方志剛，劉 斌，李國明,李 健，3

(1.海軍裝備研究院，北京 100161)(2.海軍工程大學，湖北 武漢 430033)(3.中國鋼研科技集團有限公司，北京 100081)

1 前 言

由于關系到艦船服役安全性以及技戰(zhàn)術水平，艦船材料的研發(fā)考核環(huán)節(jié)眾多，周期較長，一般需要經過實驗室研究、工業(yè)試制、綜合性能評價、應用研究考核、模型結構考核及解剖、上艦考核等極為復雜的研制流程，往往從實驗室到型號應用需要10年以上的時間，甚至超過了很多型號的研制周期。目前全世界只有少數(shù)工業(yè)化強國具備從材料研發(fā)、生產、到應用的整體系列配套能力。因此，“材料先行”、“材料體系構建”是各海洋強國都十分重視的基本理念。

艦船材料按照平臺類型分，有艦船結構材料、動力機電系統(tǒng)材料、水中兵器用材料。按照材料類型分為結構材料、結構/功能一體化材料、特種功能材料3大類。結構材料又分為船體結構鋼、輪機及其他結構鋼、耐熱鋼、高溫合金、不銹鋼、特殊性能鋼(防彈、低磁等)、焊接材料、鋁合金、銅合金、鈦合金等；結構/功能一體化材料分為樹脂復合材料、金屬復合材料、阻尼降噪材料等；特種功能材料分為涂料和涂層、陰極保護材料、電解防污材料、有源聲學材料、隱身材料(吸波、吸聲等)、密封材料及膠粘劑、裝飾材料、橡膠、耐火及絕緣材料等，共有22個材料類別約1 000個牌號。

2 國內外艦船材料的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外艦船結構鋼發(fā)展現(xiàn)狀

船體結構鋼是現(xiàn)代艦船建造最關鍵的結構材料，也是用量最大的材料，其性能優(yōu)劣直接關系艦船技戰(zhàn)術性能的提高。船體結構鋼作為船體結構材料，必須具有足夠的強度和韌性、良好的工藝性及耐海水腐蝕性能。第二次世界大戰(zhàn)后，世界各軍事強國為了滿足艦船裝備的發(fā)展需求，研究開發(fā)了系列高強度艦船用鋼。

美國從第二次世界大戰(zhàn)開始發(fā)展艦船用鋼至今，其艦船船體鋼的發(fā)展經歷了多個階段。先后選用過碳素船體鋼、HTS、HY80、HY100、HSLA80、HSLA100等多個型號的鋼種。其研制應用大致可以分為4個階段[1-3]：

第一階段二戰(zhàn)期間，美國水面艦船主要選用HTS、A、B、D、E等高強度及一般強度級別的結構鋼作為主船體選材。該階段鋼的主要特點是強度級別不高，合金元素少、碳當量低，故成本低、焊接性好，但其韌性較低、抗彈性差、耐蝕性一般，且鋼板厚度較大，但在當時也基本滿足了美國水面艦船的使用要求。

第二階段20世紀60年代以后，為了滿足發(fā)展大型航母和新一代潛艇的需求，在Ni-Cr系STS防彈鋼的基礎上開發(fā)出了強度更高、韌性更好的HY系列高強度結構鋼，包括HY80、HY100及強度更高的HY130鋼。HY系列鋼種為調質型Hi-Cr-Mo系鋼，其主要特點是：①高強度，HY80、HY100分別為550 MPa、690 MPa級別；②Ni、Cr、Mo等合金元素含量較多，碳當量高，焊接性差，建造成本高；③鋼板規(guī)格齊全，水面、水下艦艇結構通用；④碳含量及碳當量較高，故焊接性差。表1為20世紀80年代美國海軍HTS/MS鋼和HY鋼在艦船方面的應用情況。可以看到，HTS/MS鋼在水面艦船上依然是主要且大量應用的鋼，而潛艇則以HY80、HY100鋼為主。

表1 美國海軍艦船鋼用量情況Table 1 Consumption of ship building steel in U.S.Navy

第三階段HY系列鋼雖然強度級別較高，但由于鋼中的合金元素如Ni,Cr,Mo等含量較高，導致該種鋼成本高，且對焊接性能要求較高。20世紀80年代以后，為了改善海軍艦船用鋼焊接性能，節(jié)約艦船建造成本，又發(fā)展了HSLA80、HSLA100新鋼種，以替代對應強度級別的HY80、HY100鋼。圖1顯示了690 MPa級HSLA100鋼近年來在美國海軍最新航母建造中的使用情況。可以看出，從CVN74的少量試用，到CVN75、CVN76、CVN77擴大采用，經過了10多年時間。

HSLA80、HSLA100鋼主要采取銅沉淀硬化型的強化機理，其主要特點是：①碳含量及碳當量低，焊接性能好，建造成本低；②Ni,Cr,Mo含量較HY系鋼有了不同程度的減少，降低了材料成本。

這一階段的航母船體結構用型鋼、鑄鍛鋼及焊接材料仍然沿用了HY系列的配套材料。為了充分發(fā)揮HSLA系列鋼所具有的良好焊接性能，同時開發(fā)了配套材料。

圖1 HSLA-100在美國航母上使用情況/tFig.1 Utilization of HSLA-100 steel (tons) on the U.S.Navy aircraft carriers

