Вуглецево-волокнистий композитний матеріал – це армований волокном матеріал, виготовлений з вуглецевого волокна та смоли, металу, кераміки та інших матриць. Завдяки своїй легкій вазі, високій міцності, стійкості до високих температур тощо, він широко використовується в аерокосмічній галузі, спорті та відпочинку, високошвидкісному залізничному транспорті останніми роками. У галузях автомобілів та цивільного будівництва. Вуглецево-волокнисті композитні матеріали мають чудову стійкість до втоми, корозійну стійкість та чудові будівельні характеристики завдяки високій міцності та високій стійкості, що робить їх придатними для морського застосування з особливими вимогами до властивостей матеріалу. Слідкуйте за оновленнями. В останні роки вуглецево-волокнисті композити відіграють дедалі важливішу роль у суднобудуванні, розвитку морської енергетики та ремонті морської техніки.
1. Заявка на борту
Вуглецеві композити мають природну перевагу над традиційними суднобудівними матеріалами. По-перше, вуглецеві композити мають добрі механічні властивості. Корпус виготовляється з характеристиками легкої ваги та низького споживання палива, а процес будівництва відносно простий, цикл короткий, а формування зручне, тому вартість будівництва та обслуговування значно нижча, ніж у сталевого судна. Водночас, оскільки межа між вуглецевим волокном та смоляною матрицею може ефективно запобігати поширенню тріщин, матеріал має добру стійкість до втоми; крім того, завдяки хімічній інертності поверхні вуглецевого волокна, корпус має характеристики, що важко піддається епіфітним водним організмам та стійкий до корозії, що також є конструкцією судна. Це один з найважливіших факторів при виборі матеріалів. Тому вуглецеві композитні матеріали мають унікальні комплексні переваги в суднобудуванні та зараз широко використовуються в цій галузі. Водночас, розвиток вуглецевої промисловості сприяв розширенню сфери застосування.
1.1 Військові кораблі
Вуглецеві волокнисті композити мають добрі акустичні, магнітні та електричні властивості: вони прозорі, звукопроникні та немагнітні, тому їх можна використовувати для покращення скритності військових кораблів. Використання композитних матеріалів у надбудові корабля не тільки зменшує вагу корпусу, але й передає та приймає електромагнітні хвилі на заданій частоті, екрануючи частотно-селективний шар, вбудований у проміжний шар, для екранування електромагнітних хвиль радіолокацій противника. Наприклад, крейсер класу «Скьольд», побудований ВМС Норвегії в 1999 році, використовував сендвіч-композит, що складається з шару пінополівінілхлоридного ядра, скловолокна та проміжного шару вуглецевого волокна. Така конструкція не тільки покращує співвідношення міцності до ваги, але й має хорошу ударостійкість. Характеристики також значно покращують характеристики низького магнітного поля, антиінфрачервоного та антирадарного сканування. Шведські фрегати класу «Вісбю», які були введені в експлуатацію в 2000 році, використовують вуглецеві волокнисті композитні матеріали, які мають спеціальні функції зниження ваги, радіолокаційної та інфрачервоної подвійної скритності.
Застосування вуглецево-армованих композитних щогл на кораблях поступово з'явилося. Корабель LPD-17, який був введений в експлуатацію в Сполучених Штатах у 2006 році, використовує вдосконалену композитну щоглу з вуглецевого волокна/бальсового сердечника. На відміну від оригінальної відкритої щогли, LPD-17 використовує нову повністю закриту систему щогли/датчиків (AEM/S), верхня частина якої покрита частотно-селективним поверхневим матеріалом (FSS), що пропускає хвилі певної частоти, а нижня половина може відбивати радарні хвилі або поглинатися радіопоглинаючими матеріалами. Таким чином, вона має хороші функції радіолокаційної прихованості та виявлення. Крім того, різні антени та супутнє обладнання рівномірно об'єднані в конструкції, що не піддається корозії та сприяє обслуговуванню обладнання. Європейський флот розробив аналогічну закриту інтегровану сенсорну щоглу, виготовлену з скловолокна з нановолокна, поєднаного з вуглецевим волокном як арматурою. Це дозволяє різним радіолокаційним променям та комунікаційним сигналам безперешкодно проходити один з одним, а втрати надзвичайно низькі. У 2006 році цей передовий технологічний щогловий банкомат був використаний на авіаносці "Королівський ковчег" британських ВМС.
