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船用碳纤维复合材料的优缺点

文章出处:网络责任编辑:管理员人气:发表时间:2015-06-24【

伦敦皇家造船工程师学会(the Royal Institute of Naval Architects)最近召开了一次关于船用复合材料的国际性研讨会,George Marsh对此进行了报道。

碳纤维增强塑料在制造高质量的船体结构方面具有巨大的优势。但是,在这些材料的应用之路上有许多的“路障”,妨碍了它们充分发挥自身的潜力。本次研讨会一个重要主题就是,这些障碍已经逐步扫除,同时越来越多的成功应用案例将鼓励设计师和制造商更多地采用复合材料。

碳纤维复合材料结构的一个缺点就是变化性,甚至是在不同造船厂生产具有相同基本结构的部件时也是如此。质量、性能和成本上的差异都是由设计和生产过程中的变化引起的。英国南安普敦大学的研究者简要介绍了一种减小这种变化的方法,同时也表明这些结构能够以较低的成本进行生产,且不会牺牲结构的整体性。

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Messrs Sobey、Blake和Shenoi强调了结构设计师和生产者之间非常普遍的断层问题。设计者首先进行设计,设计完成后就交给制造部门,制造部门接着生产出最终的结构。虽然“为生产而设计”是我们早已熟悉的观念,但这导致了部门主义的盛行,而最需要解决争端的部门之间的交流却很少。

结果是,最终结构的质量反复无常,而由于制造困难,也导致成本高昂。因此比较好的解决方案是协同工作,设计师和制造者紧密合作,从一开始就确立产品的可生产性。

要在专家之间实现富有意义的交流可能比较困难,需要一个协同工作的环境。同时,为防止“无休止的会议”综合症,必须围绕特定的项目需求,确定并组织好这样的相互交流。南安普敦的研究小组进一步阐述说,许多不可避免的例行交流可以实现自动化,将直接的面对面的会谈留给真正需要高水平的协同决策的事项。 内容来自123456

自动化包含一个中央数据库,各部门输入的信息将在数据库中被整合在一起,此外还包含大量针对设计和生产过程的模拟。一个理想模型所包含的因素有:材料的性能、船级社规范、客户的要求和以前成功和失败的结构设计经验。而失败的经验可以将一家公司积累起来的设计智慧融入一个模型之中,减少了对设计权威的依赖。这些人跳槽或者被其他公司挖走的可能性越来越大。通过模型,工程师可以快速了解以前所犯的错误,这些错误可能是增加了成本或者导致了非优化机构的设计。

这些研究者们介绍了一种自动化工具的开发情况,该工具使用了优化和可靠性技术,辅以遗传算法、蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟算法和其他软件元素。这一工具可以实现一种可重复的更加完整的设计和制造工艺,每个阶段都可以进行优化。因此,设计将从产量、性能和成本方面得以优化。

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开发这样一种工具并非易事。为保证工具的有用性,它必须易于学习和使用,能够与不同制造商所采用的互不相同的IT系统相连接,能够顺利接入现有的软件。对于不同的行业,它要满足各个公司的独特要求。能够满足这些标准的软件包有助于复合材料的优势得以最大程度的发挥,并在花费最低成本的同时,满足结构需求。

质量问题

复合材料具有像变色龙一样的性质,这既是它的优点也是缺点,一方面它在许多行业具有适应性,另一方面则是其反复无常。看起来,几乎每个结构在产品工艺上都是不同的,因此很难形成行业标准和质量规范。

挪威船级社(Det Norske Veritas,DNV)的Messrs Weitzenboeck、Hayman、Hersvik、McGeorge、Noury和Hill以及挪威科技大学(Norwegian University of Science and Technology)的Echtermeyer在一篇文论中指出,标准是至关重要的,这些作者在制定标准方面的联合经验启发了他们对大量案例的讨论。
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风机叶片是最热门的一个话题。挪威船级社的“风机叶片设计和制造的海上标准(DNV-OS-J102)”为承包商和他们的客户提供了合同性的参考,也为设计师和生产者提供了指南。挪威船级社拥有20年的风机叶片认证经验,这一标准为工程师们提供了一个坚实的基础,尽管还有很多工作需要做。现有的标准必须扩展到目前已有预期的非常大型的叶片上,因为其过度偏斜、翘曲失效和疲劳退化的风险更大了。在其他行业和领域所获取的知识也可以加以参考,例如,飞机行业已有的概念有助于提高叶片的耐损伤性能。

