現(xiàn)代船舶建造中的碳纖維復(fù)合材料

一艘?guī)缀跞坎捎幂p質(zhì)高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料制成的雙體船即將以太陽(yáng)能為動(dòng)力開(kāi)始環(huán)球航行。德國(guó)SGL Technologies有限公司的歐洲區(qū)技術(shù)總監(jiān)Jurgen Klimke和技術(shù)銷(xiāo)售經(jīng)理Daniel Rothmann介紹了這個(gè)名為PlanetSolar的項(xiàng)目。

人們嘗試了許多種特別的形式來(lái)進(jìn)行環(huán)球旅行。無(wú)論是在陸地上、海上還是空中，只要一有相關(guān)的技術(shù)出現(xiàn)，就會(huì)涌現(xiàn)一些項(xiàng)目利用各種可能的方式嘗試使這些夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)?？紤]到成功之后的全球知名度和名譽(yù)，總是有各種新的項(xiàng)目出現(xiàn)，讓我們充滿(mǎn)驚喜。
采用碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）制成的雙體船，再加上所裝配的最新的光伏技術(shù)，使得該船的全球航行成為環(huán)球航行史上最獨(dú)特的一個(gè)項(xiàng)目。TuANOR PlanetSolar號(hào)雙體船利用太陽(yáng)能為動(dòng)力，計(jì)劃于2011年開(kāi)始環(huán)球航行。瑞士人Raphael Domjan和法國(guó)人Gérard d'Aboville將駕駛這艘31米長(zhǎng)、15米寬的雙體船橫跨世界各大海洋。探險(xiǎn)家d'Aboville是第一個(gè)在1980年劃船橫跨大西洋的人，后來(lái)他又橫跨了太平洋。

內(nèi)容來(lái)自123456

減重至最輕

該雙體船上裝有500m2以上的太陽(yáng)能模塊。這些光伏單元安裝在甲板和尾板的外表面上。但是最大的挑戰(zhàn)之一還是如何存儲(chǔ)足夠的太陽(yáng)能，以便船能夠在黑暗中保持航行。為達(dá)到這一目標(biāo)，該船使用了最新的鋰離子電池，總重大約11噸。這些電池分別安裝在左側(cè)和右側(cè)的船體上。
為了將船艇航行時(shí)的能量損耗減至最低，需要通過(guò)采用新型的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)技術(shù)，以盡可能地減輕船艇結(jié)構(gòu)的重量。在船體結(jié)構(gòu)中采用碳纖維增強(qiáng)塑料，能夠以較低的重量成功達(dá)到優(yōu)異的力學(xué)性能。
船上的四個(gè)電機(jī)由電力強(qiáng)大的電源提供，可以提供最高達(dá)120 kW的輸出功率。該雙體船由兩個(gè)大型的推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)和駕駛，推進(jìn)器也是由碳纖維復(fù)合材料制成的，安裝在每個(gè)船體的尾端。兩個(gè)推進(jìn)器可以獨(dú)立控制，使船在預(yù)定的航道上航行。船的最高速度大約為14節(jié)（海里/小時(shí)）。 123456
PlanetSolar這次非常安靜和環(huán)保的全球航行計(jì)劃用時(shí)160小時(shí)左右。途中該船將沿著赤道停靠幾站，以給全球更多的觀(guān)眾一個(gè)機(jī)會(huì)來(lái)更多地了解這個(gè)獨(dú)一無(wú)二的項(xiàng)目。
該艘巨大的雙體船目前在德國(guó)Kiel的Knierim Yachtbau造船廠(chǎng)差不多已經(jīng)完工，初步的測(cè)試已經(jīng)在2010年3月20日的命名和下水儀式后成功完成了。但在2011年開(kāi)始的環(huán)球航行之前，還要進(jìn)行大量細(xì)致的工作和測(cè)試，以保證項(xiàng)目的成功。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)



Knierim Yachtbau是一家歷史悠久的公司，專(zhuān)門(mén)建造各種高科技的游艇。該公司是采用復(fù)合材料建造新型船艇的領(lǐng)先制造商，已憑借大量項(xiàng)目獲得了良好的名聲。
例如，Knierim Yachtbau在2008年成功完成了諸如UCA，最大的德國(guó)海洋賽艇和Container項(xiàng)目。德國(guó)的第一艘美洲杯賽艇也出自基爾的這家造船廠(chǎng)。Knierim Yachtbau最新推出了一艘10米長(zhǎng)的新型高級(jí)賽艇，具有快速、超現(xiàn)代的船體形狀，據(jù)說(shuō)駕駛體驗(yàn)不同尋常。同樣的，碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異性能也在船體結(jié)構(gòu)中得到了發(fā)揮和利用，桅桿制造商也同樣從中獲益。

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位于Kiel的這座造船廠(chǎng)擁有40多年的船艇建造經(jīng)驗(yàn)，特別是在復(fù)合材料和碳纖維材料的利用方面擁有大量的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。因此，他們?cè)赥uANOR PlanetSolar的建造計(jì)劃中再次決定采用碳纖維并不值得驚訝。
這艘船的重量必須輕，而且結(jié)構(gòu)必須非常穩(wěn)固，以滿(mǎn)足遠(yuǎn)海的惡劣環(huán)境。經(jīng)歷了從單體船到三體船的幾次提案，該公司最終選擇了新西蘭LOMOcean 公司總監(jiān)Craig Loomes設(shè)計(jì)的雙體船。
TuANOR PlanetSolar雙體船的設(shè)計(jì)基于“穿浪”原理建成。也就是說(shuō)雙體船的兩個(gè)船身會(huì)劃過(guò)海洋中的波浪前進(jìn)，從而幫助船艇在水中保持一個(gè)穩(wěn)定的位置。
船在環(huán)航過(guò)程中會(huì)遭遇險(xiǎn)惡的氣候條件，船艇可能受到的高應(yīng)力要求船身必須采用高強(qiáng)度碳纖維。Knierim Yachtbau公司的兩個(gè)董事總經(jīng)理之一Steffen Muller指出，暴風(fēng)雨條件下的應(yīng)力不可低估，因?yàn)樵趹嵟牟?，中間的船體也要穿過(guò)波浪。



