復(fù)合材料在船舶中的應(yīng)用研究

杜星煒 滿雪輝

摘 要 復(fù)合材料因其優(yōu)勢(shì)顯著的性能特點(diǎn)在船舶領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間，隨著建造工藝的進(jìn)步和材料性能的提升，船舶復(fù)合材料應(yīng)用范圍和比重逐步增大。本文研究船舶復(fù)合材料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，梳理國(guó)內(nèi)外船舶復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀，分析船舶復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)展方向，研判船舶復(fù)合材料發(fā)展趨勢(shì)，為我國(guó)船舶復(fù)合材料的發(fā)展提供參考方向。

關(guān)鍵詞 船舶；復(fù)合材料；發(fā)展趨勢(shì)

Study on the Application of Composites in Marine Ships

DU Xingwei1，Man Xuehui2

（1.Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028；

2.Heilongjiang Government Affairs Big Data Center 150028）

ABSTRACT The composite materials possess a broad application in the ship field because of their remarkable performance characteristics. With the progress of construction technology and the improvement of material properties， the application range and proportion of ship composite materials increase gradually. The application advantages of ship composite materials are studied， the application status of ship composite materials at home and abroad is sorted out， the application development direction of ship composite materials are analyzed， and the development trend of ship composite materials is studied and judged， so as to provide reference direction for the development of ship composite materials in China.

KEYWORDS ships; composites; development trend

1 引言

現(xiàn)代高科技的發(fā)展離不開復(fù)合材料，復(fù)合材料對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有著十分重要的作用。復(fù)合材料的研究深度和應(yīng)用廣度及其發(fā)展速度和規(guī)模已成為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)先進(jìn)水平的重要標(biāo)志之一［2］。

復(fù)合材料中以纖維增強(qiáng)材料應(yīng)用最廣、用量最大，其特點(diǎn)是比重小、比強(qiáng)度和比模量大，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、減摩耐磨、自潤(rùn)滑、耐熱、耐疲勞、耐蠕變、消聲和電絕緣等性能，用于船舶制造可減輕重量，提高速度并節(jié)約能源。本文介紹了船用復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上對(duì)船用復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析和展望。

2 復(fù)合材料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 輕量化水平突出

與金屬相比，碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量均比鋼和鋁合金大數(shù)倍，通過鋪層設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，利用其各向異性特點(diǎn)，可按制件不同部位的強(qiáng)度要求設(shè)計(jì)纖維排列，其優(yōu)異的力學(xué)性能可充分體現(xiàn)。設(shè)計(jì)優(yōu)化后的復(fù)合材料船身在相同強(qiáng)度需求的使用條件下比傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)減重50%以上。船身輕量化有助于提高船舶載重量，降低油耗和運(yùn)營(yíng)成本。

2.2 耐腐蝕性強(qiáng)

復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬相比耐腐蝕性更好，金屬材料在海洋環(huán)境受離子影響造成材料水解產(chǎn)生破壞，使材料周圍產(chǎn)生氣泡，從而導(dǎo)致力學(xué)性能降低。復(fù)合材料在海洋環(huán)境中的初期吸濕率會(huì)增加，但隨時(shí)間推移最終會(huì)維持穩(wěn)定，拉伸強(qiáng)度不再發(fā)生顯著變化。海洋環(huán)境中，由于氯化鈉顆粒會(huì)附著在材料表面，阻止了水分進(jìn)一步侵入結(jié)構(gòu)內(nèi)部。復(fù)合材料表面過處理并在接觸面增補(bǔ)涂層后具有更強(qiáng)的耐腐蝕性，被用于船舶油氣運(yùn)輸?shù)膬?chǔ)罐、螺旋槳葉等結(jié)構(gòu)和設(shè)備中，以解決材料在海洋環(huán)境中的腐蝕問題。

2.3 抗疲勞性好

復(fù)合材料相較于傳統(tǒng)金屬材料在重復(fù)載荷作用下的失效機(jī)理更為復(fù)雜，破壞形式包含纖維斷裂、樹脂基體開裂等多種形式。在疲勞壽命方面，金屬材料通常以剛度或強(qiáng)度降低作為衡量失效的標(biāo)準(zhǔn)，此失效標(biāo)準(zhǔn)下，復(fù)合材料循環(huán)壽命更長(zhǎng)。

2.4 透波性能優(yōu)良

復(fù)合材料具有較高的透波率及較低的反射率和損耗，滿足雷達(dá)搜尋及瞄準(zhǔn)目標(biāo)精度等要求。在艦船導(dǎo)流罩外殼、桅桿天線罩等設(shè)備上具有廣泛的應(yīng)用。

