Kompozyt z włókna węglowego to materiał wzmocniony włóknem węglowym, wykonany z włókna węglowego i żywicy, metalu, ceramiki i innych materiałów. Ze względu na swoją lekkość, wysoką wytrzymałość, odporność na wysokie temperatury itp., w ostatnich latach znalazł szerokie zastosowanie w przemyśle lotniczym, sporcie i rekreacji, a także w kolejnictwie dużych prędkości. W motoryzacji i inżynierii lądowej i wodnej. Kompozyty z włókna węglowego charakteryzują się doskonałą odpornością na zmęczenie, korozję i doskonałe parametry konstrukcyjne dzięki wysokiej wytrzymałości, co czyni je odpowiednimi do zastosowań morskich o szczególnych wymaganiach dotyczących właściwości materiału. Zwróć uwagę. W ostatnich latach kompozyty z włókna węglowego odgrywają coraz ważniejszą rolę w przemyśle stoczniowym, rozwoju energetyki morskiej oraz naprawach w inżynierii morskiej.
1. Aplikacja na pokładzie
Kompozyty z włókna węglowego mają naturalną przewagę nad tradycyjnymi materiałami stoczniowymi. Po pierwsze, kompozyty z włókna węglowego charakteryzują się dobrymi właściwościami mechanicznymi. Kadłub jest produkowany z myślą o niskiej masie i niskim zużyciu paliwa, a proces budowy jest stosunkowo prosty, cykl produkcyjny krótki, a formowanie wygodne, co przekłada się na znacznie niższe koszty budowy i utrzymania niż w przypadku statków stalowych. Jednocześnie, ponieważ powierzchnia styku włókna węglowego z żywicą skutecznie zapobiega rozprzestrzenianiu się pęknięć, materiał charakteryzuje się dobrą odpornością na zmęczenie; ponadto, dzięki chemicznej obojętności powierzchni włókna węglowego, kadłub charakteryzuje się odpornością na korozję i rozwój organizmów wodnych, co jest również istotne w konstrukcji statku. Jednym z najważniejszych czynników przy wyborze materiałów jest to, że kompozyty z włókna węglowego oferują unikalne, kompleksowe zalety w zakresie wydajności w budownictwie okrętowym i są obecnie szeroko stosowane w tej dziedzinie. Jednocześnie, rozwój przemysłu włókien węglowych jest promowany poprzez rozszerzenie zakresu zastosowań.
1.1Statki wojskowe
Kompozyty z włókna węglowego charakteryzują się dobrymi właściwościami akustycznymi, magnetycznymi i elektrycznymi: są przezroczyste, dźwiękoszczelne i niemagnetyczne, dzięki czemu mogą być stosowane do poprawy parametrów stealth okrętów wojennych. Zastosowanie materiałów kompozytowych w nadbudówce okrętu nie tylko zmniejsza masę kadłuba, ale także transmituje i odbiera fale elektromagnetyczne o ustalonej częstotliwości poprzez ekranowanie warstwy selektywnej częstotliwościowo osadzonej w międzywarstwie, co chroni przed radarowymi falami elektromagnetycznymi przeciwnika. Na przykład, krążownik klasy „skjold” zbudowany przez norweską marynarkę wojenną w 1999 roku, wykorzystywał kompozyt warstwowy składający się z rdzenia z pianki polichlorku winylu, włókna szklanego i międzywarstwy z włókna węglowego. Taka konstrukcja nie tylko poprawia stosunek wytrzymałości do masy, ale także zapewnia dobrą odporność na uderzenia. Parametry te znacznie poprawiają również właściwości skanowania niskomagnetycznego, antypodczerwonego i antyradarowego. Szwedzkie fregaty klasy Visby, które weszły do służby w 2000 roku, wykorzystują kompozyty z włókna węglowego, które charakteryzują się redukcją masy oraz podwójną wykrywalnością radarową i podczerwoną.
