Kohlefaserverbundwerkstoffe sind faserverstärktes Material aus Kohlefasern und Harz, Metall, Keramik und anderen Materialien. Aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer hohen Festigkeit und Temperaturbeständigkeit finden sie seit einigen Jahren breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, im Sport- und Freizeitbereich sowie im Hochgeschwindigkeitsverkehr. Auch in der Automobilindustrie und im Tiefbau kommen sie zum Einsatz. Kohlefaserverbundwerkstoffe zeichnen sich durch eine hervorragende Ermüdungsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und hervorragende Konstruktionseigenschaften aus, da sie über eine hohe Festigkeit und Festigkeit verfügen. Daher eignen sie sich für maritime Anwendungen mit besonderen Anforderungen an die Materialeigenschaften. Achten Sie darauf. Kohlefaserverbundwerkstoffe spielen seit einigen Jahren eine immer wichtigere Rolle im Schiffbau, in der Offshore-Energieentwicklung und bei der Reparatur von Schiffskomponenten.
1.Anwendung an Bord
Kohlefaserverbundwerkstoffe bieten gegenüber herkömmlichen Schiffbaumaterialien einen natürlichen Vorteil. Erstens zeichnen sich Kohlefaserverbundwerkstoffe durch gute mechanische Eigenschaften aus. Der Schiffsrumpf zeichnet sich durch geringes Gewicht und niedrigen Kraftstoffverbrauch aus. Der Bauprozess ist relativ einfach, die Zykluszeiten kurz und die Formgebung bequem, sodass die Bau- und Wartungskosten im Vergleich zu Stahlschiffen deutlich niedriger sind. Da die Grenzfläche zwischen Kohlefaser und Harzmatrix die Rissausbreitung wirksam verhindert, weist das Material eine gute Ermüdungsbeständigkeit auf. Aufgrund der chemischen Inertheit der Kohlefaseroberfläche ist der Schiffsrumpf zudem schwer von Wasserorganismen besiedelbar und korrosionsbeständig, was ebenfalls zu den wichtigsten Faktoren bei der Materialauswahl im Schiffsbau zählt. Kohlefaserverbundwerkstoffe bieten daher einzigartige Leistungsvorteile im Schiffbau und finden dort mittlerweile breite Anwendung. Gleichzeitig wird die Entwicklung der Kohlefaserindustrie durch die Erweiterung der Anwendungsfelder vorangetrieben.
1.1Militärschiffe
Kohlefaserverbundwerkstoffe haben gute akustische, magnetische und elektrische Eigenschaften: Sie sind transparent, schalldurchlässig und nicht magnetisch, sodass sie zur Verbesserung der Tarnfähigkeit von Kriegsschiffen eingesetzt werden können. Die Verwendung von Verbundwerkstoffen im Schiffsaufbau reduziert nicht nur das Gewicht des Rumpfes, sondern ermöglicht auch das Senden und Empfangen elektromagnetischer Wellen mit einer vorgegebenen Frequenz durch Abschirmung der in die Zwischenschicht eingebetteten frequenzselektiven Schicht vor feindlichen Radarwellen. Beispielsweise wurde für den 1999 von der norwegischen Marine gebauten Kreuzer der „Skjold“-Klasse ein Sandwich-Verbundwerkstoff verwendet, der aus einer Kernschicht aus Polyvinylchloridschaum, Glasfaser und einer Kohlefaser-Zwischenschicht besteht. Diese Konstruktion verbessert nicht nur das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, sondern weist auch eine gute Schlagfestigkeit auf. Die Leistung verbessert auch die Eigenschaften der schwachen Magnetisierung, der Anti-Infrarot- und der Anti-Radar-Abtastung erheblich. Die im Jahr 2000 in Dienst gestellten schwedischen Fregatten der Visby-Klasse verwenden alle Kohlefaserverbundwerkstoffe, die über spezielle Funktionen zur Gewichtsreduzierung sowie zur doppelten Radar- und Infrarot-Tarnfähigkeit verfügen.
