碳纤维复合材料在船舶螺旋桨推进器上的应用

  江苏博实科技:由于船舶推进器要承受较大的推理和扭矩,因此其制造材料的强度和刚度的要求比较高。通常,船舶推进器的螺旋桨采用镍铝铜合金(NAB)材料制造,相比于其他金属材料,采用NAB材料制造的螺旋桨具有耐腐蚀、易加工、可防止海洋生物附着等优点;但其也存在诸多问题,如复杂叶片加工费用高、叶片易疲劳产生裂纹、空泡剥蚀严重、声学阻尼性相对较差、振动噪声大等。目前在船舶推进器上应用较多的是碳纤维增强复合材料。
 
  碳纤维增强复合材料(简称CFRP)具有高强度、高模量、耐温差变化、耐腐蚀、耐辐射等优异性能,而且比强度、比模量等综合指标在现有的结构材料中几乎是最高的。相对于金属材料来说,碳纤维复合材料还可以大幅度减轻设备的重量.因此,近年来,碳纤维复合材料在船舶上的应用研究引起了多方重视,获得了造船工程界的青睐,逐渐被应用于包括上层建筑、甲板、管路及推进器等在内的船舶各结构部件的制造中。
(碳纤维小型船舶)
  对于大型船舶,减轻自重是提高性能的重要途径之一。通常,船舶采用的金属轴系质量相当大,特别是在大型船舶中,推进轴的质量约占船舶整体质量的2%,而使用碳纤维复合材料可明显减轻船舶驱动轴的重量,驱动轴约长,质量减少的越大;碳纤维复合材料推进轴具有较高的弹性,适应性强,可以随着船体变形。因此,其应用可以减少所需弹性联轴节的数量,简化齿轮系统,降低安装及轴承支撑件的成本并实现轻量化。
 
  碳纤维复合材料的应用也可使振动问题得到改善;此外,水下环境腐蚀性强,金属材料在船舶中的应用还面临着严峻的腐蚀问题,而复合材料的应用可以解决这个问题,且磨损较小,使用周期更长。当然,碳纤维复合材料螺旋桨与NAB合金螺旋桨相比,也存在缺点。研究结果表明,碳纤维复合材料螺旋桨的最大叶梢变形较大,而碳纤维复合材料推进轴的不足之处主要是硬度不够,能够传输的推力和转矩有限。此外虽然碳纤维复合材料虽然整体强度高且变形承受程度大,但其塑性不如金属材料,如果局部受力很容易产生结构损伤。目前研究人员正在致力于弥补碳纤维复合材料这方面的不足。
(碳纤维船舶螺旋桨推进器)
  综上所述,在船舶制造领域,碳纤维复合材料大有作为,未能普及应用的主要原因是存在技术问题,需要解决设计、制造、性能和维护等问题,需要进一步提高碳纤维复合材料的硬度和塑性,使其能更好的与金属材料相结合。随着碳纤维复合材料制造工艺水平的提高,未来,碳纤维复合材料在船舶推进及其它应用必将展现出更为广阔的前景。