熱塑性碳纖維海洋應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)與方向
我們賴以生存的地球，其中大概有70%的區(qū)域被水資源覆蓋，包括海洋、海灣、湖泊和其他水體。有研究認(rèn)為我們就是從海洋中走出來(lái)的，同時(shí)海洋中還蘊(yùn)含著無(wú)法想象的巨量資源。想要開發(fā)開采海洋中的這些資源，不僅需要先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，同時(shí)還需要耐水耐腐蝕性能較強(qiáng)的各種材料。
傳統(tǒng)金屬材料，如鋼鐵、鋁合金等，長(zhǎng)久應(yīng)用于海洋環(huán)境中，會(huì)面臨被海水腐蝕生銹的問(wèn)題，同時(shí)金屬材料密度較高，面臨加工難度較大和運(yùn)輸成本較高的問(wèn)題，另外后期維護(hù)更換時(shí)的難度也不小。將玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料引入海洋工程應(yīng)用，是具有前瞻性和實(shí)用性的舉措。
目前使用的熱固性碳纖維材料在海洋管纜、錨泊系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)葉片、耐壓艙以及裝備修復(fù)等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。隨著碳纖維技術(shù)的進(jìn)步，熱塑性碳纖維已經(jīng)從概念變成了現(xiàn)實(shí)，綜合性能較熱固性碳纖維更全面，未來(lái)在海洋應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)有更好的發(fā)揮。
熱塑性碳纖維海洋應(yīng)用具備的優(yōu)勢(shì)簡(jiǎn)述
1、機(jī)械性能：機(jī)械性能包含抗拉強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等各項(xiàng)參數(shù)，是用于展示材料綜合性能的各個(gè)維度數(shù)據(jù)。拿CF/PEEK來(lái)舉例，它的拉伸強(qiáng)度可達(dá)1900MPa，拉伸模量可達(dá)110GPa，彎曲強(qiáng)度可達(dá)125MPa，壓縮強(qiáng)度可達(dá)1000MPa，剪切強(qiáng)度可達(dá)75MPa，綜合性能較其他復(fù)合材料更為優(yōu)秀。
2、耐腐蝕性：碳纖維可以在50%的鹽酸、硫酸和磷酸中正常工作，自身不會(huì)發(fā)生形變或損壞。熱塑性碳纖維復(fù)合材料的樹脂基體部分的耐腐蝕性會(huì)因?yàn)闃渲愋投霈F(xiàn)較大區(qū)別，其中聚醚醚酮樹脂的耐腐蝕性較好。另外通過(guò)合理的加工工藝，可以一定程度提高熱塑性碳纖維的耐腐蝕性。通過(guò)表面處理，可提高復(fù)合材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度，可降低孔隙率和結(jié)構(gòu)缺陷，使得腐蝕介質(zhì)不易滲透、擴(kuò)散。
3、防水防潮性：熱塑性樹脂基體通常具有較低的吸濕性，這一特性有助于防止因暴露于濕氣而引起的機(jī)械性能下降。熱塑性碳纖維復(fù)合材料的制造過(guò)程通常涉及壓縮成型或注塑等方法，與熱固性復(fù)合材料相比，它們可以提供更一致和均勻的材料性能，包括防水防潮性。
熱塑性碳纖維海洋應(yīng)用的5個(gè)方向
1、熱塑性碳纖維在海洋管纜的應(yīng)用：海洋石油、天然氣等資源深水及超深水的一般開發(fā)模式是上部浮式裝置+底部水下生產(chǎn)系統(tǒng)，連接浮式裝置與水下生產(chǎn)系統(tǒng)的管纜包括生產(chǎn)立管、臍帶纜等。生產(chǎn)立管、臍帶纜等在位運(yùn)行時(shí)主要承受風(fēng)、浪、流的作用，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮其抗拉、抗彎、抗扭、疲勞等力學(xué)性能。
另外海洋中水合物及礦產(chǎn)資源開采軟管、LNG低溫軟管、C02注入軟管、油氣卸載漂浮軟管等，對(duì)剛度、耐腐及輕量化也具有很高的需求，熱塑性碳纖維在這些軟管中的應(yīng)用同樣具有廣闊的前景。
2、熱塑性碳纖維在系泊系統(tǒng)中的應(yīng)用：在深海油田開采中，受風(fēng)、浪、流的影響，開采平臺(tái)在海面上容易變得不穩(wěn)定，而系泊系統(tǒng)的主要作用就是將開采平臺(tái)在對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行固定。傳統(tǒng)的系泊系統(tǒng)基本為鋼制結(jié)構(gòu)，鋼材料在海水中易腐蝕，平均使用壽命短，且后期維護(hù)成本較高。
熱塑性碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)異，耐腐蝕性好，利用復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼制系泊，可有效減輕系纜自身重量并有效減緩海水腐蝕，延長(zhǎng)使用壽命。另外。當(dāng)平臺(tái)工作水深超過(guò)1600m時(shí)，熱塑性碳纖維復(fù)合材料系纜總成本較鋼制系纜更低。
3、熱塑性碳纖維在耐壓艙中的應(yīng)用：耐壓艙是深潛器、滑翔機(jī)等水下設(shè)備的核心部件，其主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是既要有足夠的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能,還要有盡可能小的容重比。將熱塑性碳纖維應(yīng)用于耐壓艙，可使整體結(jié)構(gòu)具有工作深度大、重量輕、容重比小等優(yōu)點(diǎn)。
4、熱塑性碳纖維在海洋清潔能源結(jié)構(gòu)與裝備中的應(yīng)用：我國(guó)兩面臨海，海上風(fēng)資源較為豐富，風(fēng)力發(fā)電屬于潔凈環(huán)保的新能源產(chǎn)業(yè)，我國(guó)在此領(lǐng)域上有極大的應(yīng)用需求，其中風(fēng)電葉片的制作就離不開碳纖維復(fù)合材料。預(yù)計(jì)到2025年，風(fēng)電領(lǐng)域上對(duì)碳纖維的需求可達(dá)9.3萬(wàn)噸以上，未來(lái)熱塑性碳纖維或?qū)?duì)此進(jìn)行一定的補(bǔ)充。熱塑性碳纖維復(fù)合材料的剛度是玻璃纖維復(fù)合材料的2~3倍，密度和質(zhì)量?jī)烧呦喾?，一般可?yīng)用于風(fēng)機(jī)中梁的制造。
5、熱塑性碳纖維在海洋結(jié)構(gòu)修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)中的應(yīng)用：海洋結(jié)構(gòu)物在復(fù)雜惡劣的海洋環(huán)境下工作，長(zhǎng)期受工作載荷和環(huán)境載荷的作用，在其服役期間不可避免地會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷，比如疲勞裂紋、腐蝕缺陷等。熱塑性碳纖維復(fù)合材料憑借其密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕、施工方便、疲勞性能良好及不影響結(jié)構(gòu)完整性等優(yōu)點(diǎn)，己被廣泛應(yīng)用到海洋結(jié)構(gòu)物的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)。
海洋中蘊(yùn)藏的資源無(wú)邊無(wú)際，目前人類的科技水平還不足以對(duì)此進(jìn)行全面和深入的探索。以前缺少材料和技術(shù)，如今有了諸如碳纖維這樣的高性能材料，也有了足以承受海底恐怖水壓的技術(shù)，相信隨著各項(xiàng)技術(shù)和材料的升級(jí)和進(jìn)步，“上九天攬?jiān)?，下五洋捉鱉”都會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。
