Kompozitni material iz ogljikovih vlaken je material, ojačan z vlakni, izdelan iz ogljikovih vlaken in smole, kovine, keramike in drugih matričnih materialov. Zaradi majhne teže, visoke trdnosti, odpornosti na visoke temperature itd. se v zadnjih letih pogosto uporablja v vesoljski industriji, športu in prostem času ter hitrih železnicah. Na področju avtomobilizma in gradbeništva. Kompozitni materiali iz ogljikovih vlaken imajo odlično odpornost proti utrujanju, odpornost proti koroziji in odlične konstrukcijske lastnosti zaradi visoke trdnosti in visoke trdnosti, zaradi česar so primerni za pomorske aplikacije s posebnimi zahtevami glede lastnosti materiala. Bodite pozorni. V zadnjih letih so kompoziti iz ogljikovih vlaken igrali vse pomembnejšo vlogo v ladjedelništvu, razvoju energije na morju in popravilu ladijskega inženirstva.
1. Vloga na krovu
Kompoziti iz ogljikovih vlaken imajo naravno prednost pred tradicionalnimi materiali za ladjedelništvo. Prvič, kompoziti iz ogljikovih vlaken imajo dobre mehanske lastnosti. Trup je izdelan z značilnostmi majhne teže in nizke porabe goriva, postopek gradnje pa je relativno preprost, cikel je kratek in oblikovanje je priročno, zato so stroški gradnje in vzdrževanja veliko nižji kot pri jekleni ladji. Hkrati ima material dobro odpornost proti utrujenosti, ker lahko vmesnik med ogljikovimi vlakni in smolno matrico učinkovito prepreči širjenje razpok; poleg tega ima trup zaradi kemične inertnosti površine ogljikovih vlaken značilnosti, da je težko epifitski za vodne organizme in odporen proti koroziji, kar je tudi značilno za konstrukcijo ladje. To je eden najpomembnejših dejavnikov pri izbiri materialov. Zato imajo kompozitni materiali iz ogljikovih vlaken edinstvene celovite prednosti v ladjedelništvu in se zdaj pogosto uporabljajo na tem področju. Hkrati se je s širitvijo področja uporabe spodbudil razvoj industrije ogljikovih vlaken.
1.1 Vojaške ladje
Kompoziti iz ogljikovih vlaken imajo dobre akustične, magnetne in električne lastnosti: so prozorni, prepustni za zvok in nemagnetni, zato jih je mogoče uporabiti za izboljšanje prikritosti vojnih ladij. Uporaba kompozitnih materialov v nadgradnji ladje ne le zmanjša težo trupa, temveč tudi oddaja in sprejema elektromagnetne valove na vnaprej določeni frekvenci z zaščito s frekvenčno selektivno plastjo, vgrajeno v vmesno plast, ki ščiti elektromagnetne valove sovražnikovega radara. Na primer, križarka razreda »skjold«, ki jo je leta 1999 zgradila norveška mornarica, je uporabila sendvič kompozit, sestavljen iz jedrne plasti iz polivinilkloridne pene, steklenih vlaken in vmesne plasti iz ogljikovih vlaken. Ta zasnova ne le izboljša razmerje med trdnostjo in težo, temveč ima tudi dobro odpornost proti udarcem. Zmogljivost močno izboljša tudi lastnosti nizkomagnetnega, protiinfrardečega in protiradarskega skeniranja. Švedske fregate razreda Visby, ki so bile naročene leta 2000, vse uporabljajo kompozitne materiale iz ogljikovih vlaken, ki imajo posebne funkcije zmanjšanja teže, radarja in infrardeče dvojne prikritosti.
