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碳纤维游艇
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作者：George Marsh 来源：国际塑料商情. R. |% W }# g
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芬兰北部地区是游艇建造商的发源地，长期为游艇所有者津津乐道。Baltic游艇公司采用高性能的复合材料制造高强度且轻质的船艇，以满足船艇所有者的期望。George Marsh对此进行了报道。 ' w- w8 L m; |/ W s5 w: t" m
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Baltic游艇公司认为，一艘设计并建造良好的适当重量的游艇不仅具有优异的性能，而且不会丧失传统优势。为证实这一观点，Baltic公司已成为碳纤维复合材料船艇制造商的主要代表。
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. e4 i3 J- r6 h$ V目前，Baltic公司正在位于Jakobstad的船厂内建造最令人称奇的超级游艇项目：一艘巨大的67米长的双桅船。该船被称为“巴拿马”超级双桅船，虽然船身长达60米，主桅杆高62.5米，但该船的总重仅为210吨。 + |1 R" l. g. v! p3 B6 K
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如此低的重量是因为船身和甲板采用了以碳纤维/环氧树脂为蒙皮、Nomexǚ湮巡牧虾虲orecelltm结构泡沫为芯材的夹层结构。瑞士固瑞特（Gurit）公司设在英国怀特岛上的船艇业务部门SP公司与该船的设计者——船艇设计师Gerard Djikstra和Reichel Pugh紧密合作，负责结构的设计。参与合作的英国Rhoades Young提出了复合材料内饰概念，不仅重量极轻，而且采用了是非常舒适和漂亮的怀旧风格。6 D; I2 g( m: r( G% p! \8 [. V0 D
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巴拿马号的船尾底部又长又平，一个厚厚的圆形龙骨与碳纤维船身相连。龙骨可以收起，将吃水深度从9.5米降至3.5米。这艘船具有经典的外形和许多创新的特性，预计将于2011年建成并下水。
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虽然Baltic游艇公司出于保密原则不能讨论巴拿马号双桅船的技术细节，但我们了解到，该船的主体结构船身和甲板总重能够保持在45吨以下，要归功于先进的材料和制造工艺。该公司采用夹层结构作为船的内舱壁，夹层结构由碳纤维预浸料蒙皮和Nomex和Corecell芯材组成，利用真空袋技术成型并于85℃下固化而成。碳纤维预浸料、芯材、胶粘剂和环氧层压树脂都是由SP提供的。船身在Baltic位于内陆的Bosund工厂制造完成后，才被运到位于Jakobstad海岸的新工厂内。甲板也是在Bosund工厂分两部分层压而成的。船最终在占地5000平米的新工厂内建造完成。 . c: z7 w: J ]: }
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主桅杆和后桅杆分别高62.5米和57.5米，均采用碳纤维复合材料制成，可以支撑起2400平米的帆。碳纤维制成的船首斜桅可以在船靠岸时取下。固定索具采用Future Fibres公司的PBO纤维制成，据说相比不锈钢索具可以减重5吨。这将是迄今为止最大的复合材料固定索具。 : W9 E3 [) C+ U) |
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在主要的船身和甲板结构中，对于应力集中区的设计给予了特别的关注，例如甲板缝隙周围和龙骨区域的应力特别高。 " o+ K# Q# }- M+ } T$ n% |
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与主结构一样，内部的船舱壁也是碳纤维夹层结构。其他板材和家具同样为轻质夹心结构。机舱对防火安全的要求非常严格，采用的是特殊的防火预浸料。
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) v6 A- S. t# x/ D1 i$ b+ y工艺的演变
