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碳纖維板(碳纖維復(fù)合材料)在軍艦制造中的應(yīng)用新方向
發(fā)布日期:2017年08月17日

隨著碳纖維新型材料的研制生產(chǎn),碳纖維板以優(yōu)秀的性能被廣泛的應(yīng)用,已經(jīng)被用于軍事軍工制造上了,比如世界上第一個(gè)全隱形的戰(zhàn)艦就采用的碳纖維板。
在“維斯比”級(jí)(VisbyClass)隱形護(hù)衛(wèi)艦作為世界上第一個(gè)按照全隱形規(guī)范制造的戰(zhàn)艦服役于瑞典皇家海軍時(shí),除了出色的隱形設(shè)計(jì)和強(qiáng)大的反艦、反潛和水雷作戰(zhàn)能力之外,其艦體超輕化的制作材料也引起了世界各國(guó)海軍國(guó)防部門的廣泛關(guān)注。據(jù)悉,該艦船沒有采用常規(guī)鋼材和常用的玻璃鋼材料,而是采用了碳纖維夾芯材料,由聚氯乙烯夾芯和碳纖維乙烯基酯層壓板構(gòu)成,不但具有很高的強(qiáng)度和經(jīng)久耐用性,還具有優(yōu)良的抗沖擊性能。

用碳纖維板制造的軍艦

用碳纖維板制造的軍艦

事實(shí)上,利用碳纖維復(fù)合材料的輕量化效果提升軍艦的裝載力、航行速度和續(xù)航能力的歷史已長(zhǎng)達(dá)半個(gè)多世紀(jì)了,雖然碳纖維復(fù)合材料在海軍艦艇上的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛,但是,大部分已經(jīng)成熟的技術(shù)僅應(yīng)用于相對(duì)較小的海軍艦艇,如巡邏艇、MCMV、護(hù)衛(wèi)艦等的非結(jié)構(gòu)、非關(guān)鍵性部件。

不過隨著科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步,碳纖維復(fù)合材料在海軍艦艇上的應(yīng)用也在逐步深入,據(jù)國(guó)內(nèi)資深的碳纖維制品企業(yè)軍工產(chǎn)品部楊工介紹,為進(jìn)一步提升艦體的綜合性能,目前,碳纖維復(fù)合材料在軍艦上的以下幾個(gè)部位中的應(yīng)用有較大進(jìn)展:
艦艙壁、甲板、艙門

  使用碳纖維復(fù)合材料代替鋼材料制造艦艙壁、甲板和艙門,至少可以在質(zhì)量上減輕40%以上,而且碳纖維復(fù)合材料具有更低的磁特性,火災(zāi)時(shí)熱傳導(dǎo)低、阻聲性能更好。不過,在CFRP和周圍鋼結(jié)構(gòu)的連接處需要有足夠的抗內(nèi)部沖擊損壞的能力,因此在制造和安裝的成本上有一定的增加。

艙門

武器外罩、甲板防護(hù)板、遮護(hù)板
  將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在武器外罩、甲板防護(hù)板以及導(dǎo)彈沖擊遮護(hù)板上,也是目前的發(fā)展方向之一。日本軍事技術(shù)專家對(duì)于如何提升軍艦的生存能力已做了具體研究論證,證明碳纖維復(fù)合材料作為外殼材料能有效降低高速射彈和榴散彈等對(duì)艦體造成的沖擊。

設(shè)備底座
  碳纖維復(fù)合材料的底座比同尺寸的鋼制底座要輕50%左右,且可以提供足夠的保護(hù),使艦船內(nèi)部的機(jī)械和設(shè)備免受水下沖擊載荷,抵抗沖擊損壞。由于材料本身的低阻尼性和無磁性,復(fù)合材料底座能夠有效降低艦船的聲音和磁特性。

在碳纖維復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用中,復(fù)合材料的基體選擇涉及到多方面的因素,在纖維樹脂基復(fù)合材料中,樹脂在產(chǎn)品中的作用是傳遞應(yīng)力,用于艦船制造的基體樹脂,必須具有良好的耐候性、耐水性、耐腐蝕性、抗沖擊性。
  目前已經(jīng)應(yīng)用于艦船制造的基體樹脂主要有:聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基酯樹脂、酚醛樹脂等,其中,聚酯樹脂成本較低,是船舶和海洋工程結(jié)構(gòu)中常用到的基體樹脂;環(huán)氧樹脂是船艇的雷達(dá)天線罩、液氧罐支撐結(jié)構(gòu)的特定部件中常用的基體樹脂;乙烯基酯樹脂在美國(guó)已用于小型高性能船體制造,我國(guó)也有用其制造大型復(fù)合材料聲吶導(dǎo)流裝置的案例;酚醛樹脂則多用于防火以及隔熱要求較高的船艇結(jié)構(gòu)部件。

至于在艦船的應(yīng)用中,具體該選擇哪一種樹脂作為碳纖維復(fù)合材料的基體,楊工建議應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用部位來決定,不同的部位所受的沖擊力、溫度以及遭受到的破壞性因素是不同的,例如,有些用于發(fā)動(dòng)機(jī)或者武器附近部位的結(jié)構(gòu)件需要在耐高溫以及耐燒蝕方面有很高的性能,這就需要使用酚醛類樹脂強(qiáng)化碳纖維復(fù)合材料在該方面的性能要求。
  在此基礎(chǔ)上,他也強(qiáng)調(diào):“艦船用的碳纖維復(fù)合材料無論選擇何種樹脂都必須考慮到樹脂的剛性、剪切強(qiáng)度、耐溫情況、收縮率,另外樹脂黏度、化學(xué)反應(yīng)活性、有效周期等問題需要考慮到,只有粘度低、浸潤(rùn)性好、韌性好的樹脂,對(duì)于船艇的輕量化和高強(qiáng)度才能發(fā)揮出積極作用。”

在國(guó)防科技領(lǐng)域,先進(jìn)材料技術(shù)一直都在發(fā)揮著十分重要的先導(dǎo)和基礎(chǔ)作用。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和海軍裝備需求的不斷提高,碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用技術(shù)也將越來越完善和成熟,這將推動(dòng)艦船裝備進(jìn)一步向輕量化方向發(fā)展。

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