Uporaba kompozitnih jamborov, ojačanih z ogljikovimi vlakni, na ladjah se je postopoma pojavila. Ladja LPD-17, ki je bila v Združenih državah Amerike predana v uporabo leta 2006, uporablja napredni kompozitni jambor z jedrom iz ogljikovih vlaken/balse. Za razliko od originalnega odprtega jambora LPD-17 uporablja nov, popolnoma zaprt sistem jambora/senzorjev (AEM/S), pri čemer zgornji del tega kompozitnega jambora iz ogljikovih vlaken prekriva frekvenčno selektivni površinski material (FSS), ki omogoča prehod valov z določeno frekvenco, spodnja polovica pa lahko odbija radarske valove ali pa jih absorbirajo materiali, ki absorbirajo radarske valove. Zato ima dobre funkcije prikritosti in zaznavanja radarjev. Poleg tega so različne antene in sorodna oprema enakomerno združene v strukturi, ki ni lahko korodirana in je bolj ugodna za vzdrževanje opreme. Evropska mornarica je razvila podoben zaprto integriran senzorski jambor iz steklenih vlaken iz nanovlaken v kombinaciji z ogljikovimi vlakni kot ojačitvijo. Omogoča nemoten prehod različnih radarskih žarkov in komunikacijskih signalov med seboj, izguba pa je izjemno nizka. Leta 2006 je bil ta napredni tehnološki jamborni bankomat uporabljen na letalonosilki "Royal Ark" britanske mornarice.
Kompoziti iz ogljikovih vlaken se lahko uporabljajo tudi v drugih vidikih ladje. Na primer, lahko se uporabljajo kot propeler in pogonski sistem gredi v pogonskem sistemu za ublažitev vibracij in hrupa trupa, večinoma pa se uporabljajo v izvidniških ladjah in hitrih križarkah. Uporabljajo se lahko kot krmilo v strojih in opremi, nekaterih posebnih mehanskih napravah in cevovodnih sistemih. Poleg tega se visoko trdne vrvi iz ogljikovih vlaken pogosto uporabljajo tudi v kablih za vojne ladje in drugih vojaških predmetih.
1.2 Civilne jahte
Velike jahte so običajno v zasebni lasti in so drage, zahtevajo lahko težo, visoko trdnost in vzdržljivost. Kompoziti iz ogljikovih vlaken se lahko uporabljajo v instrumentnih številčnicah in antenah jaht, krmilih ter v ojačanih konstrukcijah, kot so palube, kabine in ladijske pregrade. Tradicionalna kompozitna jahta je v glavnem izdelana iz FRP, vendar je zaradi nezadostne togosti trup pogosto pretežek, ko izpolnjuje zahteve glede togosti, steklena vlakna pa so rakotvorna snov, ki jo v tujini postopoma prepovedujejo. Delež kompozitov iz ogljikovih vlaken, ki se uporabljajo v današnjih kompozitnih jahtah, se je znatno povečal, nekatere pa so celo uporabile kompozite iz ogljikovih vlaken. Na primer, dvojna barža Balticove superjahte "Panama", katere trup in paluba sta obložena s kožo iz ogljikovih vlaken/epoksidne smole, satjem Nomex in jedrom iz strukturne pene CorecellTM, je trup dolg 60 m. Skupna teža pa je le 210 ton. Sunreef 80 Levante, katamaran iz karbonskih vlaken, ki ga je izdelal poljski proizvajalec katamaranov Sunreef Yachts, uporablja sendvič kompozite iz vinilne estrske smole, PVC peno in kompozite iz karbonskih vlaken. Nosilci jambora so izdelani iz kompozitov iz karbonskih vlaken po meri, le del trupa pa je izdelan iz FRP. Teža brez obremenitve je le 45 ton. Visoka hitrost, nizka poraba goriva in odlične zmogljivosti.
Jahta »Zhongke·Lianya«, zgrajena leta 2014, je trenutno edina jahta na Kitajskem, izdelana v celoti iz ogljikovih vlaken. Gre za zeleno jahto, izdelano iz kombinacije ogljikovih vlaken in epoksidne smole. Je 30 % lažja od iste vrste jahte iz steklenih vlaken in ima večjo trdnost, večjo hitrost in manjšo porabo goriva.
