碳纖維復合材料在海洋中的應用

一、 在船舶上的應用

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

1.1軍事艦船

碳纖維復合材料具有良好的聲、磁、電性能：透波、透聲性好，無磁性，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合材料不僅可以減輕船體的重量，而且通過在夾層中嵌入有濾波功能的頻率選擇層，就可以在預定的頻率下發(fā)射和接受電磁波，從而屏蔽敵方的雷達電磁波。例如1999年挪威海軍建造的“skjold”級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合材料，這種設計既提高了強度重量比，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掃描等特性大大增強。2000年服役的瑞典Visby級護衛(wèi)艦整艦都采用了碳纖維復合材料，具有減重，雷達、紅外雙重隱身的特殊功能。

以碳纖維增強的復合材料桅桿在艦船上的應用逐漸興起。美國2006年服役的LPD-17艦船采用了碳纖維/巴爾薩芯復合材料的綜合桅桿，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，下半部能反射雷達波或由雷達吸波材料所吸收。因此具有良好的雷達隱身及探測功能。此外，各種天線和有關設備都統(tǒng)一組合裝備在該結構內(nèi)，不易被腐蝕，更有利于設備的保養(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制造的玻璃纖維與碳纖維復合后作為增強體而制成。它可以讓各種雷達波束和通信信號相互之間不受干擾地通過，并且損耗***，2006年這種技術桅桿ATM被使用在英國海軍“方舟”號航母上。

碳纖維復合材料還可應用在艦船的其他方面。例如，在推進系統(tǒng)上可用作螺旋槳和推進軸系，減輕船體的振動效應和噪聲，多用于偵察艦和快速巡航艦。在機械和裝備上可用作方向舵，某些特殊的機械裝置和管道系統(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用。

1.2 民用游艇

大型游艇一般為私人所有，價格昂貴，要求質(zhì)量輕，強度高，耐用性好。碳纖維復合材料可以應用于游艇的儀器表盤和天線，方向舵以及甲板、船艙、船艙壁等增強結構中。傳統(tǒng)的復合材料游艇主要由玻璃鋼制成，但是由于剛度不足，滿足剛度設計要求后往往船體過重，而且玻璃纖維是致癌物質(zhì)，國外逐步禁用。如今的復合材料游艇中碳纖維復合材料的使用比例大大增加，有的甚至全部采用碳纖維復合材料。例如Baltic公司建造的超級游艇“巴拿馬”號雙桅船，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結構泡沫為芯材的夾層結構，船身長達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合材料，PVC泡沫和碳纖維復合材料，桅桿吊桿均是定制的碳纖維復合材料，只有部分的船身使用了玻璃鋼?？蛰d重量僅有45t。速度快，油耗低，性能。

2014年建成的“中科·聯(lián)亞”號游艇是目前中國的一艘全碳纖維游艇。它是由碳纖維和環(huán)氧樹脂結合而成的復合材料打造的游艇，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，恰好可彌補鋼絲繩和有機高分子繩索的不足。