【材料課堂】船用複合材料應用現狀及發展

06-12

1 複合材料的定義

複合材料是由兩種或兩種以上物理和化學性質不同的物質組合而成的一種多相固體材料。雖然複合材料各組分材料仍保持其相對獨立性，但複合材料的性能卻並非組分材料性能的簡單加和，而是表現出遠優於兩者的性能。通常在複合材料中有一相為連續相，稱為基體，用以粘結、固定、維持增強材料成一定形狀；另一相為分散相，稱為增強相或增強體，增強材料在複合材料中不構成連續相，它在基體支持下提供強度和剛度。分散相是以獨立的形態分布在整個連續相中的，可以是增強纖維，也可以是顆粒狀彌散的物料。不同增強材料的形態如圖1 所示。

複合材料的分類方法很多，最基本的按照基體材料類型可以分為：聚合物基複合材料，其基體為有機聚合物高分子；金屬基複合材料，其基體為金屬，如鋁基複合材料、鐵基複合材料等；無機非金屬基複合材料，其基體為陶瓷材料（也包括玻璃和水泥等）。

2 船用複合材料分類

目前，船用複合材料，尤其是應用於船體結構的複合材料，以聚合物基複合材料為主，按結構可分為層合板（纖維增強複合材料）和夾層結構複合材料兩大類型，其中包含三個方面的重要複合物：增強材料、樹脂（即基體）和芯層材料。船用複合材料按照承載部位不同可分為：主承力結構、次承力結構、非承力結構等。按照功能可分為：結構、阻尼、聲學（包括吸聲、隔聲、透聲）、隱身（包括吸波、透波、反射、頻選）、防護等五大系列材料，船用複合材料的分類及應用部位如圖2 所示。

船用複合材料性能的優越性主要體現在：輕質高強，能有效提高船體的儲備浮力；結構功能一體化，在滿足結構承載的情況下性能可設計，通常具有聲學、雷達、減振、防護、低磁等其他性能，一般的材料成型過程同樣是結構成型過程；耐腐蝕，可滿足高鹽、高濕、紫外等苛刻海洋環境要求；耐老化，可滿足船舶的長壽命要求。以上特性有別於其他船舶結構材料，也是其優勢圖2 船用複合材料及結構主要類型與典型應用的體現。從小型快艇開始，複合材料在船舶上的應用大概經歷3 個階段。第一階段，主要在掃雷艇等小型船舶上使用，性能要求低，可整體成型。第二階段，在大、中型船舶上得到部分使用，但使用理念仍局限於傳統的船體設計，複合材料在船上只是起到減輕質量、提高部件耐腐蝕能力等輔助作用。第三階段，船舶在設計之初充分考慮使用中所面臨的多種複雜情況，使用複合材料作為主船體材料，實現其他材料無法實現或難以實現的功效。目前，船用複合材料已經突破了第二階段，向第三階段發展。

3 國內外船用複合材料發展和應用現狀

3.1 國外發展和應用現狀

早期複合材料都是應用在小型巡邏艇和登陸艦上。相對差的製造質量和船體剛度限制了船舶的長度不能超過15 m，排水量不超過20 t。近年來，隨著複合材料設計、製備成本的降低，以及力學性能提高，複合材料開始在大型艦船，如獵雷艇和輕型護衛艦上得到應用。隨著技術的發展，船舶的長度呈穩定的增加趨勢，現在已有80~90 m 長的全複合材料海軍艦船。