Poleg tega kabli in kabli jahte uporabljajo visoko trdne vrvi iz ogljikovih vlaken za zagotavljanje varnosti. Ker imajo ogljikova vlakna natezni modul višji od jekla in natezno trdnost večkrat ali celo desetkrat večjo ter imajo tkano lastnost vlaken, se vrv iz ogljikovih vlaken uporablja kot osnovni material in lahko nadomesti jekleno žično vrv in vrv iz organskih polimerov. Nezadostno.z
2. Uporaba pri razvoju morske energije
2.1 Podmorska naftna in plinska polja
V zadnjih letih se kompozitni materiali iz ogljikovih vlaken vse bolj uporabljajo na področju razvoja morske nafte in plina. Korozija v morskem okolju, visoke strižne sile in močno striženje, ki ga povzroča podtok vode, nalagajo stroge zahteve glede odpornosti proti koroziji, trdnosti in utrujenosti materiala. Kompoziti iz ogljikovih vlaken imajo očitne prednosti pri razvoju naftnih polj na morju, saj so lahki, vzdržljivi in odporni proti koroziji: vrtalna ploščad na globini 1500 m ima jekleno vrv z maso približno 6500 ton, medtem ko je gostota kompozita iz ogljikovih vlaken navadno jeklo. Če se za delno zamenjavo jekla uporabi kompozitni material iz ogljikovih vlaken, se nosilnost vrtalne ploščadi znatno zmanjša, stroški gradnje pa se prihranijo. Izmenično gibanje sesalne palice lahko zlahka povzroči utrujenost materiala zaradi neuravnoteženega tlaka med morsko vodo in tlakom v cevi. To težavo lahko rešimo z lomljenjem in uporabo kompozitnega materiala iz ogljikovih vlaken; Zaradi odpornosti proti koroziji v morskem okolju je njegova življenjska doba v morski vodi daljša od jekla, globina uporabe pa je večja.
Kompoziti iz ogljikovih vlaken se lahko uporabljajo kot cevi za proizvodne vrtine, sesalne palice, rezervoarji za shranjevanje, podmorski cevovodi, palube itd. na naftnih vrtalnih ploščadih. Proizvodni postopek je razdeljen na postopek pultruzije in postopek mokrega navijanja. Pultruzija se običajno uporablja na običajnih ceveh in povezovalnih ceveh. Metoda navijanja se običajno uporablja kot površina rezervoarja za shranjevanje in tlačne posode, lahko pa se uporablja tudi v anizotropni fleksibilni cevi, v kateri je kompozitni material iz ogljikovih vlaken navit in razporejen pod določenim kotom v oklepni plasti.
Neprekinjena sesalna palica iz kompozitnega materiala iz ogljikovih vlaken ima trakasto strukturo, podobno filmu, in je dobro prožna. Proizvedena in uporabljena v Združenih državah Amerike v devetdesetih letih prejšnjega stoletja. Izdelana je iz ogljikovih vlaken kot ojačitvenih vlaken in nenasičene smole kot osnovnega materiala. Proizvedena je s postopkom pultruzije po zamreženju in utrjevanju pri visoki temperaturi. Med letoma 2001 in 2003 je Kitajska na naftnih poljih s čistim žarkom uporabljala sesalno palico iz ogljikovih vlaken in navadno jekleno sesalno palico za izdelavo pilotnega vira. Uporaba sesalne palice iz ogljikovih vlaken lahko znatno poveča proizvodnjo nafte in zmanjša obremenitev motorja, kar je energetsko učinkovitejše. Poleg tega je sesalna palica iz kompozitnega materiala iz ogljikovih vlaken bolj odporna na utrujenost in korozijo kot jeklena sesalna palica ter je bolj primerna za uporabo pri razvoju podmorskih naftnih polj.
2.2 Vetrna energija na morju
Obilni viri vetrne energije na morju so pomembno področje za prihodnji razvoj in najnaprednejše ter najzahtevnejše področje tehnologije vetrne energije. Kitajska obala je dolga približno 1800 km in ima več kot 6000 otokov. Jugovzhodna obala in otoške regije so bogate z vetrnimi viri in jih je enostavno razvijati. V zadnjih letih so pristojni oddelki podprli prizadevanja za spodbujanje razvoja vetrne energije na morju. Več kot 90 % teže lopatic vetrnih elektrarn je sestavljenih iz kompozitnih materialov. Močni vetrovi na morju in velika proizvodnja energije zahtevajo večje lopatice ter boljšo specifično trdnost in vzdržljivost. Očitno lahko kompozitni materiali iz ogljikovih vlaken izpolnjujejo zahteve za razvoj velikih, lahkih, visokozmogljivih in cenovno ugodnih lopatic za proizvodnjo energije ter so bolj primerni za pomorske aplikacije kot kompozitni materiali iz steklenih vlaken.
