יישום של חומרים מרוכבים ימיים (סיבי פחמן/פיברגלס/ארמיד)

כיום, נעשה שימוש נרחב בחומרים מרוכבים של סיבי פחמן בתעופה וחלל, ספורט ופנאי, תעשיית הרכב, אנרגיה סביבתית, הנדסה אזרחית ותחומים אחרים, וטווח היישום שלו הוא כמעט בכל מקום. ביניהם, בסירות קטנות, יאכטות, ספינות גדולות ושדות ספינות אחרים, יישומי סיבי פחמן מתקדמים. סיבי פחמן הם חומר אידיאלי עבור יישומים ימיים, שכן הם יכולים להפחית את רטט בגוף, לשמור על סביבת תקשורת אלחוטית טובה בין ספינות וכו'.

בנוסף, הסיבה החשובה ביותר לשימוש בסיבי פחמן היא שהחומר יכול לשפר את המהירות ואת צריכת הדלק של ספינות על ידי הפחתת משקל. לדוגמה, על ידי החלפת חומרים מרוכבים של סיבי זכוכית (GFRP) בחומרים מרוכבים בסיבי פחמן (CFRP), ניתן להפחית את משקל הגוף.

היישום של סיבי פחמן וחומרים מרוכבים שלו ביאכטות, באמצעות שימוש ב-CFRP בציוד העל והסיפון, יכול להפחית עוד יותר משקל ולשפר את יציבות הספינה; פירי הנעה של סיבי פחמן יכולים גם להפחית משקל ולהפחית רעידות; סיבי פחמן בלהבי מדחף ישנם גם יישומים רחבי טווח.

כבר בשנות ה-1940, הצי האמריקאי השתמש בחומרים מרוכבים לבניית ספינות קטנות, מה שפתח פרק חדש בבניית ספינות. באמצע ה-1950ים, נקבע שספינות מתחת ל-16 מטר חייבות להיות עשויות מחומרים מרוכבים. עם התפתחות מדעי החומר, שיפור שיטות הבנייה וטפסי היישום, בשנת 1994, ארצות הברית השתמשה בחומרים מרוכבים לבניית שולה מוקשים באורך 68.3-מטרים מסוג "נוקם". סירת הצלילה לעומק שנבנתה בשנת 1996 עשויה מחומרים מרוכבים מחוזקים בסיבי גרפיט עבור המעטפת שלה, ועומק הצלילה של הסירה יכול להגיע ל-6096 מטר. ה-"Stiletto" בשם הקוד M80 שיוצר בשנת 2006 הוא סירת המנוע המהירה ביותר לבדיקת התגנבות והגוף הגדול ביותר שנוצר על ידי סיבי פחמן בו זמנית. עם אורך של 24.4 מ' ורוחב של 12.2 מ', הטיוטה היא רק 0.9 מ' ותזוזה היא 67 ט', מה שמאפשר לסירת המנוע להשיג בקלות מהירות גבוהה יותר. הצוללת הגרעינית של ארצות הברית בדרגת לוס אנג'לס משתמשת גם בסוג חדש של חומר מרוכב לייצור כיפת סונאר, שאורכה 7.6 מ', קוטר מירבי של 8.1 מ' ובעלת ביצועים מצוינים. הצי האמריקאי מפתח גם ספינות מצוידות בצבא לרחפות מסורתיות. רחפת קונבנציונלית משתמשת בקונכיות אלומיניום קשיחות הדומות למטוסים כחומר הבסיס, בעוד שהחברה האמריקאית All Terrain Amphious Hovercraft Company (ATLAS Hovercraft) פיתחה רחפת מורכבת לגמרי בשם AH-100-P, שנועדה להכיל 150 אנשי צוות.

כמדינה מרכזית בייצור ספינות מרוכבות באסיה, יפן החלה לבנות ספינות FRP כבר בשנת 1953. בשנות ה-70, ספינות דיג יפניות החלו לעשות שימוש נרחב ב-FRP. מאז, יפן ייצרה עשרות אלפי סירות דיג מסוג FRP מדי שנה. יותר ויותר מושלם. כיום, ייצור ה-FRP של יפן מדורג בין המובילים בעולם, וצריכת ה-FRP של סירות דיג ממונעות ימיות בלבד מהווה 76.3 אחוזים. יחד עם זאת, בפיתוח וייצור של חומרים מרוכבים בעלי ביצועים גבוהים כמו סיבי פחמן, גם יפן תופסת עמדה חשובה בעולם. ספינותיה עתירות הביצועים, סירות המירוץ והיאכטות היוקרתיות שלה עושות שימוש נרחב בחומרים מרוכבים של סיבי פחמן בעלי ביצועים גבוהים.

