Ứng dụng của vật liệu composite biển (sợi carbon / sợi thủy tinh / aramid)

Hiện nay, vật liệu composite sợi carbon đã được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, thể thao và giải trí, công nghiệp ô tô, năng lượng môi trường, công trình dân dụng và các lĩnh vực khác, và phạm vi ứng dụng của nó hầu như ở khắp mọi nơi. Trong số đó, trong các tàu thuyền nhỏ, du thuyền, tàu lớn và các lĩnh vực đóng tàu khác, các ứng dụng của sợi carbon đang ngày càng được cải thiện. Sợi carbon là vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng hàng hải, vì nó có thể làm giảm độ rung của thân tàu, duy trì môi trường liên lạc không dây tốt giữa các tàu, v.v.

Ngoài ra, lý do quan trọng nhất để sử dụng sợi carbon là vật liệu này có thể cải thiện tốc độ và khả năng tiết kiệm nhiên liệu của tàu bằng cách giảm trọng lượng. Ví dụ, bằng cách thay thế vật liệu tổng hợp sợi thủy tinh (GFRP) bằng vật liệu tổng hợp gia cường sợi carbon (CFRP), trọng lượng của thân tàu có thể được giảm bớt.

Việc ứng dụng sợi carbon và vật liệu composite của nó trong du thuyền, thông qua việc sử dụng CFRP trong kết cấu thượng tầng và thiết bị boong, có thể tiếp tục giảm trọng lượng và cải thiện độ ổn định của tàu; trục truyền động bằng sợi carbon cũng có thể giảm trọng lượng và giảm rung động; sợi carbon trong cánh quạt Cũng có nhiều ứng dụng tiềm năng trên phạm vi rộng.

Ngay từ những năm 194 0, Hải quân Hoa Kỳ đã sử dụng vật liệu composite để đóng các tàu nhỏ, điều này đã mở ra một chương mới trong chế tạo tàu. Vào giữa -1950 s, người ta quy định rằng tàu dưới 16m phải được làm bằng vật liệu composite. Với sự phát triển của khoa học vật liệu, sự cải tiến của các phương pháp xây dựng và hình thức ứng dụng, vào năm 1994, Hoa Kỳ đã sử dụng vật liệu composite để chế tạo tàu quét mìn lớp "Avenger" dài 68. 3- mét. Tàu thăm dò lặn sâu được đóng vào năm 1996 được làm bằng vật liệu composite cốt sợi graphite cho phần vỏ của nó, độ sâu lặn của tàu có thể lên tới 6096m. "Stiletto" có tên mã M80 được sản xuất năm 2006 là tàu cao tốc thử nghiệm tàng hình tốc độ cao mới nhất và là thân tàu lớn nhất được tạo thành từ sợi carbon một thời. Với chiều dài 24,4m và rộng 12,2m, mớn nước chỉ 0,9m và trọng lượng rẽ nước 67t, giúp tàu cao tốc dễ dàng đạt được tốc độ cao hơn. Tàu ngầm hạt nhân lớp Los Angeles của Mỹ cũng sử dụng loại vật liệu composite mới để chế tạo vòm sonar dài 7,6m, đường kính tối đa 8,1m, có khả năng hoạt động cực tốt. Hải quân Mỹ cũng đang phát triển các tàu trang bị quân sự thành thủy phi cơ truyền thống. Thủy phi cơ thông thường sử dụng vỏ cứng bằng nhôm tương tự như máy bay làm vật liệu cơ bản, trong khi Công ty Thủy phi cơ đổ bộ mọi địa hình của Mỹ (ATLAS Hovercraft) đã phát triển một thủy phi cơ làm bằng vật liệu tổng hợp có tên AH -100- P, được thiết kế để chứa 150 thủy thủ đoàn.

Là một quốc gia lớn về sản xuất tàu composite ở châu Á, Nhật Bản bắt đầu đóng tàu FRP ngay từ năm 1953. Vào những năm 1970, tàu đánh cá Nhật Bản bắt đầu sử dụng rộng rãi FRP. Kể từ đó, Nhật Bản đã sản xuất hàng chục nghìn tàu đánh cá FRP mỗi năm. ngày càng hoàn thiện hơn. Ngày nay, sản lượng FRP của Nhật Bản đứng trong hàng đầu thế giới, và chỉ riêng việc tiêu thụ FRP của các tàu đánh cá có động cơ hàng hải đã chiếm 76,3%. Đồng thời, trong việc phát triển và sản xuất vật liệu composite hiệu suất cao như sợi carbon, Nhật Bản cũng chiếm vị trí quan trọng trên thế giới. Các tàu hiệu suất cao, thuyền đua và du thuyền sang trọng hiện sử dụng rộng rãi vật liệu composite sợi carbon hiệu suất cao.