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# Z$ X* J, D9 H: F4 t0 ?创新是Baltic公司的一大特点，巴拿马号超级双桅船的制造技术就是一种不断改进而来的工艺。7年前该公司推出了一艘44米长的豪华单桅船Visione号，采用的是当时最先进的碳纤维帆船结构。 5 s# g+ C1 e; a9 D& z0 @
3 Q5 D+ S* K' zVisione的船身、甲板和船舱壁所采用的夹层结构是以碳纤维-芳纶纤维预浸料为蒙皮，Nomex蜂窝材料为主要芯材的，但在船身容易遭到撞击的位置采用了部分Corecell芯材。
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4 q, ]8 R% q, K7 Y- v分析表明，船身可以承受大型单桅船索具和活动龙骨结构在船头和船尾所造成的巨大弯曲载荷。装有活动龙骨的碳纤维增强塑料船体可以承受2000吨的搁浅载荷，因此现在的巴拿马号才能承受高于此50%的载荷。 n' X! B( d. y6 c; f* n
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为进一步加固船头和船尾结构，制造商采用了延展性最高的碳纤维增强材料，并有选择的使用了中等模量的碳纤维。船身和甲板采用阳模一体成型，单向纤维可以很好地铺放在阳模上，这一点在凹面的阴模内很难做到。 3 [- y% ~% @6 p8 W7 C8 v: O9 W
$ A/ L5 q" X L" m' ^Baltic公司是较早采用预浸工艺提高比强度的公司之一。长46米的Pink Gin 2的碳纤维船身、甲板、船舱壁和增强结构总重只有35吨左右；180吨的排水量相当于一艘传统材料制成的220吨重的船的排水量。 ! _' n6 P; G8 C9 v' r, m3 t' J/ w
* m* D, q, j& y5 {( wBaltic的生产团队过去几年一直致力于工艺的改进，例如加大预浸料中纤维/树脂的比例，提高真空度，以及精确的温度控制。2001年该公司购买了一台40吨的层压机，从而可以生产出比真空袋工艺更平滑、更轻的结构舱壁和其他内饰板。
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_' S' r( R! k& J! J/ `Pink Gin 2上的创新之处包括Kevlar纤维桅杆、两个驾驶舱和为减轻噪音而大量使用的乙烯基屏蔽层。碳纤维船艇由于材料硬度很高，船身和甲板结构就像管弦乐队的音箱一样可以将最微弱的声音放大。柚木装饰的碳纤维夹层结构用于制造餐桌和其他家具，甚至内部的扶手也采用了柚木装饰的碳纤维复合材料管。- ?6 b3 c: W+ @; ` U# n. c$ p
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Baltic自1973年开始推出了定制游艇业务，制造的船艇长度范围在11.5-60米之间。客户对最高标准的建造技术和性能的要求及其经济实力，促使该公司可以进行创新工艺和材料的开发。 ( j' \9 o- `. d2 N; {; S2 `
$ r5 O/ @! c! V3 j; x/ a" \; ]刚刚卸任的市场总监Per Goran Johansson（由Kenneth Nyfelt继任）和轻质技术解决方案的一位主要推动者很清楚，复合材料是重量最小化的关键所在，并且不会损失强度和安全性能。此外，高技术的材料和制造工艺也赋予船艇更好的质量和耐久性。 % n/ ` J7 w+ @! D
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对于Johansson来说，重量几乎是一个有形的敌人，他认为减轻主要结构的重量有多重好处。例如，在一定的压载/排水比下，龙骨的重量可以减轻。龙骨重量减轻就可以相应减少帆的面积，从而降低桅杆。这对于索具及其配件来说也就意味着承重更小。因此，高处的重量就减轻了。然后设计师就可以进一步减轻龙骨的重量。
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7 N, ]% K2 n9 j2 X# e gBaltic说，感谢这种迭代效应，主要结构减轻500千克的重量最终可以使船艇的重量减轻2000公斤之多，同时还保持着相同的压载/排水比和帆面积/排水比。
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0 @) n- F, s+ P+ u5 P1 z所有的Baltic游艇都使用高质量的层压材料。某些标准型号，例如Baltic 64采用真空袋成型的层压材料建造，通常采用端面晶粒巴伐木作为芯材，玻纤/芳纶混合纤维作为增强材料。在大型定制游艇中，则转而使用高标准但昂贵的单向碳纤维/环氧树脂预浸料。此时所采用的芯材为Nomex蜂窝材料和高弹性的苯乙烯-丙烯腈（SAN）结构泡沫Corecell。