第四階段20世紀90年代以后，為了發(fā)展未來型航母，美國海軍關注的焦點變?yōu)楹侥钢鞔w重量越來越重，以及由此帶來的航母機動性和有效載荷降低等突出問題。因此，美國海軍又相繼開發(fā)了HSLA65和HSLA115及10Ni鋼。目前，美國航母主船體用鋼主要是HTS、HY80、HY100、HSLA80、HSLA100等5種鋼混用，并在非主要結構部位考核HSLA65和HSLA115。

美國在發(fā)展水面艦船用鋼方面有以下4個特點：①446 MPa強度以下的水面艦船用鋼主要是Mn系鋼；②注意改進現(xiàn)役鋼種的質量及韌性；③采用控軋控冷等現(xiàn)代冶金技術，發(fā)展新型船體鋼，提高鋼的強韌性及可焊接性;④開展新鋼種的研究，形成新的系列，旨在降低鋼種本身成本及艦船制造成本。

美國海軍發(fā)展的HSLA65、HSLA80、HSLA100、HSLA115系列易焊接、高強度艦船用鋼，逐步替代傳統(tǒng)的HY系列高強度艦船用鋼，成為最新航母建造的主體材料，代表了航母用鋼的發(fā)展方向。美軍在現(xiàn)役航母上大膽考核下一代先進材料的做法，使得其航母用鋼研發(fā)和應用發(fā)展迅速，體系十分完備，可隨時根據(jù)需求對設計做出調整。至此，美國在艦船用鋼方面基本形成了一套完整的體系，以美國海軍航母用鋼為例，其材料的發(fā)展替代歷程如圖2所示。

圖2 美國海軍航母用鋼的發(fā)展替代歷程Fig.2 Substitution progress of the steel for U.S.Navy aircraft carriers

除美國外，俄羅斯、日本、法國、英國等國家也開發(fā)了系列高強度艦船用鋼，如俄羅斯的AK系列、АБ系列，日本的NS系列，法國的HLES系列等，其艦船材料的發(fā)展思路大致與美國相仿。國外艦船用鋼的總體發(fā)展趨勢可以概括為以下幾點：

高強度化對潛艇來說，提高耐壓殼體用鋼的強度意味著減少艇體自重，增大下潛深度或增加儲備浮力，可大大提高潛艇的技戰(zhàn)術性能。對大型水面艦艇來說，提高船板強度意味著船體重量的減輕，可以為艦艇武備升級和全壽命維護節(jié)省出寶貴的重量，并顯著降低造船成本。

易焊接化為滿足航母和大型艦艇的建造需求，改善艦船鋼焊接性能是另一個重要方向。如HSLA系列鋼利用微合金化、控軋控冷、時效硬化處理以及超低碳貝氏體組織來滿足高強韌性、易焊接性要求，形成了0 ℃、室溫焊接不預熱等高強度艦船鋼系列，顯著降低了造船成本、提高了建造效率。

現(xiàn)有鋼種的改進與完善配套為滿足艦船用鋼不斷更新?lián)Q代的要求，世界各國都對現(xiàn)有成熟鋼種不斷改進提高，進行深化完善的研究工作。如美國HY80/100鋼，自20世紀50年代研制成功以來一直在進行改進提高的研究工作，已修訂標準11次，對技術指標要求、冶金工藝方法、化學成份分檔、鋼板厚度規(guī)格、鋼中夾雜元素及冶金質量控制等方面進行了深化完善。

采用冶金新技術提高艦船用鋼性能艦船用鋼的研制、開發(fā)和生產水平與一個國家的冶金工業(yè)基礎密切相關。20世紀80年代后，隨著超低碳、超純凈鋼冶煉、連鑄技術和控軋控冷等冶金技術的發(fā)展，艦船用鋼也朝著高純凈化、高性能方向發(fā)展[4]。

2.2 國外其他艦船材料發(fā)展現(xiàn)狀

艦船總體系統(tǒng)對關鍵材料技術的需求不僅限于高強度、易焊接的高性能結構材料，因此在發(fā)展船體結構鋼材料的同時，國外也在大力推進其他高性能艦船材料的研發(fā)。

鈦及鈦合金鈦及鈦合金具有良好的斷裂韌性、耐蝕性，高比強度和低磁性等特點，是優(yōu)秀的海洋合金。俄羅斯在鈦合金研制和應用上獨樹一幟，其技術水平、建造能力和規(guī)模在國際上處于領先地位，已基本形成用于船體、船機和動力裝置的鈦合金系列材料。美國用于艦艇的鈦合金主要為中強可焊鈦合金。美國將大量鈦材用于通海系統(tǒng)的管、泵、閥換熱器上，以解決海水腐蝕，從而提高其使用壽命與可靠性。

鋁合金鋁合金由于具有比重小，比強度、比模量高，耐腐蝕性能好，易加工成型，焊接性能好等優(yōu)點，在艦船領域得到了廣泛的應用，主要用于快艇、高速船、軍輔船、航空母艦升降裝置、大型水面艦船上層建筑、魚雷殼體等，鋁質船舶也從鉚接、鉚焊結構發(fā)展到全焊結構。多年來，世界各國對船用鋁合金的研究與發(fā)展都非常重視，在美、日、英等發(fā)達國家，艦船用鋁合金已成系列，品種配套、規(guī)格齊全，已成為海軍艦船的主要結構材料之一。目前國外在船舶上應用的鋁合金主要有以下幾個系列：Al-Mg系、Al-Mg-Si系和Al-Zn-Mg系，其中以Al-Mg系合金在艦船上應用最廣泛[5]。

