Kompozitný materiál z uhlíkových vlákien je materiál vystužený vláknami vyrobený z uhlíkových vlákien a živice, kovu, keramiky a iných matríc. Vďaka svojej nízkej hmotnosti, vysokej pevnosti, odolnosti voči vysokým teplotám atď. sa v posledných rokoch široko používa v leteckom priemysle, športe a voľnom čase, vysokorýchlostnej železničnej doprave. V automobilovom priemysle a stavebníctve. Kompozitné materiály z uhlíkových vlákien majú vynikajúcu odolnosť proti únave, odolnosť proti korózii a vynikajúce konštrukčné vlastnosti vďaka vysokej pevnosti a pevnosti, vďaka čomu sú vhodné pre námorné aplikácie so špeciálnymi požiadavkami na materiálové vlastnosti. Dávajte si pozor. V posledných rokoch zohrávajú kompozity z uhlíkových vlákien čoraz dôležitejšiu úlohu v stavbe lodí, rozvoji pobrežnej energie a opravách námorných strojov.
1. Žiadosť na palube
Kompozity z uhlíkových vlákien majú prirodzenú výhodu oproti tradičným materiálom na stavbu lodí. Po prvé, kompozity z uhlíkových vlákien majú dobré mechanické vlastnosti. Trup je vyrobený s charakteristikami nízkej hmotnosti a nízkej spotreby paliva a proces výstavby je relatívne jednoduchý, cyklus je krátky a tvarovanie je pohodlné, takže náklady na výstavbu a údržbu sú oveľa nižšie ako pri oceľových lodiach. Zároveň, keďže rozhranie medzi uhlíkovými vláknami a živicovou matricou dokáže účinne zabrániť šíreniu trhlín, materiál má dobrú odolnosť proti únave; okrem toho, vďaka chemickej inertnosti povrchu uhlíkových vlákien má trup vlastnosti, že je ťažko epifytický pre vodné organizmy a je odolný voči korózii, čo je tiež dôležité pri konštrukcii lode. Jedným z najdôležitejších faktorov pri výbere materiálov je preto, že kompozitné materiály z uhlíkových vlákien majú jedinečné komplexné výkonnostné výhody v stavbe lodí a v súčasnosti sa v tejto oblasti široko používajú. Zároveň sa rozvoj odvetvia uhlíkových vlákien podporuje rozšírením oblasti použitia.
1.1 Vojenské lode
Kompozity z uhlíkových vlákien majú dobré akustické, magnetické a elektrické vlastnosti: sú priehľadné, zvukopriepustné a nemagnetické, takže sa dajú použiť na zlepšenie utajenia vojnových lodí. Použitie kompozitných materiálov v nadstavbe lode nielenže znižuje hmotnosť trupu, ale tiež prenáša a prijíma elektromagnetické vlny na vopred určenej frekvencii tienením frekvenčne selektívnej vrstvy zabudovanej do medzivrstvy, ktorá chráni pred elektromagnetickými vlnami nepriateľského radaru. Napríklad krížnik triedy „Skjold“, ktorý postavilo nórske námorníctvo v roku 1999, použil sendvičový kompozit pozostávajúci z jadrovej vrstvy z polyvinylchloridovej peny, sklenených vlákien a medzivrstvy z uhlíkových vlákien. Táto konštrukcia nielen zlepšuje pomer pevnosti k hmotnosti, ale má aj dobrú odolnosť proti nárazu. Výkon tiež výrazne zlepšuje vlastnosti nízkomagnetického, infračerveného a antiradarového skenovania. Švédske fregaty triedy Visby, ktoré boli uvedené do prevádzky v roku 2000, používajú kompozitné materiály z uhlíkových vlákien, ktoré majú špeciálne funkcie znižovania hmotnosti, radaru a infračervenej dvojitej utajenia.
