Композитный материал на основе углеродного волокна – это армированный волокном материал, изготовленный из углеродного волокна и смолы, металла, керамики и других матриц. Благодаря своему малому весу, высокой прочности, стойкости к высоким температурам и т. д., в последние годы он широко используется в аэрокосмической промышленности, спорте и отдыхе, высокоскоростных железных дорогах, а также в автомобильной промышленности и гражданском строительстве. Композитные материалы на основе углеродного волокна обладают превосходной усталостной прочностью, коррозионной стойкостью и превосходными конструкционными характеристиками благодаря высокой прочности и прочности, что делает их пригодными для применения в морской среде с особыми требованиями к свойствам материала. Следите за новостями. В последние годы композитные материалы на основе углеродного волокна играют все более важную роль в судостроении, разработке морских месторождений и ремонте морской техники.
1.Применение на борту
Углеродные композиты обладают естественным преимуществом перед традиционными судостроительными материалами. Во-первых, углеродные композиты обладают хорошими механическими свойствами. Корпус судна изготавливается с малым весом и низким расходом топлива, а процесс изготовления относительно прост, цикл изготовления короткий, а формовка удобна, поэтому стоимость строительства и обслуживания значительно ниже, чем у стальных судов. В то же время, поскольку интерфейс между углеродным волокном и матрицей смолы эффективно предотвращает распространение трещин, материал обладает хорошей усталостной прочностью; кроме того, благодаря химической инертности поверхности углеродного волокна корпус судна обладает свойствами, которые затрудняют эпифитотию и коррозийную стойкость, что также является одним из важнейших факторов при выборе материалов. Таким образом, углеродные композитные материалы обладают уникальными комплексными эксплуатационными преимуществами в судостроении и в настоящее время широко используются в этой области. В то же время, развитие отрасли углеродного волокна стимулировалось расширением области его применения.
1.1Военные корабли
Углеродные композиты обладают хорошими акустическими, магнитными и электрическими свойствами: они прозрачны, звукопроницаемы и немагнитны, поэтому их можно использовать для повышения скрытности военных кораблей. Использование композитных материалов в надстройке корабля не только снижает вес корпуса, но и передает и принимает электромагнитные волны на заданной частоте, экранируя частотно-селективный слой, встроенный в промежуточный слой, чтобы экранировать электромагнитные волны радаров противника. . Например, крейсер класса «Скьольд», построенный ВМС Норвегии в 1999 году, использовал сэндвич-композит, состоящий из слоя поливинилхлоридной пены, стекловолокна и промежуточного слоя из углеродного волокна. Такая конструкция не только улучшает соотношение прочности к весу, но и имеет хорошую ударопрочность. Производительность также значительно улучшает характеристики слабого магнитного, анти-инфракрасного и анти-радиолокационного сканирования. Шведские фрегаты класса Visby, вступившие в строй в 2000 году, используют композитные материалы из углеродного волокна, обладающие особыми функциями снижения веса, а также радиолокационной и инфракрасной скрытности.
Применение композитных мачт, армированных углеродным волокном, на кораблях постепенно набирало популярность. Корабль LPD-17, вступивший в строй в США в 2006 году, оснащен усовершенствованной композитной мачтой из углеродного волокна с сердечником из бальзы. В отличие от оригинальной открытой мачты, LPD-17 использует новую полностью закрытую мачту/сенсорную систему (AEM/S). Верхняя часть этой мачты из углеродного волокна покрыта частотно-селективным поверхностным материалом (FSS), пропускающим волны определенной частоты, а нижняя половина может отражать радиолокационные волны или поглощаться радиопоглощающими материалами. Таким образом, мачта обладает хорошей радиолокационной скрытностью и функциями обнаружения. Кроме того, различные антенны и сопутствующее оборудование равномерно объединены в конструкцию, что предотвращает коррозию и упрощает обслуживание оборудования. Европейский флот разработал аналогичную закрытую интегрированную сенсорную мачту, изготовленную из нановолоконного стекловолокна в сочетании с углеродным волокном в качестве армирующего элемента. Она позволяет различным радиолокационным лучам и сигналам связи проходить беспрепятственно друг с другом, а потери крайне низки. В 2006 году эта передовая мачтовая система управления воздушным движением была использована на авианосце «Royal Ark» ВМС Великобритании.
Углеродные композиты могут использоваться и в других компонентах корабля. Например, их можно использовать в качестве гребных винтов и валопроводов в системе пропульсивной установки для снижения вибрации и шума корпуса. Они чаще всего используются на разведывательных кораблях и быстроходных круизных лайнерах. Их можно использовать в качестве рулей в механизмах и оборудовании, некоторых специальных механических устройствах и трубопроводных системах. Кроме того, высокопрочные тросы из углеродного волокна широко используются в корабельных кабелях и других военных изделиях.
