现代船舶建造中的碳纤维复合材料

一艘几乎全部采用轻质高强度碳纤维复合材料制成的双体船即将以太阳能为动力开始环球航行。德国SGL Technologies有限公司的欧洲区技术总监Jurgen Klimke和技术销售经理Daniel Rothmann介绍了这个名为PlanetSolar的项目。

人们尝试了许多种特别的形式来进行环球旅行。无论是在陆地上、海上还是空中，只要一有相关的技术出现，就会涌现一些项目利用各种可能的方式尝试使这些梦想成为现实。考虑到成功之后的全球知名度和名誉，总是有各种新的项目出现，让我们充满惊喜。
采用碳纤维增强塑料（CFRP）制成的双体船，再加上所装配的最新的光伏技术，使得该船的全球航行成为环球航行史上最独特的一个项目。TuANOR PlanetSolar号双体船利用太阳能为动力，计划于2011年开始环球航行。瑞士人Raphael Domjan和法国人Gérard d'Aboville将驾驶这艘31米长、15米宽的双体船横跨世界各大海洋。探险家d'Aboville是第一个在1980年划船横跨大西洋的人，后来他又横跨了太平洋。

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减重至最轻

该双体船上装有500m2以上的太阳能模块。这些光伏单元安装在甲板和尾板的外表面上。但是最大的挑战之一还是如何存储足够的太阳能，以便船能够在黑暗中保持航行。为达到这一目标，该船使用了最新的锂离子电池，总重大约11吨。这些电池分别安装在左侧和右侧的船体上。
为了将船艇航行时的能量损耗减至最低，需要通过采用新型的轻质结构技术，以尽可能地减轻船艇结构的重量。在船体结构中采用碳纤维增强塑料，能够以较低的重量成功达到优异的力学性能。
船上的四个电机由电力强大的电源提供，可以提供最高达120 kW的输出功率。该双体船由两个大型的推进器驱动和驾驶，推进器也是由碳纤维复合材料制成的，安装在每个船体的尾端。两个推进器可以独立控制，使船在预定的航道上航行。船的最高速度大约为14节（海里/小时）。 123456
PlanetSolar这次非常安静和环保的全球航行计划用时160小时左右。途中该船将沿着赤道停靠几站，以给全球更多的观众一个机会来更多地了解这个独一无二的项目。
该艘巨大的双体船目前在德国Kiel的Knierim Yachtbau造船厂差不多已经完工，初步的测试已经在2010年3月20日的命名和下水仪式后成功完成了。但在2011年开始的环球航行之前，还要进行大量细致的工作和测试，以保证项目的成功。

复合材料结构



Knierim Yachtbau是一家历史悠久的公司，专门建造各种高科技的游艇。该公司是采用复合材料建造新型船艇的领先制造商，已凭借大量项目获得了良好的名声。
例如，Knierim Yachtbau在2008年成功完成了诸如UCA，最大的德国海洋赛艇和Container项目。德国的第一艘美洲杯赛艇也出自基尔的这家造船厂。Knierim Yachtbau最新推出了一艘10米长的新型高级赛艇，具有快速、超现代的船体形状，据说驾驶体验不同寻常。同样的，碳纤维复合材料的优异性能也在船体结构中得到了发挥和利用，桅杆制造商也同样从中获益。

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位于Kiel的这座造船厂拥有40多年的船艇建造经验，特别是在复合材料和碳纤维材料的利用方面拥有大量的技术和经验。因此，他们在TuANOR PlanetSolar的建造计划中再次决定采用碳纤维并不值得惊讶。
这艘船的重量必须轻，而且结构必须非常稳固，以满足远海的恶劣环境。经历了从单体船到三体船的几次提案，该公司最终选择了新西兰LOMOcean 公司总监Craig Loomes设计的双体船。
TuANOR PlanetSolar双体船的设计基于“穿浪”原理建成。也就是说双体船的两个船身会划过海洋中的波浪前进，从而帮助船艇在水中保持一个稳定的位置。
船在环航过程中会遭遇险恶的气候条件，船艇可能受到的高应力要求船身必须采用高强度碳纤维。Knierim Yachtbau公司的两个董事总经理之一Steffen Muller指出，暴风雨条件下的应力不可低估，因为在愤怒的波涛之中，中间的船体也要穿过波浪。



