Introduzione

L'ambiente marino presenta una delle condizioni operative più ostili per qualsiasi struttura ingegneristica. La pressione idrostatica combinata a profondità, corrosione elettrochimica e materiali di carico ciclico con resilienza eccezionale. Per decenni, gli scafi di pressione e componenti strutturali dei submersibles sono stati il dominio esclusivo di acciai ad alta resistenza, leghe di alluminio e titanio. Tuttavia, la ricerca di una profondità migliorata, la resistenza estesa e l'aumento del carico di paga adottano

Definizione di compositi a carbone marino-classico

Non tutti i compositi a carbone sono adatti per applicazioni subacquee. Il termine "mare-grado" designa materiali specificamente formulati e qualificati per sopportare la combinazione unica di alta pressione, esposizione delle acque salate e ciclismo termico trovato nell'oceano. Al suo nucleo, un composito di carbonio marino-grado consiste di fibre di carbonio ad alta resistenza o intermedie-modulo incorporate all'interno di una matrice di resina polimerica.

Chimica di fibre e matrice

La fibra di carbonio fornisce la capacità di carico primario. I fibre sono selezionate in base alla loro resistenza alla trazione, al modulo e alle caratteristiche di resistenza alla tensione. Mentre le fibre aerospaziali-grado sono comunemente utilizzate, l'interfaccia di fibra-matrix deve essere ottimizzata per la resistenza all'umidità. La resina matrice, quasi sempre un'epossidica ad alte prestazioni, serve diverse funzioni critiche: trasferisce il carico tra le fibre, protegge i filamenti

Certificazione e standard di prova

Per essere classificato come materiali compositi di livello marittimo, devono superare una batteria rigorosa di test di qualificazione. Questi includono immersione a lungo termine dell'acqua a temperature elevate, test meccanici prima e dopo il condizionamento, e la valutazione della resistenza alla radiazione ultravioletta per componenti esterni esposti.

Vantaggi delle prestazioni rispetto ai metalli tradizionali

La sostituzione dei compositi di carbonio per metalli in costruzione sommergibili fornisce miglioramenti quantificabili in più assi di prestazioni, che vanno oltre la semplice riduzione del peso per influenzare l'intero sistema di progettazione.

Capacità specifica di resistenza e profondità

Il vantaggio più immediato dei compositi di carbonio è il rapporto resistenza-peso. Con una densità di circa 1,6 g/cm3 e resistenza alla trazione superiore a 4.000 MPa nella direzione della fibra, i compositi di carbonio unidirezionali offrono punti di forza specifici più alti rispetto all'acciaio a buccia ad alta resistenza (HY-100) o al titanio (Ti-6Al-4V).

Resistenza alla corrosione e alla fatica

In ambiente di acqua salata profondamente corrosiva, i submersibles metallici sono perpetui vulnerabili alla pitting, alla corrosione di stress e alla fatica della corrosione. Questi modi di guasto sono efficacemente eliminati in compositi di carbonio, a condizione che la matrice di resina e gli inserti metallici siano adeguatamente protetti.

Gestione della firma acustica e magnetica

Per le piattaforme di difesa navale, le caratteristiche di stealth dei compositi in carbonio sono molto vantaggiose. I compositi in carbonio sono non magnetici, permettendo ai submersible di operare con una firma magnetica ridotta, rendendoli più difficili da rilevare con sistemi di rilevamento magnetico dell'anomalia (MAD), inoltre, la natura viscoelastica della matrice subacquea dei polimeri fornisce una smorzamento acustico intrinseco, riducendo la trasmissione del rumore dei macchinari e diminuendo la firma acustica del veicolo.

Design Tailoring e ottimizzazione idrodinamica

I materiali compositi offrono ai progettisti la libertà di adattare la rigidità e la forza in direzioni specifiche. Questa anisotropia permette di alleggerire strutture che sono esattamente allineate con i percorsi di carico primario, eliminando il materiale in eccesso e ottimizzando il peso. Le forme composte complesse per l'efficienza idrodinamica possono essere modellate integralmente, riducendo il conteggio dei componenti ed eliminando la necessità di fissaggio e saldature che agiscono come concentratori di stress.

Applicazioni critiche nella tecnologia sommergibile

La traduzione di questi vantaggi materiali in submersible operativi avviene attraverso una vasta gamma di piattaforme, ognuna con specifiche esigenze di prestazioni.

Autonoma e Telecomando

L'adozione più diffusa di materiali compositi a carbone marino-grado si verifica attualmente nel regno dei veicoli a bassa resistenza autonome (AUV) e dei veicoli a funzionamento remoto (ROV). Queste piattaforme sono sensibili al peso perché sono tipicamente dispiegati da navi senza gru pesanti. Un veicolo più leggero può essere lanciato e recuperato in stati di mare più elevati, aumentando i tempi di funzionamento.

Sommergibili lavorati

L'uso di materiali compositi in submersible manned si sta espandendo, in particolare per le strutture esterne di scafo e non pressione-criticale. Mentre lo scafo di pressione primaria per la sicurezza dell'equipaggio è spesso ancora costruito da titanio o acciaio a causa dei vasi di guasto ben compresi e più semplice percorso di certificazione, i compositi di carbonio sono utilizzati ampiamente per l'affinamento esterno, moduli di galleggiamento in schiuma sintattica, e appendici

Piattaforme di difesa e navale

Le eliche submarine sono ora regolarmente fabbricate da compositi in carbonio per ridurre il rumore e migliorare l'efficienza. La rigidità e le proprietà umidificanti dei compositi consentono di realizzare progetti di elica che minimizzano la cavitazione. Inoltre, i vasi di vetro composito, le pinne e i piani di coperta stanno sostituendo i loro predecessori metallici.

