Kolfiberkompositmaterial är ett fiberförstärkt material tillverkat av kolfiber och harts, metall, keramik och andra matriser. På grund av sin lätta vikt, höga hållfasthet, höga temperaturbeständighet etc. har det använts flitigt inom flyg- och rymdteknik, sport och fritid samt höghastighetståg de senaste åren. Inom bilindustrin och anläggningsteknik har kolfiberkompositmaterial utmärkt utmattningsbeständighet, korrosionsbeständighet och utmärkta konstruktionsprestanda tack vare hög hållfasthet och hög hållfasthet, vilket gör det lämpligt för marina applikationer med speciella krav på materialegenskaper. Under senare år har kolfiberkompositer spelat en allt viktigare roll inom varvsindustrin, offshore-energiutveckling och reparation av marin teknik.
1. Applikation ombord
Kolfiberkompositer har en naturlig fördel jämfört med traditionella skeppsbyggnadsmaterial. För det första har kolfiberkompositer goda mekaniska egenskaper. Skrovet tillverkas med egenskaperna lätthet och låg bränsleförbrukning, och konstruktionsprocessen är relativt enkel, cykeln är kort och gjutningen är bekväm, så konstruktions- och underhållskostnaden är mycket lägre än för stålfartyg. Samtidigt, eftersom gränssnittet mellan kolfibern och hartsmatrisen effektivt kan förhindra sprickutbredning, har materialet god utmattningsbeständighet; dessutom, på grund av kolfiberytans kemiska inertitet, har skrovet egenskaper som gör att vattenlevande organismer är svåra att epifytisera och korrosionsbeständiga, vilket också är fartygskonstruktionen. En av de viktigaste faktorerna vid val av material. Därför har kolfiberkompositmaterial unika omfattande prestandafördelar inom skeppsbyggnad och används nu i stor utsträckning inom detta område. Samtidigt har utvecklingen av kolfiberindustrin främjats från expansion av tillämpningsområdet.
1.1 Militära fartyg
Kolfiberkompositer har goda akustiska, magnetiska och elektriska egenskaper: de är transparenta, ljudgenomsläppliga och icke-magnetiska, så de kan användas för att förbättra krigsfartygs smygprestanda. Användningen av kompositmaterial i fartygets överbyggnad minskar inte bara skrovets vikt, utan sänder och tar även emot elektromagnetiska vågor med en förutbestämd frekvens genom att skydda det frekvensselektiva lagret som är inbäddat i mellanskiktet för att skydda fiendens radar från elektromagnetiska vågor. Till exempel använde kryssaren av "skjold"-klassen, som byggdes av den norska flottan 1999, en sandwichkomposit bestående av ett kärnlager av polyvinylkloridskum, glasfiber och kolfibermellanlager. Denna design förbättrar inte bara förhållandet mellan styrka och vikt, utan har också god slagtålighet. Prestandan förbättrar också avsevärt egenskaperna för lågmagnetisk, anti-infraröd och anti-radarskanning. De svenska fregatterna av Visby-klassen, som togs i drift år 2000, använder alla kolfiberkompositmaterial, som har speciella funktioner för viktreduktion, radar och infraröd dubbel smyg.
Användningen av kolfiberförstärkta kompositmaster på fartyg har gradvis ökat. LPD-17-fartyget, som togs i drift i USA 2006, använder en avancerad kompositmast med kolfiber/balsakärna. Till skillnad från den ursprungliga öppna masten använder LPD-17 ett nytt helt slutet mast-/avkänningssystem (AEM/S). Den övre delen av denna kolfiberkompositmast täcker ett frekvensselektivt ytmaterial (FSS), vilket gör att vågor med en specifik frekvens kan passera igenom, och den nedre halvan kan reflektera radarvågor eller absorberas av radarabsorberande material. Därför har den goda radardetekterings- och stealth-funktioner. Dessutom är olika antenner och relaterad utrustning enhetligt kombinerade i strukturen, vilket inte lätt korroderar och är mer gynnsamt för underhållet av utrustningen. Den europeiska flottan har utvecklat en liknande sluten integrerad sensormast tillverkad av nanofibertillverkad glasfiber kombinerad med kolfiber som förstärkning. Den gör att olika radarstrålar och kommunikationssignaler kan passera ostört med varandra, och förlusten är extremt låg. År 2006 användes denna avancerade mastbankomat på den brittiska flottans hangarfartyg "Royal Ark".