1.2Гражданские яхты
Большие яхты, как правило, находятся в частной собственности и стоят дорого, поэтому от них требуется лёгкость, высокая прочность и долговечность. Углеродные композиты могут использоваться в приборных панелях яхт и антеннах, рулях, а также в усиленных конструкциях, таких как палубы, каюты и судовые переборки. Традиционная композитная яхта в основном изготавливается из стеклопластика (FRP), но из-за недостаточной жёсткости корпус часто оказывается слишком тяжёлым после выполнения требований к жёсткости, а стекловолокно является канцерогеном, который постепенно запрещается за рубежом. Доля углеволоконных композитов, используемых в современных композитных яхтах, значительно возросла, а некоторые даже используют их. Например, суперъяхта «Panama» компании Baltic представляет собой двойную баржу, корпус и палуба которой обшиты обшивкой из углеродного волокна и эпоксидной смолы, сотовым заполнителем Nomex и структурным пенопластовым сердечником CorecellTM; длина корпуса составляет 60 м. Но общий вес составляет всего 210 тонн. Sunreef 80 Levante, карбоновый катамаран, построенный польской компанией Sunreef Yachts, использует композитные материалы на основе винилэфирной смолы, ПВХ-пену и карбоновые композиты. Мачтовые гики изготовлены из композитных материалов на основе углеродного волокна, а корпус частично изготовлен из стеклопластика. Вес без нагрузки составляет всего 45 тонн. Высокая скорость, низкий расход топлива и превосходные эксплуатационные характеристики.
Яхта «Zhongke·Lianya», построенная в 2014 году, на сегодняшний день является единственной в Китае яхтой, полностью выполненной из углеродного волокна. Это экологичная яхта, изготовленная из комбинации углеродного волокна и эпоксидной смолы. Она на 30% легче аналогичной яхты из стеклопластика, обладает большей прочностью, большей скоростью и меньшим расходом топлива.
Кроме того, для обеспечения безопасности в яхтенных тросах и канатах используются высокопрочные тросы из углеродного волокна. Поскольку модуль упругости углеродного волокна на растяжение выше, чем у стали, а прочность на разрыв в несколько раз, а то и в десятки раз выше, а также волокнистость, в качестве основного материала используется трос из углеродного волокна, способный заменить стальной трос и трос из органического полимера.
2. Применение в развитии морской энергетики
2.1 Подводные месторождения нефти и газа
В последние годы композиционные материалы из углеродного волокна все более широко используются в области морской разработки нефти и газа. Коррозия в морской среде, высокий сдвиг и сильный сдвиг, вызванный подводным течением воды, предъявляют строгие требования к коррозионной стойкости, прочности и усталостным свойствам материала. Композитные материалы из углеродного волокна имеют очевидные преимущества в легкости, долговечности и антикоррозионной устойчивости при разработке морских нефтяных месторождений: буровая платформа глубиной 1500 м имеет стальной кабель массой около 6500 тонн, в то время как плотность композита из углеродного волокна равна плотности обычной стали. 1/4, если композит из углеродного волокна используется для замены части стали, грузоподъемность буровой платформы будет значительно снижена, а стоимость строительства платформы будет сэкономлена. Возвратно-поступательное движение насосной штанги легко приведет к усталости материала из-за несбалансированного давления между морской водой и давлением внутри трубы. Разрушение и использование композитного материала из углеродного волокна могут решить эту проблему; Благодаря стойкости к коррозии в морской воде срок его службы в морской воде больше, чем у стали, а глубина использования больше.
Композиты из углеродного волокна могут использоваться в качестве труб для эксплуатационных скважин, насосных штанг, резервуаров для хранения, подводных трубопроводов, палуб и т.д. на буровых платформах нефтяных месторождений. Процесс производства разделяется на два метода: пултрузия и мокрая намотка. Пултрузия обычно применяется для обычных труб и соединительных труб. Метод намотки обычно применяется для изготовления поверхности резервуаров для хранения и сосудов высокого давления, а также может использоваться для анизотропных гибких труб, в которых композит из углеродного волокна наматывается и располагается под определенным углом в слое брони.
