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当复合材料的特点及在船舶中的应用

发布时间:2021-09-10 03:59:15 阅读: 来源:压力机厂家

复合材料的特点及在船舶中的应用

近数十年复合材料在船舶制造中的应用越来越普遍。随着材料、施工方法以及应用上的改进,船只的安全性和可靠性都得到了增强,从而保证了乘客和机组人员的安全不叫实验机。

层合板是通过挤压或加热把多层的复合材料与单个的薄板黏合在一起制成的。夹芯复合材料(或三明治复合材料)被定义为夹在两块层压复合面层中的夹芯材料。夹芯复合材料的两个层面提供了所需的弯曲度和平面剪切刚度并承载了轴向、弯曲和剪切载荷,类似于I型梁的翼缘,被夹芯材料隔开,用来抵抗弯曲载荷。夹芯材料更像I型梁的腹板用来抵抗弯曲载荷,通过把面层分开的方式帮助增强整个结构的刚度。

对于船舶产业,复合材料是比较新的应用材料,仅在过去的50年中开始投入使用。传统的造船材料是木材、钢铁和铝。虽然大型船艇主要是由钢材制成,但复合材料有时也会用在船舶上层建筑和内部组件上。玻璃纤维增强塑料(GRP),纤维增强塑料(FRP)的一种,首次于20世纪50年代应用于海军人员的船只。从那时起,玻璃钢材料在快艇、游艇、表演船艇(如赛艇)以及诸如拖渔船的小型商业船只上的使用得到了普遍的认可。玻璃钢的好处包括改善了比强度、比刚度以及耐腐蚀性。近年来常被作为长时间药物控释载体复合材料在较大船只上的使用不断增加,主要用于高速客船。然而,玻璃纤维增强塑料(GRP)在大型船只建造上的使用受到了限制,部分是因为船体变形的问题,可能导致螺旋桨轴系和管道安排的问题。

关于复合材料一个严重的问题是它们支持燃烧。绝缘可以帮助减少伴有复合材料引爆的火灾的危害,但事实是我们对复合材料进行改善之前,必须对其可燃烧行为有更多的理解。就着点火和火焰传播与木材相比,一些复合材料的安全性也是相当不错的。性能的好坏主要是看用在复合材料中树脂的类型。伴有烟雾的危害,以及燃烧塑料时所释放出的有毒物质的危害,是关系乘客安全和腐蚀电子元件的一个主要方面。就烟雾的产生而言,玻璃钢船体系统通常比同样的木制船体系统能产生更多的烟雾。

树脂

树脂被划分为热固性的和热塑性的。热固性树脂暴露在高温下时不会被软化而热塑性树脂可以。热固性树脂几乎只用在船舶中,比如聚酯树脂和环氧树脂。其优势是有广泛的配方、抗高温、有良好的耐溶剂性和耐腐蚀性(在海洋环境中一个明确的优势)和良好的机械和电性能。缺点包括在固化(液体到固体)、收缩阶段发生放热反应。

决定使用某种类型的树脂基于几个因素。就正常操作环境中的防潮性和强度而言,环氧树脂有着优越的性能,但相对较高的成本和差的耐热性都妨碍了它们在大型应用中的广泛使用。相对而言,聚酯树脂要便宜一些,有着良好的耐化学性,很容易使用。总的来说,较小的船只经常使用环氧树脂,尤其是木材船,经常是由浸透在环氧树脂中的薄木板经过冷成型(层压)后形成的。

由传统的加衬方式制成的木头船经常涂有一层环氧树脂或是被在环氧树脂中浸湿了的船布覆盖起来。聚酯树脂在其他方面也是很常用的,比如GRP船体和完全由GRP 材料制成的小型商业船只。美国对商业船只的规定要求使用的阻燃树脂必须达到军用规格MIL-R-21607。

增强材料

最常用的增强材料是玻璃纤维,占整个增强塑料行业所使用纤维的90%以上。玻璃纤维相对便宜,有良好的比强度。

聚合物纤维,如Kevlar以及其他重量轻、强度大的芳纶纤维,昂贵的价格限制了它们主要用在军事上。聚酯和尼龙纤维也属于聚合物纤维。在大多数船舶应用中,都不会因为聚合物纤维的优点而不考虑到其成本的高低。

