現(xiàn)代船舶建造中的碳纖維復合材料

一艘?guī)缀跞坎捎幂p質高強度碳纖維復合材料制成的雙體船即將以太陽能為動力開始環(huán)球航行。德國SGL Technologies有限公司的歐洲區(qū)技術總監(jiān)Jurgen Klimke和技術銷售經(jīng)理Daniel Rothmann介紹了這個名為PlanetSolar的項目。

人們嘗試了許多種特別的形式來進行環(huán)球旅行。無論是在陸地上、海上還是空中，只要一有相關的技術出現(xiàn)，就會涌現(xiàn)一些項目利用各種可能的方式嘗試使這些夢想成為現(xiàn)實?？紤]到成功之后的全球知名度和名譽，總是有各種新的項目出現(xiàn)，讓我們充滿驚喜。
采用碳纖維增強塑料（CFRP）制成的雙體船，再加上所裝配的最新的光伏技術，使得該船的全球航行成為環(huán)球航行史上最獨特的一個項目。TuANOR PlanetSolar號雙體船利用太陽能為動力，計劃于2011年開始環(huán)球航行。瑞士人Raphael Domjan和法國人Gérard d'Aboville將駕駛這艘31米長、15米寬的雙體船橫跨世界各大海洋。探險家d'Aboville是第一個在1980年劃船橫跨大西洋的人，后來他又橫跨了太平洋。

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減重至最輕

該雙體船上裝有500m2以上的太陽能模塊。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)之一還是如何存儲足夠的太陽能，以便船能夠在黑暗中保持航行。為達到這一目標，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和右側的船體上。
為了將船艇航行時的能量損耗減至最低，需要通過采用新型的輕質結構技術，以盡可能地減輕船艇結構的重量。在船體結構中采用碳纖維增強塑料，能夠以較低的重量成功達到優(yōu)異的力學性能。
船上的四個電機由電力強大的電源提供，可以提供最高達120 kW的輸出功率。該雙體船由兩個大型的推進器驅動和駕駛，推進器也是由碳纖維復合材料制成的，安裝在每個船體的尾端。兩個推進器可以獨立控制，使船在預定的航道上航行。船的最高速度大約為14節(jié)（海里/小時）。 123456
PlanetSolar這次非常安靜和環(huán)保的全球航行計劃用時160小時左右。途中該船將沿著赤道?？繋渍?，以給全球更多的觀眾一個機會來更多地了解這個獨一無二的項目。
該艘巨大的雙體船目前在德國Kiel的Knierim Yachtbau造船廠差不多已經(jīng)完工，初步的測試已經(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年開始的環(huán)球航行之前，還要進行大量細致的工作和測試，以保證項目的成功。

復合材料結構



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

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位于Kiel的這座造船廠擁有40多年的船艇建造經(jīng)驗，特別是在復合材料和碳纖維材料的利用方面擁有大量的技術和經(jīng)驗。因此，他們在TuANOR PlanetSolar的建造計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，而且結構必須非常穩(wěn)固，以滿足遠海的惡劣環(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設計的雙體船。
TuANOR PlanetSolar雙體船的設計基于“穿浪”原理建成。也就是說雙體船的兩個船身會劃過海洋中的波浪前進，從而幫助船艇在水中保持一個穩(wěn)定的位置。
船在環(huán)航過程中會遭遇險惡的氣候條件，船艇可能受到的高應力要求船身必須采用高強度碳纖維。Knierim Yachtbau公司的兩個董事總經(jīng)理之一Steffen Muller指出，暴風雨條件下的應力不可低估，因為在憤怒的波濤之中，中間的船體也要穿過波浪。



在Kiel的船體生產(chǎn)過程中，大多數(shù)工作是在真空壓縮工藝中采用手糊方式進行的，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造船廠的模具部門也設計和生產(chǎn)其他行業(yè)用的模具，例如風能行業(yè)的葉片和汽車零部件。用于TuANOR PlanetSolar號的這些模具采用鋼質底架和Styropor®高強度彈性泡沫制成，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)車間內組裝起來形成完整的模具。
總計起來，該船建造過程中一共使用了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Wiesbaden的SGL集團提供。在TuANOR PlanetSolar號的建造過程中，Knierim公司使用了三種不同的碳纖維形式：單向織物、300-400 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°），然后用聚酯線全自動地縫編在一起。這種方法可以在各纖維原絲之間產(chǎn)生非常好的粘結力，使得織物在船身模具之內更加容易鋪放和排列。
這些織物的另一個優(yōu)勢就是，它們不像編織物，其纖維總是直的，不會彎曲。因此，碳纖維非常高的固有強度和剛度值被保留下來，機械張力和壓力可以被織物結構很好地吸收掉。此外，除了單向和雙向織物，還可以定制3-4層的特殊結構，以滿足特殊的載荷要求。



通過采用這些多層織物，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)時間和成本。在真空壓縮或真空灌注的手糊過程中，這種織物設計使得其中的粗紗具有良好的浸潤性，因此可以獲得很好的部件質量。
在這些織物的生產(chǎn)中，SGL主要采用了其在蘇格蘭和美國工廠生產(chǎn)的SIGRAFIL ®C系列碳纖維。目前，SGL生產(chǎn)兩種不同類型的碳纖維：50k的高絲束碳纖維和24k的碳纖維。這些纖維所使用的標準原料為聚丙烯腈（PAN），其中含有大量的有機聚合物成分和高碳含量。
在精確控制的溫度下，經(jīng)過連續(xù)的氧化和碳化過程，就會產(chǎn)生碳纖維的基礎材料。這些工藝之后，就是采用不同的浸潤劑進行表面處理，例如聚氨酯和環(huán)氧樹脂。在TuANOR PlanetSolar的項目中，碳纖維采用環(huán)氧樹脂進行浸潤。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德國船級社（Germanischer Lloyd ：GL）對于船艇特殊要求的認證。

獨一無二的項目

TuANOR PlanetSolar號為新型碳纖維材料的應用創(chuàng)造了很好的機會。碳纖維雙體船采用了高性能的材料和最新的技術，滿足了這一獨特且知名的項目對與船艇的所有要求。與其他行業(yè)一樣，環(huán)保概念是未來的一大需求，該船由于其輕量的結構及所采用的光伏技術，成為國際船艇建造領域中的一座里程碑。 123,123
在這艘85噸重的船艇徹底完工之前，還需要大約68000個工時。這一時刻將在2011年春季到來，屆時該船將開始她的環(huán)球航行。航行路線將從地中海開始，然后沿著西向環(huán)球航行。這次探險將經(jīng)過的地點包括紐約、舊金山、新加坡、迪拜等。我們期待著追蹤這次探險的進展，并希望環(huán)航安全順利，取得圓滿成功。