碳纤维复合材料（CFRP）的应用（XV）——船舶围栏篇
现在，在运输汽车等大型货物运输船舶中，为了防止作业人员从货舱或通道不慎坠落，需要在货船内各个地方插放金属立柱，并牵上绳索，但由于每艘需要数百根，因此插放立柱的作业效率非常差，而且不排除在作业中因为立柱掉落引起的意外事故的可能性。
因此，本研究的目的在于，使用轻量、高刚性的材料CFRP替代金属材料试制围栏立柱，以解决上述问题。
试验采用的CFRP立柱以现行的铁制立柱的规格为基准（外径：φ=30mm，内径：φ=26mm、壁厚=2.0mm），立柱下端插入船体底座的部分及上部穿绳索的部分是与不锈钢粘接而成。对CFRP管及金属部件清洗后，使用双液混合型粘接（Cemedine 公司 EP-008粘接剂）进行粘接。
用岛津制作所的材料检测试验设备（AG-I50kN）检测CFRP和金属立柱的机械特性。将立柱固定在与船舶上的立柱底座同样尺寸的铁管作为插入用底座，并将立柱水平插入，在立柱顶部（距底座995mm）处，垂直方向向下施加以100N为单位施加载荷，可以目测其挠曲量的变化。此外，在应力最集中处，及插桶底座处安装应变测量仪，测量轴向及圆周方向的弯曲应变（如图 1、图 2、图3所示）。
图2 可拆卸围栏立柱物性测试方法（左：金属材料 右：CFRP）
图3 可拆卸围栏立柱物性测试方法（左：弯曲测试 右：应变测试）
◆ 3. 通过三点弯曲试验测试CFRP管材的弯曲特性
为了对CFRP管的不同管壁厚度进行弯曲刚性及强度的评估，准备了内径相同（φ26），管壁厚度不同的3种CFRP管（t=1.0、1.5、2.0mm），使用前端半径为5mm的压头，在距离支点450mm处、以压入速度5mm/min，分别进行了三点弯曲试验。
另外，通过根据弯曲弹性模量及截面形状计算出的截面二次力矩，进行弯曲刚性的评估。
为了验证在实际船舶上的应用情况，将此次试制的CFRP管材的立柱安装交付船舶上的工作人员进行实地操作，并听取了他们对使用的感受及效果。
如图4所示本次试制的CFRP管材的立柱（壁厚2mm，用于替代当前铁管立柱产品）的外观。立柱顶部和中间部位装有绳索环，在底部油与插入船体底座的钩状结构（如图5）。与当前使用的铁管立柱的比较如图6所示，形状与尺寸完全一样。图4 CFRP立柱的外观及尺寸
图5 CFRP立柱各个部位（左：顶部 中：中间部分 右：底部）
图6 立柱形状的比较（上：金属制 下：CFRP制）
目前使用的金属材质的立柱重量约为3000g/根，而CFRP立柱的重量是760g，实现了约 75%的轻量化。◆ 2. CFRP管材和金属管材立柱的机械特性的测试
如图7、图8所示，CFRP管材立柱的挠曲量及应变量的测定结果及试验后的破坏状态。在载荷500～600N时，所有试样在压缩侧因纤维的断裂而产生破损，破坏前的最大挠曲量平均值为130mm，压缩侧的长度方向（轴向）变形平均为6000με。此时的应力值根据CFRP的纵向弹性系数（75GPa）及应变的实测值，推算为450MPa左右。
图8 CFRP立柱的破坏状态
对于金属立柱，进行了与2-1同样的试验，其结果如图9所示。图9 CFRP立柱的应变和弯曲量（n=2）
即使在载荷最大值1000N时也未观察到断裂等破损，最大挠曲量平均值为70mm，压缩侧的轴向应变平均值为1500με。根据铁的纵向弹性模量（200GPa）和应变的实测值，推测此时的应力值为300MPa 左右。对于金属制立柱由于在600N负荷附近挠曲及应变持续增大，因此发生塑性变形，确认在1000N负荷后除荷时形状不会复原（参照图10）。图10 金属立柱的塑性变形（左：试验前 右：试验后）
根据以上结果可知，若将金属立柱发生塑性变形的时点视为破损的情况下，金属立柱及CFRP立柱的最大载荷值均为600N。
对于使用CFRP管材的立柱，除了与试制品使用的CFRP管材相同壁厚（t=2.0mm）的管材之外，还对不同壁厚的其他两种管材（t=1.0mm、1.5mm、内径 φ26），进行了三点弯曲测试（如图11）。图11 CFRP管的3点弯曲实验（左：最大压力 右：无载荷）
