船用復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展

 同時(shí)，復(fù)合材料還具有耐腐蝕、無磁性、可塑性好等優(yōu)點(diǎn)，因此，自復(fù)合材料問世以來就一直在造船工業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，在船舶上的應(yīng)用研究始終是各主要造船國家的關(guān)注焦點(diǎn)。

 文中對(duì)船用復(fù)合材料進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)船用復(fù)合材料的國內(nèi)外發(fā)展歷程及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，在此基礎(chǔ)上對(duì)船用復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析和展望。

一、復(fù)合材料的定義

 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。雖然復(fù)合材料各組分材料仍保持其相對(duì)獨(dú)立性，但復(fù)合材料的性能卻并非組分材料性能的簡(jiǎn)單加和，而是表現(xiàn)出遠(yuǎn)優(yōu)于兩者的性能。

 通常在復(fù)合材料中有一相為連續(xù)相，稱為基體，用以粘結(jié)、固定、維持增強(qiáng)材料成一定形狀；另一相為分散相，稱為增強(qiáng)相或增強(qiáng)體，增強(qiáng)材料在復(fù)合材料中不構(gòu)成連續(xù)相，它在基體支持下提供強(qiáng)度和剛度。分散相是以獨(dú)立的形態(tài)分布在整個(gè)連續(xù)相中的，可以是增強(qiáng)纖維，也可以是顆粒狀彌散的物料。不同增強(qiáng)材料的形態(tài)如圖

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

二、船用復(fù)合材料分類

 目前，船用復(fù)合材料，尤其是應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，以聚合物基復(fù)合材料為主，按結(jié)構(gòu)可分為層合板（纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）和夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料兩大類型，其中包含三個(gè)方面的重要復(fù)合物：增強(qiáng)材料、樹脂（即基體）和芯層材料。

 船用復(fù)合材料按照承載部位不同可分為：主承力結(jié)構(gòu)、次承力結(jié)構(gòu)、非承力結(jié)構(gòu)等。按照功能可分為：結(jié)構(gòu)、阻尼、聲學(xué)（包括吸聲、隔聲、透聲）、隱身（包括吸波、透波、反射、頻選）、防護(hù)等五大系列材料，船用復(fù)合材料的分類及應(yīng)用部位如圖

 船用復(fù)合材料性能的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在：輕質(zhì)高強(qiáng)，能有效提高船體的儲(chǔ)備浮力；結(jié)構(gòu)功能一體化，在滿足結(jié)構(gòu)承載的情況下性能可設(shè)計(jì)，通常具有聲學(xué)、雷達(dá)、減振、防護(hù)、低磁等其他性能，一般的材料成型過程同樣是結(jié)構(gòu)成型過程；耐腐蝕，可滿足高鹽、高濕、紫外等苛刻海洋環(huán)境要求；

 耐老化，可滿足船舶的長壽命要求。以上特性有別于其他船舶結(jié)構(gòu)材料，也是其優(yōu)勢(shì)圖2船用復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)主要類型與典型應(yīng)用的體現(xiàn)。從小型快艇開始，復(fù)合材料在船舶上的應(yīng)用大概經(jīng)歷3 個(gè)階段。

 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，但使用理念仍局限于傳統(tǒng)的船體設(shè)計(jì)，復(fù)合材料在船上只是起到減輕質(zhì)量、提高部件耐腐蝕能力等輔助作用。第三階段，船舶在設(shè)計(jì)之初充分考慮使用中所面臨的多種復(fù)雜情況，使用復(fù)合材料作為主船體材料，實(shí)現(xiàn)其他材料無法實(shí)現(xiàn)或難以實(shí)現(xiàn)的功效。目前，船用復(fù)合材料已經(jīng)突破了第二階段，向第三階段發(fā)展。