銅及銅合金銅及銅合金具有優(yōu)異的耐海水腐蝕性、導熱性、耐海生物污染性，優(yōu)異的力學性能、良好的冷熱加工性能及鑄造性能等，廣泛用于艦船螺旋槳，海水管系及其配件、泵、閥、軸套等零部件，潛艇螺旋槳用銅合金還應具備低噪音特性。20世紀60～70年代，英國斯通公司、俄羅斯、美國相繼研制出了鑄造阻尼Cu-Mn合金，但使用性能不理想。英國斯通公司提出潛側式噪音螺旋槳新方案，從精湛的設計技術、新型高阻尼合金和復雜槳葉形狀精確制造3個方面綜合控制，共同提高潛艇的隱蔽性能。

復合材料復合材料包括樹脂基與金屬基復合材料，具有力學性能優(yōu)良、耐腐蝕、大幅減重、優(yōu)良的聲、磁、電性能等特點，早期應用在小型巡邏艇和登陸艦上。近年來，隨著低成本復合材料技術的提高，開始逐漸應用在大型巡邏艇、氣墊船、獵雷艇、護衛(wèi)艦以及上層建筑中。各國海軍應用的復合材料制品還包括煙囪、艙壁、甲板、舵等次承載結構，這些材料可降低艦船的雷達信號特征，同時也降低了紅外(熱)信號特征，在結構減重方面所做的貢獻非常顯著。

新型功能材料除以上材料外，國外還大力發(fā)展了諸如防腐涂料、艦船隱身、減振降噪、隔熱及其他特種功能材料等新型功能材料。其中防腐涂料：主要用于艦船上層建筑、艦船內艙、艦船海水管路系統(tǒng)、船體及其附體如舵、減搖鰭、螺旋槳等部位。艦船隱身：水面艦艇隱身技術的重點集中在雷達波隱身、紅外隱身及減振降噪技術上；國外采取涂敷型吸波材料或結構型吸波材料解決雷達波隱身；采用特殊涂料解決紅外隱身的研究工作正在進行。減振降噪：減振降噪材料的主要類型包括吸聲材料、隔聲材料、阻尼材料。隔熱材料：主要用于艙室環(huán)境控制，它也是艦船舾裝材料的重要組成部分，國外艦船用絕緣隔熱材料有無機材料和有機泡沫材料兩類。特種功能材料：包括儲氫材料、永磁材料、主動控振智能材料等。

2.3 材料加工與成型新技術

為更好地實現(xiàn)減免維護、降低維護成本這一航母腐蝕預防與控制的核心思想，目前美國海軍在航母及其他新的艦艇建造和維護過程中，不斷研發(fā)運用了一系列新材料、新工藝和新技術。

新型鑄造工藝在HY-80/100鋼鑄造過程中，美國海軍采用了新型壓鑄工藝以降低成本、提高鑄件合格率。新工藝的運用每年可節(jié)省成本70萬美元，使大型鑄件合格率提升至70%以上，交貨時間降至55天。

新型成型技術美國海軍采用閉塞冷鍛技術(CDCF)制造的5～20 cmCVN-78航母用Inconel 625合金管彎頭，使管道連接費用節(jié)省了約50萬美元。

新型焊接技術主要有遠程焊接預熱系統(tǒng)、輕型火焰釬焊技術、大功率電纜接頭鋁熱焊技術、防涂層燒蝕焊接冷卻技術。為避免焊接預熱不均，提高焊縫質量，美國海軍在航母CVN-78建造過程中運用了新型的遠程焊接預熱系統(tǒng)；為克服人工釬焊造成的質量難以控制問題，在CVN-78建造過程中，美軍采用了輕型火焰釬焊技術，使每艘航母建造和大修成本節(jié)省了700萬美元；美軍將新型鋁熱焊技術用于CVN-78大口徑電磁彈射器大功率電纜接頭焊接，大大提高了焊接質量和可靠性，減少了焊接和維護工時；為防止已涂裝區(qū)域在焊接過程中的燒蝕，CVN-78建造過程中運用了焊接冷卻技術[6-8]。

2.4 國內艦船材料發(fā)展現(xiàn)狀及特點

2.4.1 發(fā)展現(xiàn)狀

我國艦船結構鋼發(fā)展可以劃分為4個階段[9-10]：20世紀50～60年代，主要是依賴原蘇聯(lián)進口和仿制；20世紀70～80年代開始自行研制，當時受國內資源限制，立足于無鎳合金鋼，研制了我國第一代艦船用Mn系無鎳鉻鋼和低鎳鉻鋼，如901、902、903系列鋼種，這些自行研制的艦船用鋼在我國海軍艦艇建造中得到了成功應用；進入20世紀80年代，海軍裝備有了很大發(fā)展，對艦船用鋼也提出了更高的要求，第一代艦船用鋼已滿足不了現(xiàn)代海軍的需求，開始研制綜合性能更好的第二代艦船用鋼及其配套材料，如390 MPa級的907A鋼、440 MPa級的945鋼、590 MPa級的921A系列鋼、785 MPa級的980鋼等，至此，初步形成以4大主力鋼種為支撐的我國艦船結構材料體系；20世紀90年代后，改進提高和自主研發(fā)并舉，特別是2000年以后，在強度覆蓋、品種規(guī)格及配套材料等方面有了長足的發(fā)展，為海軍新型主戰(zhàn)裝備建設提供了強大的物質基礎。

