Ứng dụng vật liệu composite sợi carbon trong đại dương

Vật liệu composite sợi carbon là vật liệu gia cường sợi được làm từ sợi carbon và nhựa, kim loại, gốm sứ và các chất nền khác. Do trọng lượng nhẹ, độ bền cao, khả năng chịu nhiệt độ cao, v.v., nên nó đã được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ, thể thao và giải trí, đường sắt cao tốc trong những năm gần đây. Trong lĩnh vực ô tô và kỹ thuật dân dụng. Vật liệu composite sợi carbon có khả năng chống mỏi, chống ăn mòn và hiệu suất xây dựng tuyệt vời do độ bền cao và độ bền cao, phù hợp cho các ứng dụng hàng hải có yêu cầu đặc biệt về tính chất vật liệu. hãy chú ý. Trong những năm gần đây, vật liệu composite sợi carbon đã đóng vai trò ngày càng quan trọng trong đóng tàu, phát triển năng lượng ngoài khơi và sửa chữa kỹ thuật hàng hải.

1. Ứng dụng trên tàu
Vật liệu composite sợi carbon có lợi thế tự nhiên so với vật liệu đóng tàu truyền thống. Đầu tiên, vật liệu composite sợi carbon có tính chất cơ học tốt. Thân tàu được chế tạo với đặc điểm là trọng lượng nhẹ và mức tiêu thụ nhiên liệu thấp, quy trình thi công tương đối đơn giản, chu kỳ ngắn và việc đúc khuôn thuận tiện, do đó chi phí thi công và bảo dưỡng thấp hơn nhiều so với tàu thép. Đồng thời, vì giao diện giữa sợi carbon và ma trận nhựa có thể ngăn ngừa hiệu quả sự lan truyền vết nứt nên vật liệu có khả năng chống mỏi tốt; ngoài ra, do tính trơ về mặt hóa học của bề mặt sợi carbon, thân tàu có đặc điểm là sinh vật thủy sinh khó biểu sinh và chống ăn mòn, đây cũng là kết cấu tàu. Một trong những yếu tố quan trọng nhất trong việc lựa chọn vật liệu. Do đó, vật liệu composite sợi carbon có những ưu điểm hiệu suất toàn diện độc đáo trong đóng tàu và hiện đang được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực này. Đồng thời, sự phát triển của ngành công nghiệp sợi carbon đã được thúc đẩy từ việc mở rộng lĩnh vực ứng dụng.

1.1Tàu quân sự

Vật liệu composite sợi carbon có đặc tính âm thanh, từ tính và điện tốt: chúng trong suốt, thấm âm và không từ tính, do đó có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất tàng hình của tàu chiến. Việc sử dụng vật liệu composite trong phần kiến ​​trúc thượng tầng của tàu không chỉ làm giảm trọng lượng của thân tàu mà còn truyền và nhận sóng điện từ ở tần số định trước bằng cách che chắn lớp chọn tần số được nhúng trong lớp xen kẽ để che chắn sóng điện từ radar của đối phương. Ví dụ, tàu tuần dương lớp "skjold" do Hải quân Na Uy chế tạo năm 1999 đã sử dụng vật liệu composite dạng bánh sandwich bao gồm lớp lõi bọt polyvinyl clorua, sợi thủy tinh và lớp xen kẽ sợi carbon. Thiết kế này không chỉ cải thiện tỷ lệ độ bền trên trọng lượng mà còn có khả năng chống va đập tốt. Hiệu suất cũng tăng cường đáng kể các đặc tính quét từ tính thấp, chống hồng ngoại và chống radar. Các khinh hạm lớp Visby của Thụy Điển được đưa vào biên chế năm 2000 đều sử dụng vật liệu composite sợi carbon, có chức năng đặc biệt là giảm trọng lượng, tàng hình kép radar và hồng ngoại.

