilizados em cabos de navios de guerra e outros itens militares.
1.2 Iates civis
Iates grandes são geralmente de propriedade privada e caros, exigindo peso leve, alta resistência e durabilidade. Compósitos de fibra de carbono podem ser usados em mostradores de instrumentos e antenas de iates, lemes e em estruturas reforçadas, como conveses, cabines e anteparas de navios. O iate composto tradicional é feito principalmente de PRFV, mas devido à rigidez insuficiente, o casco costuma ser muito pesado após atender aos requisitos de projeto de rigidez, e a fibra de vidro é cancerígena, sendo gradualmente proibida no exterior. A proporção de compósitos de fibra de carbono usados nos iates compostos atuais aumentou significativamente, e alguns até usaram compósitos de fibra de carbono. Por exemplo, no superiate "Panama", uma barcaça dupla da Baltic, o casco e o convés são revestidos com revestimento de fibra de carbono/resina epóxi, favo de mel Nomex e núcleo de espuma estrutural CorecellTM, e o casco tem 60 m de comprimento. Mas o peso total é de apenas 210 t. O Sunreef 80 Levante, um catamarã de fibra de carbono construído pela Sunreef Yachts, fabricante polonesa de catamarãs, utiliza compostos sanduíche de resina vinílica éster, espuma de PVC e compostos de fibra de carbono. Os mastros são feitos de compostos de fibra de carbono personalizados e apenas parte do casco utiliza PRFV. O peso sem carga é de apenas 45 t. Velocidade rápida, baixo consumo de combustível e excelente desempenho.
O iate "Zhongke·Lianya", construído em 2014, é atualmente o único iate totalmente em fibra de carbono da China. É um iate ecológico feito de uma combinação de fibra de carbono e resina epóxi. É 30% mais leve que o mesmo tipo de iate de fibra de vidro e possui maior resistência, maior velocidade e menor consumo de combustível.
Além disso, os cabos e cabos do iate utilizam cordas de fibra de carbono de alta resistência para garantir a segurança. Como a fibra de carbono possui um módulo de tração superior ao do aço e uma resistência à tração de várias ou até dezenas de vezes, além de possuir a propriedade tecida da fibra, a corda de fibra de carbono é usada como material base, podendo substituir o cabo de aço e o cabo de polímero orgânico. Insuficiente.z
2. Aplicação no desenvolvimento de energia marinha
2.1 Campos submarinos de petróleo e gás
Nos últimos anos, os materiais compósitos de fibra de carbono têm se tornado cada vez mais utilizados na área de desenvolvimento de petróleo e gás marinho. A corrosão no ambiente marinho, o alto cisalhamento e o forte cisalhamento causados pelo fluxo de água subcorrente impõem requisitos rigorosos quanto à resistência à corrosão, resistência e propriedades de fadiga do material. Os compósitos de fibra de carbono apresentam vantagens óbvias em termos de leveza, durabilidade e resistência à corrosão no desenvolvimento de campos petrolíferos offshore: uma plataforma de perfuração com profundidade de 1500 m possui um cabo de aço com massa de cerca de 6500 t, enquanto a densidade do compósito de fibra de carbono é a do aço comum. 1/4, se o material compósito de fibra de carbono for usado para substituir parte do aço, a capacidade de carga da plataforma de perfuração será significativamente reduzida e o custo de construção da plataforma será reduzido. O movimento alternativo da haste de bombeamento levará facilmente à fadiga do material devido à pressão desequilibrada entre a água do mar e a pressão dentro do tubo. A quebra e o uso de material compósito de fibra de carbono podem resolver esse problema; devido à resistência à corrosão do ambiente da água do mar, sua vida útil na água do mar é maior que a do aço, e a profundidade de uso é maior.
Compósitos de fibra de carbono podem ser usados como tubos de poços de produção, hastes de bombeamento, tanques de armazenamento, oleodutos submarinos, conveses, etc. em plataformas de perfuração de campos petrolíferos. O processo de fabricação é dividido em um processo de pultrusão e um processo de enrolamento úmido. A pultrusão é geralmente usada em tubos comuns e tubos de conexão. O método de enrolamento é geralmente usado na superfície do tanque de armazenamento e do vaso de pressão, e também pode ser usado em um tubo flexível anisotrópico no qual o material compósito de fibra de carbono é enrolado e disposto em um ângulo específico na camada de blindagem.
