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船用复合材料的应用(碳纤维/玻璃钢/芳纶)
2022年01月24日    阅读量:3561     新闻来源:中国牛涂网 ntw360.com    |  投稿

船用复合材料,尤其是应用于船体结构的复合材料,以聚合物基复合材料为主,按结构可分为层合板(纤维增强复合材料)和夹层结构复合材料两大类型,其中含三个方面重要复合物:增强材料、树脂(即基体)和芯层材料。


按照承载部位不同可分为:主承力结构、次承力结构、非承力结构等。按照功能可分为:结构、阻尼、声学(包括吸声、隔声、透声)、隐身(包括吸波、透波、反射、频选)、防护等五大系列材料涂料在线coatingol.com


性能的优越性主要体现在:轻质高强,能有效提高船体的储备浮力;结构功能一体化,在满足结构承载的情况下性能可设计,通常具有声学、雷达、减振、防护、低磁等其他性能,一般的材料成型过程同样是结构成型过程;耐腐蚀,可满足高盐、高湿、紫外线等苛刻海洋环境要求;耐老化,可满足船舶的长寿命要求。


目前碳纤维复合材料已经广泛应用于航空航天、体育休闲、汽车工业、环境能源、土木工程等领域,其应用范围几乎是无处不在。其中,在小船、游艇、大型舰艇以及其他船舶领域,碳纤维的应用正在取得进展。碳纤维是用于船舶领域的理想材料,因为它可以减少船体振动,保持船舶之间良好的无线通信环境等。

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此外,使用碳纤维的最重要原因是这种材料可以通过减轻重量,提高船舶的速度和燃油经济性。例如,通过采用碳纤维增强复合材料(CFRP)替代玻璃纤维复合材料(GFRP),可使船体的重量降低。

碳纤维及其复合材料在游艇中的应用,通过在上层结构与甲板装置中使用CFRP,可进一步减轻重量、提高船舶的稳定性;碳纤维传动轴也可以实现减轻重量、减少震动;碳纤维在螺旋桨叶片中也有潜在的广泛应用。


早在上世纪40年代,美国海军就运用复合材料来建造小型舰艇,从此掀开了船舶建造新的篇章,其在上世纪50年代中期就规定16m以下的船艇须用复合材料制造。随着材料科学的发展、施工方法和应用形式的改进,1994年美国利用复合材料建成长达68.3米的“复仇者”级扫雷艇。1996年建造的深潜探海艇,其外壳采用的就是石墨纤维增强的复合材料,艇的下潜深度可达6096m。2006年制造的代号M80的“短剑”(Stiletto)是最新型高速隐形试验快艇,是碳纤维一次成型的最大船体,由于工艺无焊接、无铆接,大幅度实现了船只的整体轻量化,在艇长24.4m,宽12.2m的情况下,吃水仅0.9m,排水为67t,使快艇能够轻易获得较高航速。美国洛杉矶级核潜艇也采用新型的复合材料制造声纳导流罩,其长7.6m,最大直径8.1m,且性能优良。美国海军还将军事装备舰船向传统的气垫船发展。常规气垫船采用类似飞机上的铝质硬式壳体为基础材料,而美国全地形海陆两栖气垫船公司(ATLAS气垫船)开发出一种名为AH-100-P的全复合材料的气垫船,设计可容纳150名乘员。


作为亚洲复合材料舰船制造大国,早在1953年日本就开始建造玻璃钢船,到了上世纪70年代日本的渔船开始广泛的使用玻璃钢,自此之后,日本每年都会制造上万艘玻璃钢渔船并且技术越来越完善。如今日本的玻璃钢产量居世界前列,仅海洋机动渔船的玻璃钢用量就占76.3%。同时在碳纤维等高性能复合材料的研制以及生产中,日本在国际上也占据着重要的地位,其高性能船舶、比赛用艇及豪华游艇现以广泛的采用高性能碳纤维复合材料。


碳纤维有高强度和高模量两类,具有高刚度、高屈服强度、高弯曲强度的特性,一般用于高性能、高速度船舶的制造。日本碳纤维销售世界各地,主要用于高速快艇、高性能赛艇、豪华游艇等船艇制造。


芳纶纤维高比强、高韧性、抗冲击、可防弹的特性,用于对受拉、受动载荷、防弹要求高的船艇构件。由于压缩弯曲强度低,不适用于高压缩、高弯曲的船壳制造,只适用于严格限重的舰船。


船艇制造中考虑成本时,在满足设计要求的前提下,出现了使用混杂纤维复合材料的设计方法。多种纤维增强材料的混杂使用,克服了单一纤维复合材料的某些缺点,改善物理力学性能,进一步提高材料的可设计性。通过增强材料形成的二维、三维织物,可根据设计需要进行制造,满足舰船的强度、层内、层间性能,进一步实现舰船轻质高强要求


因复合材料重量轻,美国海军计划在动力舱中采用玻璃增强酚醛复合材料,包括船用柴油机的气缸、缸盖、油底壳、凸轮罩、支承滚轴、调速链轮以及水泵、油泵、滑车等。


水面舰艇的一些机械元件也可采用复合材料制造,在减轻船体重量的趋势中,推进系统的动力传输部件的减重也提到了议事日程。典型的是在2或4台高速柴油机通过减速齿轮箱驱动喷水推进器的高速船上,无论柴油机与齿轮箱之间,还是齿轮箱和喷水推进装置之间的距离都缩短了。尤其是在双体船狭小的空间里要求错落布置4台柴油机,前部柴油机中发出的功率必须通过后部的柴油机传输出去。因此,这就要求配备重量最轻、部件最少的传动装置。而采用由碳纤维管材料的驱动轴,能够轻而易举地达到减轻传动部件重量的目的。


CFRP驱动轴的主要优点包括:明显地减轻了驱动轴的重量;临界速度高,长轴系上通常不需要布置轴承,减少了轴承的数量,降低了成本,减轻了轴系,减少了部件,节省了轴承支撑件的成本以及减轻了重量;耐腐蚀、低磁信号、电信号、抗磨损,可降低结构和空气中的噪声达520dB。


标签:产品资讯树脂原材料
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