在持續(xù)發(fā)展船體結構鋼及其配套材料的同時，我國也加大了艦船用其他結構/功能一體化材料，以及特種功能材料的研發(fā)。

鈦及鈦合金我國艦船鈦合金的研究始于1962年，經過探索研究、自主研發(fā)、產業(yè)化及推廣應用3個發(fā)展階段，研究水平有了很大的提高，目前擁有包括Ti-B19、Ti91、Ti70、Ti80等典型艦船鈦合金，并形成了我國專用的鈦合金系列，能批量生產板、管、鍛件、中厚板、各種環(huán)材、絲、鑄件等多種產品，基本滿足國內艦船不同強度級別和不同部位的要求[11-12]。

鋁合金我國艦船用鋁合金的研究始于20世紀60年代初。目前研制成功的船用鋁合金結構材料主要有變形鋁合金和鑄造鋁合金2大類。變形鋁合金包括鋁合金板材、型材、管材、鍛件及其配套焊絲，研制成功的船用變形鋁合金牌號主要有Al-Mg系的5A01、5A30、5A70合金和Al-Zn-Mg系的7A19合金，鑄造鋁合金牌號主要有ZL305和ZL115合金等。自1979年起,5A01、5A30、7A19、ZL305和ZL115等合金已廣泛用于各種船舶及魚雷殼體的建造等，5A70合金已成功用于建造水撬模擬結構件。然而，我國艦船用鋁合金的牌號、品種、規(guī)格卻未能全面發(fā)展起來，我國用來制造高速艦船船體(包括軍用快艇和高速客船)的鋁合金幾乎都依賴國外進口，其中使用最多的是進口5083鋁合金。

銅合金我國對海水管系及其配件、泵、閥、軸套等零部件，艦船螺旋槳等用的銅合金研究相對薄弱。目前我國艦船海水管路系統(tǒng)主要采用以B10、B30為主的銅鎳合金。新研制了鑄造銅鎳鋁合金ZCu7-7-4-2及變形銅鎳鋁合金等，并發(fā)展了艦船用銅鎳合金的焊接技術。

復合材料我國復合材料研發(fā)相對國外較晚，經歷了由纖維增強復合材料、樹脂復合材料到結構芯材的發(fā)展。其中，纖維增強材料由最初的玻璃纖維，發(fā)展為碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維和連續(xù)玄武巖纖維等4大高科技纖維；樹脂復合材料中的樹脂也經歷了不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基酯樹脂、酚醛樹脂等幾大類別的發(fā)展過程；復合材料夾層結構船艇常用的輕質高性能結構芯材包括泡沫塑料、輕木以及各種蜂窩材等。我國復合材料在艦船的應用較少，典型應用是潛艇的艇艏聲納導流罩，部分已經安全應用20年。在實艇應用方面，除透聲復合材料獲得了較多的應用外，隔聲、吸聲和阻尼復合材料還沒有在型號中實現(xiàn)應用，工程應用經驗不足，與國外差距較大[13]。

新型功能材料現(xiàn)代艦船是高新技術高度密集的綜合系統(tǒng)，所用功能材料的種類很多，但其中大多數(shù)并不是艦船專用材料。在艦船上有獨特應用的功能材料主要有電磁力推進用超導材料、吸收雷達波材料、艦船隱蔽用消聲與減振材料、水聲換能材料、燃料電池用貯氫材料、永磁電機用永磁材料等，其中有些還兼作結構材料，屬結構/功能一體化材料，這一系列新型功能材料大多尚處于探索研究階段。

2.4.2 發(fā)展特點

我國艦船材料的發(fā)展以海軍裝備發(fā)展對關鍵材料特性要求為依據(jù)，經歷了從無到有、從仿制到自行研制的過程。已研制和生產的艦船材料基本滿足了不同時期海軍各型裝備發(fā)展的需求。近期國內艦船材料的發(fā)展主要有以下幾個特點：①正在完善4大主力鋼種的規(guī)格系列。近年來，研發(fā)了907A和921A雙球扁鋼、921A超長超寬板、921A高效不預熱焊接材料等結構材料，滿足大型船舶主船體結構的建造需求；研發(fā)了厚度為80～120 mm的980厚板，滿足潛艇的建造需求。②在低成本和耐蝕鋼應用方面進行了探索。研發(fā)E36軍民通用船體結構鋼，降低了成本，簡化了建造工藝，滿足護衛(wèi)艦的建造需求；開展了B級耐蝕鋼的推廣，用于大型輔助船舶主船體結構建造。③研發(fā)系列復合材料。系列復合材料的開發(fā)應用，實現(xiàn)了艦船用結構/功能一體化材料零的突破；復合材料上層建筑、指揮臺圍殼整體方案的制定，可實現(xiàn)船體結構減重30%，為護衛(wèi)艦、潛艇的減重需求提供了技術途徑。④新型功能材料不斷涌現(xiàn)。研制了航母飛行甲板防滑涂料以及應用于不同基材表面、不同期效的防腐及防污涂層等，使艦船涂料防腐能力從5 a提高到8 a，防污能力從3 a提高到5 a；開展了耐壓殼體用阻尼隔聲去耦材料、耐壓阻尼吸聲材料等研制工作。⑤在材料新工藝方面進行了大量探索。全面推廣艦船結構及配套焊接材料的結構模型建造考核，通過各型艦艇的模型建造考核，進一步深化了應用研究，通過結構模擬、環(huán)境模擬和工藝模擬條件，實現(xiàn)艦船結構材料上艦前的考核驗證，確保安全可靠應用。