在所有增强纤维中,碳纤维有着最高的强度和刚度,还具有极好的高温性能。由于成本太高,阻碍了其在各行业的应用,但最专业的应用领域除外。碳纤维常用于刚度和低重量都非常重要的高性能船上。

增强材料的结构

增强纤维有几种不同的形式,从连续原丝到错综复杂的织物。形式的选择取决于接合方法和层压板的结构要求。某些应用方面(比如车身和小船)采用相对粗陋的方法:“切碎喷城市区域环境振动丈量方法GB 10071⑻8枪”用来链接纤维短切原丝,约以5厘米(2英寸)的长度,树脂也被当做组成部分喷入模具,用这样的方法很难控制最终树脂和纤维的比例。其他接合方法包括在模具中用树脂将织物、薄毡或无捻粗纱织物浸湿。

织物增强材料包括布或方格布。布是典型的轻重量(每平方米200到340克)。方格布是由一束以特殊的编制方式编制而成的连续纤维原丝组成。(像绳子但不弯曲)。方格布有较重的重量也是可以被使用的(每平方米815克),其中在船舶应用中最为普遍。方格布可以有不同方向的强度,它们比普通布或薄毡有第2种是石墨烯与金属氧化物复合更强的抗冲性。

增强毡由非织造短切纱或连续纤维原丝构成。

增强材料的结构类型还有编织的、单项的和多轴向的,但它们在船舶中的使用是有限的。

大多数船只的构建都使用短切原丝毡和方格布相结合的方式。玻璃钢层板通常为提供某种服务的船只而设。船只的大小和航行的环境也是其中的两个方面。船只建造计划通常包括层压板流程详细说明和每个部件的接合过程。

夹芯材料

蜂窝

蜂窝材料包括铝、芳纶纸(Nomex)和酚醛树脂浸渍玻璃纤维。蜂窝芯材广泛用于飞机制造业已经有多年的历史了。蜂窝芯材在船舶上的应用却很有限,因为在复杂几何形状焊接上有很大的困难,也因为蜂窝芯材具有吸水性。然而,它可以使面板变得非常轻便、坚硬,这可能对内部结构和桥面板是有用的,虽然在这些应用中是罕见的。一个看起来非常成功的使用蜂窝芯材的例子是在赛艇的壳体建造中使用,其中刚度、重量轻都是重要的。

胶合板

胶合板有时用在需要加强作用的地方。贯穿船体的配件或其他硬件安装领域,有时用胶合板夹材来取代密度较低的芯材。GRP作为胶合板结构的护套料是较为常见的,例如在一个小船的舱壁上,一层薄薄的玻璃钢将用于保护胶合板免受磨损,并应用于防潮屏障。

热固性泡沫材料

热固性泡沫材料,如蜂窝醋酸纤维素、聚苯乙烯及聚氨酯重量很轻(密度约为32 kg/m3),有着很好的抗水性和抗腐蚀性。由于热固性泡沫材料具有较低的强度性能,聚苯乙烯与聚酯树脂是不兼容的,因此他们的使用通常限制在浮力上面,而不是结构上。热固性泡沫材料经常被用来作为现场发泡材料来填补小船船体空隙。

PVC泡沫材料

PVC泡沫材料有两种类型:交联的和线状的。基本区别是,线状PVC泡沫材料由于分子结构是非连接的,所以具有特有的材料特性,这使得它比交联泡沫材料和其他夹芯材料(如轻木)有更大的冲击载荷承受力。PVC泡沫材料的密度低至32 kg/m3的时候也是可用的。

轻木

横切巴沙木是船舶应用中最常用的芯材。成本低,良好的刚性和黏合强度使它成为船舶制造商的普遍选择。与PVC泡沫夹材相比,轻木夹芯材料的缺点是耐冲性较低,尽管轻木空心板通常都具有较高的静强度。轻木夹芯材料可用在平板构造的片状中或为形成复杂曲线的方块切割安排中。(end)

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