Zastosowanie masztów kompozytowych wzmocnionych włóknem węglowym na statkach stopniowo się rozwijało. Okręt LPD-17, który wszedł do służby w Stanach Zjednoczonych w 2006 roku, wykorzystuje maszt z zaawansowanego kompozytu z rdzeniem z włókna węglowego i balsy. W przeciwieństwie do oryginalnego masztu otwartego, LPD-17 wykorzystuje nowy, całkowicie zamknięty maszt/system czujników (AEM/S). Górna część masztu z kompozytu z włókna węglowego pokrywa materiał powierzchniowy o selektywnej częstotliwości (FSS), który pozwala na przenikanie fal o określonej częstotliwości, a dolna połowa może odbijać fale radarowe lub być absorbowana przez materiały pochłaniające fale radarowe. Dzięki temu maszt zapewnia dobrą wykrywalność i wykrywanie radarów. Ponadto, różne anteny i związany z nimi sprzęt są jednorodnie połączone w konstrukcji, co jest odporne na korozję i ułatwia konserwację sprzętu. Europejska Marynarka Wojenna opracowała podobny, zamknięty, zintegrowany maszt czujnikowy, wykonany z włókna szklanego nanowłókiennego połączonego z włóknem węglowym jako wzmocnieniem. Pozwala on na niezakłócone przenikanie różnych wiązek radarowych i sygnałów komunikacyjnych, a straty są wyjątkowo niskie. W 2006 roku ten zaawansowany technologicznie maszt ATM został zastosowany na lotniskowcu „Royal Ark” brytyjskiej marynarki wojennej.
Kompozyty z włókna węglowego mogą być również stosowane w innych elementach statku. Na przykład, mogą być stosowane jako śruby napędowe i wałki napędowe w układzie napędowym, aby złagodzić skutki drgań i hałasu kadłuba, i są najczęściej stosowane w statkach rozpoznawczych i szybkich statkach wycieczkowych. Mogą być również stosowane jako stery w maszynach i urządzeniach, niektórych specjalistycznych urządzeniach mechanicznych i systemach rurociągów. Ponadto, liny z włókna węglowego o wysokiej wytrzymałości są również szeroko stosowane w kablach okrętowych i innych elementach wojskowych.
1.2Jachty cywilne
Duże jachty są zazwyczaj własnością prywatną i drogie, wymagając lekkości, wysokiej wytrzymałości i trwałości. Kompozyty z włókna węglowego mogą być stosowane w tarczach instrumentów i antenach jachtów, sterach oraz w konstrukcjach wzmacnianych, takich jak pokłady, kabiny i grodzie okrętowe. Tradycyjne jachty kompozytowe są wykonane głównie z tworzywa wzmacnianego włóknem szklanym (FRP), ale ze względu na niewystarczającą sztywność kadłub jest często zbyt ciężki po spełnieniu wymagań projektowych dotyczących sztywności, a włókno szklane jest czynnikiem rakotwórczym, którego stosowanie jest stopniowo zakazane za granicą. Udział kompozytów z włókna węglowego w dzisiejszych jachtach kompozytowych znacznie wzrósł, a niektóre jachty wykorzystują je nawet w produkcji. Na przykład, w superjachcie „Panama” firmy Baltic, kadłub i pokład są pokryte warstwą poszycia z włókna węglowego i żywicy epoksydowej, strukturą plastra miodu Nomex i rdzeniem z pianki konstrukcyjnej Corecell™. Kadłub ma długość 60 m. Masa całkowita wynosi jednak zaledwie 210 ton. Sunreef 80 Levante, katamaran z włókna węglowego zbudowany przez polską stocznię katamaranów Sunreef Yachts, wykorzystuje kompozyty warstwowe z żywicy winyloestrowej, pianki PVC i kompozyty z włókna węglowego. Wysięgniki masztu są wykonane z kompozytów z włókna węglowego, a tylko część kadłuba wykonana jest z tworzywa wzmacnianego włóknem szklanym (FRP). Masa własna wynosi zaledwie 45 ton. Duża prędkość, niskie zużycie paliwa i doskonałe osiągi.
Jacht „Zhongke·Lianya” zbudowany w 2014 roku jest obecnie jedynym jachtem w pełni wykonanym z włókna węglowego w Chinach. To ekologiczny jacht wykonany z połączenia włókna węglowego i żywicy epoksydowej. Jest o 30% lżejszy od tego samego typu jachtu z włókna szklanego, a ponadto charakteryzuje się większą wytrzymałością, większą prędkością i niższym zużyciem paliwa.