美國是複合材料科學技術發展最先進，複合材料應用最廣、用量最大的國家，在船舶複合材料的應用方面，其規模和技術都走在世界前列。美國海軍於1946 年採用聚酯玻璃鋼建成了交通艇，是世界上第一艘複合材料艦船，隨後又製造了玻璃鋼登陸艇、工作船等。為加快玻璃鋼船舶的發展，美國海軍在20 世紀50 年代中期規定16 m 以下船舶必須用複合材料製造。1954 年前後，美國的手糊成型工藝日趨成熟，1956 年建造了2 艘不同結構形式的小型掃雷艇，開始了玻璃鋼在掃雷艇中的應用研究。20 世紀60 年代早期，美國海軍製造了第一艘全玻璃鋼巡邏艇，20 世紀80 年代末90 年代初建造了複合材料獵/掃雷艇，艇體均採用高級間苯聚酯樹脂，並以半自動浸膠作業製造，同期製造了採用凱夫拉增強的聚酯樹脂單殼結構的巡邏艇。隨後，美國海軍又將複合材料引入了深潛器的製造。1966 年採用石墨纖維增強環氧樹脂建造的深潛器，其下潛深度可達6096m。進入21 世紀後，美國進一步加強了複合材料在船舶建造的應用，採用新型高強碳纖維/乙烯基樹脂的夾心層結構，取代傳統玻璃纖維等低強度纖維，建成的新型船舶穩定性高、航速快，並具有隱身、反潛、反水雷能力。歐洲複合材料船舶工業也十分發達。20 世紀60年代中期，英國採用玻璃鋼先後製造了450 t 的大型掃雷艇和625 t 的獵雷艇，1973 年採用複合材料建造了全玻璃鋼反水雷艇，其成功應用推動了複合材料的迅速發展，20 世紀80 年代早期就製造了200 多艘全複合材料反水雷船舶。20 世紀90 年代，英國成功應用碳-玻混雜纖維建造了摩托艇、巡邏艇等，隨著技術的發展，近年來還成功應用回收塑料瓶再加工材料建造艦船，不僅降低了成本，還符合材料生物降解以及循環利用的發展方向。瑞典於1974 年建成了第一艘夾層結構的玻璃鋼掃雷艇，20 世紀90 年代成功研製了世界上第一艘複合材料隱形試驗艇，並逐步發展形成了以高性能碳纖維和夾芯結構為特點的建造方式，開發建造了集先進複合材料技術和隱身技術於一體的系列輕型驅逐艦，已成功下水服役。義大利於20 世紀80 年代中期開始相繼建成多艘玻璃鋼掃雷艇。日本自20 世紀50 年代起就開始建造玻璃鋼船，在高性能船、賽艇和豪華遊艇建造方面取得了不俗的成績。進入21 世紀，日本開始研究製造高性能複合材料軍用船舶，目前已成功建成第一艘玻璃鋼複合材料掃雷艇並投入使用。各國海軍應用的複合材料製品還包括船舶上層建築、推進器、桅杆等。法國海軍於1992 年開始在船舶上層建築採用複合材料，可以有效降低船舶質量。前蘇聯最早將複合材料螺旋槳用於實船[18—19]。瑞典於1989 年開始研製複合材料推進軸，對幾千種不同材料及表面處理方法進行了試驗和評估以獲得軸的最佳性能，製得的推進軸質量輕、彈性好、適應性強、不導電、耐腐蝕。美國從1995 年開始採用複合材料研究先進的全封閉桅杆，並成功裝備於驅逐艦、航空母艦等。此外由於複合材料可降低船舶的雷達信號特徵以及紅外（熱）信號特徵，因此複合材料還廣泛應用於煙囪、艙壁、甲板、舵等次承載結構，在隱身及結構減重方面所做的貢獻非常顯著。

3.2 國內發展和應用現狀

我國複合材料在船舶方面的研發應用起始於1958 年，第一艘玻璃鋼工作艇誕生於上海。在20 世紀70 年代中期曾研製過一艘總長近39 m 的掃雷試驗艇，此後對GRP/CM 反水雷艦艇的研發工作就中斷了十多年。20 世紀90 年代以來，隨著技術發展與工藝引進，我國採用複合材料生產了大量遊艇、帆船、救助艇，以及公安、武警、海監、海關等航速較高的巡邏艇、執法艇、緝私艇等准軍事艇，但迄今為止還未設計建造一艘高科技含量的海軍反水雷艦艇。在複合材料船舶構件方面，我國在20 世紀60 年代末成功研製了複合材料聲納導流罩，並應用於潛艇，發展至今已形成較為成熟的應用。20 世紀80 年代後期研製開發了複合材料雷達天線罩、水雷殼體並投入使用，20 世紀90 年代成功研製了應用於大型水面船舶的複合材料桅杆以及上層建築等。與國外相比，目前我國船用複合材料應用範圍和規模仍然較小。在原材料方面，目前我國已能生產國際市場上大多數品種的玻璃鋼用增強材料，但與世界工業發達國家相比，在產品技術水平、品種、規格、質量等方面仍有較大差距，碳纖維、芳綸纖維等高性能纖維仍依賴於進口，樹脂產能也嚴重落後。在成型加工方面，RTM 工藝以其產品質量好、生產效率高等優點得到了廣泛關注與快速發展，在工業發達國家已發展相當成熟，並且不斷趨於完善，而我國則從20 世紀80 年代才開始引進RTM 工藝和設備，投入生產少，設備利用率低，目前RTM 工藝仍處於發展階段。與國外相比，現階段我國在船舶複合材料領域的應用技術和研發方面仍較為落後，仍有很大的發展空間。