לסיבי פחמן שני סוגים של חוזק גבוה ומודולוס גבוה. יש לו מאפיינים של קשיחות גבוהה, חוזק תשואה גבוה וחוזק כיפוף גבוה. הוא משמש בדרך כלל בייצור של ספינות בעלות ביצועים גבוהים ומהירות גבוהה. סיבי פחמן יפניים נמכרים בכל העולם ומשמשים בעיקר בייצור של סירות מהירות, סירות מירוץ בעלות ביצועים גבוהים, יאכטות יוקרה וסירות אחרות.

לסיבי ארמיד מאפיינים של חוזק סגולי גבוה, קשיחות גבוהה, עמידות בפני פגיעות וחסינות כדורים, והוא משמש עבור רכיבי סירה עם דרישות גבוהות למתיחה, עומס פעיל ועמיד בפני כדורים. בשל חוזק הכיפוף הלחיצה הנמוך, הוא אינו מתאים לייצור גופי דחיסה גבוהים ובכיפוף גבוה, ומתאים רק לאוניות בעלות מגבלות משקל קפדניות.

כאשר בוחנים את העלות בייצור סירות, בהנחה של עמידה בדרישות העיצוב, נוצרה שיטת עיצוב באמצעות חומרים מרוכבים סיבים היברידיים. השימוש המעורב במגוון חומרים מחוזקים בסיבים מתגבר על חלק מהחסרונות של חומר מרוכב סיב בודד, משפר את התכונות הפיזיקליות והמכניות ומשפר עוד יותר את יכולת העיצוב של החומר. ניתן לייצר את הבדים הדו-ממדיים והתלת-מימדיים הנוצרים מחומרי חיזוק בהתאם לצרכי התכנון כדי לענות על החוזק, הביצועים התוך-שכבתיים והבין-שכבתיים של ספינות, ולהשיג עוד יותר את הדרישות של משקל קל וחוזק גבוה עבור ספינות.

בשל משקלם הקל של חומרים מרוכבים, הצי האמריקני מתכנן להשתמש בחומרים מרוכבים פנולים מחוזקים בזכוכית בתא הכוח, כולל צילינדרים, ראשי צילינדר, מחבתות שמן, כיסויי פקה, גלילי תמיכה, גלגלי שיניים בקרת מהירות ומשאבות מים, שמן משאבות, וגלגלות של מנועי דיזל ימיים. לַחֲכוֹת.

חלק מהאלמנטים המכניים של ספינות עיליות יכולים להיות עשויים גם מחומרים מרוכבים, ובמגמה להפחית את משקל גוף הספינה, גם הפחתת המשקל של רכיבי העברת הכוח של מערכת ההנעה עומדת על הפרק. בדרך כלל, בסירות מהירות שבהן 2 או 4 מנועי דיזל מהירים מניעים את סילון המים דרך תיבת הפחתה, המרחק בין מנוע הדיזל לתיבת ההילוכים או בין תיבת ההילוכים לסילון המים מתקצר. במיוחד בחלל הצר של הקטמרן, נדרשים לסדר 4 מנועי דיזל בצורה מדורגת, ואת הכוח שמייצר מנוע הדיזל הקדמי יש להעביר דרך מנוע הדיזל האחורי. לכן, זה דורש תמסורת עם המשקל הקל ביותר והכי מעט רכיבים. השימוש בציר ההנעה עשוי מחומר צינור סיבי פחמן יכול בקלות להשיג את המטרה של הפחתת משקל רכיבי ההילוכים.

היתרונות העיקריים של פירי ההינע CFRP כוללים: הפחתה משמעותית של משקל גל ההינע; מהירות קריטית גבוהה, בדרך כלל אין צורך לסדר מיסבים על פיר ארוך, להפחית את מספר המסבים, להפחית עלויות, להפחית פיר, להפחית חלקים, לחסוך את העלות של תומך מסבים ולהפחית משקל; עמידות בפני קורוזיה, אות מגנטי נמוך, אות חשמלי, נגד בלאי, יכולים להפחית את הרעש במבנה ובאוויר ב-520dB. (מקור: Easy Composites / Composites Xintiandi)