Ứng dụng cột buồm composite gia cường sợi carbon trên tàu đã dần xuất hiện. Tàu LPD-17, được đưa vào biên chế tại Hoa Kỳ năm 2006, sử dụng cột buồm composite tiên tiến lõi sợi carbon/Balsa. Không giống như cột buồm mở ban đầu, LPD-17 sử dụng hệ thống cột buồm/cảm biến hoàn toàn mới. (AEM/S), phần trên của cột buồm composite sợi carbon này bao phủ vật liệu bề mặt chọn lọc tần số (FSS), cho phép sóng có tần số cụ thể đi qua và nửa dưới có thể phản xạ sóng radar hoặc bị hấp thụ bởi vật liệu hấp thụ radar. . Do đó, nó có chức năng tàng hình và phát hiện radar tốt. Ngoài ra, nhiều loại ăng-ten và thiết bị liên quan được kết hợp đồng nhất trong cấu trúc, không dễ bị ăn mòn và thuận lợi hơn cho việc bảo trì thiết bị. Hải quân Châu Âu đã phát triển một cột buồm cảm biến tích hợp khép kín tương tự được làm bằng sợi thủy tinh nano kết hợp với sợi carbon làm vật liệu gia cố. Nó cho phép nhiều chùm tia radar và tín hiệu liên lạc khác nhau truyền qua nhau mà không bị nhiễu và tổn thất cực kỳ thấp. Vào năm 2006, công nghệ cột ATM tiên tiến này đã được sử dụng trên tàu sân bay "Royal Ark" của Hải quân Anh.

Vật liệu composite sợi carbon cũng có thể được sử dụng trong các khía cạnh khác của tàu. Ví dụ, nó có thể được sử dụng làm chân vịt và hệ thống trục đẩy trong hệ thống đẩy để giảm thiểu tác động rung động và tiếng ồn của thân tàu, và chủ yếu được sử dụng trong tàu trinh sát và tàu du lịch nhanh. Nó có thể được sử dụng làm bánh lái trong máy móc và thiết bị, một số thiết bị cơ khí đặc biệt và hệ thống đường ống. Ngoài ra, dây thừng sợi carbon cường độ cao cũng được sử dụng rộng rãi trong cáp tàu chiến hải quân và các mặt hàng quân sự khác.

1.2 Du thuyền dân dụng

Du thuyền lớn thường là du thuyền tư nhân và đắt tiền, đòi hỏi trọng lượng nhẹ, độ bền và độ bền cao. Vật liệu composite sợi carbon có thể được sử dụng trong mặt đồng hồ và ăng-ten của du thuyền, bánh lái và trong các cấu trúc gia cố như boong, cabin và vách ngăn của tàu. Du thuyền composite truyền thống chủ yếu được làm bằng FRP, nhưng do độ cứng không đủ, thân tàu thường quá nặng sau khi đáp ứng các yêu cầu về độ cứng và sợi thủy tinh là chất gây ung thư, dần bị cấm ở nước ngoài. Tỷ lệ vật liệu composite sợi carbon được sử dụng trong du thuyền composite ngày nay đã tăng đáng kể và một số thậm chí đã sử dụng vật liệu composite sợi carbon. Ví dụ, siêu du thuyền "Panama" hai sà lan của Baltic, thân tàu và boong tàu được kẹp bằng da sợi carbon / nhựa epoxy, Nomex  tổ ong và lõi bọt cấu trúc CorecellTM, thân tàu dài 60m. Nhưng tổng trọng lượng chỉ là 210 tấn. Sunreef 80 Levante, một chiếc catamaran sợi carbon do Sunreef Yachts của Ba Lan chế tạo, sử dụng vật liệu composite nhựa vinyl ester, bọt PVC và vật liệu composite sợi carbon. Các cần trục cột buồm là vật liệu composite sợi carbon tùy chỉnh và chỉ một phần thân tàu sử dụng FRP. Trọng lượng không tải chỉ 45 tấn. Tốc độ nhanh, mức tiêu thụ nhiên liệu thấp và hiệu suất tuyệt vời.

Du thuyền “Zhongke·Lianya” được đóng vào năm 2014 hiện là du thuyền sợi carbon hoàn toàn duy nhất tại Trung Quốc. Đây là du thuyền xanh được làm từ sự kết hợp giữa sợi carbon và nhựa epoxy. Nó nhẹ hơn 30% so với du thuyền sợi thủy tinh cùng loại và có độ bền cao hơn, tốc độ nhanh hơn và mức tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn.

