碳纤维复合材料在海洋领域中的应用
碳纤维因其质轻高强的特点,已被成功应用于各种结构材料中，碳纤维复合材料材料除了在航空航天领域取得了重要的应用进展，其在海洋领域中的应用也开始崭露头角。随着海洋科学和海洋技术装备的不断发展,碳纤维的身影也越来越多地出现在海洋工程装备、海上船舰等领域。
1 船舶结构材料
碳纤维与树脂、陶瓷等基体复合形成的碳纤维增强材料重量轻、强度高,用其制造船体,相对于钢制船舶而言，制造简单、船体重量小、油耗低。同时，碳纤维复合材料耐疲劳特性好且具有化学惰性，可有效防治生物污损以及腐蚀的发生。目前，碳纤维复合材料在军用和民用船舶制造领域正在得到越来越广泛的应用:
1.1 军用舰船：
碳纤维复合材料具有良好的声、磁、电性能：透波、透声性好，无磁性，因此可以用于提高军舰的隐身性能。在舰船的上层建筑中使用复合材料不仅可以减轻船体的重量，而且通过在夹层中嵌入有滤波功能的频率选择层，就可以在预定的频率下发射和接受电磁波，从而屏蔽敌方的雷达电磁波。
在推进系统上可用作螺旋桨和推进轴系，减轻船体的振动效应和噪声，多用于侦察舰和快速巡航舰。在机械和装备上可用作方向舵，某些特殊的机械装置和管道系统等。此外，高强度的碳纤维绳索在海军军舰的缆绳和其他军用物品上也有较为广泛的应用。
印尼新型隐身快速导弹巡逻艇，完全由碳纤维复合材料制成，采用了真空导入工艺和乙烯酯树脂，增强了舰体隐身性，同时降低了运行、维护和全寿期成本
1.2 民用游艇：
碳纤维复合材料可以应用于游艇的仪器表盘和天线，方向舵以及甲板、船舱、船舱壁等增强结构中。传统的复合材料游艇主要由玻璃钢制成，但是由于刚度不足，满足刚度设计要求后往往船体过重，而且玻璃纤维是致癌物质，国外逐步禁用。
如今的复合材料游艇中碳纤维复合材料的使用比例大大增加，有的甚至全部采用碳纤维复合材料。例如超级游艇“巴拿马”号双桅船，船身和甲板采用了以碳纤维／环氧树脂为蒙皮。乙烯酯树脂夹层复合材料，pvc泡沫和碳纤维复合材料，桅杆吊杆均是定制的碳纤维复合材料，只有部分的船身使用了玻璃钢。空载重量仅有45t。速度快，油耗低，性能卓越。中科鄄联亚冶号游艇是一艘全碳纤维游艇，比同类型游艇减轻重量 30%，强度更高、油耗更低、速度更快。
瑞典Delta Powerboats公司推出的Delta 54 Carbon Cruiser豪华游艇，号称是全球第一艘100％使用碳纤维的游艇，除了船体外，室内柜子门、隔舱板及地板等附属设施均由碳纤维打造，重量比同型游艇减轻三成，但航行速度更快
2 海工装备
海洋中的腐蚀、高压等环境作用对材料的强度、抗疲劳和耐腐蚀性能提出了严苛要求。碳纤维复合材料质轻、耐腐蚀、力学性能好，在海工装备中具有良好的应用前景。
2.1 深海油气开采部件：
碳纤维复合材料在海洋油田开发中有着明显的质轻、耐久、抗蚀方面的优势：一个1500m水深的钻井平台，其钢制系缆的质量就达6500t左右，给钻井平台带来极大的载重负荷，增加了平台的建造成本，此外，钢材在海水中耐腐蚀性差，造成钻井平台的钢制系统和管道的平均工作寿命仅为2-3年。
碳纤维复合材料强度大、模量高、耐腐蚀性强、抗疲劳损伤性能优异、易于修补、抗冲击性强、热膨胀系数小、质量轻又无浮力等，而且密度仅为普通钢材的1/4，若使用碳纤维复合材料取代部分钢材将显著减少钻井平台的载重负荷，节省平台的建造成本。
目前碳纤维复合材料广泛应用于深海石油平台的结构件上，如脐带管加强杆、锚泊系缆、采油立管、柔性立管等，并可以用作油田钻井平台中的抽油杆、储藏槽、海底输油管、甲板等部件。抽油杆的往复运动，由于管外海水压力与管内压力不平衡极易引发材料的疲劳断裂，而用碳纤维复合材料即可解决这一问题；碳纤维复合材料制作成的系缆可用于开采深度为3000m以上的深海作业平台，且耐腐蚀性优异，工作寿命可达25年。
深海开采用碳纤维复合材料制造工艺分为拉挤成型工艺和湿法缠绕工艺。拉挤成型法一般用在普通管材和连接管上。缠绕法一般用作储槽和压力容器的表面，也可用在各向异性的柔性管道之中，其中碳纤维复合材料以特定的角度缠绕排列在铠装层之中。碳纤维复合材料的连续抽油杆是一种类似胶片的带状结构，柔韧性很好。使用碳纤维抽油杆能明显提高出油量，减少电机的载荷，相比之下更节能。而且碳纤维复合材料抽油杆比钢制抽油杆更耐疲劳，抗腐蚀性能更好，更适合应用在海底油田的开发中。
2.2 风电叶片
我国海岸线约1800km，岛屿6000多个，东南沿海及岛屿地区风力资源丰富且易于开发。近年来大力促进海上风电能源的开发已经得到了有关部门的支持。风力发电叶片90%以上重量由复合材料组成。海上风力大，发电功率大，势必要求更大的叶片和更优良的比强度和耐久度。显然，碳纤维复合材料能够满足开发大型化、轻量化、高性能、低成本的发电叶片的要求，和玻璃纤维复合材料相比更适合应用于海洋领域。
碳纤维复合材料在海洋风力发电中具有显著的优势。碳纤维复合材料叶片质量低，刚度大，模量是玻璃纤维制品的3~8倍；海洋环境下湿度大，气候多变，且风机24h工作。叶片耐疲劳性较好，能较好的抵御恶劣的天气；改善了叶片的空气动力学性能，减少对塔和轮轴的负载，从而使风机的输出功率更平滑更均衡，提高能量效率；利用碳纤维的导电性能，通过特殊的结构设计，可有效地避免雷击对叶片造成的损伤；降低风力机叶片的制造和运输成本；具有振动阻尼特性等。
在叶片的制造工艺上，传统的叶片生产一般采用开模工艺，尤其是手糊方式较多，生产过程中会有大量苯乙烯等挥发性有毒气体产生，给操作者和环境带来危害；另外，随着叶片尺寸的增加，为保证发电机运行平稳和塔架安全，这就必须保证叶片轻且质量分布均匀。这就促使叶片生产工艺由开模向闭模发展。采用闭模工艺，如现在热门的真空树脂导入模塑法，不但可大幅度降低成型过程中苯乙烯的挥发，而且更容易精确控制树脂含量，从而保证复合材料叶片质量分布的均匀性，并可提高叶片的质量稳定性。
此外,国内外已将碳纤维复合材料应用于海上岛礁建筑、码头、浮动平台、灯塔塔架、海底管道等，取代传统的钢铁建材，明显避免了腐蚀的发生，延长了平台使用寿命，降低成本。
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参考文献：
于礼玮等，碳纤维复合材料在海洋中的应用；
张辰等， 碳基功能材料在海洋领域中的应用进展；
易明，碳纤维复合材料在深海油气开发中的应用。