Materialul compozit din fibră de carbon este un material armat cu fibre, fabricat din fibră de carbon și rășină, metal, ceramică și alte matrici. Datorită greutății sale reduse, rezistenței ridicate, rezistenței la temperaturi ridicate etc., a fost utilizat pe scară largă în ultimii ani în industria aerospațială, sport și agrement, precum și în domeniul feroviar de mare viteză. În domeniile automobilelor și ingineriei civile. Materialele compozite din fibră de carbon au o rezistență excelentă la oboseală, rezistență la coroziune și performanțe constructive excelente datorită rezistenței ridicate, ceea ce le face potrivite pentru aplicații marine cu cerințe speciale privind proprietățile materialelor. Atenție. În ultimii ani, compozitele din fibră de carbon au jucat un rol din ce în ce mai important în construcția navală, dezvoltarea energiei offshore și reparațiile inginerești marine.
1. Aplicare la bord
Compozitele din fibră de carbon au un avantaj natural față de materialele tradiționale pentru construcții navale. În primul rând, compozitele din fibră de carbon au proprietăți mecanice bune. Coca navei este fabricată cu caracteristici precum greutate redusă și consum redus de combustibil, iar procesul de construcție este relativ simplu, ciclul de lucru este scurt și turnarea este convenabilă, astfel încât costurile de construcție și întreținere sunt mult mai mici decât cele ale navelor din oțel. În același timp, deoarece interfața dintre fibra de carbon și matricea de rășină poate preveni eficient propagarea fisurilor, materialul are o bună rezistență la oboseală; în plus, datorită inerției chimice a suprafeței din fibră de carbon, coca are caracteristicile de a fi dificil de epifitat organismele acvatice și rezistentă la coroziune, ceea ce este, de asemenea, caracteristic construcției navei. Unul dintre cei mai importanți factori în selectarea materialelor. Prin urmare, materialele compozite din fibră de carbon au avantaje unice de performanță cuprinzătoare în construcțiile navale și sunt acum utilizate pe scară largă în acest domeniu. În același timp, dezvoltarea industriei fibrei de carbon a fost promovată prin extinderea câmpului de aplicare.
1.1 Nave militare
Compozitele din fibră de carbon au proprietăți acustice, magnetice și electrice bune: sunt transparente, permeabile la sunet și nemagnetice, astfel încât pot fi utilizate pentru a îmbunătăți performanța stealth a navelor de război. Utilizarea materialelor compozite în suprastructura navei nu numai că reduce greutatea corpului, dar transmite și recepționează unde electromagnetice la o frecvență predeterminată prin ecranarea stratului selectiv de frecvență încorporat în stratul intermediar pentru a proteja undele electromagnetice radar ale inamicului. De exemplu, crucișătorul din clasa „skjold” construit de Marina Norvegiană în 1999 a folosit un compozit sandwich format dintr-un strat central de spumă de clorură de polivinil, fibră de sticlă și strat intermediar de fibră de carbon. Acest design nu numai că îmbunătățește raportul rezistență-greutate, dar are și o bună rezistență la impact. Performanța îmbunătățește, de asemenea, considerabil caracteristicile de scanare magnetică redusă, anti-infraroșu și anti-radar. Fregatele suedeze din clasa Visby, care au fost puse în funcțiune în anul 2000, utilizează toate materiale compozite din fibră de carbon, care au funcții speciale de reducere a greutății, radar și stealth dublu în infraroșu.
Aplicarea catargelor compozite armate cu fibră de carbon pe nave a apărut treptat. Nava LPD-17, care a fost pusă în funcțiune în Statele Unite în 2006, folosește un catarg compozit avansat cu miez de fibră de carbon/balsa. Spre deosebire de catargul deschis original, LPD-17 folosește un nou sistem complet închis de catarg/detecție (AEM/S). Partea superioară a acestui catarg compozit din fibră de carbon acoperă materialul de suprafață selectiv de frecvență (FSS), permițând trecerea undelor cu o frecvență specifică, iar jumătatea inferioară poate reflecta undele radar sau poate fi absorbită de materialele absorbante radar. Prin urmare, are funcții bune de stealth și detectare radar. În plus, diverse antene și echipamente aferente sunt combinate uniform în structură, ceea ce nu este ușor de corodat și este mai propice întreținerii echipamentului. Marina Europeană a dezvoltat un catarg similar cu senzori integrati închisi, fabricat din fibră de sticlă din nanofibre combinată cu fibră de carbon ca ranforsare. Acesta permite trecerea neperturbată a diferitelor fascicule radar și semnale de comunicație între ele, iar pierderile sunt extrem de mici. În 2006, acest ATM cu catarg tehnologic avansat a fost utilizat pe portavionul „Royal Ark” al Marinei Britanice.
Compozitele din fibră de carbon pot fi utilizate și în alte aspecte ale navei. De exemplu, pot fi utilizate ca sistem de elice și arbore de propulsie în sistemul de propulsie pentru a atenua efectele vibrațiilor și zgomotul corpului navei și sunt utilizate mai ales în navele de recunoaștere și navele de croazieră rapide. Pot fi utilizate ca și cârmă în mașini și echipamente, unele dispozitive mecanice speciale și sisteme de conducte. În plus, frânghiile din fibră de carbon de înaltă rezistență sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă în cablurile navelor de război și alte articole militare.
