杜星煒 滿雪輝

摘 要 復(fù)合材料因其優(yōu)勢顯著的性能特點在船舶領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間，隨著建造工藝的進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，梳理國內(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，為我國船舶復(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

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)模已成為衡量一個國家科學(xué)技術(shù)先進水平的重要標志之一［2］。

復(fù)合材料中以纖維增強材料應(yīng)用最廣、用量最大，其特點是比重小、比強度和比模量大，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)合材料在國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上對船用復(fù)合材料的發(fā)展趨勢進行分析和展望。

2 復(fù)合材料的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 輕量化水平突出

與金屬相比，碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的比強度和比模量均比鋼和鋁合金大數(shù)倍，通過鋪層設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，利用其各向異性特點，可按制件不同部位的強度要求設(shè)計纖維排列，其優(yōu)異的力學(xué)性能可充分體現(xiàn)。設(shè)計優(yōu)化后的復(fù)合材料船身在相同強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，降低油耗和運營成本。

2.2 耐腐蝕性強

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增加，但隨時間推移最終會維持穩(wěn)定，拉伸強度不再發(fā)生顯著變化。海洋環(huán)境中，由于氯化鈉顆粒會附著在材料表面，阻止了水分進一步侵入結(jié)構(gòu)內(nèi)部。復(fù)合材料表面過處理并在接觸面增補涂層后具有更強的耐腐蝕性，被用于船舶油氣運輸?shù)膬蕖⒙菪龢~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度降低作為衡量失效的標準，此失效標準下，復(fù)合材料循環(huán)壽命更長。

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，滿足雷達搜尋及瞄準目標精度等要求。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，選用合適的成型工藝，使船舶制造工序更加簡單，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度和比模量，作為一種理想結(jié)構(gòu)實現(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)合材料在推進器上的應(yīng)用

復(fù)合材料推進器葉片中的纖維承受主要的水動力和離心力，所以通過纖維角度和鋪疊順序設(shè)計可以優(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)計和產(chǎn)品制造，以確保獲得最優(yōu)性能。

在實際應(yīng)用中，2003年英國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社為“太鼓丸”號“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。美國海軍“阿利·伯克”級驅(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、直升機庫、煙囪等構(gòu)件。

美國新一代驅(qū)逐艦首艦DDG 1000，排水量約14000t，航速約30kn，是美國未來海軍的主力戰(zhàn)艦，集成上層建筑是其亮點之一，尺寸約為60.35m×21.12m×18.1m，具有隱身性強、電磁兼容性好等優(yōu)勢。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、機庫、雷達天線罩等。意大利海軍近年建造了4艘“克曼德安迪”級輕型護衛(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復(fù)合材料，用于桅桿和直升飛機庫，實現(xiàn)了減重和耐腐蝕的目的。美國西雅圖的Zyvex船舶公司采用先進復(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復(fù)合材料，大大減輕了快艇結(jié)構(gòu)重量，延長了快艇航程。

4 船舶復(fù)合材料發(fā)展趨勢

4.1 場景多樣化

隨著材料性能、生產(chǎn)工藝改進，以及復(fù)合材料實際應(yīng)用經(jīng)驗的積累，船舶復(fù)合材料的應(yīng)用場景在不斷擴大。目前軍用艦船對復(fù)合材料應(yīng)用需求較大，復(fù)合材料輕質(zhì)的特點有助于提升軍艦機動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)用探索將進一步深化，應(yīng)用范圍與規(guī)模將持續(xù)擴大。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)用于對結(jié)構(gòu)強度要求較高的部位，雖有輕型護衛(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)上不斷進行大尺度構(gòu)件試驗。

4.3 評估標準化

相較于傳統(tǒng)船用金屬材料，復(fù)合材料設(shè)計參數(shù)、性能表現(xiàn)更為復(fù)雜，加上船舶應(yīng)用歷史相對較短、規(guī)模較小，包括疲勞、防火和降噪等性能參數(shù)在實際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)經(jīng)驗積累不足，各國研制的大型復(fù)合材料船舶或多或少帶有試驗性質(zhì)。傳統(tǒng)鋼船規(guī)范標準不適用于復(fù)合材料船舶，復(fù)合材料作為船用材料的發(fā)展趨勢之一，國際各方正快速建立其評估標準體系。目前美國和俄羅斯對船舶復(fù)合材料的評估標準較為全面，歐盟開展對船舶復(fù)合材料的全生命周期管理研究。我國對船舶復(fù)合材料的性能評估體系尚不統(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)驗積累，加強船舶復(fù)合材料應(yīng)用體系研究。

5 結(jié)語

（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，要想進一步拓展應(yīng)用，關(guān)鍵是要加快復(fù)合材料的設(shè)計和研發(fā)進程。我國海洋船舶復(fù)合材料未來發(fā)展的最重要一步是改進設(shè)計工藝。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、標準制訂方面處于領(lǐng)先地位。近年來，歐美加大對輕量化材料結(jié)構(gòu)的研究力度，持續(xù)推動相應(yīng)規(guī)則的修改，在國際標準制訂方面比我國具有更強的話語權(quán)，掌握相對深厚的技術(shù)儲備與市場先機。

所以，需研究船用復(fù)合材料制作工藝的評價標準，分析和歸納復(fù)合材料應(yīng)用的典型部位，進行海洋環(huán)境條件下的性能試驗研究?？赏ㄟ^試驗室模擬海洋環(huán)境，加速復(fù)合材料的性能試驗，獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)參數(shù)，建立壽命預(yù)測模型，形成完整的復(fù)合材料海洋性能評價程序、流程和具體方法，為復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計、應(yīng)用和維護等提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

參 考 文 獻

［1］DAVIES P， RAJAPAKSE Y.船舶與海洋工程復(fù)合材料耐久性［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2015.

［2］王曉強， 虢忠仁， 宮平， 等. 抗彈復(fù)合材料在艦船防護上的應(yīng)用研究［J］. 工程塑料應(yīng)用， 2014，（11）：143-146.

［3］李江濤， 羅凱， 曹明法. 復(fù)合材料及其在艦船中應(yīng)用的最新進展［J］. 船舶， 2013，24（1）：10-16.

［4］唐宇．輕質(zhì)夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度評估方法研究［D］．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2017.

［5］楊娜娜，姚熊亮．復(fù)合材料力學(xué)與船舶工程應(yīng)用［M］．北京：科學(xué)出版社，2018.

［6］李健，洪術(shù)華，沈金平．復(fù)合材料在海洋船舶中的應(yīng)用［J］．機電設(shè)備，2019，36（4）：57-59.

［7］楊濤．一體化復(fù)合材料上層建筑多物理場多目標優(yōu)化設(shè)計研究［D］．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2018.

［8］陳貝凌，趙川，王青山．船用復(fù)合材料標準分析研究［J］．中國標準化，2020（S1）：76-80.