Sợi carbon có hai loại cường độ cao và mô đun cao. Nó có các đặc điểm của độ cứng cao, cường độ năng suất cao và cường độ uốn cao. Nó thường được sử dụng trong sản xuất tàu hiệu suất cao và tốc độ cao. Sợi carbon của Nhật Bản được bán trên toàn thế giới và chủ yếu được sử dụng trong sản xuất tàu cao tốc tốc độ cao, thuyền đua hiệu suất cao, du thuyền sang trọng và các loại thuyền khác.

Sợi Aramid có đặc điểm là cường độ riêng cao, độ dẻo dai cao, chống va đập và chống đạn, được sử dụng cho các bộ phận của thuyền có yêu cầu cao về độ bền kéo, tải trọng hoạt động và chống đạn. Do cường độ uốn nén thấp, nó không thích hợp để chế tạo các loại vỏ tàu chịu nén cao và chịu uốn cao, và chỉ thích hợp cho các tàu có giới hạn trọng lượng nghiêm ngặt.

Khi xem xét chi phí sản xuất tàu thuyền, với tiền đề là đáp ứng các yêu cầu thiết kế, một phương pháp thiết kế sử dụng vật liệu composite sợi lai đã xuất hiện. Việc sử dụng hỗn hợp nhiều loại vật liệu gia cố bằng sợi khác nhau sẽ khắc phục được một số thiếu sót của vật liệu composite sợi đơn, cải thiện các tính chất cơ lý và cải thiện hơn nữa khả năng chỉ định của vật liệu. Các loại vải hai chiều và ba chiều được tạo thành từ vật liệu gia cường có thể được sản xuất theo nhu cầu thiết kế để đáp ứng độ bền, tính năng trong lớp và giữa các lớp của tàu, đồng thời đạt được yêu cầu về trọng lượng nhẹ và độ bền cao cho tàu.

Do trọng lượng nhẹ của vật liệu composite, Hải quân Mỹ dự kiến ​​sử dụng vật liệu composite phenolic thủy tinh gia cố trong khoang động lực, bao gồm xi lanh, đầu xi lanh, chảo dầu, nắp cam, trục đỡ, đĩa xích điều khiển tốc độ, bơm nước, dầu. máy bơm và ròng rọc của động cơ diesel hàng hải. Đợi đã.

Một số yếu tố cơ học của tàu nổi cũng có thể được làm bằng vật liệu composite, và trong xu hướng giảm trọng lượng của thân tàu, việc giảm trọng lượng của các bộ phận truyền lực của hệ thống đẩy cũng nằm trong chương trình nghị sự. Thông thường, trên các thuyền cao tốc có 2 hoặc 4 động cơ diesel tốc độ cao dẫn động tia nước thông qua hộp giảm tốc, khoảng cách giữa động cơ diesel và hộp số hoặc giữa hộp số và tia nước được rút ngắn. Đặc biệt trong không gian hẹp của ca nô, 4 động cơ diesel bắt buộc phải bố trí so le nhau, và công suất do động cơ diesel phía trước tạo ra phải được truyền qua động cơ diesel phía sau. Do đó, điều này đòi hỏi một bộ truyền động có trọng lượng nhẹ nhất và ít thành phần nhất. Việc sử dụng trục truyền động làm bằng vật liệu ống sợi carbon có thể dễ dàng đạt được mục đích giảm trọng lượng của các bộ phận truyền động.

Các ưu điểm chính của trục truyền động CFRP bao gồm: giảm đáng kể trọng lượng của trục truyền động; tốc độ tới hạn cao, thường không cần bố trí ổ trục trên trục dài, giảm số ổ trục, giảm giá thành, giảm trục, giảm chi tiết, Tiết kiệm chi phí gối đỡ ổ trục và giảm trọng lượng; chống ăn mòn, tín hiệu từ tính thấp, tín hiệu điện, chống mài mòn, có thể giảm tiếng ồn trong cấu trúc và không khí 520dB. (Nguồn: Easy Composites / Composites Xintiandi)