在Kiel的船體生產(chǎn)過(guò)程中，大多數(shù)工作是在真空壓縮工藝中采用手糊方式進(jìn)行的，從而確保了最優(yōu)化的纖維體積含量。船體模具是由Knierim Yachtbau公司自己生產(chǎn)的，該公司采用其擁有的數(shù)控五軸銑床制造桅桿模型和模具。
Knierim造船廠(chǎng)的模具部門(mén)也設(shè)計(jì)和生產(chǎn)其他行業(yè)用的模具，例如風(fēng)能行業(yè)的葉片和汽車(chē)零部件。用于TuANOR PlanetSolar號(hào)的這些模具采用鋼質(zhì)底架和Styropor®高強(qiáng)度彈性泡沫制成，采用教控銑床加工成正確的外形。由于該船的尺寸非常巨大，船身和甲板的模具都被分成三段，然后在生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)組裝起來(lái)形成完整的模具。
總計(jì)起來(lái)，該船建造過(guò)程中一共使用了20多噸的碳纖維、11噸以上的泡沫芯材和20多噸的環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑。

碳纖維

該船所使用的碳纖維材料由總部位于德國(guó)Wiesbaden的SGL集團(tuán)提供。在TuANOR PlanetSolar號(hào)的建造過(guò)程中，Knierim公司使用了三種不同的碳纖維形式：?jiǎn)蜗蚩椢铩?00-400 g/m2的雙軸向織物和相同密度的碳纖維編織物。


在多層織物的制造過(guò)程中，例如雙向織物，不同的織物層被相互排列成一定的角度（例如±45°），然后用聚酯線(xiàn)全自動(dòng)地縫編在一起。這種方法可以在各纖維原絲之間產(chǎn)生非常好的粘結(jié)力，使得織物在船身模具之內(nèi)更加容易鋪放和排列。
這些織物的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是，它們不像編織物，其纖維總是直的，不會(huì)彎曲。因此，碳纖維非常高的固有強(qiáng)度和剛度值被保留下來(lái)，機(jī)械張力和壓力可以被織物結(jié)構(gòu)很好地吸收掉。此外，除了單向和雙向織物，還可以定制3-4層的特殊結(jié)構(gòu)，以滿(mǎn)足特殊的載荷要求。



通過(guò)采用這些多層織物，可以減少在模具中鋪放纖維的工作量。此外，只有一種由不同密度的纖維組成的整體織物需要鋪放。這就為使用者節(jié)約了生產(chǎn)時(shí)間和成本。在真空壓縮或真空灌注的手糊過(guò)程中，這種織物設(shè)計(jì)使得其中的粗紗具有良好的浸潤(rùn)性，因此可以獲得很好的部件質(zhì)量。
在這些織物的生產(chǎn)中，SGL主要采用了其在蘇格蘭和美國(guó)工廠(chǎng)生產(chǎn)的SIGRAFIL ®C系列碳纖維。目前，SGL生產(chǎn)兩種不同類(lèi)型的碳纖維：50k的高絲束碳纖維和24k的碳纖維。這些纖維所使用的標(biāo)準(zhǔn)原料為聚丙烯腈（PAN），其中含有大量的有機(jī)聚合物成分和高碳含量。
在精確控制的溫度下，經(jīng)過(guò)連續(xù)的氧化和碳化過(guò)程，就會(huì)產(chǎn)生碳纖維的基礎(chǔ)材料。這些工藝之后，就是采用不同的浸潤(rùn)劑進(jìn)行表面處理，例如聚氨酯和環(huán)氧樹(shù)脂。在TuANOR PlanetSolar的項(xiàng)目中，碳纖維采用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行浸潤(rùn)。在TuANOR PlanetSolar中采用多軸向編織物之前，這些織物和SGL的SIGRAFIL ®C系列碳纖維首先必須通過(guò)德國(guó)船級(jí)社（Germanischer Lloyd ：GL）對(duì)于船艇特殊要求的認(rèn)證。

獨(dú)一無(wú)二的項(xiàng)目

TuANOR PlanetSolar號(hào)為新型碳纖維材料的應(yīng)用創(chuàng)造了很好的機(jī)會(huì)。碳纖維雙體船采用了高性能的材料和最新的技術(shù)，滿(mǎn)足了這一獨(dú)特且知名的項(xiàng)目對(duì)與船艇的所有要求。與其他行業(yè)一樣，環(huán)保概念是未來(lái)的一大需求，該船由于其輕量的結(jié)構(gòu)及所采用的光伏技術(shù)，成為國(guó)際船艇建造領(lǐng)域中的一座里程碑。 123,123
在這艘85噸重的船艇徹底完工之前，還需要大約68000個(gè)工時(shí)。這一時(shí)刻將在2011年春季到來(lái)，屆時(shí)該船將開(kāi)始她的環(huán)球航行。航行路線(xiàn)將從地中海開(kāi)始，然后沿著西向環(huán)球航行。這次探險(xiǎn)將經(jīng)過(guò)的地點(diǎn)包括紐約、舊金山、新加坡、迪拜等。我們期待著追蹤這次探險(xiǎn)的進(jìn)展，并希望環(huán)航安全順利，取得圓滿(mǎn)成功。