Свойства волоконно-укрепленных пластмасс в морских инженерных приложениях

Волокноармированные пластмассы (FRP) стали краеугольным камнем современной морской инженерии, обусловленной их исключительной комбинацией прочности, легкого веса и устойчивости к суровой морской среде. Эти композиционные материалы, включающие высокопроизводительные волокна, встроенные в полимерную матрицу, предлагают свободу проектирования и долговечность, с которой традиционные металлы часто не могут сравниться. От небольших прогулочных судов до массивных лопастей морских ветряных турбин и морских судов, инженеры все чаще обращаются к FRPs для решения проблем коррозии, веса и усталости. Понимание фундаментальных свойств этих материалов, а также их ограничений, необходимо для всех, кто участвует в морском конструировании, обслуживании или закупке.

Что такое клетчато-укрепленные пластмассы?

Композит FRP состоит из двух основных компонентов: армирующего волокна и матричного материала. Волокна несут большую часть механической нагрузки, в то время как матрица связывает волокна вместе, передает напряжение между ними и защищает их от воздействия окружающей среды. В морских применениях общие армирующие волокна включают стекло (E-стекла, S-стекла), углерод (стандартный модуль, промежуточный модуль, высокий модуль) и арамид (Кевлар, Тварон). Матрица чаще всего представляет собой термореактивный полимер, такой как полиэстер, виниловый эфир или эпоксидная кислота, хотя термопласты набирают тягу для некоторых применений. Полученный материал является анизотропным - его свойства зависят от ориентации волокна - позволяя инженерам адаптировать прочность и жесткость именно там, где это необходимо.

Основные преимущества FRPs в морской среде

Коррозионная устойчивость и долголетие

Возможно, наиболее веской причиной выбора FRPs в морской технике является присущий им иммунитет к гальванической и электрохимической коррозии. В отличие от стали, которая требует дорогостоящих защитных покрытий и жертвенных анодов, или алюминия, который может страдать от коррозии в морской воде, FRPs не ржавеет. Это свойство резко сокращает интервалы обслуживания и продлевает срок службы конструкций. Например, корпуса FRP на коммерческих рыболовных судах, как известно, прослужат более 30 лет с минимальным ремонтом, в то время как стальные корпуса в той же службе требуют частой сухой доки и замены пластин.

Высокое соотношение силы и веса

FRP обеспечивают прочность и жесткость, сравнимые со многими металлами при доле веса. Типичный полиэфирный ламинат, армированный стеклом, обеспечивает удельную прочность (прочность / плотность) значительно выше, чем конструкционная сталь. В высокопроизводительных приложениях, таких как гоночные яхты или морские комбатанты, композиты из углеродного волокна снижают вес на 50% или более по сравнению с алюминием, что приводит к более быстрым скоростям, более высокой полезной нагрузке и большей топливной эффективности. Это преимущество веса также снижает структурную нагрузку на опорные рамы и фундаменты, что позволяет более тонкие, более эффективные конструкции.

Гибкость дизайна и сложная геометрия

Поскольку FRPs образуются путем наслоения волоконных арматуры и смолы в форм, они могут быть сформированы практически в любую геометрию - изогнутые панели, сложные обтекатели, интегрированные жесткости и конические секции - без дорогостоящей обработки или сварки, необходимой для металлов. Это позволяет морским инженерам оптимизировать гидродинамические формы, уменьшить сопротивление придатка и консолидировать детали. Например, одно FRP формование может заменить десятки металлических компонентов, устраняя крепежные элементы и подверженные утечке соединения. Возможность встраивания вставок, сотовых ядер или пенообразующих ядер еще больше расширяет возможности проектирования.

Электрическая и тепловая изоляция

В отличие от металлических конструкций, FRPs являются электрически непроводящими и имеют низкую теплопроводность. Это выгодно для морских электрических корпусов, радиолокационных прозрачных куполов и трубопроводных систем, которые переносят горячие или холодные жидкости. На морских платформах решетка FRP и поручни снижают риск поражения электрическим током и предотвращают передачу тепла с палубы, подвергшейся воздействию солнца. Однако эти же изоляционные свойства означают, что FRPs предлагают плохую защиту от удара молнии, поэтому проводящие слои сетки или волокна должны быть включены при необходимости.

Усталость сопротивление

Композиты обычно демонстрируют отличные усталостные характеристики по сравнению с металлами. При циклической нагрузке, такой как волновая изгиб корпуса или вибрация вала винта, FRPs могут выдерживать миллионы циклов без значительной потери жесткости, при условии, что напряжение остается в пределах проектных ограничений. Композиты из углеродного волокна, в частности, превосходят алюминий и сталь в сценариях усталости высокого цикла. Это свойство имеет решающее значение для лопастей морских ветряных турбин, которые должны выдерживать десятилетия порыв-индуцированных моментов изгиба.

