การประยุกต์ใช้วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ในมหาสมุทร

วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุเสริมแรงด้วยเส้นใยที่ทำจากคาร์บอนไฟเบอร์ เรซิน โลหะ เซรามิก และเมทริกซ์อื่นๆ เนื่องจากมีน้ำหนักเบา ความแข็งแรงสูง ทนต่ออุณหภูมิสูง ฯลฯ จึงถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ กีฬาและสันทนาการ รถไฟความเร็วสูงในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ในด้านยานยนต์และวิศวกรรมโยธา วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีความทนทานต่อความล้า ทนต่อการกัดกร่อน และประสิทธิภาพการก่อสร้างที่ยอดเยี่ยม เนื่องจากมีความแข็งแรงสูง จึงเหมาะสำหรับการใช้งานทางทะเลที่มีข้อกำหนดเฉพาะเกี่ยวกับคุณสมบัติของวัสดุ โปรดระวัง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีบทบาทสำคัญเพิ่มมากขึ้นในการต่อเรือ การพัฒนาพลังงานนอกชายฝั่ง และการซ่อมแซมทางวิศวกรรมทางทะเล

1.การสมัครบนเครื่องบิน
วัสดุผสมคาร์บอนไฟเบอร์มีข้อได้เปรียบเหนือวัสดุต่อเรือแบบดั้งเดิมโดยธรรมชาติ ประการแรก วัสดุผสมคาร์บอนไฟเบอร์มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดี ตัวเรือผลิตด้วยคุณสมบัติน้ำหนักเบาและประหยัดเชื้อเพลิง กระบวนการก่อสร้างค่อนข้างง่าย รอบการผลิตสั้น และขึ้นรูปได้ง่าย ทำให้ต้นทุนการก่อสร้างและการบำรุงรักษาต่ำกว่าเรือเหล็กมาก ขณะเดียวกัน เนื่องจากส่วนต่อประสานระหว่างคาร์บอนไฟเบอร์และเมทริกซ์เรซินสามารถป้องกันการแพร่กระจายของรอยแตกได้อย่างมีประสิทธิภาพ วัสดุจึงมีความทนทานต่อความล้าได้ดี นอกจากนี้ เนื่องจากพื้นผิวของคาร์บอนไฟเบอร์มีความเฉื่อยทางเคมี ตัวเรือจึงมีคุณสมบัติที่ยากต่อการเกาะติดและทนต่อการกัดกร่อน ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในการเลือกวัสดุ ดังนั้น วัสดุผสมคาร์บอนไฟเบอร์จึงมีข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพที่ครอบคลุมเฉพาะตัวในการต่อเรือ และปัจจุบันมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขานี้ ขณะเดียวกัน การพัฒนาอุตสาหกรรมคาร์บอนไฟเบอร์ก็ได้รับการส่งเสริมจากการขยายตัวของภาคการประยุกต์ใช้งาน

1.1เรือรบ

คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีคุณสมบัติทางเสียง แม่เหล็ก และไฟฟ้าที่ดี คือ โปร่งใส ดูดซับเสียงได้ และไม่เป็นแม่เหล็ก จึงสามารถนำไปใช้ปรับปรุงประสิทธิภาพการพรางตัวของเรือรบได้ การใช้วัสดุคอมโพสิตในโครงสร้างส่วนบนของเรือไม่เพียงแต่ช่วยลดน้ำหนักของตัวเรือเท่านั้น แต่ยังส่งและรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความถี่ที่กำหนดไว้ล่วงหน้าโดยการป้องกันชั้นเลือกความถี่ที่ฝังอยู่ในชั้นกลางเพื่อป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเรดาร์ของข้าศึก ตัวอย่างเช่น เรือลาดตระเวนชั้น “skjold” ที่สร้างโดยกองทัพเรือนอร์เวย์ในปี พ.ศ. 2542 ใช้คอมโพสิตแบบแซนวิชซึ่งประกอบด้วยชั้นโฟมโพลีไวนิลคลอไรด์ ใยแก้ว และชั้นกลางคาร์บอนไฟเบอร์ การออกแบบนี้ไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักเท่านั้น แต่ยังทนต่อแรงกระแทกได้ดีอีกด้วย ประสิทธิภาพนี้ยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการป้องกันสนามแม่เหล็กต่ำ อินฟราเรด และเรดาร์ได้อย่างมาก เรือรบฟริเกตคลาสวิสบีของสวีเดน ซึ่งเข้าประจำการในปี พ.ศ. 2543 ทั้งหมดใช้คาร์บอนไฟเบอร์คอมโพสิต ซึ่งมีฟังก์ชันพิเศษในการลดน้ำหนัก เรดาร์ และระบบพรางตัวแบบอินฟราเรดคู่