三、國內(nèi)外船用復(fù)合材料發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀

1、國外發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀

 早期復(fù)合材料都是應(yīng)用在小型巡邏艇和登陸艦上。相對(duì)差的制造質(zhì)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，隨著復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制備成本的降低，以及力學(xué)性能提高，復(fù)合材料開始在大型艦船，如獵雷艇和輕型護(hù)衛(wèi)艦上得到應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，船舶的長度呈穩(wěn)定的增加趨勢(shì)，現(xiàn)在已有80~90 m 長的全復(fù)合材料海軍艦船。

 美國是復(fù)合材料科學(xué)技術(shù)發(fā)展先進(jìn)，復(fù)合材料應(yīng)用廣、用量大的國家，在船舶復(fù)合材料的應(yīng)用方面，其規(guī)模和技術(shù)都走在世界前列。美國海軍于1946 年采用聚酯建成了交通艇，是世界上復(fù)合材料艦船，隨后又制造了玻璃鋼登陸艇、工作船等。

 為加快玻璃鋼船舶的發(fā)展，美國海軍在20 世紀(jì)50 年代中期規(guī)定16 m 以下船舶必須用復(fù)合材料制造。1954 年前后，美國的手糊成型工藝日趨成熟，1956 年建造了2 艘不同結(jié)構(gòu)形式的小型掃雷艇，開始了玻璃鋼在掃雷艇中的應(yīng)用研究。

 20 世紀(jì)60 年代早期，美國海軍制造了全玻璃鋼巡邏艇，20 世紀(jì)80 年代末90 年代初建造了復(fù)合材料獵/掃雷艇，艇體均采用高級(jí)間苯聚酯樹脂，并以半自動(dòng)浸膠作業(yè)制造，同期制造了采用凱夫拉增強(qiáng)的聚酯樹脂單殼結(jié)構(gòu)的巡邏艇。隨后，美國海軍又將復(fù)合材料引入了深潛器的制造。

 1966 年采用石墨纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂建造的深潛器，其下潛深度可達(dá)6096m。進(jìn)入21 世紀(jì)后，美國進(jìn)一步加強(qiáng)了復(fù)合材料在船舶建造的應(yīng)用，采用新型高強(qiáng)維/乙烯基樹脂的夾心層結(jié)構(gòu)，取代傳統(tǒng)等低強(qiáng)度纖維，建成的新型船舶穩(wěn)定性高、航速快，并具有隱身、反潛、反水雷能力。歐洲復(fù)合材料船舶工業(yè)也十分發(fā)達(dá)。

 20 世紀(jì)60年代中期，英國采用玻璃鋼先后制造了450 t 的大型掃雷艇和625 t 的獵雷艇，1973 年采用復(fù)合材料建造了全玻璃鋼反水雷艇，其成功應(yīng)用推動(dòng)了復(fù)合材料的迅速發(fā)展，20 世紀(jì)80 年代早期就制造了200 多艘全復(fù)合材料反水雷船舶。

 20 世紀(jì)90 年代，英國成功應(yīng)用碳-玻混雜纖維建造了摩托艇、巡邏艇等，隨著技術(shù)的發(fā)展，近年來還成功應(yīng)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(huán)利用的發(fā)展方向。

 瑞典1974 年建成了夾層結(jié)構(gòu)的玻璃鋼掃雷艇，20 世紀(jì)90 年代成功研制了世界上復(fù)合材料隱形試驗(yàn)艇，并逐步發(fā)展形成了以高性能碳纖維和夾芯結(jié)構(gòu)為特點(diǎn)的建造方式，開發(fā)建造了集先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)和隱身技術(shù)于一體的系列輕型驅(qū)逐艦，已成功下水服役。

 意大利20 世紀(jì)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(jì)50 年代起就開始建造玻璃鋼船，在高性能船、賽艇和豪華游艇建造方面取得了不俗的成績。進(jìn)入21 世紀(jì)，日本開始研究制造高性能復(fù)合材料軍用船舶，目前已成功建成玻璃鋼復(fù)合材料掃雷艇并投入使用。