1.2 Iahturi civile
Iahturile mari sunt în general proprietate privată și scumpe, necesitând greutate redusă, rezistență ridicată și durabilitate. Compozitele din fibră de carbon pot fi utilizate în cadranele și antenele instrumentelor iahturilor, în cârme și în structuri ranforsate, cum ar fi punțile, cabinele și pereții etanși ai navei. Iahtul compozit tradițional este fabricat în principal din FRP, dar din cauza rigidității insuficiente, coca este adesea prea grea după îndeplinirea cerințelor de proiectare a rigidității, iar fibra de sticlă este un agent cancerigen, fiind interzisă treptat în străinătate. Proporția de compozite din fibră de carbon utilizate în iahturile compozite de astăzi a crescut semnificativ, iar unele au folosit chiar și compozite din fibră de carbon. De exemplu, super-iahtul „Panama” de la Baltic, cu barjă dublă, are coca și puntea îmbinate cu o piele din fibră de carbon/rășină epoxidică, un fagure de miere Nomex și un miez de spumă structurală CorecellTM, coca având 60 m lungime. Dar greutatea totală este de doar 210 tone. Sunreef 80 Levante, un catamaran din fibră de carbon construit de compania poloneză de catamaran Sunreef Yachts, folosește compozite sandwich din rășină vinil esterică, spumă PVC și compozite din fibră de carbon. Brațele catargului sunt compozite personalizate din fibră de carbon, iar doar o parte a corpului folosește FRP. Greutatea în gol este de doar 45 de tone. Viteză mare, consum redus de combustibil și performanțe excelente.
Iahtul „Zhongke·Lianya”, construit în 2014, este în prezent singurul iaht din fibră de carbon din China. Este un iaht ecologic, realizat dintr-o combinație de fibră de carbon și rășină epoxidică. Este cu 30% mai ușor decât același tip de iaht din fibră de sticlă și are o rezistență mai mare, o viteză mai mare și un consum mai mic de combustibil.
În plus, cablurile și cablurile iahtului utilizează frânghii din fibră de carbon de înaltă rezistență pentru a asigura siguranța. Deoarece fibra de carbon are un modul de tracțiune mai mare decât cel al oțelului și o rezistență la tracțiune de câteva sau chiar zeci de ori, și are proprietatea de țesut a fibrei, frânghia din fibră de carbon este utilizată ca material de bază, putând compensa cablul de oțel și frânghia din polimer organic. Insuficient.z
2. Aplicație în dezvoltarea energiei marine
2.1 Câmpuri submarine de petrol și gaze
În ultimii ani, materialele compozite din fibră de carbon au devenit din ce în ce mai utilizate pe scară largă în domeniul dezvoltării petrolului și gazelor marine. Coroziunea în mediul marin, forfecarea ridicată și forfecarea puternică cauzată de fluxul de apă subcurent impun cerințe stricte privind rezistența la coroziune, rezistența și proprietățile de oboseală ale materialului. Compozitele din fibră de carbon au avantaje evidente în ceea ce privește greutatea redusă, durabilitatea și rezistența la coroziune în dezvoltarea câmpurilor petroliere offshore: o platformă de foraj la o adâncime de 1500 m are un cablu de oțel cu o masă de aproximativ 6500 t, în timp ce densitatea compozitului din fibră de carbon este oțelul obișnuit. Dacă se utilizează material compozit din fibră de carbon pentru a înlocui o parte din oțel, capacitatea de încărcare a platformei de foraj va fi redusă semnificativ, iar costul de construcție al platformei va fi economisit. Mișcarea alternativă a prăjinii de pompare va duce cu ușurință la oboseala materialului din cauza presiunii dezechilibrate dintre apa de mare și presiunea din interiorul tubului. Ruperea și utilizarea materialului compozit din fibră de carbon poate rezolva această problemă; datorită rezistenței la coroziune în mediul acvatic, durata sa de viață în apa de mare este mai lungă decât cea a oțelului, iar adâncimea de utilizare este mai mare.
Compozitele din fibră de carbon pot fi utilizate ca țevi de sondă de producție, prăjini de pompare, rezervoare de stocare, conducte submarine, punți etc. în platformele de foraj petrolier. Procesul de fabricație este împărțit într-un proces de pultrudare și un proces de înfășurare umedă. Pultrudarea este utilizată în general pe țevi comune și țevi de conectare. Metoda de înfășurare este utilizată în general ca suprafață a rezervorului de stocare și a vasului de presiune și poate fi utilizată și într-o țeavă flexibilă anizotropă în care materialul compozit din fibră de carbon este înfășurat și aranjat la un unghi specific în stratul de armură.
