碳纤维复合材料桅杆的制造工艺及应用

碳纤维复合材料的应用很广，航海领域就是其进入较早的领域之一，随着碳纤维复合材料的应用成本与铝合金等传统金属的应用成本越来越接近，碳纤维的应用力度和范围都将有显著的增加。本文仅针对碳纤维复合材料在航海领域中应用的典型代表——桅杆，对碳纤维复合材料的实际应用做一个简单的介绍。　　碳纤维复合材料桅杆的性能优势　　应力是桅杆设计需要考虑的关键因素，用于海上航行的桅杆不怕压缩应力，但最怕向前的弯曲应力，弯曲

　　碳纤维复合材料的应用很广，航海领域就是其进入较早的领域之一，随着碳纤维复合材料的应用成本与铝合金等传统金属的应用成本越来越接近，碳纤维的应用力度和范围都将有显著的增加。本文仅针对碳纤维复合材料在航海领域中应用的典型代表——桅杆，对碳纤维复合材料的实际应用做一个简单的介绍。

　　碳纤维复合材料桅杆的性能优势

　　应力是桅杆设计需要考虑的关键因素，用于海上航行的桅杆不怕压缩应力，但最怕向前的弯曲应力，弯曲应力过强时，桅杆就很容易折断。这在顺风航行时最为明显，此时主帆和球帆升降索都对桅杆顶部有向前的拉力，如果拉力超过桅杆的应力范围，桅杆就很容易向前折断。从桅杆的材质方面考虑，桅杆本身的强度非常重要，强度高的桅杆更易保持形状，遇风形成合适的弧度以改善帆形并防止前支索松弛，提高船只的航行性能。从另一方面说，自重较轻的桅杆能增大船的扶正力矩，减小船在航行时的纵摇，航行速度更快且更令人舒服。质轻的横杆和球帆杆操作起来也更容易，可以大大减轻水手的工作强度。

　　传统的金属桅杆质量大、强度低、稳定性不够好，采用低密度、高强度的碳纤维复合材料制作桅杆，在重量上能比铝合金桅杆减轻三分之一以上，桅杆自身大幅减重的话，桅杆和帆船的重心就会随之下降，减少船的压舱物，同时船的龙骨重量也会减轻，使得船体更易于平衡。采用层层交叉缠绕工艺制成的碳纤维复合材料桅杆大大提升了强度，增强了帆船的稳定性，使其航行更加的快速和安全。从应力角度考虑，具有高强、高模的碳纤维复合材料在沿桅杆纵向上可提供足够的刚度来抵抗弯曲变形;从使用环境上考虑，具有良好的耐腐蚀性的碳纤维复合材料能有效抵御海水、盐雾等环境因素的消极影响。因此，高性能复合材料桅杆有着广阔的市场应用前景。

　　碳纤维复合材料桅杆的制造工艺

　　业内认为，碳纤维复合材料桅杆可以通过连续缠绕成型、热压釜-真空袋成型、阴模成型等方式进行制造。无锡威盛新材料科技有限公司近几年在原有的航空、高铁、工业机器人的碳纤维制品研发基础上，一直致力于向更多更新的领域开拓，对碳纤维复合材料的具体应用拥有丰厚的实践经验。根据无锡威盛新材的技术总监介绍，虽然碳纤维复合材料的桅杆可以采用不同的工艺方法来制作，但是不同工艺制作出的桅杆在性能上还是存在着一定的差异的，如使用阴模成型方法制成的桅杆在两个半模中间必然存在着连接点，这些连接处会带来重量的增加，并引起强度的降低。相比较而言，采用连续纤维缠绕铺放成型工艺的效果更好，缠绕成型的方式可以根据数值模拟的铺层方案，制成的碳纤维复合材料桅杆可以极大减少交叉点数，消除纤维架空，降低应力集中。据相关的产品测试数据显示，采用纤维缠绕方式制成的碳纤维复合材料桅杆的最大拉、压应力均小于铝合金桅杆，最大变形与铝合金桅杆近似。

　　碳纤维复合材料桅杆的国际应用

　　碳纤维复合材料桅杆的应用案例很多，近几年更是成为世界一流帆船减重的“利器”。美国GMT复合材料公司在2011年迈阿密帆船展会上展出的Hylas 70Archangel帆船，使用高达29米的碳纤维桅杆，与统一标准的铝制桅杆相比，可减轻318kg以上的重量，实践证明，碳纤维复合材料桅杆能有效减少船的倾斜角以及船的纵向摇晃，比铝制材料更加牢固和均质。

　　英国的知名设计师Ed Dubois为第六届环海南岛国际大帆船赛量身打造的官方旗舰RHN-Dubois50，长15米，宽4.3米，吃水3.35米，船重9.50吨，配有Yanmar55匹船用发动机，船体材料采用玻璃纤维和碳纤维混合夹Corecell泡沫芯材,船重的大幅度减轻成为其竞速性的关键优势。作为另一亮点的全碳纤维桅杆系统，在进一步减轻船重的同时，同时增加了桅杆系统的强度和韧性，更有助于通过调整桅杆的支撑索将船帆的航行动力最大化。

　　碳纤维复合材料抗扭刚度足够强，同时又超轻，很受巨型桅杆的青睐。Sailing Yacht A是一艘史诗般的巨轮，长达468英尺(143米)，重14224吨，三根桅杆比英国大本钟所在的塔还要高，由Magma Structures制造的目前全球最高的碳纤维独立式桅杆，将是全球最大、负荷能力最高的独立负荷结构体，主桅杆甚至大到可以容纳一间房，如此巨大的桅杆也是有赖于碳纤维复合材料的低密度特性。

　　Sunreef Yachts全新的Sunreef 74的桅杆、吊杆、横梁以及气垫船升降吊臂都是由碳纤维复合材料制成，使得Sunreef 74实现革命性的质量轻、速度快的同时还能保持一贯的稳定性。该船型的第一艘下水船只将配备碳纤维的卷帆杆，所有的操控也会因此更简便。

　　总之，除了高强度的性能优势外，碳纤维复合材料在航海领域中的轻量化意义尤为明显，40%以上的减重效果意味着船只可以装载更多的装备，能大幅度提高船只的航速和续航能力，减少能源消耗。因此，轻质、高强度的力学性能使碳纤维复合材料在海上舰艇类中的应用不仅仅局限于上述的桅杆，碳纤维帆船大梁、碳纤维声纳导流罩、碳纤维传动轴、碳纤维舰舱板、碳纤维甲板、碳纤维舰舱门、碳纤维螺旋桨等等也都成为碳纤维复合材料越来越常见的应用。

　　摘自：http://mt.sohu.com/20170112/n478487615.shtml

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