2.5 易于成型

隨著復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，復(fù)合材料成型工藝日漸完善，新成型方法不斷涌現(xiàn)。復(fù)合材料成型方法目前有很多種，并成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。根據(jù)不同部件的具體使用需求及設(shè)計(jì)，選用合適的成型工藝，使船舶制造工序更加簡(jiǎn)單，有利于成本控制。

3 船舶復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀

船用復(fù)合材料按照功能可分為結(jié)構(gòu)、阻尼、聲學(xué)、隱身和防護(hù)五大系列，如圖1所示。

3.1 復(fù)合材料在船體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

船體上的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式主要為層合板結(jié)構(gòu)和夾層結(jié)構(gòu)。層合板結(jié)構(gòu)利用纖維方向的優(yōu)異力學(xué)性能按照不同角度鋪放而成。與傳統(tǒng)船用金屬相比，纖維復(fù)合材料具有更高的比強(qiáng)度和比模量，作為一種理想結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了船舶輕量化。

夾層結(jié)構(gòu)外層為力學(xué)性能較好的復(fù)合材料薄板，中間為力學(xué)性能較差但密度低的芯材，用黏合劑將兩部分連接。玻璃纖維和碳纖維為主要增強(qiáng)材料，木質(zhì)、泡沫或蜂窩為主要芯材。纖維材料相較于芯材具有更加突出的力學(xué)性能，主要由復(fù)合材料面板承受以拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等受力條件下產(chǎn)生的載荷。而芯材決定了夾層結(jié)構(gòu)的截面剛度，隨著芯材厚度增加，夾層結(jié)構(gòu)的截面彎曲剛度增加，結(jié)構(gòu)整體重量提升卻并不明顯，所以在復(fù)合材料船舶船體建造中夾層結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛。

3.2 復(fù)合材料在推進(jìn)器上的應(yīng)用

復(fù)合材料推進(jìn)器葉片中的纖維承受主要的水動(dòng)力和離心力，所以通過纖維角度和鋪疊順序設(shè)計(jì)可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能。纖維角度影響葉片結(jié)構(gòu)的推力、有效螺距和翹曲大小，因此葉片需要精確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造，以確保獲得最優(yōu)性能。

在實(shí)際應(yīng)用中，2003年英國(guó)Qineti Q公司制造了直徑2.9 m的復(fù)合材料螺旋槳，如圖2所示。德國(guó)AIR公司開發(fā)的Contur系列復(fù)合材料螺旋槳已成功應(yīng)用于多類艦船，如圖3所示。2015年日本中島公司與船級(jí)社為“太鼓丸”號(hào)“Taiko-Maru”化學(xué)品貨輪開發(fā)了柔性復(fù)合材料螺旋槳，如圖4所示。

3.3 復(fù)合材料海軍艦船上層建筑上的應(yīng)用

法國(guó)海軍于1992年開始在艦船上層建筑上采用復(fù)合材料，2002年交付的5艘“拉斐特”級(jí)艦的上層建筑均采用復(fù)合材料夾層板。芬蘭皇家海軍的Rauma快速巡邏艇的上層建筑也采用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，船體采用鋁合金。美國(guó)海軍“阿利·伯克”級(jí)驅(qū)逐艦的上層建筑是由夾層復(fù)合材料與鋼結(jié)構(gòu)組合而成，包括武器系統(tǒng)外罩、前指揮室、直升機(jī)庫(kù)、煙囪等構(gòu)件。

美國(guó)新一代驅(qū)逐艦首艦DDG 1000，排水量約14000t，航速約30kn，是美國(guó)未來海軍的主力戰(zhàn)艦，集成上層建筑是其亮點(diǎn)之一，尺寸約為60.35m×21.12m×18.1m，具有隱身性強(qiáng)、電磁兼容性好等優(yōu)勢(shì)。DDG 1000驅(qū)逐艦集成上層建筑應(yīng)用復(fù)合材料的部件包括上層甲板室、機(jī)庫(kù)、雷達(dá)天線罩等。意大利海軍近年建造了4艘“克曼德安迪”級(jí)輕型護(hù)衛(wèi)艦，自2002 年開始服役，生產(chǎn)商為芬坎蒂尼造船公司里瓦·特里戈索造船廠。 第4艘艦“福斯卡里” 2004年下水，該艦長(zhǎng)88.4m，滿載排水量1520 t，最大航速25 kn以上，采用了更多的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，用于桅桿和直升飛機(jī)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了減重和耐腐蝕的目的。美國(guó)西雅圖的Zyvex船舶公司采用先進(jìn)復(fù)合材料制造的LRV-17快艇投入航行，其航程相當(dāng)于同規(guī)格快艇的3倍以上。該新型快艇采用了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，大大減輕了快艇結(jié)構(gòu)重量，延長(zhǎng)了快艇航程。

