碳纖維復(fù)合材料在海洋中的應(yīng)用

一、 在船舶上的應(yīng)用

相比于傳統(tǒng)的造船材料，碳纖維復(fù)合材料具有的優(yōu)勢(shì)。首先，碳纖維復(fù)合材料具有良好的機(jī)械性能。用其制造船體，具有質(zhì)輕低油耗的特性，而且建造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、周期短、成型方便，因此施工和維護(hù)費(fèi)用遠(yuǎn)低于鋼制船舶。同時(shí)由于碳纖維與樹脂基體的界面能有效的阻止裂紋擴(kuò)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(xué)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。因此，碳纖維復(fù)合材料在船舶制造方面，具有其的綜合性能優(yōu)勢(shì)，目前在這一領(lǐng)域正在得到廣泛的應(yīng)用，同時(shí)，從應(yīng)用領(lǐng)域拓展方面帶動(dòng)了碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1.1軍事艦船

碳纖維復(fù)合材料具有良好的聲、磁、電性能：透波、透聲性好，無(wú)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(fù)合材料不僅可以減輕船體的重量，而且通過(guò)在夾層中嵌入有濾波功能的頻率選擇層，就可以在預(yù)定的頻率下發(fā)射和接受電磁波，從而屏蔽敵方的雷達(dá)電磁波。例如1999年挪威海軍建造的“skjold”級(jí)巡航艇采用了由聚氯乙烯泡沫芯層、玻璃纖維和碳纖維夾層組成的夾芯復(fù)合材料，這種設(shè)計(jì)既提高了強(qiáng)度重量比，具有良好的抗沖擊性能，也使得低磁性、抗紅外能力以及抗雷達(dá)掃描等特性大大增強(qiáng)。2000年服役的瑞典Visby級(jí)護(hù)衛(wèi)艦整艦都采用了碳纖維復(fù)合材料，具有減重，雷達(dá)、紅外雙重隱身的特殊功能。

以碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料桅桿在艦船上的應(yīng)用逐漸興起。美國(guó)2006年服役的LPD-17艦船采用了碳纖維/巴爾薩芯復(fù)合材料的綜合桅桿，與原有的開放式桅桿不同，LPD-17采用了一款全新的全封閉式桅桿/傳感系統(tǒng)(AEM/S)，這種碳纖維復(fù)合材料桅桿上半部覆蓋頻率選擇表面材料(FSS)，可讓本身具有特定頻率的波穿過(guò)，下半部能反射雷達(dá)波或由雷達(dá)吸波材料所吸收。因此具有良好的雷達(dá)隱身及探測(cè)功能。此外，各種天線和有關(guān)設(shè)備都統(tǒng)一組合裝備在該結(jié)構(gòu)內(nèi)，不易被腐蝕，更有利于設(shè)備的保養(yǎng)。歐洲海軍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(shù)制造的玻璃纖維與碳纖維復(fù)合后作為增強(qiáng)體而制成。它可以讓各種雷達(dá)波束和通信信號(hào)相互之間不受干擾地通過(guò)，并且損耗***，2006年這種技術(shù)桅桿ATM被使用在英國(guó)海軍“方舟”號(hào)航母上。

碳纖維復(fù)合材料還可應(yīng)用在艦船的其他方面。例如，在推進(jìn)系統(tǒng)上可用作螺旋槳和推進(jìn)軸系，減輕船體的振動(dòng)效應(yīng)和噪聲，多用于偵察艦和快速巡航艦。在機(jī)械和裝備上可用作方向舵，某些特殊的機(jī)械裝置和管道系統(tǒng)等。此外，的碳纖維繩索在海軍軍艦的纜繩和其他***物品上也有較為廣泛的應(yīng)用。

1.2 民用游艇

大型游艇一般為私人所有，價(jià)格昂貴，要求質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，耐用性好。碳纖維復(fù)合材料可以應(yīng)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(qiáng)結(jié)構(gòu)中。傳統(tǒng)的復(fù)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(shè)計(jì)要求后往往船體過(guò)重，而且玻璃纖維是致癌物質(zhì)，國(guó)外逐步禁用。如今的復(fù)合材料游艇中碳纖維復(fù)合材料的使用比例大大增加，有的甚至全部采用碳纖維復(fù)合材料。例如Baltic公司建造的超級(jí)游艇“巴拿馬”號(hào)雙桅船，船身和甲板采用了以碳纖維/環(huán)氧樹脂為蒙皮、Nomex蜂窩和CorecellTM結(jié)構(gòu)泡沫為芯材的夾層結(jié)構(gòu)，船身長(zhǎng)達(dá)60m，但總重只有210t。波蘭雙體船廠Sunreef Yachts建造的碳纖維雙體帆船Sunreef 80 Levante采用了乙烯酯樹脂夾層復(fù)合材料，PVC泡沫和碳纖維復(fù)合材料，桅桿吊桿均是定制的碳纖維復(fù)合材料，只有部分的船身使用了玻璃鋼?？蛰d重量?jī)H有45t。速度快，油耗低，性能。

2014年建成的“中科·聯(lián)亞”號(hào)游艇是目前中國(guó)的一艘全碳纖維游艇。它是由碳纖維和環(huán)氧樹脂結(jié)合而成的復(fù)合材料打造的游艇，比同類型玻璃纖維游艇重量輕了30%，并且強(qiáng)度更高、速度更快、油耗更低。

此外，游艇的支索和纜繩多采用的碳纖維繩索以確保。由于碳纖維既具有高于鋼鐵的拉伸模量和幾倍乃至數(shù)十倍的拉伸強(qiáng)度，又具有纖維的可編織性能，以此作為基體材料制作碳纖維繩索，恰好可彌補(bǔ)鋼絲繩和有機(jī)高分子繩索的不足。