Zastosowanie morskich materiałów kompozytowych (włókno węglowe / włókno szklane / aramid)

Obecnie materiały kompozytowe z włókna węglowego są szeroko stosowane w lotnictwie, sporcie i rekreacji, przemyśle motoryzacyjnym, energetyce środowiskowej, inżynierii lądowej i innych dziedzinach, a zakres ich zastosowania jest prawie wszędzie. Wśród nich, w małych łodziach, jachtach, dużych statkach i innych polach okrętowych, rozwijają się zastosowania włókna węglowego. Włókno węglowe jest idealnym materiałem do zastosowań morskich, ponieważ może zmniejszyć wibracje kadłuba, utrzymać dobre środowisko komunikacji bezprzewodowej między statkami itp.

Ponadto najważniejszym powodem stosowania włókna węglowego jest to, że materiał może poprawić prędkość i oszczędność paliwa statków poprzez zmniejszenie masy. Na przykład, zastępując kompozyty z włókna szklanego (GFRP) kompozytami wzmacnianymi włóknem węglowym (CFRP), można zmniejszyć masę kadłuba.

Zastosowanie włókna węglowego i jego materiałów kompozytowych w jachtach, poprzez zastosowanie CFRP w nadbudówce i wyposażeniu pokładu, może jeszcze bardziej obniżyć wagę i poprawić stabilność statku; wały napędowe z włókna węglowego mogą również zmniejszyć wagę i zmniejszyć wibracje; włókno węglowe w łopatach śruby napędowej Istnieją również potencjalne zastosowania o szerokim zakresie.

Już w latach 1940 marynarka wojenna Stanów Zjednoczonych używała materiałów kompozytowych do budowy małych statków, co otworzyło nowy rozdział w budowie statków. W połowie-1950określono, że statki poniżej 16 m muszą być wykonane z materiałów kompozytowych. Wraz z rozwojem materiałoznawstwa, udoskonaleniem metod konstrukcyjnych i form zastosowań, w 1994 roku Stany Zjednoczone wykorzystały materiały kompozytowe do zbudowania trałowca klasy „Avenger” o długości 68.3-metra. Łódź do badań głębinowych zbudowana w 1996 roku jest wykonana z materiałów kompozytowych wzmocnionych włóknem grafitowym, a głębokość nurkowania łodzi może osiągnąć 6096 m. "Stiletto" o nazwie kodowej M80, wyprodukowany w 2006 roku, jest najnowszą szybką łodzią motorową do testów stealth i największym kadłubem utworzonym w swoim czasie z włókna węglowego. Przy długości 24,4 m i szerokości 12,2 m zanurzenie wynosi zaledwie 0,9 m, a wyporność 67 t, co pozwala łodzi motorowej z łatwością uzyskać większą prędkość. Amerykański okręt podwodny klasy Los Angeles również wykorzystuje nowy rodzaj materiału kompozytowego do wykonania kopuły sonaru, która ma 7,6 m długości, 8,1 m maksymalnej średnicy i ma doskonałe osiągi. Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych również przekształca statki wyposażone w wojsko w tradycyjne poduszkowce. Konwencjonalny poduszkowiec wykorzystuje sztywne aluminiowe skorupy podobne do samolotów jako materiał bazowy, podczas gdy amerykańska firma All Terrain Amphibious Hovercraft Company (ATLAS Hovercraft) opracowała całkowicie kompozytowy poduszkowiec o nazwie AH -100-P, który jest przeznaczony dla załogi 150.

Jako główny kraj w produkcji statków kompozytowych w Azji, Japonia zaczęła budować statki z FRP już w 1953 roku. W latach 70. japońskie łodzie rybackie zaczęły szeroko stosować FRP. Od tego czasu Japonia co roku produkowała dziesiątki tysięcy łodzi rybackich z FRP. coraz doskonalsze. Dziś japońska produkcja FRP plasuje się w czołówce na świecie, a zużycie samego FRP przez morskie łodzie rybackie z silnikiem wynosi 76,3 procent. Jednocześnie w rozwoju i produkcji wysokowydajnych materiałów kompozytowych, takich jak włókno węglowe, Japonia zajmuje również ważną pozycję na świecie. Jej wysokowydajne statki, łodzie wyścigowe i luksusowe jachty obecnie powszechnie wykorzystują wysokowydajne materiały kompozytowe z włókna węglowego.