Der Einsatz von Masten aus kohlenstofffaserverstärktem Verbundwerkstoff auf Schiffen hat sich allmählich durchgesetzt. Das 2006 in den USA in Dienst gestellte Schiff LPD-17 verfügt über einen Mast aus fortschrittlichem Verbundwerkstoff mit Kohlenstofffasern und Balsakern. Im Gegensatz zum ursprünglichen offenen Mast verwendet die LPD-17 ein neues, vollständig geschlossenes Mast-/Sensorsystem (AEM/S). Der obere Teil dieses Kohlenstofffaser-Verbundmastes ist mit einem frequenzselektiven Oberflächenmaterial (FSS) bedeckt, das Wellen einer bestimmten Frequenz durchlässt, während die untere Hälfte Radarwellen reflektieren oder von radarabsorbierenden Materialien absorbiert werden kann. Dadurch verfügt er über gute Radar-Tarn- und -Erkennungsfunktionen. Darüber hinaus sind verschiedene Antennen und zugehörige Geräte gleichmäßig in der Struktur integriert, was Korrosion verhindert und die Wartung der Geräte erleichtert. Die europäische Marine hat einen ähnlichen geschlossenen Sensormast aus nanofaserverstärktem Glasfasermaterial mit Kohlenstofffasern als Verstärkung entwickelt. Er ermöglicht die ungestörte Übertragung verschiedener Radarstrahlen und Kommunikationssignale mit äußerst geringen Verlusten. Im Jahr 2006 wurde dieser hochmoderne Mast-Geldautomat auf dem Flugzeugträger „Royal Ark“ der britischen Marine eingesetzt.
Kohlefaserverbundwerkstoffe können auch in anderen Bereichen des Schiffsbaus eingesetzt werden. Beispielsweise können sie als Propeller und Antriebswellensystem im Antriebssystem verwendet werden, um Vibrationen und Geräusche des Rumpfes zu dämpfen. Sie werden hauptsächlich in Aufklärungsschiffen und schnellen Kreuzfahrtschiffen eingesetzt. Sie können als Ruder in Maschinen und Geräten, einigen speziellen mechanischen Geräten und Rohrleitungssystemen verwendet werden. Darüber hinaus werden hochfeste Kohlefaserseile häufig in Kriegsschiffkabeln und anderen militärischen Geräten verwendet.
1.2Zivile Yachten
Große Yachten sind in der Regel in Privatbesitz und teuer. Sie müssen leicht, robust und langlebig sein. Kohlefaserverbundwerkstoffe können für Instrumentenanzeigen, Antennen, Ruder und verstärkte Strukturen wie Decks, Kabinen und Schiffsschotten von Yachten verwendet werden. Traditionelle Verbundyachten bestehen hauptsächlich aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK). Aufgrund mangelnder Steifigkeit ist der Rumpf jedoch oft zu schwer, selbst wenn er die Konstruktionsanforderungen an die Steifigkeit erfüllt. Zudem ist Glasfaser krebserregend und wird im Ausland nach und nach verboten. Der Anteil von Kohlefaserverbundwerkstoffen in modernen Verbundyachten hat deutlich zugenommen, und einige Yachten verwenden sogar Kohlefaserverbundwerkstoffe. Beispielsweise bestehen Rumpf und Deck der Doppelbarge „Panama“ von Baltic aus einer Außenhaut aus Kohlefaser und Epoxidharz, Nomex-Waben und einem CorecellTM-Strukturschaumkern. Der Rumpf ist 60 m lang, wiegt aber nur 210 t. Der Sunreef 80 Levante, ein Kohlefaser-Katamaran des polnischen Katamaranherstellers Sunreef Yachts, besteht aus Vinylesterharz-Sandwich-Verbundwerkstoffen, PVC-Schaum und Kohlefaser-Verbundwerkstoffen. Die Mastausleger bestehen aus kundenspezifischen Kohlefaser-Verbundwerkstoffen, und nur ein Teil des Rumpfes besteht aus FRP. Das Leergewicht beträgt nur 45 t. Hohe Geschwindigkeit, geringer Kraftstoffverbrauch und hervorragende Leistung.
Die 2014 gebaute Yacht „Zhongke·Lianya“ ist derzeit die einzige Vollcarbon-Yacht in China. Sie ist eine umweltfreundliche Yacht aus einer Kombination von Kohlefaser und Epoxidharz. Sie ist 30 % leichter als vergleichbare Fiberglas-Yachten und zeichnet sich durch höhere Stabilität, höhere Geschwindigkeit und geringeren Kraftstoffverbrauch aus.