การประยุกต์ใช้เสากระโดงคอมโพสิตเสริมคาร์บอนไฟเบอร์บนเรือได้ค่อยๆ ปรากฏขึ้น เรือ LPD-17 ซึ่งเข้าประจำการในสหรัฐอเมริกาในปี พ.ศ. 2549 ใช้เสากระโดงคอมโพสิตคอมโพสิตขั้นสูงที่ทำจากคาร์บอนไฟเบอร์/แกนบัลซา ซึ่งแตกต่างจากเสากระโดงแบบเปิดรุ่นเดิม LPD-17 ใช้เสากระโดง/ระบบตรวจจับแบบปิดสนิท (AEM/S) แบบใหม่ ส่วนบนของเสากระโดงคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์นี้หุ้มวัสดุพื้นผิวที่เลือกความถี่ (FSS) ทำให้คลื่นความถี่เฉพาะสามารถผ่านได้ และครึ่งล่างสามารถสะท้อนคลื่นเรดาร์หรือถูกดูดซับโดยวัสดุดูดซับเรดาร์ ดังนั้นจึงมีฟังก์ชันการพรางตัวและตรวจจับเรดาร์ที่ดี นอกจากนี้ เสาอากาศและอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องต่างๆ ยังถูกรวมเข้าด้วยกันอย่างกลมกลืนในโครงสร้าง ซึ่งไม่เกิดการกัดกร่อนได้ง่าย และเอื้อต่อการบำรุงรักษาอุปกรณ์มากขึ้น กองทัพเรือยุโรปได้พัฒนาเสากระโดงเซ็นเซอร์แบบปิดที่คล้ายคลึงกัน ซึ่งทำจากใยแก้วที่ผลิตจากเส้นใยนาโน ผสมกับคาร์บอนไฟเบอร์เพื่อเสริมความแข็งแรง เทคโนโลยีนี้ช่วยให้ลำแสงเรดาร์และสัญญาณสื่อสารต่างๆ สามารถผ่านกันได้โดยไม่ถูกรบกวน และมีการสูญเสียสัญญาณต่ำมาก ในปี พ.ศ. 2549 เสาส่งสัญญาณ ATM ที่มีเทคโนโลยีขั้นสูงนี้ถูกนำมาใช้บนเรือบรรทุกเครื่องบิน "รอยัล อาร์ค" ของกองทัพเรืออังกฤษ

คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ยังสามารถนำไปใช้ในส่วนอื่นๆ ของเรือได้ ตัวอย่างเช่น สามารถใช้เป็นใบพัดและระบบขับเคลื่อนในระบบขับเคลื่อนเพื่อลดผลกระทบจากการสั่นสะเทือนและเสียงรบกวนของตัวเรือ และส่วนใหญ่ใช้ในเรือลาดตระเวนและเรือสำราญความเร็วสูง นอกจากนี้ยังสามารถใช้เป็นหางเสือในเครื่องจักรและอุปกรณ์ต่างๆ อุปกรณ์เครื่องกลพิเศษบางชนิด และระบบท่อ นอกจากนี้ เชือกคาร์บอนไฟเบอร์ที่มีความแข็งแรงสูงยังถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในสายเคเบิลเรือรบและอุปกรณ์ทางทหารอื่นๆ

