探討復合材料層在船體表面防護的應用

劉銘虎　丁浩　李健

摘 要：船舶運行在復雜的水文環(huán)境中，船舶的船體表面很容易受到水文環(huán)境的腐蝕，因此，船體表面材料應當具備良好的防腐蝕性能。復合材料是人們利用先進的科技，將不同性質的材料優(yōu)化組合而得到的新材料，具有單一材料所不具備的優(yōu)越綜合性能。復合材料層運用到船體表面防護中，可以起到防腐蝕、耐高溫、耐疲勞等多種綜合作用。本文分析了目前我國船體表面防護中復合材料層的應用情況，以期提升船舶的整體質量。

關鍵詞：復合材料層；船體表面防護；應用

船舶運行的環(huán)境十分復雜，船體會直接與水進行接觸，這些部位容易受到水文環(huán)境的腐蝕。不同地域的水體含鹽濃度、溶解、浮游生物的數(shù)量及種類等水文環(huán)境千差萬別，對船體表面產(chǎn)生腐蝕作用迥然相異。船舶停留在淺水區(qū)時，船舶的表面要承受水波的侵蝕，容易產(chǎn)生腐蝕。而與此同時，船舶的上層建筑受到來自陽光、氧氣等自然因素的腐蝕，容易損毀。管路在船舶的各個部位都有分布，因管材不同，腐蝕介質不同，使得管路的腐蝕復雜多樣，電偶腐蝕、沖刷腐蝕、縫隙腐蝕等都有體現(xiàn)[1]。腐蝕船體的因素很多，船體腐蝕的過程，都處于水文環(huán)境之中，這就形成了一個天然的電解池，很容易導致大片腐蝕的出現(xiàn)。因此，利用新能優(yōu)越的復合材料，減輕船體表面的腐蝕，對于船體防護來說，發(fā)揮著重要作用。

1復合材料的性能

復合材料不僅保持各組分材料性能的優(yōu)點，而且通過各組分性能的互補和關聯(lián)可以獲得單一組成材料所不能達到的綜合性能[2]。換句換說，復合材料將2種以上材料進行優(yōu)化組合，能夠發(fā)揮多種材料的優(yōu)越性能。例如，芳綸纖維，芳綸纖維具有耐高溫、耐酸堿、強度高、絕緣等多種性能，因此被廣泛應用到艦船（如航空母艦、核潛艇、救生艇等）復合材料零部件中。還比如，超高分子量聚乙烯纖維，它的輕度在各種纖維中非常靠前，具有優(yōu)越的抗腐蝕性能、抗老化性能和高頻聲納透過性，很多國家都用它來制造船舶的高頻聲納導流罩。復合材料發(fā)展時間比較晚，上個世紀40年代，因為航空工業(yè)需要，發(fā)展了世界上第一個復合材料——玻璃纖維增強塑料。早期復合材料制造工藝偏低、性能較差，主要運用于小型船只上，隨著科技進步，復合材料在制造工藝、性能、種類等多個方面實現(xiàn)了突破，其作用逐漸受到人們關注，被各國廣泛應用到艦船上。

2復合材料在船體防護中的應用

2.1民用復合材料船舶

民用復合材料船舶發(fā)展較早，最早的就是上個世紀50年代的玻璃鋼漁船。玻璃鋼漁船的出現(xiàn)，是民用船舶行業(yè)的大變革，它改變了人們利用木材制造漁船的歷史。漁船利用玻璃鋼，還節(jié)省了大量的優(yōu)質木材資源，有利于生態(tài)環(huán)境保護，同時，玻璃鋼漁船更為堅固，耐用性強，可以到更遠的地方進行捕魚作業(yè)，比木制漁船容易獲得更多的經(jīng)濟效益，自誕生以來，就受到世界各國的共同關注。例如，1990年，威海西港漁業(yè)公司，制造了兩對主尺度、主機功率相同的玻璃鋼漁船和木質漁船，筆者對它們進行了比較系統(tǒng)的對比：船長，木質漁船16.83米，玻璃鋼漁船16.88米；總噸數(shù)，木質漁船26噸，玻璃鋼漁船27噸；初始造價，木質漁船11萬元，玻璃鋼漁船13.76萬元；漁獲量，木質漁船149噸，玻璃鋼漁船130噸；產(chǎn)值，木質漁船26.9萬元，玻璃鋼漁船27.3萬元；噸魚耗油量，木質漁船0.25噸，玻璃鋼漁船0.24噸；噸魚耗冰量，木質漁船0.66噸，玻璃鋼漁船0.52噸；維修費用，木質漁船1.5萬元，玻璃鋼漁船0.7萬元；利潤，木質漁船8.9萬元，玻璃鋼漁船9.4萬元。從整體上來說，玻璃鋼漁船速度快、拖力大、保溫性能好，同時，玻璃鋼漁船的船體表面比木船更耐腐蝕性，后期所需要的維修費用少，可以獲得更高的經(jīng)濟效益，迅速受到人們歡迎。除此之外，玻璃鋼復合材料還被廣泛應用到帆船、小艇、舷外掛機艇、游艇、救生艇等多種民用船舶中。