Kolfiberkompositer kan också användas i andra delar av fartyget. Till exempel kan det användas som propeller- och framdrivningsaxelsystem i framdrivningssystemet för att mildra vibrationseffekter och buller från skrovet, och används mest i spaningsfartyg och snabba kryssningsfartyg. Det kan användas som roder i maskiner och utrustning, vissa speciella mekaniska anordningar och rörsystem. Dessutom används höghållfasta kolfiberrep också i stor utsträckning i kablar till krigsfartyg och andra militära föremål.
1.2 Civila yachter
Stora yachter är i allmänhet privatägda och dyra, vilket kräver låg vikt, hög hållfasthet och hållbarhet. Kolfiberkompositer kan användas i yachters instrumentrattar och antenner, roder och i förstärkta strukturer som däck, hytter och fartygsskott. Den traditionella komposityachten är huvudsakligen tillverkad av FRP, men på grund av otillräcklig styvhet är skrovet ofta för tungt efter att ha uppfyllt styvhetsdesignkraven, och glasfibern är ett cancerframkallande ämne, vilket gradvis förbjuds utomlands. Andelen kolfiberkompositer som används i dagens komposityachter har ökat avsevärt, och vissa har till och med använt kolfiberkompositer. Till exempel, Baltics superyacht "Panama" dubbelpråm, skrovet och däcket är klämda med kolfiber/epoxiharts, Nomex bikake och CorecellTM strukturskumkärna, skrovet är 60 meter långt. Men den totala vikten är bara 210 ton. Sunreef 80 Levante, en kolfiberkatamaran byggd av den polska katamaranen Sunreef Yachts, använder vinylesterharts-sandwichkompositer, PVC-skum och kolfiberkompositer. Mastbommarna är specialbyggda kolfiberkompositer, och endast en del av skrovet använder FRP. Tomgångsvikten är bara 45 ton. Hög hastighet, låg bränsleförbrukning och utmärkt prestanda.
Yachten ”Zhongke·Lianya” byggd 2014 är för närvarande den enda yachten helt i kolfiber i Kina. Det är en grön yacht tillverkad av en kombination av kolfiber och epoxiharts. Den är 30 % lättare än samma typ av glasfiberyacht och har högre styrka, snabbare fart och lägre bränsleförbrukning.
Dessutom använder yachtens kablar och vajrar höghållfasta kolfiberrep för att garantera säkerheten. Eftersom kolfibern har en dragmodul som är högre än stålets och en draghållfasthet som är flera gånger eller till och med tiotals gånger högre, och har fiberns vävda egenskaper, används kolfiberrep som basmaterial, vilket kan kompensera för stålvajer och organiska polymerrep. Otillräckligt.z
2. Tillämpning inom marin energiutveckling
2.1 Undervattensfält för olja och gas
Under senare år har kolfiberkompositmaterial blivit alltmer använda inom marin olje- och gasutveckling. Korrosion i den marina miljön, hög skjuvning och stark skjuvning orsakad av underströmsvatten ställer strikta krav på materialets korrosionsbeständighet, hållfasthet och utmattningsegenskaper. Kolfiberkompositer har uppenbara fördelar i form av lätthet, hållbarhet och korrosionsbeständighet vid utveckling av offshore-oljefält: en borrplattform på 1500 m vattendjup har en stålvajer med en massa på cirka 6500 ton, medan kolfiberkompositens densitet är vanligt stål. Om kolfiberkompositmaterialet används för att ersätta en del av stålet, kommer borrplattformens lastkapacitet att minskas avsevärt och plattformens byggkostnad sparas. Sugstångens fram- och återgående rörelse leder lätt till materialutmattning på grund av det obalanserade trycket mellan havsvattnet och trycket inuti röret. Att bryta och använda kolfiberkompositmaterial kan lösa detta problem; På grund av korrosionsbeständigheten i havsvattenmiljön är dess livslängd i havsvatten längre än stål, och användningsdjupet är djupare.
Kolfiberkompositer kan användas som produktionsbrunnsrör, sugstänger, lagringstankar, ubåtsrörledningar, däck etc. på oljefältsborrplattformar. Tillverkningsprocessen är uppdelad i en pultruderingsprocess och en våtlindningsprocess. Pultrudering används vanligtvis på vanliga rör och anslutningsrör. Lindningsmetoden används vanligtvis som yta på lagringstanken och tryckkärlet, och kan också användas i ett anisotropiskt flexibelt rör där kolfiberkompositmaterialet är lindat och anordnat i en specifik vinkel i pansarskiktet.