Case study: AUV a raggi infrarossi e la serie HUGIN

La famiglia HUGIN di AUVs, sviluppata da Kongsberg Discovery, serve come primo esempio di successo e di maturazione di materiali compositi di carbonio di qualità marina nella tecnologia dei veicoli subacquei. Questi veicoli sono progettati per l'indagine di profondità e la ricognizione, con valutazioni di profondità fino a 6.000 metri.

Processi di fabbricazione per strutture marine-classiche

Le prestazioni di una struttura composita sono intrinsecamente legate alla qualità della sua produzione, e diversi processi vengono impiegati per la realizzazione di componenti sommergibili, offrendo vantaggi specifici.

Filament Winding

Il processo di avvolgimento del filamento è il processo dominante per la produzione di vasi cilindrici e sferica. Le zampe continue in fibra di carbonio sono impregnate di resina e si agganciano con precisione a un mandrino rotante sotto tensione. Questo processo consente un eccellente controllo sull'orientamento della fibra, permettendo al progettista di ottimizzare il layup per lo stato di stress specifico previsto nella parete del vaso. La struttura risultante è altamente priva di vuoto e consolidata.

Lavorazione di autoclave prepreg

Per geometrie complesse con spessori variabili o caratteristiche integrate, i materiali prepreg (fibre pre-impregnate) sono disposti a mano o mediante posa automatizzata del nastro. Il laico viene poi intagliato sottovuoto e curato in un autoclave sotto il calore e la pressione.

Stampaggio a trasferimento di resina

La stampaggio a trasferimento di resina (RTM) prevede l'inserimento di una preforma a fibra secca in uno stampo chiuso, l'iniezione di resina liquida sotto pressione e la cura della parte. Questo processo offre un buon controllo dimensionale e finitura superficiale su entrambi i lati del componente. RTM è ben adatta per la produzione di pezzi di media volume, come cornici strutturali, staffe e carenature idrodinamiche.

Sfide e rischio di immigrazione

Nonostante i vantaggi che ne derivano, l'uso di compositi in carbonio di livello marino in materiali sommergibili presenta sfide ingegneristiche uniche che devono essere meticolosamente affrontate.

Danni e riparazioni d'impatto

I compositi in carbonio sono suscettibili di danni agli urti, in particolare da impatti a bassa velocità che possono causare delammi o rottura della fibra che non è visibile sulla superficie (danni di impatto poco visibili). Questo danno può ridurre significativamente la resistenza alla compressione del laminato, compromettendo la sua capacità di resistere alla pressione idrostatica esterna.

Corrosione galvanica

La fibra di carbonio è elettricamente conduttiva e agisce come un nobile catodo quando a contatto con metalli comuni come alluminio, acciaio o bronzo. In presenza di acqua marina, un elettrolito forte, una coppia galvanica è formata, che porta ad una corrosione accelerata del metallo anodico.

Classificazione, Certificazione e Sicurezza

La certificazione di un submersible composito, in particolare di quello manned, è un processo rigoroso ed in evoluzione. Il modo di guasto dei compositi è fondamentalmente diverso dai metalli. I metalli tipicamente producono e mostrano una deformazione visibile prima del fallimento, mentre i compositi del carbonio possono fallire catastroficamente con poco preavviso. Questo pone un pesante affidamento sulle tecniche di controllo della qualità di fabbricazione e sul monitoraggio della salute strutturale in servizio.

Tendenze e direzioni di ricerca

L'evoluzione dei compositi a carbone di livello marittimo è una storia di miglioramento continuo, con diverse tecnologie emergenti in grado di migliorare ulteriormente le loro capacità.

Strutture multifunzione e intelligenti

L'integrazione dei sensori a fibre ottiche (come le fibre di fibra Bragg Gratings o le fibre di rilevamento acustico distribuite) direttamente nel laminato composito è un'area attiva di ricerca. Questa tecnologia consente il monitoraggio continuo e in tempo reale di sforzo, temperatura e carichi di pressione sullo scafo submersibile. Una struttura composita "smart" può fornire un avvertimento precoce dei danni, l'accumulo di fatica della pista e informare i programmi di manutenzione, migliorando notevolmente la sicurezza e riducendo i costi di vita.

Sostenibilità e materiali bio-basati

Per le applicazioni marine, la ricerca è in corso per sviluppare sistemi di resina derivati da biomassa rinnovabile, come la lignina o oli vegetali, che offrono prestazioni paragonabili a epossidi a base di petrolio. Inoltre, le tecnologie di riciclaggio per la fibra di carbonio stanno avanzando, mirando a recuperare fibre preziose incorporando componenti end-of-life.

Integrazione di produzione additiva

La possibilità di stampare complessi, geometrie ottimizzate che sono impossibili da produrre con la lavorazione tradizionale potrebbe portare a componenti strutturali altamente efficienti e a canali fluidi integrati all'interno dello scafo submersibile. Mentre le proprietà materiali dei compositi additivamente fabbricati in ritardo dietro la produzione di laminati in fibra continua, la tecnologia detiene una rapida propensione.

Conclusioni

I compositi a carbone di qualità marina rappresentano un sistema di materiali trasformativi per la tecnologia dei veicoli subacquei. Grazie alla sua eccezionale resistenza specifica, resistenza alla corrosione e flessibilità progettuale, gli ingegneri stanno costruendo dei materiali sommergibili più leggeri, più forti e più capaci di prima.