倫敦皇家造船工程師學會(the Royal Institute of Naval Architects)近召開了一次關于船用復合材料的國際性研討會,George Marsh對此進行了報道。 增強塑料在制造高質量的船體結構方面具有巨大的優勢。但是,在這些材料的應用之路上有許多的“路障”,妨礙了它們充分發揮自身的潛力。本次研討會一個重要主題就是,這些障礙已經逐步掃除,同時越來越多的成功應用案例將鼓勵設計師和制造商更多地采用復合材料。 復合材料結構的一個缺點就是變化性,甚至是在不同造船廠生產具有相同基本結構的部件時也是如此。質量、性能和成本上的差異都是由設計和生產過程中的變化引起的。英國南安普敦大學的研究者簡要介紹了一種減小這種變化的方法,同時也表明這些結構能夠以較低的成本進行生產,且不會犧牲結構的整體性。
質量問題 復合材料具有像變色龍一樣的性質,這既是它的優點也是缺點,一方面它在許多行業具有適應性,另一方面則是其反復無常。看起來,幾乎每個結構在產品工藝上都是不同的,因此很難形成行業標準和質量規范。 挪威船級社(Det Norske Veritas,DNV)的Messrs Weitzenboeck、Hayman、Hersvik、McGeorge、Noury和Hill以及挪威科技大學(Norwegian University of Science and Technology)的Echtermeyer在一篇文論中指出,標準是至關重要的,這些作者在制定標準方面的聯合經驗啟發了他們對大量案例的討論。 風機葉片是熱門的一個話題。挪威船級社的“風機葉片設計和制造的海上標準(DNV-OS-J102)”為承包商和他們的客戶提供了合同性的參考,也為設計師和生產者提供了指南。挪威船級社擁有20年的風機葉片認證經驗,這一標準為工程師們提供了一個堅實的基礎,盡管還有很多工作需要做。現有的標準必須擴展到目前已有預期的非常大型的葉片上,因為其過度偏斜、翹曲失效和疲勞退化的風險更大了。在其他行業和領域所獲取的知識也可以加以參考,例如,飛機行業已有的概念有助于提高葉片的耐損傷性能。 這些工作也會影響潮汐渦輪機轉子葉片的標準和質量規范的發展。但是,就發展時間來看,這些能量轉換器至少落后風機10年,還沒有確立相關的標準。因此挪威船級社只能以其用于新技術的推薦做法(Recommended Practices),以及文件工作階段的進展作為工藝評定的依據,其中包括可行性評估書、原型證書、條件類型證書、類型證書和終的項目證書。挪威船級社“復合材料部件的海上標準(Offshore Standard for Composite Components)”也將為其提供資料參考。 挪威船級社的“混凝土結構的海上標準(Offshore Standard for Concrete Structures)”被用于新型纖維增強塑料加強筋的質量認證。這種創新產品采用了一種新的制造工藝,將輕木纖維作為主要的增強材料。 另一個迫切需要制定標準的領域是船艇復合材料結構的修補,該結構可能是復合材料,也可能是其他材料。由于復合材料結構的多樣性,很難制定同一個標準。但是,在實驗和大規模演示的基礎上,船級社制訂了一套推薦做法,并且特別關注了耐粘結斷裂性能――粘結復合材料的修復很容易發生粘結斷裂。 一個研究項目展示了這種修復的可行性,甚至是對于處在石油天然氣行業等惡劣環境中的結構。采用復合材料進行修復具有很大優勢,因為這避免了焊接操作中的高溫和危險。 掃描聲學無損檢測是一種相當成熟的技術,但是Tangent公司與PE Composites有限公司合作,將該技術進行了內部改造,即將小型的聲學傳感器嵌入到復合材料之中。 這些傳感器能夠在復合材料的制造過程中保存下來,并可以定位于層壓板中的關鍵層,實現聲學耦合。兩家公司堅信,在整個使用周期內,用這種方法連續監測結構的完整性可以為以狀態為基礎的維護提供依據,而且可以帶來巨大的經濟效益。 研究人員在一艘9米長的快速近岸巡邏艇上進行了概念驗證型的海試。據說結果非常鼓舞人心,促使演講者得出這樣的結論:在線監測可以應用于各種類型和尺寸的船艇上,從而幫助我們認識該領域內各種復合材料的多種性能。 可循環性 近年來隨著環保意識的增強,出現了另一種反對傳統增強塑料的觀點,那就是廢棄復合材料回收困難。垃圾掩埋和焚燒不是處理廢棄物的理想方法,尤其是它們還對健康有潛在的危害。 熱塑性樹脂與現在占據主導地位的熱固性樹脂不同,是可以循環再用的,例如可以用作注塑材料,但是它們的樹脂/纖維界面粘結力比較弱,二次粘結時的粘附力比較差。后面一條缺點不難解決,可以采用各種局部加熱方法將部件“焊接”在一起。在粘結線附近局部加熱部件,可以熔融熱塑性樹脂基材,使其在分子水平上進行內部擴散,從而實現高質量的粘結。 迄今為止,不同的加熱方法都被嘗試過了,包括使用電阻元件、熱氣、摩擦、電熔和超聲波。英國紐卡斯爾大學進行的一項實驗性研究表明,采用整體加熱熔融粘結技術可以實現良好的粘結,而且不會增加重量,也不會在粘結層引入外來物質。Otheguy、Gibson和Robinson在一篇論文中描述了這種用于玻纖增強聚丙烯材料的T型接頭和搭接技術,并指出,該方法非常適用于小型的船艇建造商。 這種方法通過在粘結層放置的柔性加熱器進行真空輔助的整體局部加熱。這些商業化的硅膠絕緣電子加熱器可以定制成任何尺寸。加熱器放置在粘結層的一側或者兩側后,由真空袋抽真空,真空袋有一層透氣層和釋出薄膜,因此在加熱循環中,這些位置會被施加輕微的真空。 研究人員發現,使用編織材料得到的結果好,添加一層PP夾層可以將搭接剪切強度提高80%。總的來說,他們認為,整體加熱熔融粘結技術是一種有效的粘結方法,適用于小型的熱塑性復合材料船艇,接頭處的強度可以與傳統的熱固性復合材料相比擬。 膠衣 英國普利茅斯大學、PERA Innovation公司、Magnum Venus Plastech公司, W Ball and Sons公司以及Scott Bader公司的作者們在一篇論文中提到了膠衣在船艇船身和其他船艇結構中的應用,這些船艇都需要高質量的表面。噴涂膠衣的常規方法會導致揮發性有機物(VOC)的排放,該論文討論了一種適用于RTM和其他閉模工藝的經過改進的噴涂方法。