4 存在的問題

儘管複合材料在國外海軍強國已具有較長的應用歷史，而我國的快艇、導流罩等方面雖也有所應用，但進展緩慢，其原因在於複合材料自身的特點與傳統金屬材料不同，複合材料具有極強的可設計性，其材料性能與製造工藝密切相關，而目前缺乏相關設計規範、經驗數據以及可靠性評價技術和指標體系。目前，複合材料在船舶應用方面存在的問題主要有以下幾個方面。

1）高性能、低成本的船舶用複合材料設計與製造

多年以來，在大部分造船應用中，複合材料與傳統材料（除了木材外）相比，在成本上都不具備競爭力。迄今為止，大部分複合材料結構都採用樹脂浸漬增強材料製造而成，此工藝周期長、勞動密集、費用昂貴，且難以控制產品質量。生產高質量的複合材料需要船舶製造商引進新的製造方法，而船舶製造商正缺乏模型和大型穩定的資料庫信息來預測複合材料結構的製造成本。

2）船用複合材料可靠性評價技術和指標體系

當船舶結構在受到衝擊、震動、碰撞和火災時，極易發生失效，然而目前還沒有能夠確定其是否失效的分析工具。此外，由於複合材料的各向異性，其縮放規則特別複雜，因此，在開展結構設計時相比金屬要複雜得多。

3）船用複合材料性能基礎數據積累

有限的數據積累阻礙了複合材料在船舶上的應用。複合材料結構需要通過一系列嚴格的規定，內容涉及物理力學性能、環境老化性能、抗氣流衝擊、抗水下振動損壞、防火性能（可燃性、明火、煙塵、毒性、結構整體性）、碎片/彈道保護以及雷達/聲納性能。評價複合材料結構和功能是否可靠所需要的數據極其有限，而測試確定複合材料在衝擊、振動、彈道和明火條件下的性能，是一項時間長而且費用昂貴的工作。評估複合材料的安全性和可靠性，滿足設計要求是複合材料上船舶應用面臨的一個主要問題。

5 船用複合材料發展趨勢

複合材料在船舶應用方面具有極大的優勢，加快複合材料的設計和研發是解決阻礙其在船舶方面應用的主要問題。未來船用複合材料發展方向首先是設計工藝的改進。複合材料發展趨勢在於設計製造高性能、低成本複合材料，推動複合材料由非承力結構向主/次承力結構發展，從局部使用向大規模應用拓展，加大複合材料的研發和應用力度，使其具有低成本、高性能、多功能、優化連接、長壽期、安全可靠等特點。由單一承載功能的結構型複合材料向兼具防彈、隔聲、吸聲、阻尼、雷達隱身等特性的多功能型複合材料發展，同時配套研發複合材料結構之間及其與鋼結構之間方便、可靠的連接技術等。

船用複合材料的另一個發展方向是對複合材料的設計、工藝和製造進行全面的研究，制定統一規範的設計標準，同時開展複合材料性能評價技術研究。在目前複合材料小樣性能研究的基礎上，重點以複合材料典型結構單元、局部模型為對象，開展老化性能、疲勞性能、阻燃性能、抗爆性能、耐衝擊性能等性能參數的測試，形成覆蓋複合材料小樣、典型結構單元、局部模型的性能試驗方法，推動複合材料在船舶上的規模化應用。同時，發展船用複合材料工藝評定技術，以船用複合材料結構的典型部位為對象，研究工藝樣件的質量一致性，形成船用複合材料工藝評定的方法。針對船用複合材料不同的應用環境進行分析、歸納，以幾種典型的複合材料為研究對象，依託環境試驗平台，通過複合材料大量長期海洋環境性能試驗（如：海水全浸、潮差、大氣暴晒等）和實驗室模擬加速性能試驗，獲取海洋環境下複合材料的性能演化規律，並建立壽命預測模型，形成船用複合材料耐海洋性能的評價程序、流程和方法，為複合材料的結構設計、長期可靠應用、維護、換裝提供技術支撐。（來源：材料十）