这些工作也会影响潮汐涡轮机转子叶片的标准和质量规范的发展。但是,就发展时间来看,这些能量转换器至少落后风机10年,还没有确立相关的标准。因此挪威船级社只能以其用于新技术的推荐做法(Recommended Practices),以及文件工作阶段的进展作为工艺评定的依据,其中包括可行性评估书、原型证书、条件类型证书、类型证书和最终的项目证书。挪威船级社“复合材料部件的海上标准(Offshore Standard for Composite Components)”也将为其提供资料参考。 123456

挪威船级社的“混凝土结构的海上标准(Offshore Standard for Concrete Structures)”被用于新型纤维增强塑料加强筋的质量认证。这种创新产品采用了一种新的制造工艺,将轻木纤维作为主要的增强材料。

另一个迫切需要制定标准的领域是船艇复合材料结构的修补,该结构可能是复合材料,也可能是其他材料。由于复合材料结构的多样性,很难制定同一个标准。但是,在实验和大规模演示的基础上,船级社制订了一套推荐做法,并且特别关注了耐粘结断裂性能——粘结复合材料的修复很容易发生粘结断裂。

一个研究项目展示了这种修复的可行性,甚至是对于处在石油天然气行业等恶劣环境中的结构。采用复合材料进行修复具有很大优势,因为这避免了焊接操作中的高温和危险。

扫描声学无损检测是一种相当成熟的技术,但是Tangent公司与PE Composites有限公司合作,将该技术进行了内部改造,即将小型的声学传感器嵌入到复合材料之中。

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这些传感器能够在复合材料的制造过程中保存下来,并可以定位于层压板中的关键层,实现声学耦合。两家公司坚信,在整个使用周期内,用这种方法连续监测结构的完整性可以为以状态为基础的维护提供依据,而且可以带来巨大的经济效益。

研究人员在一艘9米长的快速近岸巡逻艇上进行了概念验证型的海试。据说结果非常鼓舞人心,促使演讲者得出这样的结论:在线监测可以应用于各种类型和尺寸的船艇上,从而帮助我们认识该领域内各种复合材料的多种性能。

可循环性

近年来随着环保意识的增强,出现了另一种反对传统增强塑料的观点,那就是废弃复合材料回收困难。垃圾掩埋和焚烧不是处理废弃物的理想方法,尤其是它们还对健康有潜在的危害。

热塑性树脂与现在占据主导地位的热固性树脂不同,是可以循环再用的,例如可以用作注塑材料,但是它们的树脂/纤维界面粘结力比较弱,二次粘结时的粘附力比较差。后面一条缺点不难解决,可以采用各种局部加热方法将部件“焊接”在一起。在粘结线附近局部加热部件,可以熔融热塑性树脂基材,使其在分子水平上进行内部扩散,从而实现高质量的粘结。 内容来自123456

迄今为止,不同的加热方法都被尝试过了,包括使用电阻元件、热气、摩擦、电熔和超声波。英国纽卡斯尔大学进行的一项实验性研究表明,采用整体加热熔融粘结技术可以实现良好的粘结,而且不会增加重量,也不会在粘结层引入外来物质。Otheguy、Gibson和Robinson在一篇论文中描述了这种用于玻纤增强聚丙烯材料的T型接头和搭接技术,并指出,该方法非常适用于小型的船艇建造商。

这种方法通过在粘结层放置的柔性加热器进行真空辅助的整体局部加热。这些商业化的硅胶绝缘电子加热器可以定制成任何尺寸。加热器放置在粘结层的一侧或者两侧后,由真空袋抽真空,真空袋有一层透气层和释出薄膜,因此在加热循环中,这些位置会被施加轻微的真空。

研究人员发现,使用编织材料得到的结果最好,添加一层PP夹层可以将搭接剪切强度提高80%。总的来说,他们认为,整体加热熔融粘结技术是一种有效的粘结方法,适用于小型的热塑性复合材料船艇,接头处的强度可以与传统的热固性复合材料相比拟。

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胶衣

英国普利茅斯大学、PERA Innovation公司、Magnum Venus Plastech公司, W Ball and Sons公司以及Scott Bader公司的作者们在一篇论文中提到了胶衣在船艇船身和其他船艇结构中的应用,这些船艇都需要高质量的表面。喷涂胶衣的常规方法会导致挥发性有机物(VOC)的排放,该论文讨论了一种适用于RTM和其他闭模工艺的经过改进的喷涂方法。


