热塑性碳纤维海洋应用的优势与方向

    我们赖以生存的地球，其中大概有70%的区域被水资源覆盖，包括海洋、海湾、湖泊和其他水体。有研究认为我们就是从海洋中走出来的，同时海洋中还蕴含着无法想象的巨量资源。想要开发开采海洋中的这些资源，不仅需要先进的技术和设备，同时还需要耐水耐腐蚀性能较强的各种材料。

    传统金属材料，如钢铁、铝合金等，长久应用于海洋环境中，会面临被海水腐蚀生锈的问题，同时金属材料密度较高，面临加工难度较大和运输成本较高的问题，另外后期维护更换时的难度也不小。将玻璃纤维和碳纤维复合材料引入海洋工程应用，是具有前瞻性和实用性的举措。

    目前使用的热固性碳纤维材料在海洋管缆、锚泊系统、风机叶片、耐压舱以及装备修复等领域应用越来越广泛。随着碳纤维技术的进步，热塑性碳纤维已经从概念变成了现实，综合性能较热固性碳纤维更全面，未来在海洋应用领域将会有更好的发挥。

    热塑性碳纤维海洋应用具备的优势简述

    1、机械性能：机械性能包含抗拉强度、拉伸模量、弯曲强度、剪切强度等各项参数，是用于展示材料综合性能的各个维度数据。拿CF/PEEK来举例，它的拉伸强度可达1900MPa，拉伸模量可达110GPa，弯曲强度可达125MPa，压缩强度可达1000MPa，剪切强度可达75MPa，综合性能较其他复合材料更为优秀。

    2、耐腐蚀性：碳纤维可以在50%的盐酸、硫酸和磷酸中正常工作，自身不会发生形变或损坏。热塑性碳纤维复合材料的树脂基体部分的耐腐蚀性会因为树脂类型而出现较大区别，其中聚醚醚酮树脂的耐腐蚀性较好。另外通过合理的加工工艺，可以一定程度提高热塑性碳纤维的耐腐蚀性。通过表面处理，可提高复合材料的界面粘结强度，可降低孔隙率和结构缺陷，使得腐蚀介质不易渗透、扩散。

    3、防水防潮性：热塑性树脂基体通常具有较低的吸湿性，这一特性有助于防止因暴露于湿气而引起的机械性能下降。热塑性碳纤维复合材料的制造过程通常涉及压缩成型或注塑等方法，与热固性复合材料相比，它们可以提供更一致和均匀的材料性能，包括防水防潮性。

    热塑性碳纤维海洋应用的5个方向

    1、热塑性碳纤维在海洋管缆的应用：海洋石油、天然气等资源深水及超深水的一般开发模式是上部浮式装置+底部水下生产系统，连接浮式装置与水下生产系统的管缆包括生产立管、脐带缆等。生产立管、脐带缆等在位运行时主要承受风、浪、流的作用，设计时需要考虑其抗拉、抗弯、抗扭、疲劳等力学性能。

    另外海洋中水合物及矿产资源开采软管、LNG低温软管、C02注入软管、油气卸载漂浮软管等，对刚度、耐腐及轻量化也具有很高的需求，热塑性碳纤维在这些软管中的应用同样具有广阔的前景。

    2、热塑性碳纤维在系泊系统中的应用：在深海油田开采中，受风、浪、流的影响，开采平台在海面上容易变得不稳定，而系泊系统的主要作用就是将开采平台在对应位置进行固定。传统的系泊系统基本为钢制结构，钢材料在海水中易腐蚀，平均使用寿命短，且后期维护成本较高。

    热塑性碳纤维复合材料力学性能优异，耐腐蚀性好，利用复合材料代替传统钢制系泊，可有效减轻系缆自身重量并有效减缓海水腐蚀，延长使用寿命。另外。当平台工作水深超过1600m时，热塑性碳纤维复合材料系缆总成本较钢制系缆更低。

    3、热塑性碳纤维在耐压舱中的应用：耐压舱是深潜器、滑翔机等水下设备的核心部件，其主要设计目标是既要有足够的结构力学性能,还要有尽可能小的容重比。将热塑性碳纤维应用于耐压舱，可使整体结构具有工作深度大、重量轻、容重比小等优点。

    4、热塑性碳纤维在海洋清洁能源结构与装备中的应用：我国两面临海，海上风资源较为丰富，风力发电属于洁净环保的新能源产业，我国在此领域上有极大的应用需求，其中风电叶片的制作就离不开碳纤维复合材料。预计到2025年，风电领域上对碳纤维的需求可达9.3万吨以上，未来热塑性碳纤维或将对此进行一定的补充。热塑性碳纤维复合材料的刚度是玻璃纤维复合材料的2~3倍，密度和质量两者相仿，一般可应用于风机中梁的制造。

    5、热塑性碳纤维在海洋结构修复补强作业中的应用：海洋结构物在复杂恶劣的海洋环境下工作，长期受工作载荷和环境载荷的作用，在其服役期间不可避免地会出现结构缺陷，比如疲劳裂纹、腐蚀缺陷等。热塑性碳纤维复合材料凭借其密度小、强度高、耐腐蚀、施工方便、疲劳性能良好及不影响结构完整性等优点，己被广泛应用到海洋结构物的修复补强作业。

    海洋中蕴藏的资源无边无际，目前人类的科技水平还不足以对此进行全面和深入的探索。以前缺少材料和技术，如今有了诸如碳纤维这样的高性能材料，也有了足以承受海底恐怖水压的技术，相信随着各项技术和材料的升级和进步，“上九天揽月，下五洋捉鳖”都会成为现实。