Механические и экологические проблемы

Устойчивость и жесткость воздействия

Хотя FRPs сильны в напряжении, они могут быть уязвимы к ударному повреждению - особенно низкоскоростным воздействиям от доков, мусора или сброшенных инструментов. Хрупкая природа многих термореактивных смол означает, что жесткий удар может вызвать растрескивание матрицы, расслоение или разрыв волокна, который не виден на поверхности. Этот "едва видимый ударный ущерб" (BVID) может серьезно снизить прочность на сжатие и привести к внезапному отказу, если его не обнаружить. Для смягчения этого дизайнеры все чаще используют жесткие системы смолы, включают защитные гелевые покрытия или используют сэндвич-структуры с ударопоглощающими ядрами. Арамидные волокна также повышают ударопрочность из-за их высокой пластичности.

УФ-деградация

Длительное воздействие солнечного ультрафиолетового (УФ) излучения разрушает полимерную матрицу, вызывая мелирование поверхности, микротрещину и потерю блеска. Хотя это не сразу ставит под угрозу структурную целостность, оно может позволить проникновению влаги и ускорить более глубокие повреждения. Морские структуры FRP должны быть защищены УФ-стойкими гелевыми покрытиями, системами краски или запатентованными УФ-стабилизированными составами смолы. Регулярный осмотр и ограждение являются частью типичного управления жизненным циклом.

Поглощение воды и осмос

Погружение в морскую воду неизбежно приводит к поглощению влаги в полимерную матрицу, которая может пластифицировать смолу, снизить температуру стеклования и создать внутренние напряжения. В плохо отвержденных или некачественных ламинатах водорастворимые химические вещества могут выщелачиваться и образовывать осмотические пузыри - пузырьки, которые поднимают гелеобразную оболочку от ламината. Эта проблема, известная как осмос, преследовала ранние корпуса лодок FRP, но в значительной степени была смягчена с помощью передовых смол (например, изофталический полиэстер, виниловый эфир, эпоксидная кислота) и надлежащих производственных средств управления. Тем не менее, поглощение влаги остается конструктивным соображением для долгосрочных погруженных применений, таких как гидролокационные купола и подводные трубопроводы.

Огонь, дым и токсичность

Органические полимерные матрицы горючи. В пожаре FRPs могут воспламеняться, выделять плотный дым и производить токсичные пары. Для пассажирских судов, морских судов и морских жилых модулей правила пожаротушения требуют использования огнезащитных смол, интумесцентных покрытий или пассивных слоев противопожарной защиты. Фенольные смолы часто выбираются для их низкого дыма и распространения пламени, хотя они более хрупкие и поглощают больше влаги. В критических структурных элементах иногда необходимо сочетание FRP с огненными барьерами или даже полная замена сталью в ключевых областях.

Восстановимость и присоединение

Ремонт поврежденных конструкций ФРП более сложен, чем сварка стали. Композитный ремонт требует тщательной подготовки поверхности, соответствия ориентации волокна и химии смолы и контролируемых условий отверждения. В полевых условиях это может быть сложным. Аналогичным образом, присоединение компонентов ФРП друг к другу или к металлическим конструкциям требует особого внимания к переносу нагрузки, гальванической изоляции с металлами и уплотнению от влаги. Болтовые соединения должны быть спроектированы с большими шайбами, чтобы избежать дробления ламината, а склеенные соединения требуют жесткого выбора клея и очистки поверхности.

Основные материалы и типы волокон

Стеклянные волокна

Электростекло (электрическое стекло) является наиболее распространенным армированием в морских FRPs из-за его низкой стоимости и адекватных механических свойств. Стекло S имеет более высокую прочность и модуль, используется в высококлассных гоночных корпусах и военных приложениях. Стекловолокна чувствительны к влаге и могут страдать от коррозии под напряжением в кислых средах, но для общего морского использования они хорошо работают. Они также являются отличным изолятором, что делает их идеальными для радомных конструкций.

Углеродные волокна

Композиты из углеродного волокна обеспечивают наивысшую удельную жесткость и прочность на растяжение любого практического армирования. Они все чаще встречаются в высокопроизводительных яхтах, мачтах, пропеллерах, авианосцах и глубоководных погружных аппаратах. Однако углерод является электропроводящим, создавая риск гальванической коррозии при контакте с металлами. Слои изоляции (например, стеклянная ткань или эпоксидное покрытие) должны быть размещены между углеродом и алюминием или сталью. Углеродные волокна также имеют низкую ударопрочность по сравнению со стеклом или арамидой и являются более дорогостоящими.