2.5 國內艦船材料發(fā)展中存在的問題

隨著海軍戰(zhàn)略轉型，海軍裝備進入高速發(fā)展期，對艦船材料的發(fā)展提出了更新、更高的要求，同時也暴露出艦船材料發(fā)展方面存在的問題[8]。

材料研發(fā)體制缺乏頂層溝通機制艦船材料特別是船體結構鋼屬于國家重大戰(zhàn)略資源，建設投入大、周期長，一般均由國家投資進行立項研制。例如在船體結構鋼的研制和應用方面，按照渠道劃分為國家立項支持船體結構鋼的基礎研制和軍方立項支持船體結構鋼的應用研究。由于缺乏頂層的溝通機制，軍方主導作用受到制約，導致基礎研究和應用研究結合不緊密，需求和投入結合度不高。一方面，造成對材料的先期投入不足，難以實現(xiàn)“材料先行”；另一方面，易出現(xiàn)材料研制滯后問題，影響型號建造進度。

材料及配套體系構建不完整艦船關鍵材料及配套材料的現(xiàn)有體系(如船體結構鋼)基本能滿足現(xiàn)有艦船裝備的要求，但距離戰(zhàn)略轉型后的海軍裝備發(fā)展需求還存在材料種類、規(guī)格缺失等問題，影響了現(xiàn)有裝備建設進程及發(fā)展，急需開展相關研究，補充完善，同時加強艦船材料頂層規(guī)劃的研究工作。

材料應用工藝技術成熟度不夠船體結構用鋁合金材料至今仍依賴進口，就是典型的材料加工技術成熟度不夠的問題。船體結構鋼也同樣存在類似問題。艦船結構建造工藝包括焊接、火工矯正、水火彎板、冷成型等，種類多、工藝復雜。特別是艦船作為一個巨大的焊接結構，焊接工時占全船建造工時的30～40%，焊接效率直接影響艦船的建造進度，焊接質量直接影響艦船結構的整體質量，因此艦船的焊接管控至關重要。921A鋼需焊前預熱，980鋼需焊前預熱、焊后后熱，對施工環(huán)境條件要求苛刻，如果焊接工藝執(zhí)行不嚴、焊接工藝更改的驗證試驗不充分，易出現(xiàn)如角焊縫裂紋等焊接質量問題，容易影響艦船建造質量。另外，先進高效的焊接工藝應用較少。

關鍵材料技術性能落后甲板飛行涂料、液艙防腐蝕涂料、船體防污涂料、減振降噪材料、隱身材料等關鍵材料指標性能落后，不能滿足艦船裝備發(fā)展需求。

艦船材料是海軍裝備發(fā)展的重要物質基礎，“一代材料、一代裝備”?！安牧舷刃小笔菄鴥韧馕淦餮b備建設的共識，應當結合生成技術的進步，動態(tài)地改進、提高艦船材料研制應用技術水平，實現(xiàn)艦船材料持續(xù)、協(xié)調、體系化發(fā)展。

3 艦船裝備發(fā)展對材料的需求

由于國家發(fā)展戰(zhàn)略和軍隊發(fā)展重點的要求，與國內其他兵種和國際海軍裝備發(fā)展大勢相比，國內海軍裝備發(fā)展速度長期緩慢。隨著海軍轉型要求，賦予了海軍新的歷史使命，對海軍裝備提出更高、更快、更強的要求，但材料問題成為制約海軍裝備快速發(fā)展的短板。在未來20年，海軍將會有更多的艦艇型號立項、研制、交付使用，對先進材料的需求將會以幾何級數(shù)增長，艦船裝備材料技術領域將會面臨前所未有的壓力和機遇。

