● 張安文/文

造船工業(yè)是制造業(yè)領(lǐng)域最重要的工業(yè)部門之一，和飛機(jī)、汽車一樣，是材料、機(jī)、電、光和儀表制造，軟件和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的系統(tǒng)集成，造船工業(yè)總體水平是制造業(yè)各細(xì)分部門的技術(shù)水平和創(chuàng)新能力的綜合體現(xiàn)。造船工業(yè)最新技術(shù)進(jìn)展（包括新技術(shù)原理應(yīng)用、新材料、新工藝、新裝備、儀器儀表、軟件和計(jì)算機(jī)技術(shù)的采用），成為衡量一個(gè)國(guó)家造船業(yè)水平的重要標(biāo)志。同時(shí)，造船業(yè)對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的帶動(dòng)提升作用也十分明顯，造船業(yè)的發(fā)展對(duì)GDP 增長(zhǎng)、高新技術(shù)成長(zhǎng)、軍民結(jié)合和增加就業(yè)都具有重要意義。

2018年以來(lái),全球造船業(yè)陷入低迷期，新接訂單和手持訂單量都出現(xiàn)了不同程度的下滑，但在2020年后開(kāi)始復(fù)蘇。2021年全球造船新接訂單量為11985 萬(wàn)載重噸，我國(guó)承接了6231 萬(wàn)載重噸，占全球訂單量的51.9%，為世界第一。韓國(guó)承接了4061萬(wàn)載重噸，占全球訂單量的33.8%，為世界第二。日本為1283 萬(wàn)載重噸，占比為10.7%。中韓日這三個(gè)造船大國(guó)新接訂單量占全球總量的96.6%。我國(guó)造船業(yè)以出口為主，國(guó)際船東占我國(guó)手持船舶訂單的60%以上，屬出口外向型行業(yè)。我國(guó)造船業(yè)規(guī)模最大，但技術(shù)水平與世界先進(jìn)造船國(guó)相比還有較大差距，船舶配套能力嚴(yán)重不足，很多重要的船用核心零部件依賴進(jìn)口。

稀土在船舶相關(guān)的零部件、傳感器、電機(jī)中有重要應(yīng)用，稀土功能材料完全有可能與船用配套產(chǎn)業(yè)共同發(fā)展。

克拉克森公司發(fā)布的《造船行情展望報(bào)告》指出，隨著全球后疫情時(shí)代經(jīng)濟(jì)的逐步復(fù)蘇，預(yù)計(jì)2021年和2022年，全球年均新船訂單量同比將增長(zhǎng)55%。

與此同時(shí)，世界各國(guó)尤其是軍事大國(guó)，這些年來(lái)加快了新型艦艇替代老式軍艦的進(jìn)程，被形容為“下餃子”一樣的快，而且密集地采用了諸多先進(jìn)技術(shù)、先進(jìn)材料、先進(jìn)生產(chǎn)加工工藝，以及最新技術(shù)原理和由此產(chǎn)生的全新裝備系統(tǒng)，如艦船智能化、船舶機(jī)電一體化等。

稀土在艦船中的應(yīng)用難以代替。采用稀土原材料生產(chǎn)的零部件、重要傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電機(jī)等核心元器件，在艦船的自動(dòng)化、智能化、機(jī)電光一體化等方面發(fā)揮著重要作用。稀土永磁、稀土發(fā)光、稀土催化、稀土晶體、稀土磁致伸縮材料、稀土合金等材料已經(jīng)或必將在艦船中得到日益廣泛的應(yīng)用。

稀土永磁電機(jī)是稀土在艦船中最重要的應(yīng)用之一，主要應(yīng)用于大型電機(jī)艦船的主驅(qū)動(dòng)以及中小型及微特電機(jī)等各種重要部件。

傳統(tǒng)軍艦主要驅(qū)動(dòng)方式是柴油機(jī)—齒輪箱—螺旋槳，或者燃?xì)廨啓C(jī)—齒輪箱—螺旋槳，更早期的大船還有蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)。而稀土永磁電機(jī)的應(yīng)用令主驅(qū)動(dòng)方式煥然一新。即采用柴油機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電力，進(jìn)而供給可調(diào)速的主驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)。

