Композитные материалы в судостроении
Судостроение - одна из древнейших отраслей промышленности, пережившая большую историю развития от Древнего Египта до современности. Современный уровень развития техники требует появления новых материалов, и наиболее перспективным путем их создания является конструирование или комбинирование.
В судостроении большое значение придаётся эксплуатационным характеристикам: лёгкости, прочности, жёсткости, стойкости к воздействию воды. Одной из задач современного судового машиностроения является снижение материалоёмкости при одновременной надёжности и коррозийной стойкости конструкций. Решению этой задачи во многом способствует применение композиционных материалов и современных средств защиты от коррозии.
Композитный материал - искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. Композиционные материалы обладают низкой эксплуатационной технологичностью, низкой ремонтопригодностью и высокой стоимостью эксплуатации.
Применение композитных материалов в судостроении.
Преимущества композитных материалов
Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам, в то же время - они легче. Использование композитов, как правило, позволяет уменьшить массу конструкции изделия при сохранении или улучшении её механических характеристик.
Плотность композиционных материалов в 3-6 раз ниже стали, они безотходны при переработке в изделия, инертны к окружающей и агрессивным средам, то есть не подвержены коррозии, обладают направленной тепло- и электропроводностью, звуконепроницаемостью. Обычно эти характеристики превосходят характеристики традиционных материалов в несколько раз и даже - на несколько порядков.
Внедрение композиционных материалов при изготовлении техники, в том числе в судостроении, сопровождается рядом сопутствующих положительных эффектов. Во многих случаях существенно упрощается технология изготовления деталей машин и конструкций, что позволяет экономить энергетические, человеческие и материальные ресурсы.
По комплексу конструкционных свойств полимерные композиционные материалы превосходят традиционные стали, алюминиевые и титановые сплавы. Основная тенденция применения композиционных материалов в судостроении - создание крупногабаритных элементов конструкций. При этом сокращается количество элементов и узлов соединения, снижается масса конструкции, повышается её жёсткость, а в некоторых случаях и прочность.
Применение композитов в судостроении приводит к снижению эксплуатационных расходов. Также, стоит заметить, что полимерные композиционные материалы не подвержены коррозии и старению. Стоит отметить, что проблемы, связанные с «пузырением» материалов в подводной части корпуса, сейчас решены с помощью композитов.
Уникальные свойства композиционных материалов позволяют изготавливать высокопрочные, легкие корпуса катеров, яхт. Для их создания главным образом используются различные виды стеклопластиков, которые имеют отличную химическую и биологическую стойкость. К его преимуществам также относятся: прочностные и технологические свойства, улучшение условий труда, сокращение расходов на вентиляцию производственных помещений.
В настоящее время известно огромное количество композитов и их главное преимущество заключается в том, что материал и конструкция создается одновременно. Также в его плюсы входит высокая удельная прочность (3500 МПа), высокая жесткость (модуль упругости в композитных материалах колеблется от 130 до 240 ГПа), высокая износостойкость, легкость и высокая усталостная прочность.
Углепластик успешно справляется с этими задачами, делая суда более лёгкими, прочными и стойкими к воздействию воды. Высокая коррозионная стойкость, способность к восприятию ударных нагрузок, отличное качество поверхности, красивый внешний вид обусловили широкое применение композиционных материалов практически во всех отраслях промышленности, в том числе и в судостроении.
Основным преимуществом использования углепластика в судостроении является возможность создания крупногабаритных элементов с меньшим количеством узлов соединений. Это облегчает вес конструкции, повышает её жёсткость, а в некоторых случаях и прочность.
Недостатки композитных материалов
Не смотря на то, что композитные материалы имеют множество положительных сторон, у них есть и масса крупных недостатков, которые сдерживают их распространение. Из существенных недостатков можно выделить высокую стоимость производства, анизотропию свойств (непостоянство свойств композитных материалов от образца к образцу), низкую ударную вязкость (обуславливает высокую повреждаемость изделий из композитных материалов), высокий удельный объем, гигроскопичность, выделение токсичных паров при эксплуатации.
Применение композитных материалов в судостроении
Сегодня в судостроении из композитов изготавливают судовые двери, крышки люков, корабельные винты, мачты, валы, кран-балки, спасательные шлюпки, баллоны ВВД, контейнеры. Технология композитных материалов меняет подход к созданию корпусных конструкций: обшивок корпусов, надстроек, палуб, переборок, конструктивных связей, крыши.
На сегодняшний день пока по большей части для кораблей малотоннажного и среднетоннажного водоизмещения. Это пассажирские суда, яхты, катамараны. В качестве примера: новое поколение российских кораблей противоминной обороны имеют композитные корпуса.
Головной тральщик проекта 12700 «Александр Обухов»
На сегодняшний день производятся катамараны и яхты, корпуса которых полностью состоят из углепластика. Такого вида судна производятся в России, Норвегии, Дании, Франции, Италии и других странах. Чаще всего композитные материалы используют для производства небольших по размерам катеров и яхт.
Углепластик также используется и при строительстве более крупных объектов. Так, 143-метровый корпус самого большого парусного судна в мире «Яхта А» выполнен из стали со вставками из углеродного волокна (с целью облегчения веса). Три 100-метровые мачты полностью выполнены из углеволокна и претендуют на звание самых высоких отдельно стоящих объектов в мире, сделанных из композитных материалов.
Одним из интересных применений композиционных материалов в судостроении является использование углепластиков для подводных крыльев судов. Также из композиционных материалов изготавливаются спасательные шлюпки для танкеров, перевозящих нефтепродукты.
Яхта А
Перспективы применения композитных материалов в судостроении
В настоящее время технический прогресс порождает необходимость в создании новых композиционных материалов. Но, с другой стороны, и обуславливается результатом этих разработок. Создание новых материалов дает возможность для новых конструктивных решений, технических и технологических процессов.
В отличие от металлических судов, материал композитного судна может корректироваться непосредственно в процессе проектирования и постройки судна. Однако объемы применения полимерных композиционных материалов в отечественной промышленности не превышают 1,5% от мирового объема. Для сравнения доля Китая в производстве и потреблении полимерных композитов составляет более 28%, США - 22%, Европейского Союза - около 14%.
Практически все развитые в промышленном отношении страны запускают строительство кораблей из стеклопластика большими сериями. Корабли подобных классов строятся и используются как многоцелевые и уже стали объектом активной международной торговли.
Перспективы и возможности для более широкого внедрения композитных материалов в российской как военной, научной, так и гражданской технике - очень широки.
Применение полимерных композитных материалов позволяет сделать прорыв в отечественном судостроении. Благодаря уникальным свойствам композиты стали одним из важнейших конструкционных материалов во многих отраслях производства. Судостроительной промышленности они позволяют создавать изделия, отвечающие современным требованиям.