Ngoài ra, cáp và dây cáp của du thuyền sử dụng dây thừng sợi carbon cường độ cao để đảm bảo an toàn. Vì sợi carbon có mô đun kéo cao hơn thép và cường độ kéo gấp nhiều lần thậm chí hàng chục lần, và có đặc tính dệt của sợi, nên dây thừng sợi carbon được sử dụng làm vật liệu cơ bản, có thể bù đắp cho dây thép và dây polyme hữu cơ. Không đủ.z
2. Ứng dụng trong phát triển năng lượng biển

2.1 Các mỏ dầu khí ngầm

Trong những năm gần đây, vật liệu composite sợi carbon ngày càng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực khai thác dầu khí biển. Ăn mòn trong môi trường biển, lực cắt cao và lực cắt mạnh do dòng nước ngầm gây ra đặt ra các yêu cầu nghiêm ngặt về khả năng chống ăn mòn, độ bền và tính chất mỏi của vật liệu. Vật liệu composite sợi carbon có ưu điểm rõ ràng là nhẹ, bền và chống ăn mòn trong quá trình khai thác các mỏ dầu ngoài khơi: giàn khoan sâu 1500m có cáp thép có khối lượng khoảng 6500 tấn, trong khi mật độ composite sợi carbon là thép thông thường. 1/4, nếu sử dụng vật liệu composite sợi carbon để thay thế một phần thép, khả năng chịu tải của giàn khoan sẽ giảm đáng kể và chi phí xây dựng giàn khoan sẽ được tiết kiệm. Chuyển động qua lại của thanh hút sẽ dễ dẫn đến mỏi vật liệu do áp suất không cân bằng giữa nước biển và áp suất bên trong ống. Phá vỡ và sử dụng vật liệu composite sợi carbon có thể giải quyết vấn đề này; do khả năng chống ăn mòn của môi trường nước biển nên tuổi thọ sử dụng trong nước biển dài hơn thép và độ sâu sử dụng cũng sâu hơn.

Vật liệu composite sợi carbon có thể được sử dụng làm ống giếng khai thác, thanh hút, bể chứa, đường ống ngầm, sàn, v.v. trong các giàn khoan dầu khí. Quy trình sản xuất được chia thành quy trình kéo đùn và quy trình quấn ướt. Kéo đùn thường được sử dụng trên các đường ống thông thường và đường ống kết nối. Phương pháp quấn thường được sử dụng làm bề mặt của bể chứa và bình chịu áp suất, và cũng có thể được sử dụng trong ống mềm dị hướng trong đó vật liệu composite sợi carbon được quấn và sắp xếp theo một góc cụ thể trong lớp giáp.

Thanh hút liên tục của vật liệu composite sợi carbon là cấu trúc dạng ruy băng giống như màng và có độ đàn hồi tốt. Được sản xuất và ứng dụng bởi Hoa Kỳ vào những năm 1990. Nó được làm bằng sợi carbon làm sợi gia cường và nhựa không bão hòa làm vật liệu cơ bản. Nó được sản xuất bằng quy trình kéo đùn sau khi liên kết chéo lưu hóa ở nhiệt độ cao. Từ năm 2001 đến năm 2003, Trung Quốc đã sử dụng thanh hút sợi carbon và thanh hút thép thông thường trong mỏ dầu dầm nguyên chất để chế tạo phi công. Việc sử dụng thanh hút sợi carbon có thể làm tăng đáng kể sản lượng dầu và giảm tải cho động cơ, giúp tiết kiệm năng lượng hơn. Hơn nữa, thanh hút composite sợi carbon có khả năng chống mỏi và chống ăn mòn tốt hơn so với thanh hút thép và phù hợp hơn để ứng dụng trong việc phát triển các mỏ dầu dưới biển.

2.2 Điện gió ngoài khơi

Nguồn năng lượng gió dồi dào trên biển là khu vực quan trọng cho sự phát triển trong tương lai và là lĩnh vực công nghệ năng lượng gió tiên tiến và đòi hỏi khắt khe nhất. Đường bờ biển của Trung Quốc dài khoảng 1800km và có hơn 6.000 hòn đảo. Vùng bờ biển và các vùng đảo phía đông nam giàu tài nguyên gió và dễ phát triển. Trong những năm gần đây, các nỗ lực thúc đẩy phát triển năng lượng gió ngoài khơi đã được các bộ phận liên quan hỗ trợ. Hơn 90% trọng lượng của cánh quạt điện gió bao gồm vật liệu composite. Gió lớn trên biển và sản xuất điện năng cao chắc chắn sẽ yêu cầu cánh quạt lớn hơn và độ bền và cường độ riêng tốt hơn. Rõ ràng, vật liệu composite sợi carbon có thể đáp ứng các yêu cầu phát triển cánh quạt phát điện quy mô lớn, nhẹ, hiệu suất cao, chi phí thấp và phù hợp hơn cho các ứng dụng trên biển so với vật liệu composite sợi thủy tinh.