值得指出的是，新的驅(qū)動(dòng)方式是主驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)靠近螺旋槳或者合為一體，這種先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.轉(zhuǎn)距密度大，設(shè)備簡(jiǎn)化，適艇性強(qiáng)，推進(jìn)效率高，可提高最大航速及續(xù)航能力；

2.大大降低了振動(dòng)及噪音，提高了隱蔽性（靜默性）；

3.結(jié)構(gòu)和操作簡(jiǎn)單，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，提高了可維護(hù)性；

4.電機(jī)采用無(wú)換向器結(jié)構(gòu)，無(wú)火花產(chǎn)生，避免了石墨粉對(duì)絕緣體的不利影響；

5.容積和重量減少，提高了船速和機(jī)動(dòng)性，全壽命周期費(fèi)用下降；

6.可實(shí)現(xiàn)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和智能化。

國(guó)外稀土永磁電機(jī)做為艦船主驅(qū)動(dòng)方式已有多年的歷史。德國(guó)西門子公司1986年就開(kāi)發(fā)了1100kW，250r/min 電機(jī)系統(tǒng)；1998年開(kāi)發(fā) 了1760kW 永磁同步電機(jī)IFR6 系列。后來(lái)研制了1.7MW～5MW 的電機(jī)，用于各類潛艇等。特別引人注目的是該公司研制的PERMASYN 電動(dòng)機(jī)，是功率為20MW 的徑向電機(jī)，重達(dá)84 噸，但其體積比傳統(tǒng)直流推進(jìn)電機(jī)降低40%。

圖1 PERMASYN 電動(dòng)機(jī)外形

美國(guó)于1991年就開(kāi)始研發(fā)潛艇電力推進(jìn)系統(tǒng)，并推出了25000 軸馬力永磁電機(jī)，進(jìn)行全電推進(jìn)艦船的試制生產(chǎn)，有代表性的是用于SC-21 艦船的19500kW 高效永磁電機(jī)。2009年DRS 公司的36.5MW 徑向磁通電機(jī)交付海軍使用。有名的朱姆沃爾特號(hào)驅(qū)逐艦即DDG1000 艦由BIW 公司制造，該艦采用了36.5MW 永磁電機(jī)。以阿利伯克宙斯盾號(hào)為代表的導(dǎo)彈驅(qū)逐艦，各型號(hào)潛艇及核潛艇都有相當(dāng)多的重要設(shè)備、重要零部件用上了稀土功能材料。

英國(guó)1996年“海航”號(hào)輕型隱身護(hù)衛(wèi)艦采用了2X21000kW永磁電機(jī)，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)。1997年英皇家海軍與ROLL-Royce 公司簽訂了MW級(jí)橫向永磁電機(jī)合同。

法國(guó)熱蒙公司1987年開(kāi)發(fā)了40kW，55r/min永磁電機(jī)，體積減少40%；1996年1800kW，180r/min 電機(jī)完成試驗(yàn)；1997年為智利海軍“蝎子”號(hào)潛艇提供3.3MW，160r/min 系統(tǒng)，為法國(guó)“鲉魚”級(jí)潛艇提供3.5MW 永磁電機(jī)。

俄羅斯的4.1MW 永磁電機(jī)用于著名的阿穆?tīng)柤?jí)潛艇，其體積減少60%，重量減少40%，由于降噪而明顯地提高了隱身效果。而瑞士的BBC 公司1986年就為瑞典潛艇設(shè)計(jì)了1.5MW，180r/min 永磁同步推進(jìn)電機(jī)。

采用稀土永磁電機(jī)作為主驅(qū)動(dòng)電機(jī)，已經(jīng)逐漸成為各國(guó)海軍艦艇主驅(qū)動(dòng)的主流技術(shù)，并由此帶動(dòng)了船舶機(jī)電一體化、智能化等顛覆性技術(shù)的快速發(fā)展。

