کاربرد مواد کامپوزیت دریایی (فیبر کربن / فایبرگلاس / آرامید)

در حال حاضر، مواد کامپوزیت فیبر کربن به طور گسترده در هوافضا، ورزش و اوقات فراغت، صنعت خودرو، انرژی محیطی، مهندسی عمران و سایر زمینه ها استفاده می شود و دامنه کاربرد آن تقریباً در همه جا است. در میان آنها، در قایق های کوچک، قایق های تفریحی، کشتی های بزرگ و سایر زمینه های کشتی، کاربرد فیبر کربن در حال پیشرفت است. فیبر کربن یک ماده ایده آل برای کاربردهای دریایی است، زیرا می تواند لرزش بدنه را کاهش دهد، یک محیط ارتباط بی سیم خوب بین کشتی ها و غیره را حفظ کند.

علاوه بر این، مهم ترین دلیل استفاده از فیبر کربن این است که این ماده می تواند با کاهش وزن، سرعت و مصرف سوخت کشتی ها را بهبود بخشد. به عنوان مثال، با جایگزینی کامپوزیت های الیاف شیشه (GFRP) با کامپوزیت های تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) می توان وزن بدنه را کاهش داد.

استفاده از فیبر کربن و مواد کامپوزیتی آن در قایق‌های تفریحی، از طریق استفاده از CFRP در تجهیزات روبنا و عرشه، می‌تواند وزن را بیشتر کاهش دهد و پایداری کشتی را بهبود بخشد. شفت های محرک فیبر کربن نیز می توانند وزن را کاهش دهند و لرزش را کاهش دهند. فیبر کربن در تیغه های پروانه نیز کاربردهای بالقوه گسترده ای دارد.

در اوایل دهه 194{20}}، نیروی دریایی ایالات متحده از مواد کامپوزیتی برای ساخت کشتی‌های کوچک استفاده می‌کرد که فصل جدیدی را در ساخت کشتی باز کرد. در اواسط-1950 مقرر شد که کشتی های زیر 16 متر باید از مواد کامپوزیتی ساخته شوند. با توسعه علم مواد، بهبود روش‌های ساخت و ساز و فرم‌های کاربردی، در سال 1994، ایالات متحده از مواد کامپوزیتی برای ساخت یک مین‌روب کلاس 68.{5}} متری "Avenger" استفاده کرد. قایق اکتشافی غواصی عمیق ساخته شده در سال 1996 از مواد کامپوزیتی تقویت شده با فیبر گرافیتی برای پوسته آن ساخته شده است و عمق غواصی قایق می تواند به 6096 متر برسد. "Stiletto" با نام رمز M80 که در سال 2006 ساخته شد، آخرین قایق تندرو تست رادارگریز پرسرعت و بزرگترین بدنه است که در یک زمان توسط فیبر کربن تشکیل شده است. با طول 24.4 متر و عرض 12.2 متر، کشش فقط 0.9 متر و جابجایی آن 67 تن است که به قایق تندرو امکان می دهد به راحتی سرعت بالاتری را بدست آورد. زیردریایی هسته ای کلاس لس آنجلس ایالات متحده نیز از نوع جدیدی از مواد کامپوزیتی برای ساخت گنبد سونار استفاده می کند که طول آن 7.6 متر و حداکثر قطر آن 8.1 متر است و عملکرد عالی دارد. نیروی دریایی ایالات متحده همچنین در حال توسعه کشتی های مجهز نظامی به هاورکرافت های سنتی است. هواناو معمولی از پوسته های سخت آلومینیومی مشابه هواپیما به عنوان ماده پایه استفاده می کند، در حالی که شرکت هواناو دوزیست همه زمینی آمریکا (ATLAS Hovercraft) یک هواناو تمام ترکیبی به نام AH{30}}P را توسعه داده است که برای گنجایش 150 خدمه طراحی شده است.

ژاپن به عنوان یک کشور بزرگ در تولید کشتی های کامپوزیت در آسیا، از اوایل سال 1953 شروع به ساخت کشتی های FRP کرد. در دهه 1970، قایق های ماهیگیری ژاپنی به طور گسترده از FRP استفاده کردند. از آن زمان، ژاپن ده ها هزار قایق ماهیگیری FRP را هر ساله تولید کرده است. بیشتر و کامل تر امروزه، تولید FRP ژاپن در میان برترین ها در جهان قرار دارد و مصرف FRP قایق های ماهیگیری موتوری دریایی به تنهایی 76.3 درصد است. در عین حال، در توسعه و تولید مواد کامپوزیتی با کارایی بالا مانند فیبر کربن، ژاپن نیز جایگاه مهمی در جهان دارد. کشتی‌های با کارایی بالا، قایق‌های مسابقه‌ای و قایق‌های تفریحی لوکس اکنون به طور گسترده از مواد کامپوزیتی فیبر کربن با کارایی بالا استفاده می‌کنند.