Вуглецеві волокнисті композити також можуть використовуватися в інших аспектах корабля. Наприклад, їх можна використовувати як гребний гвинт та валову систему в рушійній установці для зменшення вібраційного впливу та шуму корпусу, і вони здебільшого використовуються на розвідувальних кораблях та швидкісних круїзних суднах. Їх можна використовувати як кермо в машинах та обладнанні, деяких спеціальних механічних пристроях та системах трубопроводів. Крім того, високоміцні вуглецеві волокнисті канати також широко використовуються в кабелях військових кораблів та інших військових виробах.
1.2 Цивільні яхти
Великі яхти, як правило, перебувають у приватній власності та є дорогими, вимагаючи малої ваги, високої міцності та довговічності. Вуглецеві композити можна використовувати в циферблатах приладів та антенах яхт, кермах, а також у посилених конструкціях, таких як палуби, каюти та перегородки кораблів. Традиційна композитна яхта в основному виготовляється з FRP, але через недостатню жорсткість корпус часто занадто важкий після виконання вимог до конструкції жорсткості, а скловолокно є канцерогеном, що поступово забороняється за кордоном. Частка вуглецевих композитів, що використовуються в сучасних композитних яхтах, значно зросла, а деякі навіть використовують вуглецеві композити. Наприклад, подвійна баржа суперяхти Baltic "Панама", корпус і палуба якої затиснуті обшивкою з вуглецевого волокна/епоксидної смоли, стільниковим матеріалом Nomex та структурним пінопластовим сердечником CorecellTM, корпус має довжину 60 м. Але загальна вага становить лише 210 тонн. Sunreef 80 Levante, катамаран з вуглецевого волокна, побудований польською компанією Sunreef Yachts, використовує сендвіч-композити з вінілефірної смоли, піну ПВХ та вуглецеві волокнисті композити. Гіки щогл виготовлені на замовлення з вуглецевого волокна, і лише частина корпусу використовує склопластик. Вага без навантаження становить лише 45 тонн. Висока швидкість, низька витрата палива та відмінні характеристики.
Яхта «Zhongke·Lianya», побудована в 2014 році, наразі є єдиною яхтою в Китаї, повністю виготовленою з вуглецевого волокна. Це екологічна яхта, виготовлена з комбінації вуглецевого волокна та епоксидної смоли. Вона на 30% легша за аналогічний тип яхти зі скловолокна, має вищу міцність, вищу швидкість та меншу витрату палива.
Крім того, у тросах та кабелях яхти використовуються високоміцні вуглецеві волокнисті канати для забезпечення безпеки. Оскільки вуглецеве волокно має модуль розтягу вищий, ніж у сталі, та міцність на розтяг у кілька або навіть десятки разів, а також має ткані властивості волокна, вуглецеві волокнисті канати використовуються як основний матеріал, що може замінити сталеві троси та канати з органічних полімерів. Недостатньо.z
2. Застосування в розвитку морської енергетики
2.1 Підводні нафтогазові родовища
В останні роки вуглецеві волокнисті композитні матеріали все ширше використовуються в галузі розробки морської нафти і газу. Корозія в морському середовищі, високі зсувні зусилля та сильні зсувні навантаження, спричинені підводною течією води, висувають суворі вимоги до корозійної стійкості, міцності та втомних властивостей матеріалу. Вуглецеві волокнисті композити мають очевидні переваги в легкості, довговічності та антикорозійній стійкості при розробці морських нафтових родовищ: бурова платформа на глибині 1500 м має сталевий трос масою близько 6500 тонн, тоді як щільність вуглецевого волокнистого композиту становить звичайну сталь. Якщо на 1/4 замінити частину сталі вуглецевим волокнистим композитним матеріалом, вантажопідйомність бурової платформи значно знизиться, а вартість будівництва платформи буде зекономлена. Зворотно-поступальний рух насосної штанги легко призведе до втоми матеріалу через незбалансований тиск між морською водою та тиском всередині труби. Розрив та використання вуглецевого волокнистого композитного матеріалу може вирішити цю проблему; Завдяки корозійній стійкості морського середовища, термін його служби в морській воді довший, ніж у сталі, а глибина використання глибша.
Вуглецеві волокнисті композити можуть використовуватися як труби для видобувних свердловин, насосні штанги, резервуари для зберігання, підводні трубопроводи, палуби тощо на бурових платформах для нафтових родовищ. Виробничий процес поділяється на процес пултрузії та процес мокрого намотування. Пултрузія зазвичай використовується на звичайних трубах та з'єднувальних трубах. Метод намотування зазвичай використовується як поверхня резервуара для зберігання та посудини під тиском, а також може використовуватися в анізотропній гнучкій трубі, в якій вуглецевий композитний матеріал намотується та розташовується під певним кутом у шарі броні.