Непрерывная насосная штанга из композитного материала из углеродного волокна представляет собой лентообразную структуру, похожую на пленку, и обладает хорошей гибкостью. Произведена и применена в Соединенных Штатах в 1990-х годах. Она изготовлена из углеродного волокна в качестве армирующего волокна и ненасыщенной смолы в качестве основного материала. Она производится методом пултрузии после сшивания при высокой температуре. С 2001 по 2003 год Китай использовал насосную штангу из углеродного волокна и обычную стальную насосную штангу на месторождении чистой балки для изготовления пилотной установки. Использование насосной штанги из углеродного волокна может значительно увеличить добычу нефти и снизить нагрузку на двигатель, что является более энергоэффективным. Кроме того, насосная штанга из углеродного волокна более устойчива к усталости и коррозии, чем стальная насосная штанга, и больше подходит для применения при разработке подводных нефтяных месторождений.
2.2 Морская ветроэнергетика
Обильные ветроэнергетические ресурсы на море являются важной областью для будущего развития и самой передовой и требовательной областью технологий ветроэнергетики. Береговая линия Китая составляет около 1800 км, и существует более 6000 островов. Юго-восточное побережье и островные регионы богаты ветроресурсами и легко осваиваются. В последние годы усилия по содействию развитию морской ветроэнергетики поддерживаются соответствующими ведомствами. Более 90% веса лопастей ветрогенераторов состоит из композитных материалов. Сильные ветры в море и высокая выработка электроэнергии неизбежно требуют более крупных лопастей и более высокой удельной прочности и долговечности. Очевидно, что композитные материалы на основе углеродного волокна могут удовлетворить требования разработки крупногабаритных, легких, высокопроизводительных и недорогих лопастей для выработки электроэнергии и больше подходят для морского применения, чем композитные материалы на основе стекловолокна.
Композиты из углеродного волокна имеют значительные преимущества в морской ветроэнергетике. Лопасть из углеродного волокна имеет низкое качество и высокую жесткость, а модуль упругости в 3-8 раз превышает модуль упругости изделия из стекловолокна; в морской среде высокая влажность, климат изменчив, и вентилятор работает 24 часа в сутки. Лопасть обладает хорошей усталостной прочностью и может выдерживать непогоду. Это улучшает аэродинамические характеристики лопасти и снижает нагрузку на башню и ось, благодаря чему выходная мощность вентилятора становится более плавной и сбалансированной, а энергоэффективность повышается. Проводящие свойства, благодаря специальной структурной конструкции, могут эффективно предотвращать повреждения, вызванные ударом молнии в лопасть; снижать стоимость производства и транспортировки лопасти ветряной турбины; и обладать характеристиками гашения вибраций.
3.Применение в морской технике
Композитные материалы на основе углеродного волокна используются в строительстве морских инженерных сооружений. Они, в основном, обладают такими характеристиками, как лёгкость, высокая прочность и коррозионная стойкость, и заменяют традиционные стальные строительные материалы в виде арматуры и конструкционных деталей, решая проблему высоких транспортных расходов, связанных с эрозией морской водой. Материал применяется для строительства прибрежных островных рифовых сооружений, доков, плавучих платформ, маяков и т.д. Использование композитных материалов на основе углеродного волокна для реставрации инженерных сооружений началось в 1980-х годах, и японская компания Mitsubishi Chemical Corporation возглавила исследования механических свойств композитных материалов на основе углеродного волокна и их применения в инженерной арматуре. Первоначально исследования были сосредоточены на армировании железобетонных балок композитными материалами на основе углеродного волокна, которое впоследствии было использовано для армирования и усиления различных объектов гражданского строительства. Ремонт морских нефтяных платформ и портов с помощью композитных материалов на основе углеродного волокна – лишь один из аспектов его применения. Существует множество соответствующих документов. Стоит отметить, что американская компания DFI использовала стержни из углеродного волокна для ремонта терминала ВМС Перл-Харбор. В то время специалисты использовали инновационные стержни из углеродного волокна для ремонта арматуры. Отремонтированный док из углеродного волокна выдерживает падение стали весом 9 тонн с высоты 2,5 м. Он падает без повреждений, а эффект улучшения очевиден.
Что касается применения композитов на основе углеродного волокна в морской технике, то существует также один из видов ремонта и усиления подводных трубопроводов или колонн. Традиционные методы ремонта, такие как сварка, улучшение сварных швов, хомутовые соединения, заливка и т. д., имеют свои ограничения, и их применение в морской среде ещё более ограничено. Ремонт композитов на основе углеродного волокна в основном осуществляется с использованием высокопрочных и высокоадгезивных смол, таких как углеродная ткань и эпоксидная смола, которые наклеиваются на ремонтируемую поверхность, что делает их тонкими и лёгкими, высокопрочными, долговечными, удобными в изготовлении и адаптируемыми к различным формам. Это имеет существенные преимущества.
Время публикации: 23 марта 2019 г.