4 船舶復(fù)合材料發(fā)展趨勢(shì)

4.1 場(chǎng)景多樣化

隨著材料性能、生產(chǎn)工藝改進(jìn)，以及復(fù)合材料實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，船舶復(fù)合材料的應(yīng)用場(chǎng)景在不斷擴(kuò)大。目前軍用艦船對(duì)復(fù)合材料應(yīng)用需求較大，復(fù)合材料輕質(zhì)的特點(diǎn)有助于提升軍艦機(jī)動(dòng)性并有效提高搭載武器裝備數(shù)量，其良好的透波性能可滿足艦船隱身要求，增加設(shè)備集成度。復(fù)合材料未來在軍艦上的應(yīng)用探索將進(jìn)一步深化，應(yīng)用范圍與規(guī)模將持續(xù)擴(kuò)大。在民船領(lǐng)域，由復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)建造的上層建筑對(duì)降低船舶重心，提高船舶穩(wěn)定性是十分有效的。

4.2 尺寸大型化

船舶復(fù)合材料從最初應(yīng)用于掃雷艇、漁船等小型船只逐步向護(hù)衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦、客船等船型應(yīng)用方向發(fā)展，其結(jié)構(gòu)尺寸不斷增大。復(fù)合材料大量應(yīng)用于對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高的部位，雖有輕型護(hù)衛(wèi)艦使用碳纖維夾層結(jié)構(gòu)，上層建筑使用玻璃纖維結(jié)構(gòu)的船型案例，但由于研制成本高、建造工藝難度大、歷史數(shù)據(jù)積累不足，因此難以在船舶領(lǐng)域獲得大規(guī)模的應(yīng)用。當(dāng)前趨勢(shì)是在小尺寸復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成熟應(yīng)用的基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行大尺度構(gòu)件試驗(yàn)。

4.3 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)化

相較于傳統(tǒng)船用金屬材料，復(fù)合材料設(shè)計(jì)參數(shù)、性能表現(xiàn)更為復(fù)雜，加上船舶應(yīng)用歷史相對(duì)較短、規(guī)模較小，包括疲勞、防火和降噪等性能參數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)積累不足，各國(guó)研制的大型復(fù)合材料船舶或多或少帶有試驗(yàn)性質(zhì)。傳統(tǒng)鋼船規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)不適用于復(fù)合材料船舶，復(fù)合材料作為船用材料的發(fā)展趨勢(shì)之一，國(guó)際各方正快速建立其評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)體系。目前美國(guó)和俄羅斯對(duì)船舶復(fù)合材料的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)較為全面，歐盟開展對(duì)船舶復(fù)合材料的全生命周期管理研究。我國(guó)對(duì)船舶復(fù)合材料的性能評(píng)估體系尚不統(tǒng)一，限制了船舶復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)展的速度，今后應(yīng)完善相關(guān)數(shù)據(jù)的收集與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)積累，加強(qiáng)船舶復(fù)合材料應(yīng)用體系研究。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）海洋船舶制造中應(yīng)用復(fù)合材料具有非常顯著的優(yōu)勢(shì)，要想進(jìn)一步拓展應(yīng)用，關(guān)鍵是要加快復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和研發(fā)進(jìn)程。我國(guó)海洋船舶復(fù)合材料未來發(fā)展的最重要一步是改進(jìn)設(shè)計(jì)工藝。復(fù)合材料要向著高性能、低成本的方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)上需要完成從非承力結(jié)構(gòu)向主/次承力結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，這樣才能繼續(xù)拓展復(fù)合材料的應(yīng)用范疇，使其能夠在海洋船舶制造中得到大規(guī)模的應(yīng)用。

（2）歐美在船舶復(fù)合材料技術(shù)應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)制訂方面處于領(lǐng)先地位。近年來，歐美加大對(duì)輕量化材料結(jié)構(gòu)的研究力度，持續(xù)推動(dòng)相應(yīng)規(guī)則的修改，在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制訂方面比我國(guó)具有更強(qiáng)的話語(yǔ)權(quán)，掌握相對(duì)深厚的技術(shù)儲(chǔ)備與市場(chǎng)先機(jī)。

所以，需研究船用復(fù)合材料制作工藝的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分析和歸納復(fù)合材料應(yīng)用的典型部位，進(jìn)行海洋環(huán)境條件下的性能試驗(yàn)研究。可通過試驗(yàn)室模擬海洋環(huán)境，加速?gòu)?fù)合材料的性能試驗(yàn)，獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)參數(shù)，建立壽命預(yù)測(cè)模型，形成完整的復(fù)合材料海洋性能評(píng)價(jià)程序、流程和具體方法，為復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)用和維護(hù)等提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

參 考 文 獻(xiàn)

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