一种新的模内胶衣涂覆技术在层板和胶衣之间使用了一层不分隔层

这项专利的模内胶衣涂覆技术在层压板和胶衣之间使用了一层不会渗透的分隔层。采用这种方法制成的具有良好表面质量的层压板仍然在不断开发中。新方法可以减少或避免有害物质的排放,提高工作场所的安全性,减小环境影响。

困惑
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现代复合材料应用中最后一个比较混乱的特征是普利茅斯大学的John Summerscales提出来的,他谈到了不同公司在描述树脂灌注工艺时所使用的名字和缩写。虽然他们试图与其他公司的区分来来,但基本是相同的。他提出了一种分类方法,在这种分类系统下,所有的灌注工艺被分为四类:

◆在织物平面的树脂灌注
◆采用流动介质或分散网的树脂灌注
◆树脂薄膜灌注
◆预浸料技术

这些都是柔性模具树脂渗透法(resin infusion under flexible tooling,RIFT)工艺,介于RTM和真空袋成型工艺之间。要用这种四级分类法取代现在所用的名称/缩写组合(论文中一共列举了19种),可以让现在的状况不那么令人困惑。

鼓舞人心的消息

有两个演讲都提到了一个鼓舞人心的消息,即斯堪的纳维亚半岛地区已经建成了全复合材料的船艇,现在已开始服役。运营者对于这些船艇的优势非常满意,例如,相对于传统船艇具有更低的燃油消耗,而且复合材料不会腐蚀,维护也更少。
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Kockums 公司的M. Hakansson说,燃油成本的增长趋势对于轻量设计的需求非常急迫,促进了先进复合材料在船身、甲板和其他结构中的应用。

Kockums在其新型双体渡船中采用碳纤维复合材料作为主结构材料,因为碳纤维比玻璃纤维更轻、更硬、更牢固,而且比金属轻得多,已成为小型船艇结构的主要复合材料。例如,由碳纤维复合材料外壳和聚合物泡沫或轻木芯材组成的夹层结构可能比相同的钢质结构轻75%。


Kockums看好轻量的先进碳纤维复合材料结构在各种船艇中的应用,包括这艘风机供给船

碳纤维更广泛应用的一个障碍就是它的价格。但是Kockums通过对材料组合和结构泡沫的测试和仔细挑选材料,可以保持其承受能力。在所使用的碳纤维/乙烯基酯树脂层压板中,纤维是中等强度的,比那些强度最大的最高等级的纤维便宜很多。真空灌注是最主要的生产工艺。
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斯德哥尔摩的FMV总结的军用复合材料的发展趋势

来自瑞典斯德哥尔摩国防材料部(FMV)的Anders Lonno提醒参会代表,碳纤维复合材料对军用船艇尤其做出了巨大贡献。最知名就是2000年下水的第一艘Visby级轻巡洋舰,长73米、重650吨、速度达40节。该船在其真空灌注的夹层结构中采用了高延展率的碳纤维(Toray T700)和具有延展性的高密度芯材(Divinycell HD)。这使得船具有更低的雷达和磁场信号,优化的重量使动力需求和燃油消耗远远低于金属或玻纤增强塑料制成的船艇。采用了真空灌注的先进复合材料的Visby展示了本世纪内复合材料船艇结构的进步。而更加基础的湿法手糊玻纤/聚酯树脂外壳、PVC泡沫芯材夹层结构是于20世纪70年代首次应用于反水雷艇的。

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瑞典的Visby级轻巡洋舰为先进碳纤维复合材料结构在军舰中的使用树立了示范性的标准

Visby已不再是军用复合材料船艇的最高成就。在2010年,Kockums最新设计的巡逻艇和战斗舰清楚表明了复合材料艺术的最新演变。在最新的设计中,使用了更多的材料,以获得更广泛的混合性能。夹层板仍然是首选结构形式,因为它们实际上有两层外壳,因此具有高抗弯性能和超常的耐损伤性。

另一方面,碳纤维、芳纶纤维或玻璃纤维外壳的多种基体树脂和大量芯材都可以在设计时明确指定,然后根据所需的性能进行混合定制。细心的材料和工艺选择可以使设计者将重量、磁场信号、雷达信号和保养都减至最低,同时还可以赋予船艇结构防弹、阻燃、耐冲击和耐损伤的性能。 
 

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