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3 CFRP作為先進艦船船體結構
CFRP對提高艦船的結構、能耗和機動性能等非常明顯。
由于成本原因,雖船舶中大量使用CFRP還有待時日,但其已實際用于制造民用新概念船艇和艦船關鍵部件。
CFRP還已用于艦船推進器葉片、一體化桅桿和先進水面艦艇上層建筑的制造。
低噪聲、安靜運行是艦船領域的一項核心技術,是艦船(特別是潛艇)性能的關鍵指標。因為螺旋槳高速運轉時,其槳葉片上會產生時滅的空泡,導致槳葉剝蝕,并伴有強烈的振動和噪聲。CFRP葉片不僅更輕、更薄,還可改善空泡性能、降低振動和水下特性、減少燃油消耗。
此外,隱身也是評價艦船先進性水平的一項重要指標。提高隱身性能必須減小艦船體的雷達反射截面,并降低其光學特性。在過去,艦船上層建筑上都豎立著多根掛滿各種鞭狀和條狀的天線桅桿,它們極大地阻礙了艦船在探測設備中的隱身能力。1995年,美軍開始研究一體式桅桿系統,其將各種天線設計成平面形或球形陣列,并集成于采用能反射電波的復合材料制成的一體式桅桿系統中,可防風雨和鹽霧的侵害。且更進一步的是,美軍下一代作戰艦艇的整個上層建筑都采用復合材料制造。2016年10月15日,美國舉行了其首艘朱姆沃爾特級驅逐艦的入列儀式。該艦是美國的下一代主戰艦艇,其集成了當今最尖端的艦船技術,艦體造型、電驅動力、指揮控制、情報通信、隱身防護、偵測導航、火力配置等性能均具超越性。特別值得注意的是,該艦上層建筑及內嵌天線系統由美國雷神公司負責設計制造,采用了一體化模塊式復合材料結構(簡稱IDHA),質量輕、強度高、耐銹蝕、透波性好,具有強大的隱身性能,被發現概率低于10%。
4 CFRP作為軌道交通車輛的車體結構
輕量化是減少列車運行能耗的一項關鍵技術。金屬制造的軌道列車,雖車體強度高,但質量大、能耗高。
CFRP是新一代高速軌道列車車體選材的重點,它不僅可使軌道列車車體輕量化,還可以改進高速運行性能、降低能耗、減輕環境污染、增強安全性。當前,CFRP在軌道車輛領域的應用趨勢:從車箱內飾、車內設備等非承載結構零件向車體、構架等承載構件擴展;從裙板、導流罩等零部件向頂蓋、司機室、整車車體等大型結構發展;以金屬與復合材料混雜結構為主,CFRP用量大幅提高。
由于車載設備幾乎沒有減重空間,因此,車身和內部裝飾就成為了輕量化的重點對象。2000年,法國鐵路公司(SNCF)采用碳纖維復合材料研制出雙層 TGV型掛車;韓國鐵道科學研究院(KRRI)以此為基礎,研制出運行速度為180 km/h 的TTX型擺式列車車體,其采用不銹鋼增強骨架,側墻體和頂蓋采用鋁蜂窩夾芯,蒙皮采用CFRP構成的三明治結構,車體外殼總質量比鋁合金結構降低了40%,且車體強度、疲勞強度、防火安全性、動態特性等性能良好,并于2010年投入商業化運營。
2011年,韓國鐵道科學研究院(KRRI)研制出CFRP地鐵轉向架構架,質量為 635 kg,比鋼質構架的質量減少約30%。日本鐵道綜合技術研究所(JRTI)與東日本客運鐵道公司聯合研制的CFRP高速列車車頂,使每節車箱減輕300~500 kg。2014 年9月,日本川崎重工研制的 CFRP 構架邊梁,其質量比金屬梁減少約40%。
(后續請見碳纖維的十六個主要應用領域及近期技術進展(三))
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