Darüber hinaus werden für die Kabel und Leitungen der Yacht hochfeste Kohlefaserseile verwendet, um die Sicherheit zu gewährleisten. Da Kohlefasern einen höheren Zugmodul als Stahl und eine um ein Vielfaches oder sogar Zehnfache höhere Zugfestigkeit aufweisen und die gewebten Eigenschaften der Fasern besitzen, werden Kohlefaserseile als Basismaterial verwendet, das Stahldrahtseile und organische Polymerseile ersetzen kann. Unzureichend.z
2. Anwendung in der Meeresenergieentwicklung
2.1 Unterwasser-Öl- und Gasfelder
In den letzten Jahren haben Kohlefaserverbundwerkstoffe in der maritimen Öl- und Gasförderung zunehmend an Bedeutung gewonnen. Korrosion im Meeresumweltbereich sowie hohe Scherkräfte und starke Scherkräfte durch Unterströmungen stellen hohe Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und Ermüdungseigenschaften des Materials. Kohlefaserverbundwerkstoffe bieten bei der Erschließung von Offshore-Ölfeldern klare Vorteile hinsichtlich Leichtigkeit, Haltbarkeit und Korrosionsbeständigkeit: Eine Bohrplattform in 1500 m Wassertiefe verfügt über ein Stahlkabel mit einer Masse von etwa 6500 t, während die Dichte des Kohlefaserverbundwerkstoffs gewöhnlichem Stahl entspricht. Wird Kohlefaserverbundwerkstoff teilweise durch Stahl ersetzt, verringert sich die Tragfähigkeit der Bohrplattform erheblich, was zu Einsparungen bei den Baukosten der Plattform führt. Die Hin- und Herbewegung der Pumpenstange führt aufgrund des unausgeglichenen Drucks zwischen Meerwasser und dem Druck im Rohr leicht zu Materialermüdung. Durch Brechen und die Verwendung von Kohlefaserverbundwerkstoff kann dieses Problem gelöst werden. Aufgrund der Korrosionsbeständigkeit in der Meerwasserumgebung ist seine Lebensdauer in Meerwasser länger als bei Stahl und die Einsatztiefe ist größer.
Kohlefaserverbundwerkstoffe können als Förderrohre, Pumpenstangen, Lagertanks, Unterwasserpipelines, Decks usw. in Ölfeldbohrplattformen eingesetzt werden. Der Herstellungsprozess wird in ein Pultrusionsverfahren und ein Nasswickelverfahren unterteilt. Pultrusion wird in der Regel bei herkömmlichen Rohren und Verbindungsrohren angewendet. Das Wickelverfahren wird in der Regel für die Oberfläche von Lagertanks und Druckbehältern verwendet und kann auch bei anisotropen flexiblen Rohren eingesetzt werden, bei denen der Kohlefaserverbundwerkstoff gewickelt und in einem bestimmten Winkel in der Panzerungsschicht angeordnet wird.
Das kontinuierliche Pumpengestänge aus Kohlefaserverbundwerkstoff hat eine bandartige, folienähnliche Struktur und ist gut flexibel. Es wurde in den 1990er Jahren in den USA hergestellt und eingesetzt. Es besteht aus Kohlefaser als Verstärkungsfaser und ungesättigtem Harz als Basismaterial. Es wird im Pultrusionsverfahren nach Vernetzungshärtung bei hohen Temperaturen hergestellt. Von 2001 bis 2003 wurden in China in einem reinen Strahlölfeld ein Kohlefaser-Pumpengestänge und ein gewöhnliches Stahl-Pumpengestänge zur Herstellung eines Piloten verwendet. Durch den Einsatz eines Kohlefaser-Pumpengestänges kann die Ölförderung deutlich gesteigert und die Motorlast reduziert werden, was zu einer höheren Energieeffizienz führt. Darüber hinaus ist das Kohlefaser-Pumpengestänge ermüdungs- und korrosionsbeständiger als das Stahl-Pumpengestänge und eignet sich besser für die Erschließung von Unterwasser-Ölfeldern.