在Kiel的船体生产过程中，大多数工作是在真空压缩工艺中采用手糊方式进行的，从而确保了最优化的纤维体积含量。船体模具是由Knierim Yachtbau公司自己生产的，该公司采用其拥有的数控五轴铣床制造桅杆模型和模具。
Knierim造船厂的模具部门也设计和生产其他行业用的模具，例如风能行业的叶片和汽车零部件。用于TuANOR PlanetSolar号的这些模具采用钢质底架和Styropor®高强度弹性泡沫制成，采用教控铣床加工成正确的外形。由于该船的尺寸非常巨大，船身和甲板的模具都被分成三段，然后在生产车间内组装起来形成完整的模具。
总计起来，该船建造过程中一共使用了20多吨的碳纤维、11吨以上的泡沫芯材和20多吨的环氧树脂和固化剂。

碳纤维

该船所使用的碳纤维材料由总部位于德国Wiesbaden的SGL集团提供。在TuANOR PlanetSolar号的建造过程中，Knierim公司使用了三种不同的碳纤维形式：单向织物、300-400 g/m2的双轴向织物和相同密度的碳纤维编织物。


在多层织物的制造过程中，例如双向织物，不同的织物层被相互排列成一定的角度（例如±45°），然后用聚酯线全自动地缝编在一起。这种方法可以在各纤维原丝之间产生非常好的粘结力，使得织物在船身模具之内更加容易铺放和排列。
这些织物的另一个优势就是，它们不像编织物，其纤维总是直的，不会弯曲。因此，碳纤维非常高的固有强度和刚度值被保留下来，机械张力和压力可以被织物结构很好地吸收掉。此外，除了单向和双向织物，还可以定制3-4层的特殊结构，以满足特殊的载荷要求。



通过采用这些多层织物，可以减少在模具中铺放纤维的工作量。此外，只有一种由不同密度的纤维组成的整体织物需要铺放。这就为使用者节约了生产时间和成本。在真空压缩或真空灌注的手糊过程中，这种织物设计使得其中的粗纱具有良好的浸润性，因此可以获得很好的部件质量。
在这些织物的生产中，SGL主要采用了其在苏格兰和美国工厂生产的SIGRAFIL ®C系列碳纤维。目前，SGL生产两种不同类型的碳纤维：50k的高丝束碳纤维和24k的碳纤维。这些纤维所使用的标准原料为聚丙烯腈（PAN），其中含有大量的有机聚合物成分和高碳含量。
在精确控制的温度下，经过连续的氧化和碳化过程，就会产生碳纤维的基础材料。这些工艺之后，就是采用不同的浸润剂进行表面处理，例如聚氨酯和环氧树脂。在TuANOR PlanetSolar的项目中，碳纤维采用环氧树脂进行浸润。在TuANOR PlanetSolar中采用多轴向编织物之前，这些织物和SGL的SIGRAFIL ®C系列碳纤维首先必须通过德国船级社（Germanischer Lloyd ：GL）对于船艇特殊要求的认证。

独一无二的项目

TuANOR PlanetSolar号为新型碳纤维材料的应用创造了很好的机会。碳纤维双体船采用了高性能的材料和最新的技术，满足了这一独特且知名的项目对与船艇的所有要求。与其他行业一样，环保概念是未来的一大需求，该船由于其轻量的结构及所采用的光伏技术，成为国际船艇建造领域中的一座里程碑。 123,123
在这艘85吨重的船艇彻底完工之前，还需要大约68000个工时。这一时刻将在2011年春季到来，届时该船将开始她的环球航行。航行路线将从地中海开始，然后沿着西向环球航行。这次探险将经过的地点包括纽约、旧金山、新加坡、迪拜等。我们期待着追踪这次探险的进展，并希望环航安全顺利，取得圆满成功。