Безперервний насосний штанговий насос з вуглецевого композитного матеріалу має стрічкоподібну структуру, подібну до плівки, та має добру гнучкість. Вироблений та застосований у Сполучених Штатах у 1990-х роках. Він виготовлений з вуглецевого волокна як армуючого волокна та ненасиченої смоли як основного матеріалу. Його виготовляють методом пултрузії після зшивання та затвердіння при високій температурі. З 2001 по 2003 рік Китай використовував вуглеволокнистий насосний штанговий насосний ...
2.2 Офшорна вітрова енергетика
Великі ресурси вітроенергетики на морі є важливою сферою для майбутнього розвитку та найсучаснішою та найзатребуванішою галуззю вітроенергетичних технологій. Берегова лінія Китаю становить близько 1800 км, і тут понад 6000 островів. Південно-східне узбережжя та острівні регіони багаті на вітрові ресурси та легко освоюються. В останні роки зусилля щодо сприяння розвитку морської вітроенергетики були підтримані відповідними відомствами. Понад 90% ваги лопатей вітроенергетики складаються з композитних матеріалів. Сильні вітри в морі та виробництво великої енергії, безумовно, вимагають більших лопатей та кращої питомої міцності та довговічності. Очевидно, що вуглецево-волокнисті композитні матеріали можуть задовольнити вимоги розробки великомасштабних, легких, високопродуктивних, недорогих лопатей для виробництва енергії та є більш підходящими для морського застосування, ніж скловолокнисті композитні матеріали.
Вуглецеві композити мають значні переваги у виробництві морської вітроенергетики. Лопаті з вуглецевого композиту мають низьку якість та високу жорсткість, а модуль пружності в 3-8 разів вищий, ніж у скловолокна; вологість у морському середовищі висока, клімат мінливий, вентилятор працює 24 години на добу. Лопаті мають добру стійкість до втоми та можуть протистояти негоді. Це покращує аеродинамічні характеристики лопаті та зменшує навантаження на вежу та вісь, завдяки чому вихідна потужність вентилятора є більш плавною та збалансованою, а енергоефективність покращується. Завдяки спеціальній структурній конструкції, провідні характеристики можуть ефективно запобігти пошкодженню лопаті від удару блискавки; зменшити виробничі та транспортні витрати лопаті вітрової турбіни; а також мати характеристики гасіння вібрацій.
3. Застосування в морській інженерії
Вуглецеві композитні матеріали використовуються в морських інженерних будівлях. Вони в основному використовують характеристики легкої ваги, високої міцності та стійкості до корозії, замінюючи традиційні сталеві будівельні матеріали у вигляді сухожиль та конструкційних деталей, щоб вирішити проблему високої вартості транспортування сталі, що піддається ерозії морською водою. Вони застосовувалися для будівництва рифових споруд на шельфових островах, доків, плавучих платформ, освітлювальних веж тощо. Використання вуглецевих композитів для інженерного відновлення почалося в 1980-х роках, і японська хімічна корпорація Mitsubishi взяла на себе ініціативу в дослідженні механічних властивостей вуглецевих композитів та їх застосування в інженерному армуванні. Спочатку дослідження зосереджувалося на армуванні залізобетонних балок за допомогою вуглецевих композитів, що згодом перетворилося на армування та підсилення різних цивільних конструкцій. Ремонт шельфових нафтових платформ та портів за допомогою вуглецевих композитів - це лише один аспект їх застосування. Існує багато пов'язаних документів. Варто зазначити, що американська компанія DFI використовувала вуглецеві стрижні для ремонту терміналу ВМС Перл-Харбор. У той час техніки використовували інноваційні вуглецеві стрижні для ремонту арматури. Док, відремонтований вуглецевими стрижнями, може витримувати 9 тонн сталі з висоти 2,5 м. Він падає без пошкоджень, і ефект покращення очевидний.
Що стосується застосування вуглецевих волокнистих композитів у морській техніці, то існує також вид ремонту та армування підводних трубопроводів або колон. Традиційні методи обслуговування, такі як зварювання, покращення зварних швів, хомути, затирка тощо, мають свої обмеження, і використання цих методів більш обмежене в морському середовищі. Ремонт вуглецевих волокнистих композитів в основному виготовляється з високоміцних та високоадгезивних смоляних матеріалів, таких як вуглецева тканина та епоксидна смола, які приклеюються до ремонтованої поверхні, завдяки чому вона тонка та легка, високоміцна, довговічна, зручна у будівництві та адаптується до різних форм. Має значну перевагу.
Час публікації: 23 березня 2019 р.