Aplikácia stožiarov z kompozitných materiálov vystužených uhlíkovými vláknami na lodiach sa postupne objavuje. Loď LPD-17, ktorá bola uvedená do prevádzky v Spojených štátoch v roku 2006, používa pokročilý kompozitný stožiar s jadrom z uhlíkových vlákien a balzy. Na rozdiel od pôvodného otvoreného stožiaru používa LPD-17 nový, plne uzavretý systém stožiarov/snímačov (AEM/S). Horná časť tohto stožiaru z uhlíkových vlákien je pokrytá frekvenčne selektívnym povrchovým materiálom (FSS), ktorý umožňuje prechod vĺn so špecifickou frekvenciou, a spodná polovica môže odrážať radarové vlny alebo byť absorbovaná materiálmi absorbujúcimi radar. Preto má dobré funkcie utajenia a detekcie radaru. Okrem toho sú rôzne antény a súvisiace zariadenia rovnomerne kombinované v konštrukcii, ktorá nie je ľahko korodujúca a je priaznivejšia pre údržbu zariadenia. Európske námorníctvo vyvinulo podobný uzavretý integrovaný senzorový stožiar vyrobený zo sklenených vlákien vyrobených z nanovlákien v kombinácii s uhlíkovými vláknami ako výstužou. Umožňuje nerušený prechod rôznych radarových lúčov a komunikačných signálov a straty sú extrémne nízke. V roku 2006 bol tento pokročilý stožiarový bankomat použitý na lietadlovej lodi „Royal Ark“ britského námorníctva.
Kompozity z uhlíkových vlákien sa dajú použiť aj v iných aspektoch lode. Napríklad sa dajú použiť ako systém vrtule a hnacieho hriadeľa v pohonnom systéme na zmiernenie vibračných účinkov a hluku trupu a väčšinou sa používajú v prieskumných lodiach a rýchlych výletných lodiach. Môžu sa použiť ako kormidlo v strojoch a zariadeniach, niektorých špeciálnych mechanických zariadeniach a potrubných systémoch. Okrem toho sa vysokopevnostné laná z uhlíkových vlákien široko používajú aj v kábloch námorných vojnových lodí a iných vojenských položkách.
1.2 Civilné jachty
Veľké jachty sú vo všeobecnosti v súkromnom vlastníctve a sú drahé, vyžadujú si nízku hmotnosť, vysokú pevnosť a odolnosť. Kompozity z uhlíkových vlákien sa môžu použiť v prístrojových ciferníkoch a anténach jácht, kormidlách a v vystužených konštrukciách, ako sú paluby, kajuty a lodné priečky. Tradičná kompozitná jachta je vyrobená prevažne z FRP, ale kvôli nedostatočnej tuhosti je trup často príliš ťažký po splnení požiadaviek na tuhosť a sklenené vlákno je karcinogén, ktorý sa v zahraničí postupne zakazuje. Podiel kompozitov z uhlíkových vlákien používaných v dnešných kompozitných jachtách sa výrazne zvýšil a niektoré dokonca používajú kompozity z uhlíkových vlákien. Napríklad dvojitá barža superjachty Baltic "Panama", ktorej trup a paluba sú obložené poťahom z uhlíkových vlákien/epoxidovej živice, voštinovým materiálom Nomex a jadrom zo štrukturálnej peny CorecellTM, má trup dlhý 60 m. Celková hmotnosť je však iba 210 ton. Sunreef 80 Levante, katamarán z uhlíkových vlákien postavený poľskou spoločnosťou Sunreef Yachts, využíva sendvičové kompozity z vinylesterovej živice, PVC penu a kompozity z uhlíkových vlákien. Výložníky sťažňa sú vyrobené z uhlíkových vlákien na mieru a iba časť trupu je vyrobená z FRP. Hmotnosť bez zaťaženia je iba 45 ton. Vysoká rýchlosť, nízka spotreba paliva a vynikajúci výkon.
Jachta „Zhongke·Lianya“ postavená v roku 2014 je v súčasnosti jedinou jachtou v Číne vyrobenou výlučne z uhlíkových vlákien. Je to zelená jachta vyrobená z kombinácie uhlíkových vlákien a epoxidovej živice. Je o 30 % ľahšia ako rovnaký typ jachty zo sklenených vlákien a má vyššiu pevnosť, vyššiu rýchlosť a nižšiu spotrebu paliva.