Ponadto, liny i kable jachtu wykorzystują wysokowytrzymałe liny z włókna węglowego, aby zapewnić bezpieczeństwo. Ponieważ włókno węglowe ma moduł sprężystości wyższy niż stal i wytrzymałość na rozciąganie kilkukrotnie, a nawet kilkudziesięciokrotnie większą, a także właściwości tkane, lina z włókna węglowego jest wykorzystywana jako materiał bazowy, który może zastąpić linę stalową i organiczną linę polimerową. Niewystarczające.z
2. Zastosowanie w rozwoju energetyki morskiej
2.1 Podwodne złoża ropy naftowej i gazu
W ostatnich latach materiały kompozytowe z włókna węglowego są coraz szerzej stosowane w dziedzinie rozwoju morskiego wydobycia ropy naftowej i gazu. Korozja w środowisku morskim, wysokie ścinanie i silne ścinanie spowodowane podprądowym przepływem wody nakładają surowe wymagania dotyczące odporności na korozję, wytrzymałości i właściwości zmęczeniowych materiału. Kompozyty z włókna węglowego mają oczywiste zalety w postaci lekkości, trwałości i odporności na korozję w rozwoju morskich złóż ropy naftowej: platforma wiertnicza o głębokości 1500 m ma stalową linę o masie około 6500 ton, podczas gdy gęstość kompozytu z włókna węglowego to zwykła stal. 1/4, jeśli materiał kompozytowy z włókna węglowego zostanie użyty do zastąpienia części stali, nośność platformy wiertniczej zostanie znacznie zmniejszona, a koszty budowy platformy zostaną obniżone. Ruch posuwisto-zwrotny żerdzi ssącej łatwo prowadzi do zmęczenia materiału z powodu nierównomiernego ciśnienia między wodą morską a ciśnieniem wewnątrz rury. Złamanie i zastosowanie materiału kompozytowego z włókna węglowego może rozwiązać ten problem; Ze względu na odporność na korozję w środowisku wody morskiej, jego żywotność w wodzie morskiej jest dłuższa niż w przypadku stali, a głębokość eksploatacji jest większa.
Kompozyty z włókna węglowego mogą być stosowane jako rury do odwiertów produkcyjnych, żerdzie pompowe, zbiorniki magazynowe, rurociągi podmorskie, pokłady itp. na platformach wiertniczych. Proces produkcji dzieli się na proces pultruzji i proces nawijania na mokro. Pultruzja jest zazwyczaj stosowana do rur zwykłych i rur łączących. Metoda nawijania jest zazwyczaj stosowana do powierzchni zbiornika magazynowego i ciśnieniowego, a także może być stosowana w anizotropowych elastycznych rurach, w których kompozyt z włókna węglowego jest nawijany i układany pod określonym kątem w warstwie pancerza.
Ciągły pręt pompowy z kompozytu z włókna węglowego ma strukturę wstęgową, podobną do folii, i charakteryzuje się dobrą elastycznością. Wyprodukowany i zastosowany w Stanach Zjednoczonych w latach 90. XX wieku. Wykonany jest z włókna węglowego jako włókna wzmacniającego i nienasyconej żywicy jako materiału bazowego. Wytwarzany jest metodą pultruzji po sieciowaniu w wysokiej temperaturze. W latach 2001-2003 Chiny wykorzystywały pręt pompowy z włókna węglowego i zwykły stalowy pręt pompowy na czystym polu naftowym do produkcji pilota. Zastosowanie pręta pompowego z włókna węglowego pozwala znacznie zwiększyć wydobycie ropy i zmniejszyć obciążenie silnika, co przekłada się na większą energooszczędność. Ponadto pręt pompowy z kompozytu z włókna węglowego jest bardziej odporny na zmęczenie i korozję niż pręt stalowy i lepiej nadaje się do zastosowań w rozwoju podmorskich pól naftowych.
2.2 Morska energetyka wiatrowa
Obfite zasoby energii wiatrowej na morzu stanowią ważny obszar przyszłego rozwoju oraz najbardziej zaawansowaną i wymagającą dziedzinę technologii energetyki wiatrowej. Linia brzegowa Chin ma około 1800 km długości i znajduje się na niej ponad 6000 wysp. Południowo-wschodnie wybrzeże i regiony wyspiarskie są bogate w zasoby energii wiatrowej i łatwe do rozwoju. W ostatnich latach działania mające na celu promowanie rozwoju morskiej energetyki wiatrowej uzyskały wsparcie odpowiednich departamentów. Ponad 90% masy łopat turbin wiatrowych składa się z materiałów kompozytowych. Silne wiatry na morzu i wysoka generacja energii z pewnością wymagają większych łopat oraz lepszej wytrzymałości i trwałości. Oczywiście materiały kompozytowe z włókna węglowego mogą sprostać wymaganiom rozwoju wielkoskalowych, lekkich, wysokowydajnych i tanich łopat turbin wiatrowych i są bardziej odpowiednie do zastosowań morskich niż materiały kompozytowe z włókna szklanego.