Kompoziti iz ogljikovih vlaken imajo pomembne prednosti pri proizvodnji energije iz vetrnih elektrarn na morju. Lopatica iz ogljikovih vlaken ima nizko kakovost in visoko togost, modul pa je od 3 do 8-krat večji od izdelka iz steklenih vlaken; v morskem okolju je visoka vlažnost, spremenljivo podnebje in ventilator deluje 24 ur na dan. Lopatica ima dobro odpornost proti utrujenosti in je odporna na slabo vreme. Izboljša aerodinamične lastnosti lopatice in zmanjša obremenitev stolpa in osi, tako da je izhodna moč ventilatorja bolj gladka in uravnotežena, izboljšana pa je tudi energetska učinkovitost. Prevodna zmogljivost s posebno strukturno zasnovo lahko učinkovito prepreči škodo, ki jo povzroči udar strele na lopatici; zmanjša stroške izdelave in transporta lopatice vetrne turbine; ter ima lastnosti dušenja vibracij.
3. Uporaba v pomorskem inženirstvu
Kompozitni materiali iz ogljikovih vlaken se uporabljajo v ladijskih inženirskih stavbah. Predvsem izkoriščajo lastnosti majhne teže, visoke trdnosti in odpornosti proti koroziji ter nadomeščajo tradicionalne jeklene gradbene materiale v obliki tetiv in konstrukcijskih delov, da bi rešili problem visokih stroškov prevoza jekla, ki ga erozija morske vode povzroča. Uporabljajo se za stavbe na grebenih otokov na morju, doke, plavajoče ploščadi, svetlobne stolpe itd. Uporaba kompozitov iz ogljikovih vlaken za inženirsko obnovo se je začela v osemdesetih letih prejšnjega stoletja, japonsko podjetje Mitsubishi Chemical Corporation pa je prevzelo vodilno vlogo pri raziskovanju mehanskih lastnosti kompozitov iz ogljikovih vlaken in njihovi uporabi v inženirski armaturi. Začetni raziskovalni poudarek je bil na armiranju armiranobetonskih nosilcev z uporabo kompozitov iz ogljikovih vlaken, kar se je kasneje razvilo v armiranje in ojačitev različnih gradbenih objektov. Popravilo naftnih ploščadi in pristanišč na morju s kompoziti iz ogljikovih vlaken je le en vidik njihove uporabe. Obstaja veliko sorodnih dokumentov. Omeniti velja, da je ameriško podjetje DFI uporabilo palice iz ogljikovih vlaken za popravilo terminala Navy Pearl Harbor. Takrat so tehniki za popravilo armature uporabili inovativne palice iz ogljikovih vlaken. Popravljeni dok s palicami iz ogljikovih vlaken lahko prenese 9 ton jekla z višine 2,5 m. Odpadne brez poškodb, učinek izboljšanja pa je očiten.
Kar zadeva uporabo kompozitov iz ogljikovih vlaken v ladijskem inženirstvu, obstaja tudi vrsta popravila in ojačitve podmorskih cevovodov ali stebrov. Tradicionalne metode vzdrževanja, kot so varjenje, izboljšanje varjenja, objemke, fugiranje itd., imajo svoje omejitve, njihova uporaba pa je v morskem okolju bolj omejena. Popravilo kompozitov iz ogljikovih vlaken je v glavnem izdelano iz visoko trdnih in visoko oprijemljivih smolnih materialov, kot sta tkanina iz ogljikovih vlaken in epoksidna smola, ki se prilepijo na popravljalno površino, zato so tanki in lahki, visoko trdni, vzdržljivi, priročni za gradnjo in prilagodljivi različnim oblikam. Imajo pomembno prednost.
Čas objave: 23. marec 2019