Vật liệu composite sợi carbon có những ưu điểm đáng kể trong sản xuất điện gió biển. Cánh quạt composite sợi carbon có chất lượng thấp và độ cứng cao, mô đun gấp 3 đến 8 lần so với sản phẩm sợi thủy tinh; độ ẩm lớn dưới môi trường biển, khí hậu thay đổi và quạt hoạt động trong 24 giờ. Cánh quạt có khả năng chống mỏi tốt và có thể chống lại thời tiết xấu. Nó cải thiện hiệu suất khí động học của cánh quạt và giảm tải cho tháp và trục, do đó công suất đầu ra của quạt mượt mà và cân bằng hơn, hiệu quả năng lượng được cải thiện. Hiệu suất dẫn điện, thông qua thiết kế cấu trúc đặc biệt, có thể tránh hiệu quả thiệt hại do sét đánh vào cánh quạt; giảm chi phí sản xuất và vận chuyển cánh quạt tua bin gió; và có đặc tính giảm rung.

3.Ứng dụng kỹ thuật hàng hải

Vật liệu composite sợi carbon được sử dụng trong các tòa nhà kỹ thuật hàng hải. Chúng chủ yếu sử dụng các đặc tính nhẹ, độ bền cao và khả năng chống ăn mòn, thay thế các vật liệu xây dựng bằng thép truyền thống dưới dạng gân và các bộ phận kết cấu để giải quyết vấn đề chi phí vận chuyển cao của thép bị xói mòn do nước biển và vận chuyển. Nó đã được áp dụng cho các tòa nhà rạn san hô trên đảo ngoài khơi, bến tàu, bệ nổi, tháp đèn, v.v. Việc sử dụng vật liệu composite sợi carbon để phục hồi kỹ thuật bắt đầu vào những năm 1980 và Tập đoàn hóa chất Mitsubishi của Nhật Bản đã đi đầu trong việc nghiên cứu các tính chất cơ học của vật liệu composite sợi carbon và ứng dụng của chúng trong gia cố kỹ thuật. Trọng tâm nghiên cứu ban đầu là gia cố dầm bê tông cốt thép bằng vật liệu composite sợi carbon, sau đó phát triển thành gia cố và gia cố nhiều công trình dân dụng khác nhau. Việc sửa chữa các giàn khoan và cảng dầu ngoài khơi bằng vật liệu composite sợi carbon chỉ là một khía cạnh trong ứng dụng của nó. Có nhiều tài liệu liên quan. Điều đáng nói là công ty DFI của Hoa Kỳ đã sử dụng các thanh sợi carbon để sửa chữa nhà ga Trân Châu Cảng của Hải quân. Vào thời điểm đó, các kỹ thuật viên đã sử dụng các thanh sợi carbon sáng tạo để sửa chữa phần gia cố. Thanh sợi carbon sửa chữa bến tàu có thể chịu được thép 9t từ độ cao 2,5m. Nó rơi ra mà không bị hư hại, và hiệu quả tăng cường là rõ ràng.

Đối với ứng dụng của vật liệu composite sợi carbon trong kỹ thuật hàng hải, cũng có một loại sửa chữa và gia cố đường ống hoặc cột ngầm dưới biển. Các phương pháp bảo trì truyền thống như hàn, cải thiện mối hàn, kẹp, phun vữa, v.v. có những hạn chế riêng và việc sử dụng các phương pháp này bị hạn chế hơn trong môi trường hàng hải. Việc sửa chữa vật liệu composite sợi carbon chủ yếu được làm bằng vật liệu nhựa có độ bền cao và độ bám dính cao như vải sợi carbon và nhựa epoxy, được bám dính vào bề mặt sửa chữa, vì vậy nó mỏng và nhẹ, độ bền cao, độ bền tốt, thuận tiện trong thi công và thích ứng với các hình dạng khác nhau. Có một ưu điểm đáng kể.