Okrem toho, káble a laná jachty používajú na zaistenie bezpečnosti vysokopevnostné laná z uhlíkových vlákien. Keďže uhlíkové vlákno má vyšší modul pružnosti v ťahu ako oceľ a niekoľkonásobnú alebo dokonca desiatočnú pevnosť v ťahu a má tkané vlastnosti vlákna, lano z uhlíkových vlákien sa používa ako základný materiál a môže nahradiť oceľové lano a lano z organického polyméru. Nedostatočne.z
2. Aplikácia v rozvoji morskej energie
2.1 Podmorské ropné a plynové polia
V posledných rokoch sa kompozitné materiály z uhlíkových vlákien čoraz viac používajú v oblasti ťažby ropy a zemného plynu v mori. Korózia v morskom prostredí, vysoké šmykové namáhanie a silné šmykové namáhanie spôsobené spodným prúdením vody kladú prísne požiadavky na odolnosť materiálu proti korózii, pevnosť a únavové vlastnosti. Kompozity z uhlíkových vlákien majú pri ťažbe ropných polí na mori zjavné výhody, ako sú nízka hmotnosť, odolnosť a antikorózna ochrana: vrtná plošina s hĺbkou vody 1500 m má oceľové lano s hmotnosťou približne 6500 t, zatiaľ čo hustota kompozitu z uhlíkových vlákien je bežná oceľ. Ak sa kompozitný materiál z uhlíkových vlákien použije na nahradenie časti ocele, nosnosť vrtnej plošiny sa výrazne zníži a náklady na jej výstavbu sa ušetria. Vrátny pohyb sacej tyče ľahko povedie k únave materiálu v dôsledku nerovnomerného tlaku medzi morskou vodou a tlakom vo vnútri rúry. Roztrhnutie a použitie kompozitného materiálu z uhlíkových vlákien môže tento problém vyriešiť. Vďaka odolnosti voči korózii v morskom prostredí je jeho životnosť v morskej vode dlhšia ako u ocele a hĺbka použitia je väčšia.
Kompozity z uhlíkových vlákien sa môžu použiť ako potrubia pre ťažobné vrty, sacie tyče, skladovacie nádrže, podmorské potrubia, paluby atď. na vrtných plošinách pre ropné polia. Výrobný proces sa delí na proces pultrúzie a proces mokrého navíjania. Pultrúzia sa všeobecne používa na bežné potrubia a spojovacie potrubia. Metóda navíjania sa všeobecne používa ako povrch skladovacej nádrže a tlakovej nádoby a môže sa použiť aj v anizotropnej flexibilnej rúre, v ktorej je kompozitný materiál z uhlíkových vlákien navinutý a usporiadaný pod určitým uhlom v pancierovej vrstve.
Kontinuálna sacia tyč z uhlíkových vlákien ako kompozitného materiálu má páskovitú štruktúru podobnú fólii a dobrú flexibilitu. Vyrába sa a používa v Spojených štátoch v 90. rokoch 20. storočia. Je vyrobená z uhlíkových vlákien ako výstužných vlákien a nenasýtenej živice ako základného materiálu. Vyrába sa procesom pultruzie po zosieťovaní pri vysokej teplote. V rokoch 2001 až 2003 Čína používala uhlíkové vláknové sacie tyče a bežné oceľové sacie tyče v ropných poliach s čistým lúčom na výrobu pilotných vrtov. Použitie uhlíkových vlákien sacích tyčí môže výrazne zvýšiť produkciu ropy a znížiť zaťaženie motora, čo je energeticky úspornejšie. Okrem toho je uhlíková vláknová kompozitná sacia tyč odolnejšia voči únave a korózii ako oceľová sacia tyč a je vhodnejšia na použitie pri vývoji podmorských ropných polí.