Włókno węglowe ma dwa rodzaje wysokiej wytrzymałości i wysokiego modułu. Charakteryzuje się dużą sztywnością, wysoką granicą plastyczności i dużą wytrzymałością na zginanie. Jest powszechnie stosowany w produkcji statków o wysokich osiągach i dużych prędkościach. Japońskie włókno węglowe jest sprzedawane na całym świecie i jest używane głównie do produkcji szybkich łodzi motorowych, łodzi wyścigowych o wysokich osiągach, luksusowych jachtów i innych łodzi.

Włókno aramidowe charakteryzuje się wysoką wytrzymałością właściwą, wysoką wytrzymałością, odpornością na uderzenia i kuloodpornością i jest stosowane w elementach łodzi o wysokich wymaganiach dotyczących wytrzymałości na rozciąganie, obciążenia czynnego i kuloodporności. Ze względu na niską wytrzymałość na zginanie na ściskanie nie nadaje się do produkcji kadłubów o wysokim ściskaniu i zginaniu i nadaje się tylko do statków o ścisłych limitach masy.

Rozważając koszty produkcji łodzi, przy założeniu spełnienia wymagań projektowych, pojawiła się metoda projektowania wykorzystująca hybrydowe materiały kompozytowe z włókien. Mieszane zastosowanie różnych materiałów wzmocnionych włóknami przezwycięża niektóre wady pojedynczego materiału kompozytowego z włóknami, poprawia właściwości fizyczne i mechaniczne oraz dodatkowo poprawia możliwości projektowania materiału. Dwuwymiarowe i trójwymiarowe tkaniny utworzone przez materiały wzmacniające można wytwarzać zgodnie z potrzebami projektu, aby spełnić wymagania wytrzymałościowe, międzywarstwowe i międzywarstwowe statków, a ponadto spełnić wymagania dotyczące lekkości i wysokiej wytrzymałości dla statków

Ze względu na niewielką wagę materiałów kompozytowych US Navy planuje zastosować w komorze zasilania materiały kompozytowe wzmocnione włóknem szklanym, w tym cylindry, głowice cylindrów, miski olejowe, osłony krzywek, rolki podtrzymujące, koła zębate regulacji prędkości i pompy wodne, olej pompy i koła pasowe okrętowych silników wysokoprężnych. Czekać.

Niektóre elementy mechaniczne okrętów nawodnych mogą być również wykonane z materiałów kompozytowych, a w dążeniu do zmniejszenia masy kadłuba w planach jest również zmniejszenie masy elementów przeniesienia mocy układu napędowego. Zazwyczaj na łodziach szybkobieżnych, gdzie 2 lub 4 szybkie silniki wysokoprężne napędzają strumień wody przez przekładnię redukcyjną, skraca się odległość między silnikiem wysokoprężnym a skrzynią biegów lub między skrzynią biegów a strumieniem wody. Zwłaszcza w wąskiej przestrzeni katamaranu, 4 silniki wysokoprężne muszą być rozmieszczone naprzemiennie, a moc generowana przez przedni silnik wysokoprężny musi być przekazywana przez tylny silnik wysokoprężny. Dlatego wymaga to najmniejszej wagi i najmniejszej liczby komponentów. Zastosowanie wału napędowego wykonanego z rurki z włókna węglowego może w łatwy sposób osiągnąć cel zmniejszenia masy elementów przekładni.

Główne zalety wałów napędowych z CFRP to: znaczne zmniejszenie masy wału napędowego; wysoka prędkość krytyczna, zwykle nie trzeba układać łożysk na długich wałach, zmniejszać liczbę łożysk, zmniejszać koszty, zmniejszać wałki, zmniejszać części, Oszczędność kosztów podpór łożysk i zmniejszenie masy; odporność na korozję, niski sygnał magnetyczny, sygnał elektryczny, odporność na zużycie, mogą zmniejszyć hałas w strukturze i powietrzu o 520 dB. (Źródło: Easy Composites / Composites Xintiandi)