Арамидские волокна

Арамида (например, Kevlar 49) обеспечивает отличную прочность и ударопрочность, что делает ее полезной в районах, подверженных столкновениям или взрывной нагрузке. Она также имеет отрицательный коэффициент теплового расширения вдоль направления волокна, который может быть использован в гибридных композитах. Арамида более восприимчива к УФ-деградации и поглощению влаги, чем углерод, и ее трудно разрезать или ломать из-за ее волокнистой природы. Она часто сочетается со стеклом или углеродом в гибридных ламинатах.

Системы полимерных матриц

Полиэфирные смолы

Ортофтальный полиэстер является стандартной недорогой смолой для некритических морских деталей, но он склонен к поглощению воды и имеет ограниченную коррозионную стойкость. Изофтальский полиэстер предпочтителен для ламинатов корпуса и предлагает лучшую устойчивость к гидролизу. Полиэфирные смолы лечат с помощью усадки и выделяют стирол, требующий вентиляции. Они адекватны для многих прогулочных катеров и вторичных конструкций.

Виниловые эфирные смолы

Виниловый эфир устраняет разрыв между полиэфиром и эпоксидным, предлагая превосходную химическую и влагостойкость. Он обычно используется для высокопроизводительных корпусов, трубопроводов и коррозионностойкого оборудования. Ламинаты винилового эфира испытывают меньшую усадку и меньше осмотических волдырей. Он лечит быстрее, чем эпоксидный, и часто выбираются для крупных конструкций, изготовленных инфузионными процессами.

Эпоксидные смолы

Эпокси обеспечивают самые высокие механические свойства, адгезию и устойчивость к воде и химическим веществам. Они обязательны для большинства компонентов углеродного волокна и широко используются в военно-морском и аэрокосмическом морских применениях. Эпоксии дороже, требуют точных коэффициентов смешивания и часто нуждаются в повышенных температурных отверждениях для достижения максимальных свойств. Они также имеют более низкие выбросы стирола, что приносит пользу безопасности работников.

Производственные процессы для морских FRP

Ручная прокладка и распыление

Самый старый и гибкий способ предполагает насыщение волоконных ковриков или тканое ровирование смолой вручную с помощью роликов. Он трудоемкий и производит несогласованную толщину и содержание волокон, но подходит для одноразовых деталей и ремонта. В распылении используется нарезанное волокно и смола-распылитель, предлагающий более высокие скорости осаждения, но более низкие механические свойства. Оба метода заменяются для производственной работы процессами закрытой формы.

Вакуумно-ассистируемое литье для переноса смолы (VARTM)

ВАРТМ является доминирующим процессом для крупных морских конструкций, таких как корпуса, палубы и лопасти ветровых турбин. Преформы сухого волокна укладываются в форму, покрытую вакуумным мешком, а смола вытягивается в вакууме. Это дает высокий объем волокна, низкое содержание пустоты и отличную повторяемость. ВАРТМ также снижает воздействие на рабочих летучих органических соединений. Многие верфи теперь строят секции корпуса таким образом, достигая пустотных фракций ниже 1%.

Пре-прег Lay-Up и Autoclave Curing

Для требовательных компонентов, требующих жестких допусков и максимальной механической производительности, таких как гоночные переборки яхт или военные радомы, предварительно пропитанные листы волокна (предпрегов) укладываются и отверждаются в автоклаве под давлением и теплом. Предпреговки обеспечивают точное содержание смолы и очень низкую пористость. Размер автоклава ограничивает размеры деталей, что делает этот метод непрактичным для целых корпусов, но идеально подходит для небольших, сильно нагруженных предметов.

Проектирование морских конструкций FRP

Строительство Sandwich

Многие морские структуры FRP используют легкое ядро — бальзам, пенопласт с закрытыми ячейками или сотовую пену — между двумя тонкими шкурами. Это расположение сэндвича резко улучшает жесткость и гибкость с минимальным увеличением веса. Коры также поглощают энергию удара и обеспечивают теплоизоляцию. Однако правильная связь ядра с кожей имеет решающее значение; дебондинг может привести к пристегнутию кожи. В корпусах лодок пенные ядра предпочтительнее в зонах нагрузки, чтобы противостоять попаданию воды, в то время как бальза используется для верхушек.