2.2 Veterná energia na mori
Bohaté zdroje veternej energie na mori sú dôležitou oblasťou pre budúci rozvoj a najpokročilejším a najnáročnejším odvetvím veternej energie. Čínske pobrežie má dĺžku približne 1800 km a nachádza sa tu viac ako 6000 ostrovov. Juhovýchodné pobrežie a ostrovné oblasti sú bohaté na veterné zdroje a ľahko sa rozvíjajú. V posledných rokoch príslušné oddelenia podporili úsilie o podporu rozvoja veternej energie na mori. Viac ako 90 % hmotnosti lopatiek veterných elektrární tvoria kompozitné materiály. Silné vetry na mori a vysoká výroba energie si nevyhnutne vyžadujú väčšie lopatky a lepšiu špecifickú pevnosť a odolnosť. Je zrejmé, že kompozitné materiály z uhlíkových vlákien dokážu splniť požiadavky na vývoj veľkorozmerných, ľahkých, vysokovýkonných a lacných lopatiek na výrobu energie a sú vhodnejšie pre námorné aplikácie ako kompozitné materiály zo sklenených vlákien.
Kompozity z uhlíkových vlákien majú významné výhody pri výrobe energie z morských vetrov. Lopata z uhlíkových vlákien má nízku kvalitu a vysokú tuhosť a modul je 3 až 8-krát vyšší ako u produktu zo sklenených vlákien; vlhkosť v morskom prostredí je vysoká, podnebie je premenlivé a ventilátor pracuje 24 hodín denne. Lopata má dobrú odolnosť proti únave a odoláva nepriaznivému počasiu. Zlepšuje aerodynamický výkon lopatky a znižuje zaťaženie veže a nápravy, takže výstupný výkon ventilátora je plynulejší a vyváženejší a zlepšuje sa energetická účinnosť. Vodivosť vďaka špeciálnej konštrukčnej konštrukcii dokáže účinne zabrániť poškodeniu lopatky spôsobenému úderom blesku; znižuje výrobné a prepravné náklady lopatky veternej turbíny; a má vlastnosti tlmenia vibrácií.
3. Aplikácie v námornom inžinierstve
Kompozitné materiály z uhlíkových vlákien sa používajú v stavbách námorných inžinierskych budov. Využívajú najmä vlastnosti nízkej hmotnosti, vysokej pevnosti a odolnosti proti korózii a nahrádzajú tradičné oceľové stavebné materiály vo forme šliach a konštrukčných dielov, aby vyriešili problém vysokých nákladov na prepravu ocele odolnej voči erózii morskou vodou. Používajú sa na stavby na pobrežných ostrovných útesoch, doky, plávajúce plošiny, svetelné veže atď. Používanie kompozitov z uhlíkových vlákien na inžinierske rekonštrukcie sa začalo v 80. rokoch 20. storočia a japonská spoločnosť Mitsubishi Chemical Corporation sa ujala vedenia vo výskume mechanických vlastností kompozitov z uhlíkových vlákien a ich použitia v inžinierskej výstuži. Počiatočný výskum sa zameral na vystužovanie železobetónových nosníkov pomocou kompozitov z uhlíkových vlákien, ktoré sa neskôr vyvinuli do výstuže a vystužovania rôznych stavebných stavieb. Oprava ropných plošín a prístavov na mori pomocou kompozitov z uhlíkových vlákien je len jedným aspektom ich použitia. Existuje mnoho súvisiacich dokumentov. Za zmienku stojí, že americká spoločnosť DFI použila tyče z uhlíkových vlákien na opravu terminálu Navy Pearl Harbor. V tom čase technici použili na opravu výstuže inovatívne tyče z uhlíkových vlákien. Opravený dok s tyčami z uhlíkových vlákien vydrží 9 ton ocele z výšky 2,5 m. Odpadá bez poškodenia a efekt vylepšenia je zrejmý.
Pokiaľ ide o použitie uhlíkových vlákien v námornom inžinierstve, existuje aj druh opravy a vystužovania podmorských potrubí alebo stĺpov. Tradičné metódy údržby, ako je zváranie, zlepšovanie zvarov, svorky, injektáž atď., majú svoje vlastné obmedzenia a použitie týchto metód je v morskom prostredí obmedzenejšie. Oprava uhlíkových vlákien sa vykonáva hlavne z vysokopevnostných a vysoko priľnavých živicových materiálov, ako je uhlíková tkanina a epoxidová živica, ktoré sa prilepia k opravovanému povrchu, takže je tenký a ľahký, vysoko pevný, má dobrú odolnosť, je pohodlný na konštrukciu a prispôsobiteľný rôznym tvarom. Má to významnú výhodu.
Čas uverejnenia: 23. marca 2019