Tija de pompare continuă din material compozit din fibră de carbon are o structură asemănătoare unei panglici, similară cu o peliculă, și are o flexibilitate bună. A fost produsă și utilizată în Statele Unite în anii 1990. Este fabricată din fibră de carbon ca fibră de armare și rășină nesaturată ca material de bază. Este produsă prin proces de pultrudare după reticulare la temperatură înaltă. Din 2001 până în 2003, China a folosit o tijă de pompare din fibră de carbon și o tijă de pompare obișnuită din oțel în câmpul petrolier pur pentru a realiza un pilot. Utilizarea tijei de pompare din fibră de carbon poate crește semnificativ producția de petrol și poate reduce sarcina motorului, ceea ce este mai eficient din punct de vedere energetic. Mai mult, tija de pompare compozită din fibră de carbon este mai rezistentă la oboseală și coroziune decât tija de pompare din oțel și este mai potrivită pentru aplicații în dezvoltarea câmpurilor petroliere submarine.
2.2 Energia eoliană offshore
Resursele abundente de energie eoliană de pe mare reprezintă o zonă importantă pentru dezvoltarea viitoare și cel mai avansat și solicitant domeniu al tehnologiei energiei eoliene. Litoralul Chinei are aproximativ 1800 km și există peste 6.000 de insule. Coasta de sud-est și regiunile insulare sunt bogate în resurse eoliene și ușor de dezvoltat. În ultimii ani, eforturile de promovare a dezvoltării energiei eoliene offshore au fost susținute de departamentele relevante. Peste 90% din greutatea palelor eoliene este alcătuită din materiale compozite. Vânturile puternice pe mare și generarea de energie mare necesită pale mai mari și o rezistență specifică și o durabilitate mai bune. Evident, materialele compozite din fibră de carbon pot îndeplini cerințele dezvoltării de pale de generare a energiei la scară largă, ușoare, de înaltă performanță și cu costuri reduse și sunt mai potrivite pentru aplicații marine decât materialele compozite din fibră de sticlă.
Compozitele din fibră de carbon prezintă avantaje semnificative în generarea energiei eoliene marine. Palele din compozit din fibră de carbon au o calitate scăzută și o rigiditate ridicată, iar modulul de elasticitate este de 3 până la 8 ori mai mare decât cel al produsului din fibră de sticlă; umiditatea este mare în mediul marin, clima este schimbătoare, iar ventilatorul funcționează 24 de ore. Palele au o rezistență bună la oboseală și pot rezista la intemperii. Îmbunătățesc performanța aerodinamică a palei și reduc sarcina asupra turnului și axului, astfel încât puterea de ieșire a ventilatorului este mai lină și mai echilibrată, iar eficiența energetică este îmbunătățită. Performanța conductivă, printr-un design structural special, poate evita eficient deteriorarea cauzată de trăsnet asupra palei; reduce costurile de fabricație și transport ale palei turbinei eoliene; și au caracteristici de amortizare a vibrațiilor.
3. Aplicații în inginerie marină
Materialele compozite din fibră de carbon sunt utilizate în clădirile de inginerie marină. Acestea utilizează în principal caracteristicile de greutate redusă, rezistență ridicată și rezistență la coroziune și înlocuiesc materialele de construcție tradiționale din oțel sub formă de tendoane și piese structurale pentru a rezolva problema costurilor ridicate de transport al oțelului erodat de apa de mare. Acestea au fost aplicate la clădirile recifelor insulare offshore, docuri, platforme plutitoare, turnuri de iluminat etc. Utilizarea compozitelor din fibră de carbon pentru restaurarea inginerească a început în anii 1980, iar Mitsubishi Chemical Corporation din Japonia a preluat conducerea în cercetarea proprietăților mecanice ale compozitelor din fibră de carbon și aplicarea lor în armarea inginerească. Cercetarea inițială s-a concentrat pe armarea grinzilor din beton armat folosind compozite din fibră de carbon, care ulterior au evoluat în armarea și consolidarea diverselor lucrări de inginerie civilă. Repararea platformelor petroliere offshore și a porturilor cu compozite din fibră de carbon este doar un aspect al aplicării sale. Există numeroase documente conexe. Merită menționat faptul că compania americană DFI a folosit tije din fibră de carbon pentru a repara terminalul Marinei Pearl Harbor. La acea vreme, tehnicienii au folosit tije inovatoare din fibră de carbon pentru a repara armătura. Docul reparat cu tije din fibră de carbon poate rezista la 9 tone de oțel de la o înălțime de 2,5 m. Cade fără a se deteriora, iar efectul de amplificare este evident.
În ceea ce privește aplicarea compozitelor din fibră de carbon în ingineria marină, există și un tip de reparare și armare a conductelor sau coloanelor submarine. Metodele tradiționale de întreținere, cum ar fi sudarea, îmbunătățirea sudurilor, clemele, rostuirea etc., au propriile limitări, iar utilizarea acestor metode este mai restricționată în mediul marin. Repararea compozitelor din fibră de carbon se realizează în principal din materiale de rășină de înaltă rezistență și aderență, cum ar fi țesătura din fibră de carbon și rășina epoxidică, care sunt lipite de suprafața de reparare, astfel încât acestea sunt subțiri și ușoare, de înaltă rezistență, durabile, convenabile în construcție și adaptabile la diferite forme. Au un avantaj semnificativ.
Data publicării: 23 martie 2019