民用船舶稀土永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)要晚于軍用艦船的發(fā)展，但也開(kāi)啟了永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大幕。如ABB 公司已成功開(kāi)發(fā)了3～5MW 系列永磁主驅(qū)動(dòng)電機(jī)，廣泛用于海上救援船、浮動(dòng)鉆井平臺(tái)、電纜鋪設(shè)船、游艇、輪渡船等。西門子公司研制的永磁電機(jī)5～20MW，采用雙螺旋槳，用于驅(qū)動(dòng)各種郵輪，如4X21.5MW 永磁電機(jī)用于瑪麗婭皇后二世號(hào)郵輪。

我國(guó)在這方面的研究與應(yīng)用晚于相關(guān)發(fā)達(dá)國(guó)家，但也取得了一定成績(jī)并在迎頭趕上。2016年中車電機(jī)公司與相關(guān)企業(yè)簽訂了船用永磁同步牽引電機(jī)合同，可提供80KW 等永磁電機(jī)及配套變頻器，實(shí)現(xiàn)了油改電，運(yùn)營(yíng)成本降低10%以上，同時(shí)減少了污染和碳排放，該電機(jī)將廣泛用于內(nèi)河船運(yùn)、景區(qū)、港口、輪渡等中小船舶。2017年，我國(guó)研制的第一艘全電動(dòng)船舶試航成功，該船可載2000 噸貨物，充電2 小時(shí)可續(xù)航80km。

Research and Markets 公司對(duì)2015～2024年全球電動(dòng)船舶、小型潛艇、自動(dòng)水上航行器等的市場(chǎng)前景、性能、成本等內(nèi)容進(jìn)行了預(yù)測(cè)，認(rèn)為其市場(chǎng)容量由2013年的26 億美元將增加到2024年的73 億美元，而大功率電動(dòng)船市場(chǎng)將增長(zhǎng)3 倍以上。

稀土防輻射涂料用在艦船相關(guān)部位可起到防輻射作用。采用Tb、Dy、Fe 的稀土超磁致伸縮材料，通常稱為Terfenol-D,用這種材料制成的水生換能器,在相同體積條件下,其共振頻率是壓電陶瓷的1/4～1/3，發(fā)射頻率高10 倍以上，是用來(lái)制作水下聲納的理想材料，可實(shí)現(xiàn)在較遠(yuǎn)距離探知敵方艦艇的方位。在民用方面，可用于探測(cè)魚群的位置等和探測(cè)地質(zhì)情況的儀器。

早在1983年利用Sc 制作的GsGG 晶體研發(fā)成功，即Gd3SC2Ga3O12激光晶體，可用于潛水艇水下激光器以及其他重要應(yīng)用場(chǎng)景。

大約90%的激光材料都涉及到稀土，激光材料在軍事上的應(yīng)用越來(lái)越重要。如使用很早也很普遍的摻釹釔鋁石榴石，用于制作激光測(cè)距儀，可測(cè)距離為4000～8000m。激光測(cè)距儀重量輕、體積小、操作簡(jiǎn)單、測(cè)距速度快而準(zhǔn)確，而且其測(cè)量誤差僅為其光學(xué)測(cè)距儀的五分之一到數(shù)百分之一，被稱為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中明察秋毫的“千里眼”，廣泛應(yīng)用于地形測(cè)量，坦克、飛機(jī)、艦船和火炮對(duì)目標(biāo)高度的測(cè)量，是提高坦克、飛機(jī)、艦艇等兵器打擊精度的重要技術(shù)裝備。

炸彈的精準(zhǔn)制導(dǎo)有多種方式，激光制導(dǎo)是最重要的方式之一。對(duì)打擊目標(biāo)照射激光，采用每秒發(fā)射幾十個(gè)脈沖的YAG：Nd 激光器,對(duì)脈沖進(jìn)行編碼,光脈沖能自導(dǎo)導(dǎo)彈響應(yīng)，防止對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射干擾和躲避敵方障礙。