Совместный дизайн и дизайн подключения

Для присоединения компонентов FRP требуется тщательное рассмотрение путей нагрузки и концентраций напряжений. Стыковые соединения должны иметь длинные длины перекрытия и постепенные сужения для уменьшения напряжений кожуры. Для болтовых соединений используйте шайбы большого диаметра, избегайте расстояний по краям менее 3-4 диаметра отверстия и включайте богатый волокном слой на поверхности для предотвращения дробления. При подключении FRP к металлу, упругий герметик и слой изоляции стекла или полимера предотвращают гальваническую коррозию и фиксацию воды.

Экологическая квалификация

Морские ПФР должны быть проверены на соответствие соответствующим стандартам (например, ISO 12215 для малых судов, правила DNV GL для судов или требования ABS). Ключевые испытания включают погружение в воду при повышенных температурах, воздействие ультрафиолета, испытание на удар и реакцию огня (распространение пламени, плотность дыма). Разрешенные конструкции часто берутся из испытаний купонов в насыщенных условиях для учета долгосрочных эффектов влаги.

Применение в морской инженерии

Строительство корпуса

Корпуса FRP доминируют на рынке малых и средних судов - катера удовольствия, рыболовные суда, патрульные катера и яхты. Более крупные суда (более 50 метров) традиционно были стальными, но углеродное волокно вторгается в мегаяхты и морские корветы. Корвет ВМС США M80 Stiletto и шведский корвет класса Visby используют обширные композиты из углеродного волокна, демонстрируя осуществимость больших военных кораблей FRP. Преимущества включают уменьшенную магнитную сигнатуру, более низкое сечение радара и меньший вес для более высокой скорости.

Оффшорные компоненты платформы

На нефтегазовых платформах используются решётки, поручни, кабельные лотки, дорожки, облицовка и трубопроводы. Эти компоненты противостоят брызгам соленой воды, химическим разливам и не требуют окраски. Стеклоусиленный виниловый эфир является материалом выбора для пожаробезопасной решетки, соблюдая правила пожаротушения на море. Также растут композитные трубопроводы для пожарной магистрали и охлаждения морской воды, с соединениями, выполненными клеевыми склеиваниями или фланцевыми соединениями.

Подводные сооружения и трубопроводы

ФРП используются для водозаборных труб, выпадающих диффузоров и туннельных накладок из-за их коррозионной стойкости. Углеродистое волокно армированного полимера (КФРП) используется для ремонта и укрепления морских подъемников, трубопроводов и конструктивных элементов без горячей работы. Подводные ремонтные обертки из стекла или углеродного волокна и настоя из быстроотверждающейся эпоксидной кислоты могут восстанавливать прочность поврежденных стальных свай.

Надстройки и декши

На круизных судах и паромах надстройки FRP снижают максимальный вес, улучшая стабильность и комфорт пассажиров. Палочки, мебель и двери выигрывают от формовочности FRP и огнестойких марок. Круизная индустрия все чаще определяет композиционные панели для чувствительных к весу областей, таких как верхние палубы и балконные конструкции.

Жизненный цикл и устойчивость

FRPs предлагают длительный срок службы с низкими затратами на обслуживание, что способствует снижению затрат на жизненный цикл. Однако утилизация в конце срока службы остается проблемой. Композиты термореактивного типа не подлежат вторичной переработке так же, как термопласты. Механическая переработка (смола в наполнитель) или сжигание с рекуперацией энергии являются текущими вариантами, но исследования продвигаются к химической переработке (солволиз) матричного и волоконного восстановления. Морская промышленность также изучает био-смолы и натуральные волокна (флакс, конопля) для вторичных структур для снижения воздействия на окружающую среду.

Будущие правила, такие как директива Европейского союза по одноразовым пластмассам, могут распространяться на композиционные продукты, стимулируя инновации в конструкции кругового материала.

Будущие тенденции

Текущие разработки включают в себя высокопроизводительные внеавтоклавные процессы, подходящие для производства на верфи, гибридные композиты с несколькими типами волокон, оптимизированными для стоимости и производительности, и интеллектуальные композиты со встроенными датчиками для мониторинга структурного здоровья. Аддитивное производство (3D-печать) непрерывных волоконных композитов появляется для морских запасных частей и небольших инструментов. Электрические и водородные суда потребуют легких конструкций для компенсации веса батареи, что еще больше повышает принятие FRP. Композиты, которые включают огнестойкие составы и улучшенную устойчивость к ультрафиолетовому излучению, находятся в активной разработке.

Для получения более подробных технических рекомендаций по выбору, проектированию и испытаниям FRP в морской среде, обратитесь к обзору отрасли CompositesWorld , ABS Guide for Building and Classing Marine Composite Vessels и TWI ресурса знаний о материалах FRP . Эти источники предлагают авторитетные данные для инженеров на всех уровнях опыта.