碳纖維復(fù)合材料是由碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合制成的纖維增強材料，因其具有重量輕，強度高，耐高低溫等優(yōu)良特點，近年來廣泛應(yīng)用于航空航天、體育休閑、高鐵汽車、土木建筑等領(lǐng)域。碳纖維復(fù)合材料在質(zhì)輕高強的同時，還具有優(yōu)良的耐疲勞性、耐腐蝕性以及比強度高導(dǎo)致的優(yōu)良施工性能等，使得它在對于材料性能有著特殊要求的海洋領(lǐng)域的應(yīng)用前景同樣不可小覷。近年來，碳纖維復(fù)合材料在船舶制造、海上能源開發(fā)、海洋工程修復(fù)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用。

    01在船舶上的應(yīng)用

    相比于傳統(tǒng)的造船材料，碳纖維復(fù)合材料具有天然的優(yōu)勢。首先，碳纖維復(fù)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(xué)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(fù)合材料在船舶制造方面，具有其獨特的綜合性能優(yōu)勢，目前在這一領(lǐng)域正在得到廣泛的應(yīng)用，同時，從應(yīng)用領(lǐng)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(fù)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(fù)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(yù)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(fù)合材料，這種設(shè)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(fù)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(fù)合材料桅桿在艦船上的應(yīng)用逐漸興起。美國2006年服役的LPD-17艦船采用了碳纖維/巴爾薩芯先進復(fù)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(fù)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(guān)設(shè)備都統(tǒng)一組合裝備在該結(jié)構(gòu)內(nèi)，不易被腐蝕，更有利于設(shè)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(shù)制造的玻璃纖維與碳纖維復(fù)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，并且損耗極低，2006年這種先進技術(shù)桅桿ATM被使用在英國海軍“皇家方舟”號航母上。

    碳纖維復(fù)合材料還可應(yīng)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(yīng)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，高強度的碳纖維繩索在海軍軍艦的纜繩和其他軍用物品上也有較為廣泛的應(yīng)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(fù)合材料可以應(yīng)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(jié)構(gòu)中。傳統(tǒng)的復(fù)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(shè)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(fù)合材料游艇中碳纖維復(fù)合材料的使用比例大大增加，有的甚至全部采用碳纖維復(fù)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(jié)構(gòu)泡沫為芯材的夾層結(jié)構(gòu)，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(fù)合材料，PVC泡沫和碳纖維復(fù)合材料，桅桿吊桿均是定制的碳纖維復(fù)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，性能卓越。

    2014年建成的“中科·聯(lián)亞”號游艇是目前中國唯一的一艘全碳纖維游艇。它是由碳纖維和環(huán)氧樹脂結(jié)合而成的復(fù)合材料打造的綠色游艇，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高強度的碳纖維繩索以確保安全。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。

    02在海洋能源開發(fā)上的應(yīng)用

    2.1海底油氣田

    近年來，碳纖維復(fù)合材料在海洋油氣開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。海洋環(huán)境下的腐蝕，高壓，水底暗流流動帶來的強剪切作用對材料的耐腐蝕性，強度和疲勞性能提出了嚴(yán)格的要求。碳纖維復(fù)合材料在海洋油田開發(fā)中有著明顯的質(zhì)輕、耐久、抗蝕方面的優(yōu)勢：一個1500m水深的鉆井平臺，其鋼制系纜的質(zhì)量就達6500t左右，而碳纖維復(fù)合材料密度是普通鋼材的1/4，若使用碳纖維復(fù)合材料取代部分鋼材將顯著減少鉆井平臺的載重負(fù)荷，節(jié)省平臺的建造成本；抽油桿的往復(fù)運動，由于管外海水壓力與管內(nèi)壓力不平衡極易引發(fā)材料的疲勞斷裂，而用碳纖維復(fù)合材料即可解決這一問題；由于海水環(huán)境耐腐蝕，其在海水中使用壽命比鋼材要長，且使用深度更深。

    碳纖維復(fù)合材料可以用作油田鉆井平臺中的生產(chǎn)井管、抽油桿、儲藏槽、海底輸油管、甲板等部件。制造工藝分為拉擠成型工藝和濕法纏繞工藝。拉擠成型法一般用在普通管材和連接管上。纏繞法一般用作儲槽和壓力容器的表面，也可用在各向異性的柔性管道之中，其中碳纖維復(fù)合材料以特定的角度纏繞排列在鎧裝層之中。

    碳纖維復(fù)合材料的連續(xù)抽油桿是一種類似膠片的帶狀結(jié)構(gòu)，柔韌性很好。20世紀(jì)90年代由美國生產(chǎn)并應(yīng)用。它是以碳纖維為增強纖維，不飽和樹脂為基體材料，高溫下交聯(lián)固化后通過拉擠成型工藝生產(chǎn)制得。2001～2003年我國在純梁油田中使用碳纖維抽油桿和普通鋼制抽油桿做了試點，使用碳纖維抽油桿能明顯提高出油量，減少電機的載荷，相比之下更節(jié)能。而且碳纖維復(fù)合材料抽油桿比鋼制抽油桿更耐疲勞，抗腐蝕性能更好，更適合應(yīng)用在海底油田的開發(fā)中。