艦船不論大型抑或中小型，都需要大量的照明燈具，用于輪機(jī)艙、駕駛艙、船員休息、彈藥庫(kù)等各船室的照明，總耗電量也不可忽視。而電力來(lái)源于柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)或核反應(yīng)堆等驅(qū)動(dòng)發(fā)電獲得，艦船攜帶油料有限，為此節(jié)約電力消耗非常必要。各種稀土發(fā)光材料制作的燈具節(jié)能、高效，在艦船上有廣泛應(yīng)用，如三基色節(jié)能燈、LED 燈、高壓汞燈等，這些燈具所用的發(fā)光材料均含有Y、Eu、Ce、Tb 等稀土元素（Y、Eu、Ce 是高豐度稀土元素）。

圖2 永磁電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳方式

圖3 海軍056 艦雄姿

與此同時(shí)，艦船上要使用大量的顯示屏、顯示標(biāo)牌等。這些屏幕要采用LED、OLED 材料，還有發(fā)光二極管的大量使用，都離不開(kāi)稀土材料，稀土長(zhǎng)余輝材料也在夜間和艦艇暗處標(biāo)牌一顯身手。

隨著艦船輕量化和綜合能力提升的要求，將會(huì)有更多的稀土結(jié)構(gòu)材料用于艦船。如稀土耐熱材料用于高溫涂層；稀土、鈮處理鋼用于甲板和殼體材料以提高耐腐蝕能力及耐磨性能；稀土球墨鑄鐵用于大型柴油機(jī)主軸；稀土蠕墨鑄鐵用于排氣管，稀土灰鑄鐵用于柴油機(jī)缸體、缸蓋等，以提高耐磨、耐熱、減振性能并提高機(jī)械性能等；高比強(qiáng)度、輕量化的稀土鋁合金、鎂合金用于各種艦船構(gòu)件,以減輕自重；含稀土的涂料用于船體涂覆以防腐等。

值得一提的是，隨著各海軍大國(guó)戰(zhàn)略核打擊力量擴(kuò)充和升級(jí)，核動(dòng)力用于大型艦船特別是核潛艇呈現(xiàn)與日俱增態(tài)勢(shì)。如核反應(yīng)堆需要熱中子俘荻材料，而Eu 具有較大的熱中子俘荻截面，而且是一個(gè)長(zhǎng)壽命的吸收體，在核潛艇的核反應(yīng)堆發(fā)揮重要作用。

稀土高分子X(jué) 射線防護(hù)材料、稀土高分子中子輻射防護(hù)材料都可以在艦船中找到用武之地，如后者的熱中子屏蔽效果比無(wú)稀土高分子材料高5～6 倍，其中添加了Sm、Eu、Gd、Dy 等元素的材料性能為最佳。

由此可見(jiàn)，以稀土永磁、稀土發(fā)光、稀土晶體為代表的稀土功能材料，以稀土鋼、稀土鑄鐵、稀土有色金屬、稀土有機(jī)化合物為代表的稀土結(jié)構(gòu)材料，已經(jīng)在艦船中得到日益廣泛的應(yīng)用。隨著稀土材料性能的持續(xù)改進(jìn)，性價(jià)比的不斷提升，以及新的稀土功能材料和結(jié)構(gòu)材料的問(wèn)世，可以預(yù)見(jiàn)稀土在艦船中將有更多的用武之地。稀土在艦船中的應(yīng)用，將有力地加快艦船的自動(dòng)化、智能化升級(jí)，節(jié)省艦船及部件重量，減少油料消耗，進(jìn)而提高艦船的續(xù)航能力、隱身能力等綜合性能。簡(jiǎn)言之，稀土在艦船中應(yīng)用正是方興未艾、前景可期。

（注：本文數(shù)據(jù)及照片均引自《船電技術(shù)》等公開(kāi)出版物和相關(guān)網(wǎng)站。）

圖4 LGN 即液化天然氣船

圖5 瑪利亞皇后二世號(hào)郵輪