3.1 海軍裝備發(fā)展對先進材料的需求特征

根據(jù)世界各國海軍裝備的特點，海軍艦艇裝備的發(fā)展趨勢可概括為“深、大、遠、高、低”，即：下潛深度更深，大噸位艦船更多，走向更遠海域，高航速、高機動性、高負載、高隱身性、高防護能力、高在航率等，低成本。因此對艦船裝備材料也提出了更高的要求，可概括為以下幾點：①提高潛艇的潛航深度可以提高潛艇的隱蔽性、機動性和生存能力。未來海軍潛艇下潛深度會更深，要求耐壓殼體承受壓力更大、耐壓殼體材料強度更高、規(guī)格更厚、更耐腐蝕、焊接性能更好；但耐壓殼體增厚會帶來重量、重心變化等總體設計問題，因此耐壓裝備材料需要更新?lián)Q代，需要發(fā)展輕質非耐壓殼體材料。②航母、大型驅逐艦、兩棲攻擊艦等大型艦船以及氣墊船、艦載機以及新型特種裝備給材料技術提出更多特殊的要求。航母結構龐大、復雜，其艉軸架、動力軸等鑄鍛件尺寸遠遠超過一般水面艦船；飛機上艦要求研制彈射起飛、阻攔降落等關鍵設備，這些裝備的關鍵材料需要強大的技術儲備，需要開展相關大尺寸材料的制造工藝技術研究和新材料研制。③海軍艦艇在海洋中服役，必然會面臨腐蝕與海洋生物污損問題，遠海航行對先進材料的耐蝕性、可靠性、安全性的要求更高。海軍是材料腐蝕問題最為突出的兵種。海軍裝備逐步從近海走向遠洋，腐蝕環(huán)境更為惡劣，對裝備的可靠性、長壽命要求越來越高。提高塢修間隔期和在航率，才能充分發(fā)揮海軍裝備的作戰(zhàn)能力，這要求艦船材料具有良好的耐蝕性。整體提高艦船結構材料、結構功能一體化材料、電子功能材料的耐蝕性以及重要裝備的防腐蝕能力是迫切需要研究的課題。隨著艦員在艦上生活、工作時間越來越長，以及國際上對海洋環(huán)保要求越來越高，艙室環(huán)境居住性和對海洋的友好要求越來越嚴格，長壽命、綠色環(huán)保防腐防污材料需求將更為突出。④隱身性是未來艦艇最突出的技術特征和有效作戰(zhàn)最重要的技戰(zhàn)術指標。海軍裝備高隱身性、高防護性能對先進的結構/功能一體化材料特性提出了高要求。主要體現(xiàn)在水面艦艇以雷達隱身、潛艇以聲隱身等為重點，應發(fā)展并應用新型耐壓阻尼材料、主動阻尼材料、水聲材料、多頻譜隱身涂料等技術，同時探索研究磁、紅外、尾跡等其他隱身技術，加強艦船自身防護安全結構和材料研究、研制發(fā)展艦艇用輕型防護裝甲材料，進一步提高關鍵結構材料的抗打擊防護性能。⑤無論潛艇還是水面艦船，航速越高、機動性越好，越能在海戰(zhàn)中贏得主動。另一方面，潛艇與水面艦船配備的武器裝備及彈藥越多，在海戰(zhàn)中戰(zhàn)斗力越強。而要實現(xiàn)高航速、高機動性與高負載，則要求艦艇的結構重量小，并盡量降低結構重心，這對先進材料的種類和性能提出了長遠要求。鈦合金、鋁鎂合金、復合材料等輕質材料的規(guī)?；瘧檬墙鉀Q艦艇減重、增加有效載荷和提高航速的關鍵途徑。⑥就單個裝備比較，艦船相對其他兵種的裝備要大得多、重得多，材料成本占裝備經費比例非常高，控制材料成本意義重大。特別是在未來20年海軍裝備處于大發(fā)展時期，大噸位艦船會越來越多，許多型號要批量建造、長時間保留。急需探索民用船體鋼替代技術，發(fā)展低成本鈦合金技術、低成本復合材料技術、先進高效焊接技術等。

3.2 艦船裝備發(fā)展對材料的需求分析

材料技術是裝備發(fā)展的三大支柱之一，先進材料制造技術的發(fā)展與核心軍事裝備的發(fā)展密切相關，新材料的探索研究并達到應用水平應早于新裝備的探索研究和立項研制。根據(jù)海軍裝備體系建設的需要，并結合目前的艦船材料體系發(fā)展現(xiàn)狀，艦船裝備發(fā)展主要需要解決以下幾個方面的需求。

3.2.1 現(xiàn)實迫切需求

在較短時間內我國艦船將有大量新型號立項研制，國內設計、研制、生產的材料中尚有大量的關鍵材料及技術急需突破。①在高性能結構材料技術方面，優(yōu)先發(fā)展?jié)撏в娩摷芭涮撞牧舷盗谢芯?，包括開展大規(guī)格980厚板研制及相關模型結構考核；開展大規(guī)格980雙球扁鋼研制；開展980鋼窄間隙焊接工藝研究，以及TIG焊絲和金屬粉芯焊絲的研制；開展40 MPa高壓氣瓶用鋼研制；開展通海系統(tǒng)、排煙管系以及專用關鍵設備與結構材料換代研究；開展?jié)撏ё枘岵牧?功能/結構的一體化設計及應用技術研究。另外圍繞水面艦船優(yōu)先發(fā)展921A、907A雙球扁鋼的研制； 690 MPa級易焊接鋼板及配套焊接材料的研制；上層建筑用高強抗彈裝甲結構的研制；大尺寸鑄鍛件工藝研究。同時，還應開展對低雷達反射截面、抗腐蝕、具有優(yōu)異的電磁屏蔽性能的先進材料制備技術的研究。圍繞氣墊船設計制造，針對耐蝕鋁鎂合金材料性能不穩(wěn)定、可靠性差的問題，開展工藝優(yōu)化研究、微弧氧化等表面處理技術應用優(yōu)化設計理論及使用評價方法研究；開展空氣螺旋槳材料和制造技術、焊接及連接技術、鋁合金抗腐蝕技術等各種關鍵設備的材料和制造技術的研究。②針對隱身材料，包括電磁波隱身材料、阻尼降噪材料、磁隱身材料等結構/功能一體化材料技術方面，重點開展納米隱身涂層材料研究；寬溫寬頻高性能阻尼材料的研究；高性能、耐高壓(6.0 MPa)、隔聲量大的阻尼隔聲材料的研究；主動阻尼控制技術、阻尼材料技術的集成應用及綜合評定等。應用于艦船不同部位的復合材料及結構設計技術研究；復合材料上層建筑和潛艇指揮臺圍殼材料/結構/功能一體化設計和評價技術；艦船桅桿、煙囪用復合材料的應用研究；新型隔熱絕緣配套材料研究等。③在特種功能材料應用技術方面，優(yōu)先研究長效防腐防污涂層材料技術；高性能電極材料技術；艦船非鋼質船體長效無毒防污材料；飛行甲板防滑涂料工程應用技術；防腐防污技術的智能化、集成化技術以及壽命快速評估預測技術；高溫超導材料應用集成技術等。