Kompozyty z włókna węglowego mają znaczące zalety w morskiej energetyce wiatrowej. Łopata z kompozytu z włókna węglowego charakteryzuje się niską jakością i wysoką sztywnością, a moduł sprężystości jest od 3 do 8 razy większy niż w przypadku produktów z włókna szklanego. W środowisku morskim panuje duża wilgotność, klimat jest zmienny, a wentylator pracuje przez 24 godziny na dobę. Łopata charakteryzuje się dobrą odpornością na zmęczenie i jest odporna na niekorzystne warunki atmosferyczne. Poprawia to właściwości aerodynamiczne łopaty i zmniejsza obciążenie wieży oraz osi, dzięki czemu moc wyjściowa wentylatora jest bardziej płynna i zrównoważona, a efektywność energetyczna zwiększona. Właściwości przewodzące, dzięki specjalnej konstrukcji, pozwalają skutecznie zapobiegać uszkodzeniom spowodowanym uderzeniem pioruna w łopatę, obniżają koszty produkcji i transportu łopaty turbiny wiatrowej oraz zapewniają tłumienie drgań.
3. Zastosowania inżynierii morskiej
Materiały kompozytowe z włókna węglowego są stosowane w konstrukcjach inżynierii morskiej. Charakteryzują się one przede wszystkim lekkością, wysoką wytrzymałością i odpornością na korozję, a także zastępują tradycyjne stalowe materiały budowlane w postaci cięgien i elementów konstrukcyjnych, rozwiązując problem wysokich kosztów transportu stali narażonej na erozję morską. Zostały one zastosowane w konstrukcjach rafowych, dokach, platformach pływających, wieżach oświetleniowych itp. Zastosowanie kompozytów z włókna węglowego w renowacji rozpoczęło się w latach 80. XX wieku, a japońska firma Mitsubishi Chemical Corporation przejęła inicjatywę w badaniach nad właściwościami mechanicznymi kompozytów z włókna węglowego i ich zastosowaniem we wzmacnianiu konstrukcji. Początkowo badania koncentrowały się na wzmacnianiu belek żelbetowych za pomocą kompozytów z włókna węglowego, które później rozwinęły się w zakresie wzmacniania i wzmacniania różnych elementów inżynierii lądowej i wodnej. Naprawa morskich platform wiertniczych i portów za pomocą kompozytów z włókna węglowego to tylko jeden z aspektów ich zastosowania. Istnieje wiele powiązanych dokumentów. Warto wspomnieć, że amerykańska firma DFI wykorzystała pręty z włókna węglowego do naprawy terminalu marynarki wojennej Pearl Harbor. W tamtym czasie technicy używali innowacyjnych prętów z włókna węglowego do naprawy wzmocnienia. Dok z prętem z włókna węglowego wytrzymuje uderzenie stali o ciężarze 9 ton z wysokości 2,5 m. Odpada bez uszkodzeń, a efekt wzmocnienia jest widoczny.
Jeśli chodzi o zastosowanie kompozytów z włókna węglowego w inżynierii morskiej, istnieje również rodzaj naprawy i wzmocnienia rurociągów lub kolumn podmorskich. Tradycyjne metody konserwacji, takie jak spawanie, ulepszanie spoin, zaciski, iniekcja itp., mają swoje ograniczenia, a ich stosowanie jest bardziej ograniczone w środowisku morskim. Naprawa kompozytów z włókna węglowego odbywa się głównie za pomocą wysokowytrzymałych i przyczepnych materiałów żywicznych, takich jak tkanina z włókna węglowego i żywica epoksydowa, które są przyklejane do naprawianej powierzchni, dzięki czemu są cienkie i lekkie, o wysokiej wytrzymałości, dobrej trwałości, łatwe w montażu i dostosowują się do różnych kształtów. Ma to znaczącą przewagę.
Czas publikacji: 23-03-2019