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一.在船舶上的應(yīng)用
與傳統(tǒng)的造船材料相比，碳纖維復(fù)合材料具有天然的優(yōu)勢(shì)。首先，碳纖維復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能。用它制成的船體具有重量輕、油耗低的特點(diǎn)，而且建造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、周期短、成型方便，建造和維護(hù)成本遠(yuǎn)低于鋼質(zhì)船。同時(shí)，由于碳纖維與樹脂基體的界面能有效阻止裂紋擴(kuò)展，材料具有良好的抗疲勞性能。此外，由于碳纖維表面的化學(xué)惰性，船體具有水生生物難以生長、耐腐蝕的特點(diǎn)，這也是船舶建造選材非常重要的因素之一。因此，碳纖維復(fù)合材料在造船領(lǐng)域有其獨(dú)特的綜合性能優(yōu)勢(shì)，目前正被廣泛應(yīng)用于該領(lǐng)域。同時(shí)，應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大也帶動(dòng)了碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
1.2民用游艇
一般大型游艇都是私人所有，價(jià)格昂貴，要求重量輕，強(qiáng)度高，耐久性好。碳纖維復(fù)合材料可用于游艇的儀表盤、天線、舵、甲板、船艙和艙壁。傳統(tǒng)的復(fù)合材料游艇主要采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料(FRP)制造，但由于剛性不足，船體在達(dá)到剛性設(shè)計(jì)要求后往往會(huì)超重，而玻璃纖維是一種致癌物質(zhì)，在國外逐漸被禁止?，F(xiàn)在復(fù)合材料游艇使用碳纖維復(fù)合材料的比例大大增加，有的甚至采用碳纖維復(fù)合材料。例如，由Baltic Company建造的超級(jí)游艇Panama具有夾層結(jié)構(gòu)，碳纖維/環(huán)氧樹脂作為外殼，Nomex蜂巢和CorecellTM結(jié)構(gòu)泡沫作為其船體和甲板的核心材料。它的船體有60米長，但總重量只有210噸。Sunreef 80 Levante是一艘碳纖維雙體船，由波蘭的雙體船工廠Sunreef Yachts建造，由乙烯基樹脂夾層復(fù)合材料、PVC泡沫和碳纖維復(fù)合材料制成。桅桿吊桿都是定制的碳纖維復(fù)合材料，船體只有一部分是玻璃鋼的?？蛰d重量只有45t。速度快，油耗低，性能優(yōu)異。
2014年完工的游艇“中科聯(lián)亞”號(hào)是目前國內(nèi)唯一的全碳纖維游艇。它是由碳纖維和環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制成的綠色游艇，比同類型的玻璃纖維游艇輕30%，強(qiáng)度更高，速度更快，油耗更低。
此外，高強(qiáng)度碳纖維繩索用于游艇的拉索和纜繩，以確保安全。由于碳纖維的拉伸模量和抗拉強(qiáng)度比鋼高幾倍甚至幾十倍，而且還具有纖維的可制動(dòng)性，所以將碳纖維繩作為基體材料，正好可以彌補(bǔ)鋼絲繩和有機(jī)聚合物繩的不足。
1.1軍用船舶
碳纖維復(fù)合材料具有良好的聲、磁、電性能:透波透聲，無磁性，因此可用于提高軍艦的隱身性能。在艦船上層建筑中使用復(fù)合材料，不僅可以減輕船體重量，還可以通過在夾層中嵌入具有濾波功能的頻率選擇層，以預(yù)定的頻率發(fā)射和接收電磁波，從而屏蔽敵方的雷達(dá)電磁波。如1999年，挪威海軍建造的“skjold”級(jí)游船采用了由PVC泡沫芯層、玻璃纖維和碳纖維夾層組成的夾層復(fù)合材料。這種設(shè)計(jì)不僅提高了強(qiáng)度重量比，還具有良好的抗沖擊性能，大大增強(qiáng)了低磁、抗紅外和抗雷達(dá)掃描的特性。2000年服役的瑞典維斯比號(hào)護(hù)衛(wèi)艦全艦采用碳纖維復(fù)合材料，具有減重、雷達(dá)、紅外隱身等特殊功能。
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料桅桿在船舶上的應(yīng)用逐漸興起。2006年在美國服役的LPD-17艦采用了先進(jìn)的碳纖維/輕木芯制成的復(fù)合材料桅桿。與最初的開放式桅桿不同，LPD-17采用了全新的全封閉桅桿/傳感器系統(tǒng)(AEM/S)。碳纖維復(fù)合材料桅桿上部覆蓋有頻率選擇性表面材料(FSS)，可以讓自身特定頻率的波通過，下部可以反射雷達(dá)波或者被雷達(dá)材料吸收。因此具有良好的雷達(dá)隱身和探測(cè)功能。此外，各種天線及相關(guān)設(shè)備統(tǒng)一組合配備在結(jié)構(gòu)中，不易被腐蝕，更有利于設(shè)備的維護(hù)。歐洲海軍已經(jīng)研制出類似的封閉式一體化傳感器桅桿，采用納米技術(shù)玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料作為增強(qiáng)材料。它允許各種雷達(dá)波束和通信信號(hào)相互穿越，互不干擾，損耗極低。2006年，這種先進(jìn)技術(shù)的mast ATM被用于英國海軍的“皇家方舟”號(hào)航母上。
碳纖維復(fù)合材料還可以用于船舶的其他方面。如在推進(jìn)系統(tǒng)中用作螺旋槳和推進(jìn)軸系，以降低船體的振動(dòng)效應(yīng)和噪聲，多用于偵察船和快速巡航船。它可用作機(jī)械設(shè)備中的舵、一些特殊的機(jī)械裝置和管路系統(tǒng)。此外，高強(qiáng)度碳纖維繩索廣泛用于海軍軍艦的纜繩和其他軍用物品。
碳纖維復(fù)合材料是由碳纖維和樹脂、金屬、陶瓷基體等制成的纖維增強(qiáng)材料。由于其重量輕、強(qiáng)度高、耐高低溫等優(yōu)良特性，近年來被廣泛應(yīng)用于航空航天、運(yùn)動(dòng)休閑、高鐵車廂、民用建筑等領(lǐng)域。在輕質(zhì)高強(qiáng)的同時(shí)，碳纖維復(fù)合材料還具有優(yōu)異的耐疲勞性、耐腐蝕性和高比強(qiáng)度帶來的優(yōu)異施工性能，這使得其在對(duì)材料性能有特殊要求的海洋領(lǐng)域的應(yīng)用前景也不容小覷。近年來，碳纖維復(fù)合材料在造船、海上能源開發(fā)、海洋工程修復(fù)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。