    2.2 海上風(fēng)電

    海上風(fēng)電資源豐富，是未來發(fā)展的重要領(lǐng)域，也是風(fēng)電技術(shù)最先進、要求最高的領(lǐng)域。我國海岸線約1800km，島嶼6000多個，東南沿海及島嶼地區(qū)風(fēng)力資源豐富且易于開發(fā)。近年來大力促進海上風(fēng)電能源的開發(fā)已經(jīng)得到了有關(guān)部門的支持。風(fēng)力發(fā)電葉片90%以上重量由復(fù)合材料組成。海上風(fēng)力大，發(fā)電功率大，勢必要求更大的葉片和更優(yōu)良的比強度和耐久度。顯然，碳纖維復(fù)合材料能夠滿足開發(fā)大型化、輕量化、高性能、低成本的發(fā)電葉片的要求，和玻璃纖維復(fù)合材料相比更適合應(yīng)用于海洋領(lǐng)域。

    碳纖維復(fù)合材料在海洋風(fēng)力發(fā)電中具有顯著的優(yōu)勢。碳纖維復(fù)合材料葉片質(zhì)量低，剛度大，模量是玻璃纖維制品的3～8倍；海洋環(huán)境下濕度大，氣候多變，且風(fēng)機24h工作。葉片耐疲勞性較好，能較好的抵御惡劣的天氣；改善了葉片的空氣動力學(xué)性能，減少對塔和輪軸的負(fù)載，從而使風(fēng)機的輸出功率更平滑更均衡，提高能量效率；利用碳纖維的導(dǎo)電性能，通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可有效地避免雷擊對葉片造成的損傷；降低風(fēng)力機葉片的制造和運輸成本；具有振動阻尼特性等。

    03海洋工程上的應(yīng)用

    碳纖維復(fù)合材料用于海洋工程建筑，主要利用其輕質(zhì)高強耐腐的特性，以筋索材及結(jié)構(gòu)件的形式，替代傳統(tǒng)鋼筋建材，解決海水侵蝕鋼筋、運輸路途遙遠運輸成本高的問題。國外已應(yīng)用于海上島礁建筑、碼頭、浮動平臺、燈塔塔架等。碳纖維復(fù)合材料用作工程上修復(fù)始于20世紀(jì)80年代，日本三菱化學(xué)公司率先對碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能和在工程加固方面的應(yīng)用做了研究。最初的研究熱點在于使用碳纖維復(fù)合材料對鋼筋混凝土梁進行加固，后來發(fā)展到對各種土木工程的加固和補強上。碳纖維復(fù)合材料對海洋石油平臺以及港口的修復(fù)只是它這類應(yīng)用的一個方面。相關(guān)文獻有很多。值得一提的是美國DFI公司使用碳纖維棒修復(fù)海軍珍珠港碼頭的例子，當(dāng)時的技術(shù)人員創(chuàng)新性地使用了碳纖維棒來修復(fù)補強，碳纖維棒修復(fù)的碼頭能承受9t重的鋼材從2.5m高處掉下而不受損害，增強效果明顯。

    關(guān)于碳纖維復(fù)合材料在海洋工程應(yīng)用方面，還有一類是海底管道或管柱的修復(fù)和補強。傳統(tǒng)的維修方法例如焊接，焊縫改進，卡箍，灌漿等方法都有各自的局限性，且海洋環(huán)境下更制約了這些方法的使用。而碳纖維復(fù)合材料的修復(fù)主要是使用碳纖維布和環(huán)氧樹脂等高強度高粘結(jié)性的樹脂材料黏貼于修復(fù)表面，因此它薄而輕，高強，耐久性好，施工便利，適應(yīng)不同的形狀，具有顯著的優(yōu)勢。

    04總 結(jié)

    碳纖維復(fù)合材料優(yōu)異的性能使得它在海洋應(yīng)用領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景，總體來說，相對于航空航天等領(lǐng)域的成熟應(yīng)用，碳纖維在海洋領(lǐng)域中的應(yīng)用相對起步較晚，同時，碳纖維的成本偏高也是制約其規(guī)模化應(yīng)用的一個重要因素。隨著海上軍事的發(fā)展和海洋資源的開發(fā)，大力推進碳纖維在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用是發(fā)展的必然趨勢，另一方面海洋領(lǐng)域?qū)μ祭w維復(fù)合材料需求的不斷增大，也將從應(yīng)用牽引方面促進碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈的健康發(fā)展。

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