1.2 เรือยอทช์พลเรือน

เรือยอชต์ขนาดใหญ่โดยทั่วไปมักเป็นของเอกชนและมีราคาแพง ต้องใช้น้ำหนักเบา มีความแข็งแรงและทนทานสูง คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์สามารถนำไปใช้ในหน้าปัดเครื่องมือและเสาอากาศของเรือยอชต์ หางเสือ และโครงสร้างเสริมแรง เช่น ดาดฟ้า ห้องโดยสาร และผนังกั้นเรือ เรือยอชท์คอมโพสิตแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่ทำจาก FRP แต่เนื่องจากความแข็งแรงไม่เพียงพอ ตัวเรือจึงมักจะหนักเกินไปหลังจากผ่านข้อกำหนดด้านความแข็งแรงของการออกแบบ และไฟเบอร์กลาสเป็นสารก่อมะเร็ง ซึ่งถูกห้ามใช้ในต่างประเทศอย่างแพร่หลาย สัดส่วนของคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ที่ใช้ในเรือยอชท์คอมโพสิตในปัจจุบันเพิ่มขึ้นอย่างมาก และบางลำถึงกับใช้คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ ตัวอย่างเช่น เรือยอชต์ขนาดใหญ่ "Panama" แบบเรือบาร์จคู่ของ Baltic ตัวเรือและดาดฟ้าถูกประกบด้วยผิวคาร์บอนไฟเบอร์/เรซินอีพอกซี รังผึ้ง Nomex  และแกนโฟมโครงสร้าง CorecellTM ตัวเรือมีความยาว 60 เมตร แต่น้ำหนักรวมเพียง 210 ตัน Sunreef 80 Levante เป็นเรือใบสองลำตัวคาร์บอนไฟเบอร์ที่สร้างโดย Sunreef Yachts ของเรือใบสองลำตัวสัญชาติโปแลนด์ ใช้วัสดุผสมเรซินไวนิลเอสเทอร์แบบแซนด์วิช โฟม PVC และคาร์บอนไฟเบอร์ ส่วนเสากระโดงเรือใช้วัสดุผสมคาร์บอนไฟเบอร์แบบสั่งทำพิเศษ และมีเพียงบางส่วนของตัวเรือเท่านั้นที่ใช้ FRP น้ำหนักขณะเดินเรือเปล่าเพียง 45 ตัน ความเร็วสูง ประหยัดเชื้อเพลิง และสมรรถนะที่ยอดเยี่ยม

เรือยอทช์ “Zhongke·Lianya” ที่สร้างขึ้นในปี 2014 ปัจจุบันเป็นเรือยอทช์คาร์บอนไฟเบอร์เต็มลำเดียวในประเทศจีน เป็นเรือยอทช์สีเขียวที่ผสมผสานคาร์บอนไฟเบอร์และเรซินอีพอกซีเข้าด้วยกัน มีน้ำหนักเบากว่าเรือยอทช์ไฟเบอร์กลาสประเภทเดียวกันถึง 30% มีความแข็งแรงทนทานกว่า เร็วกว่า และประหยัดน้ำมันกว่า

นอกจากนี้ สายเคเบิลและสายเคเบิลของเรือยอชต์ยังใช้เชือกคาร์บอนไฟเบอร์ที่มีความแข็งแรงสูงเพื่อความปลอดภัย เนื่องจากเส้นใยคาร์บอนมีค่าโมดูลัสแรงดึงสูงกว่าเหล็ก และมีความต้านทานแรงดึงหลายเท่าหรือหลายสิบเท่า และมีคุณสมบัติในการทอแบบเดียวกับเส้นใย จึงใช้เชือกคาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุพื้นฐาน ซึ่งสามารถทดแทนลวดสลิงเหล็กและเชือกพอลิเมอร์อินทรีย์ได้ ไม่เพียงพอ
2. การประยุกต์ใช้ในการพัฒนาพลังงานทางทะเล

2.1 แหล่งน้ำมันและก๊าซใต้น้ำ

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ได้รับความนิยมอย่างแพร่หลายมากขึ้นเรื่อยๆ ในด้านการพัฒนาน้ำมันและก๊าซทางทะเล การกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมทางทะเล แรงเฉือนสูง และแรงเฉือนที่รุนแรงที่เกิดจากกระแสน้ำใต้ผิวดิน ทำให้เกิดข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับคุณสมบัติความต้านทานการกัดกร่อน ความแข็งแรง และความล้าของวัสดุ คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในด้านน้ำหนักเบา ทนทาน และป้องกันการกัดกร่อนในการพัฒนาแหล่งน้ำมันนอกชายฝั่ง แท่นขุดเจาะความลึก 1,500 เมตร มีสายเคเบิลเหล็กที่มีมวลประมาณ 6,500 ตัน ในขณะที่ความหนาแน่นของคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์เป็นเหล็กกล้าธรรมดา หากใช้วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ทดแทนเหล็กบางส่วน ความสามารถในการรับน้ำหนักของแท่นขุดเจาะจะลดลงอย่างมาก และประหยัดต้นทุนการก่อสร้างแท่นขุดเจาะ การเคลื่อนที่แบบลูกสูบของแท่งดูดจะนำไปสู่ความล้าของวัสดุได้ง่ายเนื่องจากแรงดันที่ไม่สมดุลระหว่างน้ำทะเลและแรงดันภายในท่อ การแตกหักและการใช้วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์สามารถแก้ปัญหานี้ได้ เนื่องจากความต้านทานการกัดกร่อนของสภาพแวดล้อมน้ำทะเล จึงมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าเหล็ก และใช้งานได้ลึกกว่า

คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์สามารถนำไปใช้เป็นท่อสำหรับการผลิต แท่งดูด ถังเก็บ ท่อใต้น้ำ ดาดฟ้า และอื่นๆ ในแท่นขุดเจาะน้ำมัน กระบวนการผลิตแบ่งออกเป็นกระบวนการพัลทรูชันและกระบวนการพันแบบเปียก โดยทั่วไปแล้วพัลทรูชันจะใช้กับท่อทั่วไปและท่อเชื่อมต่อ วิธีการพันมักใช้กับพื้นผิวของถังเก็บและภาชนะรับแรงดัน และยังสามารถนำไปใช้กับท่ออ่อนแบบแอนไอโซทรอปิก ซึ่งวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์จะถูกพันและจัดเรียงในมุมที่กำหนดในชั้นเกราะ

แท่งดูดแบบต่อเนื่องของวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีโครงสร้างคล้ายริบบิ้นคล้ายกับฟิล์มและมีความยืดหยุ่นที่ดี ผลิตและนำไปใช้โดยสหรัฐอเมริกาในช่วงทศวรรษ 1990 ทำจากคาร์บอนไฟเบอร์เป็นเส้นใยเสริมแรงและเรซินไม่อิ่มตัวเป็นวัสดุพื้นฐาน ผลิตโดยกระบวนการพัลทรูชันหลังจากการบ่มแบบเชื่อมขวางที่อุณหภูมิสูง ระหว่างปี พ.ศ. 2544 ถึง พ.ศ. 2546 จีนใช้แท่งดูดคาร์บอนไฟเบอร์และแท่งดูดเหล็กธรรมดาในแหล่งน้ำมันบริสุทธิ์เพื่อสร้างแท่นนำร่อง การใช้แท่งดูดคาร์บอนไฟเบอร์สามารถเพิ่มปริมาณน้ำมันและลดภาระของมอเตอร์ได้อย่างมาก ซึ่งช่วยประหยัดพลังงานได้มากกว่า นอกจากนี้ แท่งดูดคาร์บอนไฟเบอร์คอมโพสิตยังมีความทนทานต่อความล้าและการกัดกร่อนได้ดีกว่าแท่งดูดเหล็ก และเหมาะสมกว่าสำหรับการใช้งานในการพัฒนาแหล่งน้ำมันใต้น้ำ

2.2 พลังงานลมนอกชายฝั่ง

ทรัพยากรพลังงานลมที่อุดมสมบูรณ์ในทะเลเป็นพื้นที่สำคัญสำหรับการพัฒนาในอนาคต และเป็นสาขาเทคโนโลยีพลังงานลมที่ก้าวหน้าและเป็นที่ต้องการมากที่สุด ชายฝั่งของจีนมีความยาวประมาณ 1,800 กิโลเมตร และมีเกาะมากกว่า 6,000 เกาะ พื้นที่ชายฝั่งตะวันออกเฉียงใต้และเกาะต่างๆ อุดมไปด้วยทรัพยากรลมและง่ายต่อการพัฒนา ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา หน่วยงานที่เกี่ยวข้องได้ให้การสนับสนุนความพยายามในการส่งเสริมการพัฒนาพลังงานลมนอกชายฝั่ง ใบพัดพลังงานลมมากกว่า 90% ผลิตจากวัสดุคอมโพสิต ลมขนาดใหญ่ในทะเลและการผลิตพลังงานสูงจำเป็นต้องใช้ใบพัดขนาดใหญ่และมีความแข็งแรงและความทนทานเฉพาะเจาะจงที่ดีกว่า เห็นได้ชัดว่าวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์สามารถตอบสนองความต้องการในการพัฒนาใบพัดผลิตพลังงานขนาดใหญ่ น้ำหนักเบา ประสิทธิภาพสูง และต้นทุนต่ำ และเหมาะสำหรับการใช้งานทางทะเลมากกว่าวัสดุคอมโพสิตไฟเบอร์กลาส

คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีข้อได้เปรียบที่สำคัญในการผลิตพลังงานลมทางทะเล ใบพัดคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีคุณภาพต่ำและมีความแข็งแรงสูง โมดูลัสสูงกว่าผลิตภัณฑ์ไฟเบอร์กลาส 3-8 เท่า ความชื้นสูงในสภาพแวดล้อมทางทะเล สภาพภูมิอากาศแปรปรวน และพัดลมทำงานได้ตลอด 24 ชั่วโมง ใบพัดมีความทนทานต่อความล้าได้ดีและทนต่อสภาพอากาศเลวร้าย ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพด้านอากาศพลศาสตร์ของใบพัด ลดภาระของเสาและเพลา ทำให้กำลังขับของพัดลมราบรื่นและสมดุลมากขึ้น และเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ประสิทธิภาพการนำไฟฟ้าผ่านการออกแบบโครงสร้างพิเศษสามารถป้องกันความเสียหายจากฟ้าผ่าที่ใบพัดได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลดต้นทุนการผลิตและการขนส่งของใบพัดกังหันลม และมีคุณสมบัติลดแรงสั่นสะเทือน

3.การประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรมทางทะเล

วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ถูกนำมาใช้ในอาคารวิศวกรรมทางทะเล โดยส่วนใหญ่ใช้คุณสมบัติน้ำหนักเบา ความแข็งแรงสูง และทนต่อการกัดกร่อน และทดแทนวัสดุก่อสร้างเหล็กแบบเดิมในรูปแบบของเส้นเอ็นและชิ้นส่วนโครงสร้าง เพื่อแก้ปัญหาต้นทุนการขนส่งที่สูงจากการกัดเซาะของน้ำทะเลและการขนส่ง คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ถูกนำไปใช้ในอาคารแนวปะการังนอกชายฝั่ง ท่าเรือ แท่นลอยน้ำ หอส่งสัญญาณไฟ และอื่นๆ การใช้คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์เพื่อการฟื้นฟูทางวิศวกรรมเริ่มต้นขึ้นในช่วงทศวรรษ 1980 และบริษัทมิตซูบิชิ เคมิคอล คอร์ปอเรชั่น ประเทศญี่ปุ่นเป็นผู้นำในการวิจัยคุณสมบัติเชิงกลของคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์และการประยุกต์ใช้ในการเสริมแรงทางวิศวกรรม งานวิจัยเบื้องต้นมุ่งเน้นไปที่การเสริมแรงคานคอนกรีตเสริมเหล็กโดยใช้คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ ซึ่งต่อมาได้พัฒนาเป็นการเสริมแรงและการเสริมแรงในงานวิศวกรรมโยธาต่างๆ การซ่อมแซมแท่นขุดเจาะน้ำมันนอกชายฝั่งและท่าเรือด้วยคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์เป็นเพียงส่วนหนึ่งของการประยุกต์ใช้ มีเอกสารที่เกี่ยวข้องมากมาย ทั้งนี้ บริษัท DFI ของสหรัฐอเมริกาได้ใช้แท่งคาร์บอนไฟเบอร์ในการซ่อมแซมอาคารผู้โดยสารของกองทัพเรือเพิร์ลฮาร์เบอร์ ในขณะนั้น ช่างเทคนิคได้ใช้แท่งคาร์บอนไฟเบอร์ที่เป็นนวัตกรรมใหม่ในการซ่อมเหล็กเสริม แท่นซ่อมที่ทำจากแท่งคาร์บอนไฟเบอร์สามารถทนต่อเหล็ก 9 ตัน ที่ความสูง 2.5 เมตร หลุดออกได้โดยไม่เสียหาย และเห็นผลการเสริมประสิทธิภาพอย่างชัดเจน

สำหรับการประยุกต์ใช้คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ในงานวิศวกรรมทางทะเล ยังมีการซ่อมแซมและเสริมความแข็งแรงท่อหรือเสาใต้น้ำอีกด้วย วิธีการบำรุงรักษาแบบดั้งเดิม เช่น การเชื่อม การปรับปรุงรอยเชื่อม การยึดจับ การอัดฉีด ฯลฯ ล้วนมีข้อจำกัดของตนเอง และการใช้วิธีการเหล่านี้มีข้อจำกัดมากกว่าในสภาพแวดล้อมทางทะเล การซ่อมแซมคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ส่วนใหญ่ทำจากวัสดุเรซินที่มีความแข็งแรงสูงและยึดติดสูง เช่น ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์และเรซินอีพอกซี ซึ่งยึดติดกับพื้นผิวซ่อมแซม ทำให้มีความบางและเบา มีความแข็งแรงสูง ทนทาน สะดวกในการก่อสร้าง และสามารถปรับให้เข้ากับรูปทรงต่างๆ ได้ จึงมีข้อได้เปรียบที่สำคัญ