近幾年來,碳纖維復(fù)合材料越來越多地應(yīng)用于海洋環(huán)境中,由于腐蝕、高壓、底部暗流所帶來的強(qiáng)剪切作用,對材料的耐蝕性、強(qiáng)度及疲勞性能提出了嚴(yán)格的要求。碳纖復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐皮性、抗蝕性,在海洋領(lǐng)域的開發(fā)拓展方面具有優(yōu)勢,如今,碳纖維復(fù)合材料在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越多。
應(yīng)用于海底油氣田建設(shè)。
在油田鉆井平臺上,碳纖維復(fù)合材料可作為采油管道、抽油桿、儲罐、纖維輸油管、甲板等零件使用。它的生產(chǎn)工藝分為拉擠成型和濕纏繞兩種。常規(guī)的管材和連接管通常采用拉伸擠壓成型法。卷繞方法一般用于儲罐、壓力容器的表面,也可用于柔性管道中的各向異性,在鎧裝層中可采用特定角度纏繞。
水深為1500m的鉆臺,其鋼制系纜的質(zhì)量約為6500t,碳纖維復(fù)合材料的密度只有普通鋼的1/4。如果用碳纖維復(fù)合材料代替部分鋼,可大大降低鉆井平臺的承載能力,從而在一定程度上節(jié)約平臺建設(shè)費(fèi)用。往復(fù)運(yùn)動抽油桿在工作時,由于管外海水壓力和管道內(nèi)壓力不平衡,材料容易發(fā)生疲勞斷裂,因此采用碳纖維復(fù)合材料可以解決這一問題,因?yàn)楹Kh(huán)境耐腐蝕,碳纖維復(fù)合材料在海水中的使用壽命要比鋼鐵長,而且能得到更深的使用深度。
海洋風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用。
風(fēng)電葉片重量的90%以上都是復(fù)合材料,海上風(fēng)能、發(fā)電功率大,必然要求葉片較大,強(qiáng)度和耐久性都要好得多。CFRP具有較高的強(qiáng)度和比剛度,可以滿足大型、輕量化、高性能、低成本發(fā)電葉片的發(fā)展要求,碳纖維復(fù)合材料較玻璃鋼復(fù)合材料更適合在海洋中使用。
CFRP復(fù)合材料在海洋風(fēng)力發(fā)電方面有明顯的優(yōu)勢。碳纖復(fù)合材料葉片質(zhì)量低,剛度大,比玻璃纖維產(chǎn)品高3~8倍;海洋環(huán)境濕度大,氣候多變,而且風(fēng)機(jī)能24小時運(yùn)轉(zhuǎn)。
葉輪、塔架、葉輪、葉輪等均有良好的耐久性,能很好地抵抗惡劣天氣;葉片氣動力性能得到改善,塔架及軸系負(fù)荷增大,輸出功率均勻;利用碳纖維的導(dǎo)電性,通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計,可以有效地避免雷擊對葉片造成的傷害;降低風(fēng)力機(jī)葉片的制造和運(yùn)輸成本;具有振動減振特性等。
應(yīng)用于船只。
CFRP具有較好的力學(xué)性能。利用它制作船體,具有質(zhì)量輕、耗油量小的特點(diǎn),且建造工藝相對簡單、周期短、成型方便,因而施工與維修費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼船。
與此同時,由于碳纖維與樹脂基體的界面能有效地防止裂紋的擴(kuò)展,因此該材料具有良好的抗疲勞性能;另外,由于碳纖維表面的化學(xué)惰性,船體具有水生物不易附著、耐腐蝕等特點(diǎn),是船舶結(jié)構(gòu)選材中十分重要的因素之一。
所以,碳纖維復(fù)合材料在艦船制造中,有著其獨(dú)特的綜合性能優(yōu)勢,目前正被廣泛應(yīng)用于這一領(lǐng)域,同時,從應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展上,帶動了碳纖維工業(yè)的發(fā)展。
用于軍用艦船。
碳纖復(fù)合材料具有優(yōu)良的聲、磁、電性能:透波性好,無磁性,因此可用于改善艦船的隱身性能。采用復(fù)合材料不僅可減輕船體重量,還可在夾層內(nèi)嵌入濾波功能的頻率選擇層,在預(yù)定頻率下發(fā)射或接收電磁波,從而屏蔽掉敵方雷達(dá)電磁波。
CFRP也可以應(yīng)用于艦船推進(jìn)系統(tǒng)中,作為推進(jìn)器和推進(jìn)軸系統(tǒng),減輕船體的振動和噪音,多用于偵察艦和快艇??梢杂脕碜鰴C(jī)器和設(shè)備的方向舵,一些特殊的機(jī)械裝置和管道系統(tǒng)等等。另外,高強(qiáng)度碳纖維還被廣泛應(yīng)用于海軍戰(zhàn)艦的纜繩等軍事裝備。
應(yīng)用于海事工程。
目前,國外已經(jīng)應(yīng)用于島礁建筑、碼頭、浮臺、燈塔等領(lǐng)域。在海洋工程建筑中,碳纖維復(fù)合材料由于其輕質(zhì)、高強(qiáng)度、抗腐蝕等性能,逐漸取代傳統(tǒng)的鋼索材料和結(jié)構(gòu)件,解決了鋼結(jié)構(gòu)材料受海水侵蝕、運(yùn)輸路途遠(yuǎn)距離運(yùn)輸費(fèi)用高的問題。
在海洋工程應(yīng)用中,碳纖維復(fù)合材料還包括一類海底管線或管柱的修補(bǔ)與加固。碳纖復(fù)合材料的修補(bǔ)方法主要是將碳纖維布和環(huán)氧樹脂粘結(jié)樹脂粘結(jié)在修補(bǔ)表面,這樣就形成了薄型輕、高強(qiáng)、耐久性好、施工方便、適應(yīng)不同形狀的特點(diǎn)。