 各國海軍應(yīng)用的復(fù)合材料制品還包括船舶上層建筑、推進(jìn)器、桅桿等。法國海軍于1992 年開始在船舶上層建筑采用復(fù)合材料，可以有效降低船舶質(zhì)量。前蘇聯(lián)早將復(fù)合材料螺旋槳用于實(shí)船。

 瑞典1989 年開始研制復(fù)合材料推進(jìn)軸，對(duì)幾千種不同材料及表面處理方法進(jìn)行了試驗(yàn)和評(píng)估以獲得軸的佳性能，制得的推進(jìn)軸質(zhì)量輕、彈性好、適應(yīng)性強(qiáng)、不導(dǎo)電、耐腐蝕。美國從1995 年開始采用復(fù)合材料研究先進(jìn)的全封閉桅桿，并成功裝備于驅(qū)逐艦、航空母艦等。

 此外由于復(fù)合材料可降低船舶的雷達(dá)信號(hào)特征以及紅外（熱）信號(hào)特征，因此復(fù)合材料還廣泛應(yīng)用于煙囪、艙壁、甲板、舵等次承載結(jié)構(gòu)，在隱身及結(jié)構(gòu)減重方面所做的貢獻(xiàn)非常顯著。

3.2 國內(nèi)發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀

 我國復(fù)合材料在船舶方面的研發(fā)應(yīng)用起始于1958 年，玻璃鋼工作艇誕生于上海。在20 世紀(jì)70 年代中期曾研制過一艘總長近39 m 的掃雷試驗(yàn)艇，此后對(duì)GRP/CM 反水雷艦艇的研發(fā)工作就中斷了十多年。

 20 世紀(jì)90 年代以來，隨著技術(shù)發(fā)展與工藝引進(jìn)，我國采用復(fù)合材料生產(chǎn)了大量游艇、帆船、救助艇，以及公安、武警、海監(jiān)、海關(guān)等航速較高的巡邏艇、執(zhí)法艇、緝私艇等準(zhǔn)軍事艇，但迄今為止還未設(shè)計(jì)建造一艘高科技含量的海軍反水雷艦艇。

 在復(fù)合材料船舶構(gòu)件方面，我國在20 世紀(jì)60 年代末成功研制了復(fù)合材料聲納導(dǎo)流罩，并應(yīng)用于潛艇，發(fā)展至今已形成較為成熟的應(yīng)用。20 世紀(jì)80 年代后期研制開發(fā)了復(fù)合材料雷達(dá)天線罩、水雷殼體并投入使用，20 世紀(jì)90 年代成功研制了應(yīng)用于大型水面船舶的復(fù)合材料桅桿以及上層建筑等。

 與國外相比，目前我國船用復(fù)合材料應(yīng)用范圍和規(guī)模仍然較小。在原材料方面，目前我國已能生產(chǎn)國際市場(chǎng)上大多數(shù)品種的玻璃鋼用增強(qiáng)材料，但與世界工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，在產(chǎn)品技術(shù)水平、品種、規(guī)格、質(zhì)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于進(jìn)口，樹脂產(chǎn)能也嚴(yán)重落后。

 在成型加工方面，RTM 工藝以其產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛關(guān)注與快速發(fā)展，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家已發(fā)展相當(dāng)成熟，并且不斷趨于完善，而我國則從20 世紀(jì)80 年代才開始引進(jìn)RTM 工藝和設(shè)備，投入生產(chǎn)少，設(shè)備利用率低，目前RTM 工藝仍處于發(fā)展階段。與國外相比，現(xiàn)階段我國在船舶復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)和研發(fā)方面仍較為落后，仍有很大的發(fā)展空間。

