Застосування морських композиційних матеріалів (вуглецевого волокна/скловолокна/араміду)
В даний час композиційні матеріали з вуглецевого волокна широко використовуються в аерокосмічній, спортивній та розважальній, автомобільній промисловості, екологічній енергетиці, цивільному будівництві та інших галузях, а область їх застосування є майже повсюдно. Серед них, на малих човнах, яхтах, великих кораблях та інших суднах, застосування вуглецевого волокна прогресує. Вуглецеве волокно є ідеальним матеріалом для морських застосувань, оскільки воно може зменшити вібрацію корпусу, підтримувати гарне середовище бездротового зв’язку між кораблями тощо.
Крім того, найважливішою причиною використання вуглецевого волокна є те, що матеріал може покращити швидкість і економію палива кораблів за рахунок зменшення ваги. Наприклад, замінивши композити зі скловолокна (GFRP) на композити, армовані вуглеволокном (CFRP), можна зменшити вагу корпусу.
Застосування вуглецевого волокна та його композиційних матеріалів на яхтах за рахунок використання CFRP в надбудові та палубному обладнанні може ще більше зменшити вагу та покращити стійкість судна; карбоноволокнисті приводні вали також можуть зменшити вагу та зменшити вібрацію; Вуглецеве волокно в лопатях гвинтів Також є потенційні широкі можливості застосування.
Ще в 1940х роках ВМС США використовували композитні матеріали для будівництва малих кораблів, що відкрило нову главу в суднобудуванні. У середині-1950і було передбачено, що судна довжиною до 16 метрів мають бути виготовлені з композитних матеріалів. З розвитком матеріалознавства, вдосконаленням методів конструювання та форм застосування, у 1994 році Сполучені Штати використали композитні матеріали для створення тральщика 683-метрової довжини «Avenger». Дослідницький човен для глибокого занурення, побудований в 1996 році, виготовлений з композитних матеріалів, армованих графітовим волокном, для його оболонки, а глибина занурення човна може досягати 6096 м. «Stiletto» під кодовою назвою M80, виготовлений у 2006 році, є найновішим високошвидкісним швидкісним катером, що випробовує стелс, і найбільшим корпусом, створеним свого часу з вуглецевого волокна. При довжині 24,4 м і ширині 12,2 м осадка становить лише 0,9 м, а водотоннажність — 67 т, що дозволяє катеру легко розвивати вищу швидкість. Атомний підводний човен класу "Лос-Анджелес" Сполучених Штатів також використовує новий тип композитного матеріалу для виготовлення гідроакустичного купола, довжина якого 7,6 м, максимальний діаметр 8,1 м і відмінні характеристики. ВМС США також розробляють кораблі, оснащені військовими, у традиційні судна на повітряній подушці. У звичайних суднах на повітряній подушці використовуються алюмінієві жорсткі корпуси, подібні до літаків, як основний матеріал, тоді як американська компанія All Terrain Amphibious Hovercraft Company (ATLAS Hovercraft) розробила повністю композитний судно на повітряній подушці під назвою AH-100-P, яке призначене для розміщення 150 членів екіпажу.
Як велика країна з виробництва композитних суден в Азії, Японія почала будувати кораблі з FRP ще в 1953 році. У 1970-х роках японські рибальські човни почали широко використовувати FRP. З тих пір Японія виробляла десятки тисяч рибальських човнів FRP щороку. все більш досконалим. Сьогодні виробництво FRP в Японії займає одне з лідируючих місць у світі, а споживання FRP тільки на морські моторизовані рибальські човни становить 76,3 відсотка. У той же час у розробці та виробництві високоефективних композиційних матеріалів, таких як вуглецеве волокно, Японія також займає важливе місце у світі. Його високопродуктивні кораблі, гоночні човни та розкішні яхти зараз широко використовують високоякісні вуглецеві композитні матеріали.
Вуглецеве волокно має два види високої міцності і високого модуля. Він має характеристики високої жорсткості, високої межі плинності та високої міцності на вигин. Зазвичай він використовується у виробництві високопродуктивних і швидкісних кораблів. Японське вуглецеве волокно продається по всьому світу і в основному використовується у виробництві швидкісних катерів, високопродуктивних гоночних човнів, розкішних яхт та інших човнів.
Арамідне волокно має характеристики високої питомої міцності, високої міцності, ударостійкості та куленепробивності, і використовується для компонентів човнів з високими вимогами до розтягування, активного навантаження та куленепробивності. Через низьку міцність на вигин при стисненні він не підходить для виготовлення корпусів з високим стисненням і вигином, і підходить лише для суден із суворими обмеженнями ваги.
При розгляді витрат на виготовлення човнів, виходячи з того, що вони відповідають вимогам до проектування, виник метод проектування з використанням гібридних волоконних композитних матеріалів. Змішане використання різноманітних матеріалів, армованих волокнами, долає деякі недоліки композитного матеріалу з одним волокном, покращує фізико-механічні властивості та ще більше покращує придатність матеріалу. Двовимірні та тривимірні тканини, утворені армуючими матеріалами, можуть бути виготовлені відповідно до проектних потреб, щоб відповідати міцності, внутрішньошаровим і міжшаровим характеристикам кораблів, а також досягати вимог щодо легкої ваги та високої міцності для суден.
Через малу вагу композитних матеріалів ВМС США планують використовувати в силовому відсіку посилені склом фенольні композитні матеріали, включаючи циліндри, головки циліндрів, масляні піддони, кришки кулачків, опорні ролики, зірочки регулювання швидкості, водяні насоси, масло. насоси та шківи суднових дизельних двигунів. Зачекайте.
Деякі механічні елементи надводних кораблів також можуть бути виготовлені з композитних матеріалів, і в тенденції до зниження ваги корпусу на порядок денний також стоїть зменшення ваги силових компонентів силової установки. Як правило, на швидкісних човнах, де 2 або 4 високошвидкісних дизельних двигуна приводять в рух водомет через редуктор, відстань між дизельним двигуном і коробкою передач або між коробкою передач і водометом скорочується. Особливо у вузькому просторі катамарана 4 дизельні двигуни потрібно розташувати в шаховому порядку, а потужність, що виробляється переднім дизельним двигуном, повинна передаватися через задній дизельний двигун. Тому для цього потрібна трансмісія з найменшою вагою і найменшою кількістю компонентів. Використання приводного валу з трубчастого матеріалу з вуглецевого волокна дозволяє легко досягти мети зниження ваги компонентів трансмісії.
До основних переваг карданних валів CFRP можна віднести: істотне зниження ваги приводного валу; висока критична швидкість, зазвичай не потрібно влаштовувати підшипники на довгому валу, зменшити кількість підшипників, знизити витрати, зменшити вал, зменшити кількість деталей, заощадити витрати на опори підшипників і зменшити вагу; корозійна стійкість, низький магнітний сигнал, електричний сигнал, захист від зносу, може зменшити шум у структурі та повітрі на 520 дБ. (Джерело: Easy Composites / Composites Xintiandi)