Den kontinuerliga sugstången av kolfiberkompositmaterial har en bandliknande struktur som liknar film och har god flexibilitet. Tillverkad och tillämpad i USA på 1990-talet. Den är tillverkad av kolfiber som armeringsfiber och omättat harts som basmaterial. Den produceras genom pultruderingsprocess efter tvärbindning och härdning vid hög temperatur. Från 2001 till 2003 använde Kina en sugstång av kolfiber och en vanlig sugstång av stål i renstråleoljefält för att tillverka en pilot. Användningen av sugstång av kolfiber kan avsevärt öka oljeproduktionen och minska motorbelastningen, vilket är mer energieffektivt. Dessutom är sugstången av kolfiberkomposit mer motståndskraftig mot utmattning och korrosion än sugstången av stål, och är mer lämplig för tillämpning vid utveckling av undervattensoljefält.
2.2 Havsbaserad vindkraft
De rikliga vindkraftsresurserna till havs är ett viktigt område för framtida utveckling och det mest avancerade och krävande området för vindkraftsteknik. Kinas kustlinje är cirka 1800 km lång och det finns mer än 6 000 öar. Sydostkusten och öregionerna är rika på vindkraftsresurser och lätta att utveckla. Under senare år har ansträngningar för att främja utvecklingen av havsbaserad vindkraft stöttats av relevanta myndigheter. Mer än 90 % av vikten av vindkraftsblad består av kompositmaterial. Kraftiga vindar till havs och hög kraftproduktion kräver med största sannolikhet större blad och bättre specifik styrka och hållbarhet. Kolfiberkompositmaterial kan uppenbarligen uppfylla kraven för att utveckla storskaliga, lätta, högpresterande och billiga kraftproduktionsblad, och är mer lämpade för marina tillämpningar än glasfiberkompositmaterial.
Kolfiberkompositer har betydande fördelar vid marin vindkraftproduktion. Kolfiberkompositblad har låg kvalitet och hög styvhet, och modulen är 3 till 8 gånger högre än glasfiberprodukten; luftfuktigheten är hög i den marina miljön, klimatet är föränderligt och fläkten arbetar i 24 timmar. Bladet har god utmattningsbeständighet och kan motstå dåligt väder. Det förbättrar bladets aerodynamiska prestanda och minskar belastningen på tornet och axeln, så att fläktens uteffekt blir jämnare och mer balanserad, och energieffektiviteten förbättras. Den konduktiva prestandan, genom speciell strukturell design, kan effektivt undvika skador orsakade av blixtnedslag på bladet; minska tillverknings- och transportkostnaderna för vindturbinbladet; och har vibrationsdämpande egenskaper.
3. Marintekniska tillämpningar
Kolfiberkompositmaterial används i marintekniska byggnader. De använder huvudsakligen egenskaperna lätt vikt, hög hållfasthet och korrosionsbeständighet, och ersätter traditionella stålbyggnadsmaterial i form av senor och strukturella delar för att lösa problemet med höga transportkostnader för stål som erosion orsakad av havsvatten. Det har använts på byggnader till havs på öar, dockor, flytande plattformar, ljustorn etc. Användningen av kolfiberkompositer för teknisk restaurering började på 1980-talet, och Mitsubishi Chemical Corporation i Japan tog ledningen i forskningen om de mekaniska egenskaperna hos kolfiberkompositer och deras tillämpning inom teknisk armering. Det inledande forskningsfokuset låg på armering av armerade betongbalkar med hjälp av kolfiberkompositer, vilket senare utvecklades till armering och förstärkning av olika typer av anläggningsarbeten. Reparation av oljeplattformar och hamnar till havs med kolfiberkompositer är bara en aspekt av dess tillämpning. Det finns många relaterade dokument. Det är värt att nämna att det amerikanska DFI-företaget använde kolfiberstavar för att reparera marinens Pearl Harbor-terminal. Vid den tiden använde teknikerna innovativa kolfiberstavar för att reparera armeringen. Den reparerade dockan med kolfiberstavar kan motstå 9t stål från 2,5 m höjd. Den faller av utan att skadas, och förbättringseffekten är uppenbar.
När det gäller tillämpningen av kolfiberkompositer inom marin teknik finns det också en typ av reparation och förstärkning av undervattensrörledningar eller pelare. Traditionella underhållsmetoder som svetsning, svetsförbättring, klämmor, injektering etc. har sina egna begränsningar, och användningen av dessa metoder är mer begränsad i marin miljö. Reparation av kolfiberkompositer tillverkas huvudsakligen av höghållfasta och högvidhäftande hartsmaterial som kolfiberduk och epoxiharts, som fästs på reparationsytan, så det är tunt och lätt, höghållfast, bra i hållbarhet, bekvämt i konstruktionen och anpassningsbart till olika former. Det har en betydande fördel.
Publiceringstid: 23 mars 2019