Aplicación de materiales compuestos marinos (fibra de carbono/fibra de vidrio/aramida)
En la actualidad, los materiales compuestos de fibra de carbono se han utilizado ampliamente en la industria aeroespacial, los deportes y el ocio, la industria automotriz, la energía ambiental, la ingeniería civil y otros campos, y su rango de aplicación está en casi todas partes. Entre ellos, en botes pequeños, yates, barcos grandes y otros campos de barcos, las aplicaciones de fibra de carbono están progresando. La fibra de carbono es un material ideal para aplicaciones marinas, ya que puede reducir la vibración del casco, mantener un buen entorno de comunicación inalámbrica entre barcos, etc.
Además, la razón más importante para usar fibra de carbono es que el material puede mejorar la velocidad y la economía de combustible de los barcos al reducir el peso. Por ejemplo, al reemplazar los compuestos de fibra de vidrio (GFRP) por compuestos reforzados con fibra de carbono (CFRP), se puede reducir el peso del casco.
La aplicación de fibra de carbono y sus materiales compuestos en yates, mediante el uso de CFRP en la superestructura y el equipo de cubierta, puede reducir aún más el peso y mejorar la estabilidad del barco; los ejes de transmisión de fibra de carbono también pueden reducir el peso y la vibración; fibra de carbono en las palas de las hélices También existe una amplia variedad de aplicaciones potenciales.
Ya en la década de 1940, la Marina de los EE. UU. utilizó materiales compuestos para construir barcos pequeños, lo que abrió un nuevo capítulo en la construcción de barcos. A mediados de-1950s, se estipuló que los barcos de menos de 16 m deben estar hechos de materiales compuestos. Con el desarrollo de la ciencia de los materiales, la mejora de los métodos de construcción y las formas de aplicación, en 1994, los Estados Unidos utilizaron materiales compuestos para construir un dragaminas de clase "Avenger" de 68.3-metros de largo. El barco de exploración de inmersión profunda construido en 1996 está hecho de materiales compuestos reforzados con fibra de grafito para su caparazón, y la profundidad de buceo del barco puede alcanzar los 6096 m. El "Stiletto" con nombre en código M80 fabricado en 2006 es la última lancha rápida de prueba furtiva de alta velocidad y el casco más grande formado por fibra de carbono en un momento. Con una eslora de 24,4 my una manga de 12,2 m, el calado es de tan solo 0,9 m y el desplazamiento de 67 t, lo que permite que la lancha rápida obtenga fácilmente una mayor velocidad. El submarino nuclear de clase Los Ángeles de los Estados Unidos también utiliza un nuevo tipo de material compuesto para hacer una cúpula de sonda, que tiene 7,6 m de largo, 8,1 m de diámetro máximo y tiene un rendimiento excelente. La Marina de los EE. UU. también está desarrollando barcos con equipamiento militar para convertirlos en aerodeslizadores tradicionales. Los aerodeslizadores convencionales utilizan carcasas rígidas de aluminio similares a las de los aviones como material base, mientras que la American All Terrain Amphibious Hovercraft Company (ATLAS Hovercraft) ha desarrollado un aerodeslizador totalmente compuesto llamado AH-100-P, que está diseñado para acomodar a 150 tripulantes.
Como un país importante en la fabricación de barcos compuestos en Asia, Japón comenzó a construir barcos de FRP ya en 1953. En la década de 1970, los barcos de pesca japoneses comenzaron a utilizar ampliamente FRP. Desde entonces, Japón ha fabricado decenas de miles de barcos de pesca de FRP cada año. cada vez más perfecto. Hoy en día, la producción de FRP de Japón se encuentra entre las mejores del mundo, y el consumo de FRP de los barcos de pesca marinos motorizados representa el 76,3 por ciento. Al mismo tiempo, en el desarrollo y producción de materiales compuestos de alto rendimiento como la fibra de carbono, Japón también ocupa una posición importante en el mundo. Sus barcos de alto rendimiento, barcos de carreras y yates de lujo ahora utilizan ampliamente materiales compuestos de fibra de carbono de alto rendimiento.
La fibra de carbono tiene dos tipos de alta resistencia y alto módulo. Tiene las características de alta rigidez, alto límite elástico y alta resistencia a la flexión. Se utiliza generalmente en la fabricación de barcos de alto rendimiento y alta velocidad. La fibra de carbono japonesa se vende en todo el mundo y se utiliza principalmente en la fabricación de lanchas rápidas de alta velocidad, lanchas de carreras de alto rendimiento, yates de lujo y otras embarcaciones.
La fibra de aramida tiene las características de alta resistencia específica, alta tenacidad, resistencia al impacto y a prueba de balas, y se utiliza para componentes de embarcaciones con altos requisitos de tracción, carga activa y a prueba de balas. Debido a la baja resistencia a la flexión por compresión, no es adecuado para la fabricación de cascos de alta compresión y flexión, y solo es adecuado para barcos con límites de peso estrictos.
Al considerar el costo en la fabricación de embarcaciones, bajo la premisa de cumplir con los requisitos de diseño, ha surgido un método de diseño que utiliza materiales compuestos de fibras híbridas. El uso combinado de una variedad de materiales reforzados con fibra supera algunas de las deficiencias de un material compuesto de una sola fibra, mejora las propiedades físicas y mecánicas y mejora aún más la capacidad de diseño del material. Las telas bidimensionales y tridimensionales formadas por materiales de refuerzo se pueden fabricar de acuerdo con las necesidades de diseño para cumplir con la resistencia, el rendimiento intracapa e intercapa de los barcos, y además cumplir con los requisitos de peso ligero y alta resistencia para los barcos.
Debido al peso ligero de los materiales compuestos, la Marina de los EE. UU. planea usar materiales compuestos fenólicos reforzados con fibra de vidrio en el compartimiento de potencia, incluidos cilindros, culatas, cárteres de aceite, cubiertas de leva, rodillos de soporte, ruedas dentadas de control de velocidad y bombas de agua, aceite bombas y poleas de motores diesel marinos. Esperar.
Algunos elementos mecánicos de los barcos de superficie también pueden estar hechos de materiales compuestos, y en la tendencia de reducir el peso del casco, la reducción del peso de los componentes de transmisión de potencia del sistema de propulsión también está en la agenda. Normalmente, en las embarcaciones de alta velocidad en las que 2 o 4 motores diésel de alta velocidad impulsan el chorro de agua a través de una caja reductora, la distancia entre el motor diésel y la caja de cambios o entre la caja de cambios y el chorro de agua se acorta. Especialmente en el estrecho espacio del catamarán, se requiere que los 4 motores diesel estén dispuestos de manera escalonada, y la potencia generada por el motor diesel delantero debe transmitirse a través del motor diesel trasero. Por lo tanto, esto requiere una transmisión con el menor peso y la menor cantidad de componentes. El uso del eje de transmisión hecho de material de tubo de fibra de carbono puede lograr fácilmente el propósito de reducir el peso de los componentes de la transmisión.
Las principales ventajas de los ejes de transmisión de CFRP incluyen: reducir significativamente el peso del eje de transmisión; alta velocidad crítica, generalmente no es necesario colocar rodamientos en ejes largos, reducir la cantidad de rodamientos, reducir costos, reducir ejes, reducir piezas, ahorrar el costo de los soportes de rodamientos y reducir el peso; resistencia a la corrosión, señal magnética baja, señal eléctrica, antidesgaste, puede reducir el ruido en la estructura y el aire en 520dB. (Fuente: Easy Composites / Composites Xintiandi)