2.2 Offshore-Windenergie
Die reichlich vorhandenen Windkraftressourcen auf See sind ein wichtiges Gebiet für die zukünftige Entwicklung und das fortschrittlichste und anspruchsvollste Feld der Windkrafttechnologie. Chinas Küste ist etwa 1.800 km lang und umfasst mehr als 6.000 Inseln. Die Südostküste und die Inselregionen sind reich an Windressourcen und leicht zu erschließen. In den letzten Jahren wurden die Bemühungen zur Förderung der Entwicklung der Offshore-Windkraft von den zuständigen Behörden unterstützt. Mehr als 90 % des Gewichts der Rotorblätter von Windkraftanlagen bestehen aus Verbundwerkstoffen. Starke Winde auf See und eine hohe Stromerzeugung erfordern zwangsläufig größere Rotorblätter mit besserer spezifischer Festigkeit und Haltbarkeit. Offensichtlich können Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe die Anforderungen an die Entwicklung großer, leichter, leistungsstarker und kostengünstiger Rotorblätter zur Stromerzeugung erfüllen und sind für maritime Anwendungen besser geeignet als Glasfaser-Verbundwerkstoffe.
Kohlefaserverbundwerkstoffe bieten erhebliche Vorteile bei der Stromerzeugung aus Meereswindkraft. Kohlefaserverbundwerkstoffblätter zeichnen sich durch eine geringe Qualität und hohe Steifigkeit aus. Ihr Modul ist drei- bis achtmal so hoch wie der von Glasfaserprodukten. In der Meeresumwelt ist die Luftfeuchtigkeit hoch, das Klima wechselhaft und der Ventilator läuft 24 Stunden am Tag. Die Blätter sind ermüdungsbeständig und witterungsbeständig. Sie verbessern die aerodynamische Leistung des Blattes und reduzieren die Belastung von Turm und Achse, sodass die Leistungsabgabe des Ventilators gleichmäßiger und gleichmäßiger ist und die Energieeffizienz verbessert wird. Die Leitfähigkeit kann durch eine spezielle Konstruktion Schäden durch Blitzeinschläge am Blatt wirksam vermeiden, die Herstellungs- und Transportkosten der Windturbinenblätter senken und schwingungsdämpfende Eigenschaften aufweisen.
3. Anwendungen im Schiffsbau
Kohlefaserverbundwerkstoffe werden im Schiffsbau eingesetzt. Sie zeichnen sich vor allem durch ihr geringes Gewicht, ihre hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit aus und ersetzen herkömmliche Stahlbaustoffe in Form von Spanngliedern und Strukturteilen, um die hohen Transportkosten für seewassererodierten Stahl zu lösen. Sie werden bereits bei Offshore-Inselriffen, Docks, schwimmenden Plattformen und Lichtmasten eingesetzt. Die Verwendung von Kohlefaserverbundwerkstoffen in der Ingenieursanierung begann in den 1980er Jahren. Die japanische Mitsubishi Chemical Corporation war federführend in der Erforschung ihrer mechanischen Eigenschaften und ihrer Anwendung in der technischen Bewehrung. Der anfängliche Forschungsschwerpunkt lag auf der Bewehrung von Stahlbetonträgern mit Kohlefaserverbundwerkstoffen, die sich später auf die Bewehrung und Verstärkung verschiedener Tiefbauanwendungen ausweitete. Die Reparatur von Offshore-Ölplattformen und Häfen mit Kohlefaserverbundwerkstoffen ist nur ein Anwendungsbereich. Es gibt zahlreiche entsprechende Dokumente. Erwähnenswert ist beispielsweise die Verwendung von Kohlefaserstäben durch das US-Unternehmen DFI zur Reparatur des Pearl Harbor-Terminals der Marine. Damals verwendeten die Techniker innovative Kohlefaserstäbe zur Reparatur der Bewehrung. Das mit Kohlefaserstäben reparierte Dock hält 9 Tonnen Stahl aus 2,5 m Höhe stand. Es fällt ohne Beschädigung ab und der Verbesserungseffekt ist offensichtlich.
Kohlefaserverbundwerkstoffe werden auch in der Schiffstechnik zur Reparatur und Verstärkung von U-Boot-Pipelines und -Säulen eingesetzt. Traditionelle Instandhaltungsmethoden wie Schweißen, Schweißnahtverbesserung, Klemmen, Verfugen usw. haben ihre Grenzen und sind im maritimen Bereich nur eingeschränkt anwendbar. Die Reparatur von Kohlefaserverbundwerkstoffen erfolgt hauptsächlich aus hochfesten und stark haftenden Harzmaterialien wie Kohlefasergewebe und Epoxidharz, die auf die zu reparierende Oberfläche geklebt werden. Dadurch sind sie dünn, leicht, hochfest, langlebig, einfach zu verarbeiten und an verschiedene Formen anpassbar. Dies bietet erhebliche Vorteile.
Beitragszeit: 23. März 2019