3.2.2 共性長期需求

除以上迫切需要解決的現(xiàn)實需求外，艦船裝備發(fā)展對先進材料提出了更長期的發(fā)展需求，主要包括：

艦船材料腐蝕監(jiān)檢測與評估評價技術腐蝕是影響裝備可靠性最主要、最普遍的危害。應重點研究對關鍵部位、關鍵設備的在線監(jiān)檢測技術、涂層性能無損快速檢測技術及相關的設備研制，并在此基礎上形成評估專家系統(tǒng)、遠程診斷系統(tǒng)，同時開展艦船裝備材料使用評價方法、抗失效技術及評估理論研究。

輕質材料及材料結構/功能一體化技術對復合材料、鈦合金以及高強度鋁合金材料與結構(如波紋夾芯板)均有長期的需求，對作戰(zhàn)能力要求高(搭載武器電子裝備多、彈藥多)、續(xù)航時間長(自載燃油、淡水量大)、航速高(重量小)和抗風浪等級高(重心低、穩(wěn)性好)的作戰(zhàn)艦艇尤其如此，需要大量采用輕質材料，對降低結構重心、增加有效載荷、提高機動性有重要意義。

隱身材料技術重點研究寬頻、有效、可大面積應用、可操作性強的艦用雷達隱身材料；電磁屏蔽材料與技術；雷達兼容熱紅外等一體化艦用隱身材料；玻璃鋼結構艦用隱身材料；艦用雷達偽裝網；艦用多頻譜偽裝網；超高內耗阻尼材料、寬工作溫度區(qū)間和寬頻帶范圍高阻尼材料及結構/功能一體化高阻尼材料等。

先進水聲換能材料及換能器制造技術對潛艇來說，需要突破低頻大功率水聲換能器性能，要研制滿足大潛深要求的水聲換能器，要重點解決大尺寸新一代磁致伸縮水聲換能器制備關鍵技術。

低成本材料制造及應用技術艦船的特點是結構龐大、復雜，所需材料品種多、數(shù)量多、重量大，材料所占裝備經費比例高。低成本鈦合金、復合材料制備技術是艦艇裝備發(fā)展的共性需求。另一個方面是材料的低成本應用技術。突出例子是高強度鋼的焊接，要求預熱焊接，工藝復雜，造成船體制造成本大幅度增加。如何在材料技術以及應用技術上創(chuàng)新，簡化焊接工藝，對于降低成本具有重要意義。

艦船材料性能退化抑制技術艦船服役壽命要求長，一般在30 a以上，航母甚至要求達到50 a。艦船服役環(huán)境苛刻，金屬材料耐腐蝕表面處理技術及復合材料、非金屬材料老化抑制技術是必須面對的問題。提高金屬材料與復合材料的耐腐蝕性能，提高防腐防污材料的防護期效和服役壽命，是艦船裝備長期的共性需求。例如復合材料的老化、阻尼材料阻尼性能下降。

綠色安全材料技術艦船裝備既要執(zhí)行戰(zhàn)斗任務，還要執(zhí)行和平使命，這就要求艦船防腐防污涂料是環(huán)境友好型的，包括艦船上的排放物。同時，海軍官兵長期在艦船上居住生活，更要求艦船艙室內所用的材料是綠色環(huán)保、阻燃無毒的，保證官兵的健康，并在發(fā)生火災的情況下保證官兵的安全。因此，艦船裝備的發(fā)展，對綠色安全材料有共性需求。

新型隔熱材料技術目前，各型艦船的隔熱材料、絕熱材料都相對落后。需要加強新型隔熱材料——聚酰亞胺泡沫的應用研究和現(xiàn)用隔熱材料升級換代，以及隔熱絕緣配套材料研究。

艦船材料全壽命支持數(shù)據(jù)庫及信息系統(tǒng)目前已經建立有“艦船用鋼數(shù)據(jù)庫”，應進一步擴大和加強艦船材料數(shù)據(jù)庫的開發(fā)，使之涵蓋艦船結構鋼、艦船動力系統(tǒng)材料、復合材料、船用功能材料等，逐步建立起“艦船材料全壽命支持數(shù)據(jù)庫及信息系統(tǒng)”，服務于艦船材料決策、研發(fā)、采購、建造、維護流程，有效支持艦船裝備信息建設化的進程。