2.2軍用復合材料艦艇

復合材料在船舶領域的應用，主要體現(xiàn)在軍事領域。復合材料具有優(yōu)越的防腐蝕性和隱蔽性，被世界各國廣泛利用到軍事艦艇上，而其中最具代表性的就是瑞典。瑞典生產(chǎn)的軍事武器，因其卓越的性能，在世界上向來是獨樹一幟，其艦性能堪稱世界先驅。例如，瑞典制造的維斯比級輕型護衛(wèi)艦。該護衛(wèi)艦艦長72米、艦寬10.4米、滿載排水量620噸，其最大的特點就在整體艦船上使用了碳纖維增強塑料夾層板，這種復合材料結構堅實，強度可與鋼鐵相媲美，具有良好的抗水波沖擊性；碳纖維增強塑料夾層板表面光滑平整，具有良好的隱蔽性；它的密度小，重量輕，減輕了船舶重量，加快了航行速度；它具有良好的耐腐蝕性，從而大幅度減少后期維修費用；它還可以絕熱，從而很好的屏蔽艦船內(nèi)，各種機械設備所產(chǎn)生的熱量紅外輻射。由于其材料的特點，它具有良好的隱蔽性、防腐蝕性、抗水波沖擊性、隔熱性，能夠滿足在惡劣海洋氣候中，進行護衛(wèi)任務的需求，是一款受到世界各國歡迎的護衛(wèi)艦。

現(xiàn)代軍用艦艇，朝著全復合材料的方向發(fā)展，很多西方發(fā)達國家的軍用艦船，包括船體的上層建筑，都利用了復合材料。例如，美國所制造的“布什”號航空母艦，利用了復合材料桅桿，復合材料桅桿具備和鋼制桅桿同樣的防護性能，但是復合材料桅桿卻比鋼制桅桿減重達5噸。這一設計不僅降低了船身的重心，也提高了其穩(wěn)定性，有利于船體整體的防護[3]。

2.3高性能復合材料船

進入上個世紀80年代，高性能船逐漸開始利用復合材料。高性能船主要是指高速單體船、高速雙體船、水翼艇等船舶。而高性能船舶中，最主要利用的復合材料就是K-49芳綸。利用K-49芳綸，制作成混雜玻璃鋼，或者是纖維增強樹脂，具有較好的耐水性，可以抵御水文環(huán)境的侵蝕；同時還具有較強的抗紫外線能力，能夠很好的抵御陽光腐蝕。將K-49芳綸和玻璃纖維氈適當混鋪，制成的復合材料，其沖擊韌性可提高數(shù)倍，將芳綸纖維混雜鋪層利用到船體上，可以提高船體的耐沖性能。而一些高性能船舶，例如高速船，為了提升速度，其船體的層板比普通慢船就薄的多，它對剛性和強度的需求就比較迫切，因此，可以在其關鍵部位使用芳綸，從而實現(xiàn)了增強強度的目的。

3結束語

綜上所述，復合材料具有優(yōu)越的防護性能，被廣泛應用到民用船舶、軍用艦船和高性能船舶中，因此，未來船舶行業(yè)，應當整合復合材料性能，把握新科技，有利于更好的提升船舶質量與性能。

參考文獻

[1]楊保平，崔錦峰，張應鵬等.環(huán)氧改性氟碳納米復合船舶涂料的研制[J].蘭州理工大學學報，2006，31（5）：67-70.

[2]陳光.新材料概論[M].國防工業(yè)出版社，2013.

[3]李濤，高興，商偉輝，等.船舶用復合材料的性能研究[J].玻璃鋼/復合材料，2011，（2）：32-35.

（作者單位：江蘇揚子江船業(yè)集團公司）