A haste de bombeamento contínua de material composto de fibra de carbono é uma estrutura em forma de fita semelhante a um filme e tem boa flexibilidade. Produzida e aplicada pelos Estados Unidos na década de 1990. É feita de fibra de carbono como fibra de reforço e resina insaturada como material de base. É produzida por processo de pultrusão após cura por reticulação em alta temperatura. De 2001 a 2003, a China utilizou uma haste de bombeamento de fibra de carbono e uma haste de bombeamento de aço comum no campo de petróleo de feixe puro para fazer um piloto. O uso de haste de bombeamento de fibra de carbono pode aumentar significativamente a saída de óleo e reduzir a carga do motor, o que é mais eficiente em termos de energia. Além disso, a haste de bombeamento composta de fibra de carbono é mais resistente à fadiga e à corrosão do que a haste de bombeamento de aço, e é mais adequada para aplicação no desenvolvimento de campos de petróleo submarinos.
2.2 Energia eólica offshore
Os abundantes recursos eólicos no mar constituem uma área importante para o desenvolvimento futuro e o campo mais avançado e exigente da tecnologia eólica. O litoral da China tem cerca de 1.800 km e existem mais de 6.000 ilhas. A costa sudeste e as regiões insulares são ricas em recursos eólicos e fáceis de desenvolver. Nos últimos anos, os esforços para promover o desenvolvimento da energia eólica offshore têm sido apoiados pelos departamentos relevantes. Mais de 90% do peso das pás eólicas consiste em materiais compósitos. Ventos fortes no mar e alta geração de energia certamente exigirão pás maiores e melhor resistência específica e durabilidade. Obviamente, os materiais compósitos de fibra de carbono podem atender aos requisitos de desenvolvimento de pás de geração de energia em larga escala, leves, de alto desempenho e baixo custo, e são mais adequados para aplicações marítimas do que os materiais compósitos de fibra de vidro.
Os compósitos de fibra de carbono apresentam vantagens significativas na geração de energia eólica marítima. A pá composta de fibra de carbono possui baixa qualidade e alta rigidez, e o módulo de elasticidade é de 3 a 8 vezes maior que o do produto de fibra de vidro; a umidade é alta no ambiente marinho, o clima é variável e o ventilador funciona por 24 horas. A pá possui boa resistência à fadiga e pode suportar as intempéries. Isso melhora o desempenho aerodinâmico da pá e reduz a carga na torre e no eixo, de modo que a potência de saída do ventilador seja mais suave e equilibrada, e a eficiência energética seja aprimorada. O desempenho condutivo, por meio de um projeto estrutural especial, pode efetivamente evitar danos causados por raios na pá; reduzir o custo de fabricação e transporte da pá da turbina eólica; e possui características de amortecimento de vibração.
3.Aplicações de engenharia marítima
Materiais compósitos de fibra de carbono são utilizados em construções de engenharia naval. Utilizam principalmente as características de leveza, alta resistência e resistência à corrosão, substituindo os materiais tradicionais de construção em aço, como tendões e peças estruturais, para solucionar o problema do alto custo de transporte do aço e da erosão causada pela água do mar. Sua aplicação tem sido em construções de recifes de ilhas offshore, docas, plataformas flutuantes, torres de iluminação, etc. O uso de compósitos de fibra de carbono para restauração de engenharia começou na década de 1980, e a Mitsubishi Chemical Corporation do Japão liderou a pesquisa sobre as propriedades mecânicas dos compósitos de fibra de carbono e sua aplicação em reforços de engenharia. O foco inicial da pesquisa foi o reforço de vigas de concreto armado com compósitos de fibra de carbono, que posteriormente evoluiu para reforços e reforços em diversas áreas da engenharia civil. O reparo de plataformas de petróleo offshore e portos com compósitos de fibra de carbono é apenas um aspecto de sua aplicação. Existem muitos documentos relacionados. Vale ressaltar que a empresa americana DFI utilizou barras de fibra de carbono para reparar o terminal da Marinha em Pearl Harbor. Naquela época, os técnicos utilizaram barras de fibra de carbono inovadoras para reparar o reforço. A doca reparada com haste de fibra de carbono suporta aço de 9 t a 2,5 m de altura. Ela cai sem ser danificada, e o efeito de melhoria é óbvio.
Quanto à aplicação de compósitos de fibra de carbono na engenharia naval, também existe um tipo de reparo e reforço de dutos ou colunas submarinas. Os métodos tradicionais de manutenção, como soldagem, aperfeiçoamento de soldas, grampos, rejuntamento, etc., têm suas próprias limitações, e o uso desses métodos é mais restrito no ambiente marinho. O reparo de compósitos de fibra de carbono é feito principalmente de materiais resinosos de alta resistência e alta aderência, como tecido de fibra de carbono e resina epóxi, que aderem à superfície de reparo, tornando-os finos e leves, de alta resistência, boa durabilidade, convenientes na construção e adaptáveis a diferentes formas. Apresenta uma vantagem significativa.
Data de publicação: 23/03/2019