4 艦船裝備材料未來發(fā)展方向

現(xiàn)代高新技術的發(fā)展使艦船裝備的面貌產生了深刻的變化，成為其戰(zhàn)斗力的主要標志，而先進材料又是艦船上高新技術實現(xiàn)的物質基礎。先進材料的研發(fā)直接關系到艦船整個系統(tǒng)的運行、維護和安全，開發(fā)高性能的先進材料能為增強艦艇作戰(zhàn)能力和降低服役期的成本提供有力保障。

當前艦船材料研究與應用的總趨勢是，由以結構材料為重點轉向以結構/功能一體化材料、特種功能材料等高性能材料為重點。就用量而言，傳統(tǒng)結構材料在未來的艦船建造中仍占絕對的多數(shù)；但就發(fā)揮功能而言,高技術新材料則占有更重要的地位。整體來看，艦船裝備材料未來的發(fā)展方向可以從以下幾個方面進行說明[14-15]：

4.1 結構材料

傳統(tǒng)結構鋼材料鑒于傳統(tǒng)艦船用高強度結構鋼的不可替代優(yōu)勢，研發(fā)高性能的結構鋼及相關配套材料仍將是我國艦船裝備材料技術的主要發(fā)展趨勢之一。我國艦船裝備用高強度鋼未來主要向提高加工制造工藝性、高性能化、低成本、建立材料技術設計基本理論和方法等方面發(fā)展。

新型結構材料對于某些特殊的結構(如表面效應船、混合式水翼船、深潛器、大深度魚雷等的殼體結構)，要求使用高比強度的材料，以減輕殼體的重量，提供合理的有效載荷，必須發(fā)展如鈦合金、鋁合金、銅合金等新型結構材料，其中鈦合金是未來新型結構材料發(fā)展的主力材料。我國船用鈦合金品種、規(guī)格不完善，加工和制造技術也相對落后，目前僅局限應用于聲吶導流罩、舷側陣透聲窗、進排氣管路、少量閥門及管路附件等專用結構的制造。研究和應用鈦合金材料，將進一步提高我國艦船裝備的作戰(zhàn)性能，提高艦船的生命力和使用壽命，是我國艦船裝備的重要發(fā)展趨勢之一。我國鈦合金材料技術未來主要向提高綜合性能、低成本、可靠焊接性、復雜制造、推廣應用、完善材料體系等方向發(fā)展。

4.2 結構/功能一體化材料

鑒于復合材料的巨大優(yōu)勢，國外海洋強國不斷加強艦船復合材料研制和應用，且逐漸由非承力結構向主/次承力結構發(fā)展，從局部使用向大規(guī)模應用擴展。我國艦船裝備復合材料研制和應用水平起步較晚，僅在聲吶導流罩、雷達天線罩、水雷殼體、桅桿等專用構件有所應用，因此加大復合材料的研發(fā)和應用力度，將對我國艦船裝備的總體性能提高具有重大意義。我國艦船裝備用復合材料未來主要向低成本、高性能化、多功能型、優(yōu)化連接、長壽期、安全可靠等方面發(fā)展。

艦船裝備隱蔽性能的提高，離不開隱身材料技術的發(fā)展和支撐。艦船裝備，尤其是潛艇的隱蔽性能，已日益成為其最突出的性能指標之一，而反潛技術的發(fā)展對潛艇的隱蔽性又提出了新的更高要求。我國艦船裝備的隱蔽性能與國外存在差距，研發(fā)和應用先進的新型隱身材料技術，將是提高我國艦船裝備，尤其是提高潛艇隱蔽性能的重要舉措之一。未來主要向多功能化、主動減振、智能化、低成本化等方面發(fā)展。

此外，探索納米結構/功能一體化、仿生結構/功能一體化、智能結構/功能一體化材料等新概念材料的新特性、新方法也是結構/功能一體化材料技術發(fā)展的重要方向。

4.3 特種功能材料

無論是防護效果，還是防護材料的使用壽命，我國的防護材料技術水平均落后于國外發(fā)達國家。因此，開發(fā)和應用更先進、綜合防護性能更好的防護材料，是提高我國艦船裝備防護水平的必然選擇。我國艦船裝備防護材料(包括防腐、防污、防滑、耐高溫密封防漏、艙室裝飾等材料)未來主要向高效、低成本、可靠、環(huán)保、安全檢測及控制等方面發(fā)展。在發(fā)展特種功能材料技術的同時，還應開展高性能儲氫材料、永磁材料、電極材料、水聲換能材料、高溫超導材料等特種功能材料的探索研究。

在發(fā)展以上材料的同時，應加大探索對艦船裝備發(fā)展有重大影響和有重大軍事應用前景的前瞻性材料，如生物材料、納米材料等；同時，還應加強對先進制造與成型技術的探索。

5 結 語

目前我國艦船材料整體技術水平和行業(yè)管理能力與船艦裝備建設跨越式發(fā)展的要求還存在一定差距，針對以上存在問題，在今后工作中，應力爭在不同層面和不同方面取得發(fā)展和提升。主要研究重點有以下幾點：①加強艦船裝備先進材料技術的發(fā)展戰(zhàn)略研究，制定相應的新材料發(fā)展規(guī)劃；②加強艦船裝備先進材料研發(fā)過程中的頂層設計管理，確保研發(fā)效率和產品質量；③盡快完成適應我國艦船裝備發(fā)展的材料體系建設；④加大艦船用前瞻性材料研究，建立新材料上艦應用有效模式。

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