李艷臣　李任戈　熊偉　胡哲　彭紹源

摘 要：復(fù)合材料因其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕及抗沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)，在造船領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用。本文從復(fù)合材料國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用進(jìn)行綜合論述，研究復(fù)合材料在海洋工程領(lǐng)域上層建筑模塊方面的使用

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；海洋工程；上層建筑；應(yīng)用

中圖分類號：U668.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： Composite materials have been widely used in the field of shipbuilding because of their excellent properties such as light weight， high strength， corrosion resistance and impact resistance. In this paper， the current situation and application of composite materials both at home and abroad are comprehensively discussed， and the application of composite materials in the upper module of marine engineering is studied.

Key words： Composite materials； Marine engineering； Superstructure； Application

1 引言

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或者化學(xué)的方法組成具有新的性能的材料。各種材料在性能上互相取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕（可耐酸、堿、海水侵蝕）和抗沖擊性能好等綜合性優(yōu)點(diǎn)，尤其是在海水環(huán)境中表現(xiàn)出來的優(yōu)異性能，以及較低的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用，使得復(fù)合材料在海洋船舶領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)40年代，因航空工業(yè)的需要發(fā)展了玻璃纖維增強(qiáng)塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現(xiàn)了復(fù)合材料這一名詞。相關(guān)資料顯示，美國海軍1946年就開始嘗試使用復(fù)合材料建造交通艇，雖然直到1950年才基本取得成功，但是從此掀開了復(fù)合材料船舶建造的新篇章，世界各地相繼開始研制復(fù)合材料船舶。

2.1 國外復(fù)合材料在艦艇上的應(yīng)用

（1）巡邏艇

第一艘全玻璃鋼纖維增強(qiáng)聚合物（GRP）的巡邏艇于20世紀(jì)60年代早期，由美國海軍建造，并在越戰(zhàn)期間在越南內(nèi)河上應(yīng)用。

（2）獵雷艦

樹脂基復(fù)合材料沒有磁性，加上其優(yōu)異的綜合性能，成為了掃雷艇、獵雷艦的最佳結(jié)構(gòu)材料。1973年，英國研制了第一艘46.6 m長的全玻璃鋼反水雷艦艇。該艇的巨大成功帶來了復(fù)合材料應(yīng)用的迅速擴(kuò)張，80年代早期就制造了200多艘全復(fù)合材料反水雷艦艇。

（3）護(hù)衛(wèi)艦

隨著復(fù)合材料工藝性能的研究和發(fā)展，其逐漸應(yīng)用于大型艦船上。瑞典皇家海軍通過YS-2000項(xiàng)目，于1996年開始建造第一艘全隱形Visby護(hù)衛(wèi)艦，也是世界上第一艘實(shí)用型隱身軍艦，如圖1。

（4）上層建筑

20世紀(jì)60年代中期以來，復(fù)合材料上層建筑逐漸出現(xiàn)在海軍艦艇上。70年代早期，獵雷艇的上層建筑開始采用復(fù)合材料。1992年法國海軍首航了采用復(fù)合材料上層建筑的大型軍艦—La Fayette護(hù)衛(wèi)艦，如圖2。

到目前為止，復(fù)合材料在艦艇上層建筑中的應(yīng)用已涉及到可探測性煙囪、綜合性桅桿直到集成上層建筑，實(shí)現(xiàn)了減重、雷達(dá)紅外線隱身等，如表2。

（5）其它

除了上述應(yīng)用之外，復(fù)合材料還應(yīng)用在水翼艇、氣墊船以及艦艇的二級結(jié)構(gòu)、機(jī)械或者裝置上，如：螺旋槳、推進(jìn)軸系、遮護(hù)板、方向舵、機(jī)械部件、設(shè)備底座、熱交換器、管道系統(tǒng)、通風(fēng)管、甲板格柵等。

2.2 國內(nèi)復(fù)合材料在艦艇上的應(yīng)用

我國的復(fù)合材料始于1958年，首先應(yīng)用于軍工產(chǎn)品，后隨著技術(shù)進(jìn)步逐漸擴(kuò)展到民用領(lǐng)域。

歷經(jīng)近60年的發(fā)展，我國已建造了100多種型號的復(fù)合材料艦船，包括：漁船、游艇、帆船、賽艇、巡邏艇、漁政船、救生艇、緝私快艇、沖鋒舟等。