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6 i4 _8 u/ o8 DBaltic从最初就乐于采用夹层结构来达到强度、刚度、轻质和绝缘的目的。由于板材的刚度与其厚度的立方成正比，夹层板材相对于单蒙皮层压板刚度更高，弯曲也更小。Baltic认为这延长了层压板的寿命，避免了应力断裂，因此避免了水的渗入。该公司的经验表明，层压板的强度会随着板材的弯曲迅速下降。 , k s# d ~& N) c9 E+ ]
9 W* Q9 P O# U. j8 E9 J2 Q& K+ \作为高技术织物的早期使用者，Baltic通常采用单向纤维织物制造船身和甲板结构。该公司表示，单向纤维可以更接近载荷路径，比织物强度更高。织物基层压板更容易弯曲，会形成很微小的裂缝。Baltic说，在单向纤维层压板中，纤维承受的载荷更均匀，避免了拉伸，保持了板材的刚度。 ^! m( S# K r7 A: j" r, U) `
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就厚度、比强度和纤维/树脂比而言，单向纤维层压板的性能要高于其他形式的板材。Baltic公司表示，他们需要从层压板制造商那里获得高水平的制造技术。在层压板制造过程中，可以根据载荷路径在不同方向上铺设多层单向纤维。
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Baltic从前采用的单向纤维是一种特殊的芳纶/玻纤粗纱，但现在已升级为碳纤维。在标准型号的游艇和小型定制/半定制游艇中，他们使用真空袋成型的层压板，而在大型定制游艇中则采用预浸料。该公司认为在所有的层压技术中，预浸料可以最好地控制树脂的比例和使纤维定向。
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3 ?9 B; w2 x @8 lBaltic的游艇定制部门制造的大多数游艇主要采用碳纤维，有时也使用芳纶纤维和S玻纤。在应力非常高的大型船船艇中碳纤维仍是主流材料。
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- v5 w& b( J1 K. o6 S7 O% v树脂 . E' f/ P! W4 f& v
W+ M- C7 h. q- h1 k同样受到关注的还有树脂的选择和优化。在聚酯、间苯二甲酸聚酯、乙烯基酯和环氧树脂中，最后被指定的可以最好的满足要求的树脂会与纤维粘合在一起。Baltic很清楚环氧树脂具有最好的粘结性能，而且可以将纤维保持在最长的长度。
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树脂的弹性可以优化层压板的强度，因此也备受重视。理论上，树脂和纤维应该很好的匹配。例如，E玻纤/邻苯二甲酸聚酯层压板在应力仅仅达到玻纤能够承受的1/3载荷下，就会发生断裂。层压板的断裂是由树脂造成的，而不是纤维。如果改用环氧树脂，E玻纤的强度会在环氧树脂极高的延展性下得到最大的增强。环氧树脂还适合制造预浸料，因为它可以部分固化到β阶段，用来生产储存期较长的片状材料。在以后的使用过程中，它可以在真空和高温下进行完全固化，船艇建造过程的固化温度通常为85℃。 6 J5 `1 i* R# v
; a k5 L2 q0 Y; ?0 |未来前景 % D7 d6 P7 A* H6 t$ `
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Baltic公司今后将继续在创新上进行投资，例如，他们认为在纳米环氧树脂中使用碳纳米管可以制成强度更高的层压板，而且已进入早期的应用阶段。他们还将继续使用预浸料和树脂灌注工艺，因为这些技术最适合制造高质量的大型游艇。同样位于Bosund的R&J Design公司与Baltic有紧密的合作，帮助其改进工程设计。 ; p2 m$ Z& h. r/ o
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托复合材料的福，Baltic的客户们可以购买到非常耐久的船艇。正如一位发言人所说：“我们坚信高技术的层压板强度会更高，重量会更轻，也更耐久。游艇寿命更长，购买者就会觉得物有所值。”(end) |
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发表于 2010-6-30 16:00:27