最大载荷在管壁厚t=1.0mm、1.5mm、2.0mm的情况下，分别平均为550N、940N、1480N，使用这些值计算出的弯曲强度分别为平均114MPa、130MPa、150MPa。根据弯曲弹性模量及截面形状计算出的截面二次力矩进一步求出的弯曲刚性，在t=1.0mm、1.5mm、2.0mm的情况下，分别为 3.4×108N·mm2、5.6×108N·mm2、8.5×108N·mm2，最大载荷、弯曲刚度均与管道厚度的三次近似曲线吻合（如表1，图12）。图12 CFRP管壁厚度与最大载荷和弯曲强度的关系
三点弯曲引起的变形，虽然在固定处正下方的纤维发生断裂，但作为结构体没有断开，根据树脂的特性推测具有接近延展性材料的特征。
在某公司建造的船舶上，实际设置了CFRP管材的立柱，对运用时的作业性的提高效果进行了调查（如表2、表3、图13）。由于立柱轻量化，使作业效率大幅度提高，为此受到现场工作人员的好评。表3 CFRP立柱的使用效果调查结果
图13 船内实际安装实景
为了将CFRP管材的立柱实际应用于船舶，通过与现行产品进行比较和在船舶上实地试验进行了研究，结果得到了以下结论。
- 可以制造出于现行金属产品同样形状尺寸的CFRP产品。而且，CFRP产品的重量约为760g，与现行的金属制产品的3000g相比，重量约减轻了75%。
- 对于CFRP和现行的金属立柱，测定了对前端施加载荷时的周向和长度方向的应变量以及对长度方向轴的挠曲量。其结果，CFRP立柱，在负载500～600N时，所有供试体在压缩侧因纤维的断裂而产生破损，破坏前的最大挠曲量平均为130mm，压缩侧的轴向应变平均为6000με。金属立柱在载荷最大值1000N时也未观察到断裂等破坏，但从载荷600～700N时开始产生塑性变形，最大挠曲量平均为70mm，压缩侧的轴向应变平均为1500με。由此，在将金属立柱发生塑性变形开始的时点，被视为遭到破坏的情况下，CFRP立柱具有与金属立柱几乎相同的载荷值。
- 三种不同管壁厚的CFRP立柱（t=1.0、1.5、2.0mm、内径 φ26），通过三点弯曲试验进行评估，由于最大载荷和弯曲刚度与CFRP管壁厚度的三次近似表达式一致，因此可以进行设计。另外，关于变形，作为结构体来看，显示出接近延展性材料的特性。
- 关于船舶的实地试验，通过对作业人员的询问调查，因为实现了轻量化，作业效率大幅度提高，受到工作人员的好评，有助于船舶内作业的省力化。
（1）大西清：JIS にもとづく機械設計製図便覧，全面改訂新版(理工学社)第10 章-29節。（2）中村仁，仙波浩雅，CFRP产品在船舶上的应用，愛媛県産業技術研究所研究報告 No.56，2018碳纤维复合材料（CFRP）的应用（XVI）——飞机蒙皮篇
碳纤维蒙皮的隐形飞机
美国空军使用的隐形战斗机成本高达1亿美元，训练隐形战斗机飞行员的成本高达1000万美元。保护飞行员和飞机显然都很重要。北卡罗来纳州立大学的一组研究人员正在开发新的碳纤维蒙皮（如下图），以保护这些宝贵的资产。北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程副教授Cheryl XU简明扼要地说，“我们必须确保飞行员的生命。如果飞机被击落，那就是场悲剧。”隐形喷气式飞机机身覆盖着一种雷达吸收材料（RAM），如B-2“精灵”或F-117“夜鹰”，目的是将接受电磁波转化为热量。RAM在高温、潮湿和摩擦下会失去完整性。RAM在不同频率下的工作方式不同，没有一种RAM技术能够偏转所有雷达频率。此外，RAM的设计不能承受高于250摄氏度的温度。北卡罗来纳州立大学的研发团队开发了一种碳纤维增强复合聚合物（CFRP）蒙皮，以解决RAM限制引起的问题。该复合材料由碳纳米管(CNTs)进行了增强，碳纳米管强度高、重量轻，能够承受超过1800°C的温度，并有助于传导传入的电磁能。试验证明，新的复合材料拥有极低的发射率，几乎无法被检测到，与目前隐形飞机上使用的仅能吸收70-80%的RAM相比，对电磁波的吸收率可达90%以上。这种新材料将喷涂到飞机上，厚度为3毫米。该团队获得了美国空军科学研究办公室的资金支持，将继续进行各种测试并争取实现材料的可扩展性。下一步将这种材料的使用范围扩大到潜艇、战斗机、弹道导弹及航母上。Kimberly Hoodin, Composites Manufacturing, 2021
