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海洋中應用的碳纖維復合材料技術

碳纖維復合材料是由碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合制成的纖維增強材料，因其具有重量輕，強度高，耐高低溫等優良特點，近年來廣泛應用于航空航天、體育休閑、高鐵汽車、土木建筑等領域。碳纖維復合材料在質輕高強的同時，還具有優良的耐疲勞性、耐腐蝕性以及比強度高導致的優良施工性能等，使得它在對于材料性能有著特殊要求的海洋領域的應用前景同樣不可小覷。近年來，北京化工大學碳纖維復合材料在船舶制造、海上能源開發、海洋工程修復等領域不斷探索新技術。在船舶上的應用相比于傳統的造船材料，碳纖維復合材料具有天然的優勢。首先，碳纖維復合材料具有良好的機械性能。用其制造船體，具有質輕低油耗的特性，而且建造工藝相對簡單、周期短、成型方便，因此施工和維護費用遠低于鋼制船舶。同時由于碳纖維與樹脂基體的界面能有效的阻止裂紋擴展，故材料具有良好的耐疲勞性能；此外，由于碳纖維表面的化學惰性，船體具有水生物難以附生，耐腐蝕的特性，這也是船舶建造選材非常重要的因素之一。碳纖維復合材料具有良好的聲、磁、電性能：透波、透聲性好，無磁性，因此可以用于提高軍艦的隱身性能。在艦船的上層建筑中使用復合材料不僅可以減輕船體的重量，而且通過在夾層中嵌入有濾波功能的頻率選擇層，就可以在預定的頻率下發射和接受電磁波，從而屏蔽敵方的雷達電磁波。各種天線和有關設備都統一組合裝備在該結構內，不易被腐蝕，更有利于設備的保養。研制出類似的封閉綜合傳感器桅桿，這種桅桿是由納米技術制造的玻璃纖維與碳纖維復合后作為增強體而制成。它可以讓各種雷達波束和通信信號相互之間不受干擾地通過，并且損耗極低。碳纖維復合材料還可應用在艦船的其他方面。例如，在推進系統上可用作螺旋槳［和推進軸系，減輕船體的振動效應和噪聲，多用于偵察艦和快速巡航艦。在機械和裝備上可用作方向舵，某些特殊的機械裝置和管道系統等。此外，高強度的碳纖維繩索在海軍軍艦的纜繩和其他軍用物品上也有較為廣泛的應用。民用游艇大型游艇一般為私人所有，價格昂貴，要求質量輕，強度高，耐用性好。碳纖維復合材料可以應用于游艇的儀器表盤和天線，方向舵以及甲板、船艙、船艙壁等增強結構中。傳統的復合材料游艇主要由玻璃鋼制成，但是由于剛度不足，滿足剛度設計要求后往往船體過重，而且玻璃纖維是致癌物質，國外逐步禁用。如今的復合材料游艇中碳纖維復合材料的使用比例大大增加，有的甚至全部采用碳纖維復合材料。例如超級游艇“巴拿馬”號雙桅船，船身和甲板采用了以碳纖維／環氧樹脂為蒙皮。乙烯酯樹脂夾層復合材料，pvc泡沫和碳纖維復合材料，桅桿吊桿均是定制的碳纖維復合材料，只有部分的船身使用了玻璃鋼。空載重量僅有45t。速度快，油耗低，性能卓越。在海洋能源開發上的應用海底油氣田近年來，碳纖維復合材料在海洋油氣開發領域的應用越來越廣泛。海洋環境下的腐蝕，高壓，水底暗流流動帶來的強剪切作用對材料的耐腐蝕性，強度和疲勞性能提出了嚴格的要求。碳纖維復合材料在海洋油田開發中有著明顯的質輕、耐久、抗蝕方面的優勢：一個1500m水深的鉆井平臺，其鋼制系纜的質量就達6500t左右，而碳纖維復合材料密度是普通鋼材的1/4，若使用碳纖維復合材料取代部分鋼材將顯著減少鉆井平臺的載重負荷，節省平臺的建造成本；抽油桿的往復運動，由于管外海水壓力與管內壓力不平衡極易引發材料的疲勞斷裂，而用碳纖維復合材料即可解決這一問題；由于海水環境耐腐蝕，其在海水中使用壽命比鋼材要長，且使用深度更深。碳纖維復合材料可以用作油田鉆井平臺中的生產井管、抽油桿、儲藏槽、海底輸油管、甲板等部件。制造工藝分為拉擠成型工藝和濕法纏繞工藝。拉擠成型法一般用在普通管材和連接管上。纏繞法一般用作儲槽和壓力容器的表面，也可用在各向異性的柔性管道之中，其中碳纖維復合材料以特定的角度纏繞排列在鎧裝層之中。碳纖維復合材料的連續抽油桿是一種類似膠片的帶狀結構，柔韌性很好。使用碳纖維抽油桿能明顯提高出油量，減少電機的載荷，相比之下更節能。而且碳纖維復合材料抽油桿比鋼制抽油桿更耐疲勞，抗腐蝕性能更好，更適合應用在海底油田的開發中。海上風電資源豐富，是未來發展的重要領域，也是風電技術最先進、要求最高的領域。我國海岸線約1800km，島嶼6000多個，東南沿海及島嶼地區風力資源豐富且易于開發。近年來大力促進海上風電能源的開發已經得到了有關部門的支持。風力發電葉片90%以上重量由復合材料組成。海上風力大，發電功率大，勢必要求更大的葉片和更優良的比強度和耐久度。顯然，碳纖維復合材料能夠滿足開發大型化、輕量化、高性能、低成本的發電葉片的要求，和玻璃纖維復合材料相比更適合應用于海洋領域。碳纖維復合材料在海洋風力發電中具有顯著的優勢。碳纖維復合材料葉片質量低，剛度大，模量是玻璃纖維制品的3~8倍；海洋環境下濕度大，氣候多變，且風機24h工作。葉片耐疲勞性較好，能較好的抵御惡劣的天氣；改善了葉片的空氣動力學性能，減少對塔和輪軸的負載，從而使風機的輸出功率更平滑更均衡，提高能量效率；利用碳纖維的導電性能，通過特殊的結構設計，可有效地避免雷擊對葉片造成的損傷；降低風力機葉片的制造和運輸成本；具有振動阻尼特性等。碳纖維復合材料用于海洋工程建筑，主要利用其輕質高強耐腐的特性，以筋索材及結構件的形式，替代傳統鋼筋建材，解決海水侵蝕鋼筋、運輸路途遙遠運輸成本高的問題。已應用于海上島礁建筑、碼頭、浮動平臺、燈塔塔架等。

北京化工大學 2021-02-01

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