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. Nhờ trọng lượng nhẹ, độ bền cao, khả năng chịu nhiệt độ cao, v.v., vật liệu này 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 nhờ độ bền và độ cứng 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. Đơn xin lên tàu
Vật liệu composite sợi carbon có một lợi thế tự nhiên so với vật liệu đóng tàu truyền thống. Thứ nhất, 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 chế tạo tương đối đơn giản, chu kỳ ngắn và việc đúc khuôn thuận tiện, do đó chi phí chế tạo và bảo trì 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 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 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.

1.1 Tàu quân sự

Vật liệu composite sợi carbon có đặc tính âm thanh, từ tính và điện tốt: chúng trong suốt, thấm âm và không nhiễm từ, 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 thượng tầng của tàu không chỉ làm giảm trọng lượng 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 xốp 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 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.

Việc ứng dụng cột buồm composite gia cường sợi carbon trên tàu chiến 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 hở ban đầu, LPD-17 sử dụng hệ thống cột buồm/cảm biến hoàn toàn kín mới (AEM/S). Phần trên của cột buồm composite sợi carbon này được 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, các ăng-ten và thiết bị liên quan khác nhau 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 kín tương tự được làm bằng sợi thủy tinh nano kết hợp với sợi carbon làm vật liệu gia cố. Nó cho phép các chùm tia radar và tín hiệu liên lạc khác nhau truyền qua nhau mà không bị nhiễu, và suy hao cực kỳ thấp. Năm 2006, công nghệ 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 trên tàu trinh sát và tàu du lịch cao tốc. 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 cáp sợi carbon cường độ cao cũng được sử dụng rộng rãi trong cáp tàu chiến hải quân và các vật dụng quân sự khác.

1.2 Du thuyền dân dụng

Du thuyền lớn thường thuộc sở hữu 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 kết cấu gia cố như boong, cabin và vách ngăn 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, đang 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 bọc bằng lớp vỏ sợi carbon/nhựa epoxy, Nomex  dạng tổ ong và lõi xốp kết cấu CorecellTM, thân tàu dài 60m. Nhưng tổng trọng lượng chỉ 210 tấn. Sunreef 80 Levante, một du thuyền catamaran sợi carbon do Sunreef Yachts của Ba Lan chế tạo, sử dụng vật liệu composite nhựa vinyl ester, bọt PVC và composite sợi carbon. Cần buồm được làm bằng 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 hoàn toàn bằng sợi carbon duy nhất tại Trung Quốc. Đây là một du thuyền xanh được làm từ sự kết hợp giữa sợi carbon và nhựa epoxy. Du thuyền nhẹ hơn 30% so với du thuyền sợi thủy tinh cùng loại, 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 chịu kéo cao hơn thép, độ bền kéo gấp vài lần, thậm chí hàng chục lần, và có đặc tính dệt của sợi, nên dây thừng sợi carbon được sử dụng làm vật liệu nền, có thể thay thế dây thép và dây polymer 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 đã được sử dụng ngày càng rộng rãi trong lĩnh vực phát triển 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 về trọng lượng nhẹ, độ bền và khả năng chống ăn mòn trong quá trình phát triển các mỏ dầu ngoài khơi: một 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 sâu hơn.

Vật liệu composite sợi carbon có thể được sử dụng làm ống giếng khai thác, thanh hút, bồn chứa, đường ống ngầm, sàn, v.v. trên 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 ống nối. Phương pháp quấn thường được sử dụng làm bề mặt của bồn chứa và bình chịu áp lực, 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 nhất định trong lớp vỏ bọc.

Thanh hút liên tục của vật liệu composite sợi carbon có cấu trúc dạng ruy băng tương tự như màng và có độ linh hoạt tốt. Được sản xuất và ứng dụng tại Hoa Kỳ vào những năm 1990. Nó được làm bằng sợi carbon làm sợi gia cường và nhựa không bão hòa làm vật liệu nền. Nó được sản xuất bằng quy trình kéo đùn sau khi liên kết ngang 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 một 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 tài nguyên năng lượng gió dồi dào trên biển là một 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 1.800 km 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 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 cường độ và độ bền 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 hàng hải 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 đàn hồi gấp 3 đến 8 lần so với sản phẩm sợi thủy tinh; độ ẩm lớn trong môi trường biển, khí hậu thay đổi, quạt có thể hoạt động liên tục 24 giờ. Cánh quạt có khả năng chống mỏi tốt và chịu được thời tiết xấu. Nó cải thiện hiệu suất khí động học của cánh quạt, giảm tải cho tháp và trục, giúp công suất đầu ra của quạt mượt mà và cân bằng hơn, đồng thời nâng cao hiệu suất năng lượng. Nhờ thiết kế kết cấu đặc biệt, hiệu suất dẫn điện có thể tránh hiệu quả hư hỏng do sét đánh vào cánh quạt; giảm chi phí sản xuất và vận chuyển cánh quạt; và có đặc tính giảm rung.

3. Ứng dụng kỹ thuật hàng hải

Vật liệu composite sợi carbon được sử dụng trong các công trình kỹ thuật hàng hải. Chúng chủ yếu sử dụng các đặc tính nhẹ, độ bền và khả năng chống ăn mòn cao, 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 thép bị xói mòn do nước biển và vận chuyển cao. Vật liệu này đã được ứng dụng cho các công trình rạn san hô trên đảo ngoài khơi, bến tàu, giàn nổi, tháp đèn, v.v. Việc sử dụng vật liệu composite sợi carbon để phục hồi công trình 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 công trình. 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 cường cho nhiều công trình dân dụng khác nhau. Việc sửa chữa các giàn khoan và cảng dầu khí ngoài khơi bằng vật liệu composite sợi carbon chỉ là một khía cạnh trong ứng dụng của nó. Có rất nhiều tài liệu liên quan. Điều đáng chú ý 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 cải tiến để sửa chữa phần gia cố. Thanh sợi carbon sửa chữa bến tàu có thể chịu được thép 9 tấn từ độ cao 2,5m. Nó rơi ra mà không bị hư hại, hiệu quả cải thiện rõ rệt.

Về ứng dụng vật liệu composite sợi carbon trong kỹ thuật hàng hải, cũng có một loại hình 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, bơm vữa, v.v. đều có những hạn chế riêng, và việc sử dụng các phương pháp này bị hạn chế hơn trong môi trường biển. Vật liệu composite sợi carbon chủ yếu được làm từ vật liệu nhựa có độ bền và độ bám dính cao như vải sợi carbon và nhựa epoxy, được dán chặt vào bề mặt sửa chữa, do đó mỏng và nhẹ, độ bền cao, độ bền tốt, dễ thi công và có thể thích ứng với nhiều hình dạng khác nhau. Nó có những ưu điểm đáng kể.