3 復(fù)合材料模塊化上層建筑的應(yīng)用前景

如上所述，20世紀(jì)60年代以來，復(fù)合材料上層建筑已經(jīng)出現(xiàn)在海軍艦艇上，表1列舉了當(dāng)前國際上上層建筑采用復(fù)合材料的典型案例。由此可以看出，復(fù)合材料是可以作為上層建筑制作的原材料，且復(fù)合材料作為上層建筑材料有其自身優(yōu)勢，比如減重、隱身、無信號遮蔽等。

復(fù)合材料模塊化上層建筑，就是結(jié)合復(fù)合材料的特性以及模塊化施工這一現(xiàn)代先進(jìn)的施工理念，兩者融合形成的適用于海洋工程應(yīng)用的新型裝備。

3.1 復(fù)合材料選擇

復(fù)合材料模塊化上層建筑的應(yīng)用，首先要確保復(fù)合材料性能滿足相關(guān)規(guī)范的防火安全需要，安全是首位的；，其次復(fù)合材料的選擇要有一定的強(qiáng)度和剛度要求；再次就是復(fù)合材料要具有一定的經(jīng)濟(jì)性，能滿足工程開發(fā)使用的經(jīng)濟(jì)性需求。

3.1.1復(fù)合材料的防火性能

船舶與海洋工程裝備是一個(gè)相對封閉的場所，一旦發(fā)生火災(zāi)通常會對人的生命和財(cái)產(chǎn)安全及生存環(huán)境構(gòu)成重大威脅。為此相關(guān)規(guī)范對船舶和海洋工程裝備制定了具體消防安全目標(biāo)和功能要求，復(fù)合材料的選擇應(yīng)能滿足規(guī)范不同分隔區(qū)域的具體要求以及耐火試驗(yàn)程序規(guī)則要求。

由于一般用于制造復(fù)合材料的熱固性樹脂遇火后易燃燒，因此用于船舶與海洋工程的復(fù)合材料需要提高材料的氧指數(shù)，使其具有阻燃性或自熄性，或者采用完全不燃燒的無機(jī)復(fù)合物。

3.1.2 復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度

船舶與海洋工程裝備在其生命周期內(nèi)，可能會遭遇惡劣天氣和自然災(zāi)害，因此復(fù)合材料要有足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠抵抗遇到的惡劣自然環(huán)境。

復(fù)合材料制品輕質(zhì)高強(qiáng)，具有突出的比強(qiáng)度和比模量，可以通過不同角度的纖維布置設(shè)計(jì)使復(fù)合材料強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)需要。此外，復(fù)合材料的彈性模量較低，可以通過結(jié)構(gòu)形式上的合理設(shè)計(jì)來彌補(bǔ)材料剛性不足的問題，如采用夾層結(jié)構(gòu)、折板結(jié)構(gòu)、拱形結(jié)構(gòu)或加肋結(jié)構(gòu)等，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，使復(fù)合材料板滿足設(shè)計(jì)需求。

3.1.3復(fù)合材料的經(jīng)濟(jì)性 （下轉(zhuǎn)第頁）（上接第頁）

復(fù)合材料費(fèi)用偏高，目前一般的玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的成本為15 000元/ t，如果采用碳纖維等高性能的增強(qiáng)材料或環(huán)氧樹脂等高性能基體材料，成本還會增加。因此為了減少復(fù)合材料上層建筑結(jié)構(gòu)的造價(jià)，需要根據(jù)構(gòu)件的不同用途選用不同的材料、不同的受力特點(diǎn)采用不同的復(fù)合結(jié)構(gòu)形式，通過合理的材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)滿足使用要求，又降低成本，達(dá)到最高的性價(jià)比。

4 結(jié)語

復(fù)合材料雖然因?yàn)槠涑杀据^高，在船舶與海洋工程中的應(yīng)用沒有傳統(tǒng)鋼材廣泛。但是其優(yōu)越性能和較低的全生命周期維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用，以及復(fù)合材料技術(shù)和工藝的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，使復(fù)合材料的應(yīng)用得到了快速發(fā)展，并具有廣闊的前景。復(fù)合材料模塊化上層建筑也會在船舶與海洋工程領(lǐng)域占據(jù)越來越重要角色。

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