فیبر کربن دارای دو نوع استحکام بالا و مدول بالا است. دارای ویژگی های سختی بالا، استحکام تسلیم بالا و مقاومت خمشی بالا است. به طور کلی در ساخت کشتی های با کارایی بالا و سرعت بالا استفاده می شود. فیبر کربن ژاپنی در سراسر جهان فروخته می شود و عمدتاً در ساخت قایق های تندرو، قایق های مسابقه ای با عملکرد بالا، قایق های تفریحی لوکس و سایر قایق ها استفاده می شود.

الیاف آرامید دارای ویژگی های استحکام ویژه بالا، چقرمگی بالا، مقاومت در برابر ضربه و ضد گلوله است و برای اجزای قایق با نیاز بالا به کشش، بار فعال و ضد گلوله استفاده می شود. به دلیل مقاومت فشاری خمشی کم، برای ساخت بدنه های با فشرده سازی و خمش زیاد مناسب نیست و فقط برای کشتی هایی با محدودیت وزنی دقیق مناسب است.

هنگام در نظر گرفتن هزینه در ساخت قایق ها، با فرض برآوردن الزامات طراحی، یک روش طراحی با استفاده از مواد کامپوزیتی فیبر هیبریدی پدید آمده است. استفاده مخلوط از انواع مواد تقویت شده با الیاف بر برخی از کاستی های یک ماده کامپوزیت الیافی غلبه می کند، خواص فیزیکی و مکانیکی را بهبود می بخشد و قابلیت طراحی مواد را بیشتر بهبود می بخشد. پارچه های دو بعدی و سه بعدی تشکیل شده توسط مواد تقویت کننده را می توان با توجه به نیازهای طراحی برای پاسخگویی به استحکام، عملکرد درون لایه و بین لایه کشتی ها و همچنین دستیابی به الزامات وزن سبک و استحکام بالا برای کشتی ها تولید کرد.

با توجه به وزن سبک مواد کامپوزیت، نیروی دریایی ایالات متحده قصد دارد از مواد کامپوزیت فنولی تقویت شده با شیشه در محفظه برق استفاده کند، از جمله سیلندرها، سرسیلندرها، روغن‌گیرها، روکش‌های بادامک، غلتک‌های پشتیبانی، چرخ‌دنده‌های کنترل سرعت، و پمپ‌های آب، روغن. پمپ ها و قرقره های موتورهای دیزل دریایی. صبر کن.

برخی از عناصر مکانیکی کشتی‌های سطحی نیز می‌توانند از مواد کامپوزیتی ساخته شوند و در گرایش کاهش وزن بدنه، کاهش وزن اجزای انتقال قدرت پیشرانه نیز در دستور کار قرار گرفته است. به طور معمول، در قایق های تندرو که در آن 2 یا 4 موتور دیزلی پرسرعت واترجت را از طریق گیربکس کاهش می دهند، فاصله بین موتور دیزل و گیربکس یا بین گیربکس و واترجت کوتاه می شود. به خصوص در فضای باریک کاتاماران باید 4 موتور دیزلی به صورت پلکانی چیده شوند و نیروی تولید شده توسط موتور دیزل جلو باید از طریق موتور دیزل عقب منتقل شود. بنابراین، این نیاز به گیربکس با سبک ترین وزن و کمترین اجزا دارد. استفاده از محور محرک ساخته شده از مواد لوله فیبر کربنی می تواند به راحتی به هدف کاهش وزن اجزای انتقال دست یابد.

مزایای اصلی شفت محرک CFRP عبارتند از: کاهش قابل توجه وزن شفت محرک. سرعت بحرانی بالا، معمولاً نیازی به ترتیب یاتاقان ها بر روی شفت طولانی نیست، تعداد یاتاقان ها را کاهش می دهد، هزینه ها را کاهش می دهد، کاهش شفت، کاهش قطعات، صرفه جویی در هزینه پشتیبانی از یاتاقان و کاهش وزن. مقاومت در برابر خوردگی، سیگنال مغناطیسی کم، سیگنال الکتریکی، ضد سایش، می تواند نویز در ساختار و هوا را تا 520 دسی بل کاهش دهد. (منبع: Easy Composites / Composites Xintiandi)