四、存在的問題

 盡管復(fù)合材料在國外海軍強(qiáng)國已具有較長的應(yīng)用歷史，而我國的快艇、導(dǎo)流罩等方面雖也有所應(yīng)用，但進(jìn)展緩慢，其原因在于復(fù)合材料自身的特點(diǎn)與傳統(tǒng)金屬材料不同，復(fù)合材料具有極強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，其材料性能與制造工藝密切相關(guān)，而目前缺乏相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及牢靠性評(píng)價(jià)技術(shù)和指標(biāo)體系。目前，復(fù)合材料在船舶應(yīng)用方面存在的問題主要有以下幾個(gè)方面。

1）高性能、低成本的船舶用復(fù)合材料設(shè)計(jì)與制造

 多年以來，在大部分造船應(yīng)用中，復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料（除了木材外）相比，在成本上都不具備競(jìng)爭(zhēng)力。迄今為止，大部分復(fù)合材料結(jié)構(gòu)都采用樹脂浸漬增強(qiáng)材料制造而成，此工藝周期長、勞動(dòng)密集、費(fèi)用昂貴，且難以控制產(chǎn)品質(zhì)量。生產(chǎn)高質(zhì)量的復(fù)合材料需要船舶制造商引進(jìn)新的制造方法，而船舶制造商正缺乏模型和大型穩(wěn)定的數(shù)據(jù)庫信息來預(yù)測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造成本。

2）船用復(fù)合材料牢靠性評(píng)價(jià)技術(shù)和指標(biāo)體系

當(dāng)船舶結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊、震動(dòng)、碰撞和火災(zāi)時(shí)，極易發(fā)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，由于復(fù)合材料的各向異性，其縮放規(guī)則特別復(fù)雜，因此，在開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)相比金屬要復(fù)雜得多。

3）船用復(fù)合材料性能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累

 有限的數(shù)據(jù)積累阻礙了復(fù)合材料在船舶上的應(yīng)用。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)需要通過一系列嚴(yán)格的規(guī)定，內(nèi)容涉及物理力學(xué)性能、環(huán)境老化性能、抗氣流沖擊、抗水下振動(dòng)損壞、防火性能（可燃性、明火、煙塵、毒性、結(jié)構(gòu)整體性）、碎片/彈道保護(hù)以及雷達(dá)/聲納性能。

 評(píng)價(jià)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和功能是否牢靠所需要的數(shù)據(jù)極其有限，而測(cè)試確定復(fù)合材料在沖擊、振動(dòng)、彈道和明火條件下的性能，是一項(xiàng)時(shí)間長而且費(fèi)用昂貴的工作。評(píng)估復(fù)合材料的安全性和牢靠性，滿足設(shè)計(jì)要求是復(fù)合材料上船舶應(yīng)用面臨的一個(gè)主要問題。

五、船用復(fù)合材料發(fā)展趨勢(shì)

 復(fù)合材料在船舶應(yīng)用方面具有極大的優(yōu)勢(shì)，加快復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和研發(fā)是解決阻礙其在船舶方面應(yīng)用的主要問題。未來船用復(fù)合材料發(fā)展方向首先是設(shè)計(jì)工藝的改進(jìn)。

 復(fù)合材料發(fā)展趨勢(shì)在于設(shè)計(jì)制造高性能、低成本復(fù)合材料，推動(dòng)復(fù)合材料由非承力結(jié)構(gòu)向主/次承力結(jié)構(gòu)發(fā)展，從局部使用向大規(guī)模應(yīng)用拓展，加大復(fù)合材料的研發(fā)和應(yīng)用力度，使其具有低成本、高性能、多功能、優(yōu)化連接、長壽期、安全牢靠等特點(diǎn)。

 由單一承載功能的結(jié)構(gòu)型復(fù)合材料向兼具防彈、隔聲、吸聲、阻尼、雷達(dá)隱身等特性的多功能型復(fù)合材料發(fā)展，同時(shí)配套研發(fā)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)之間及其與鋼結(jié)構(gòu)之間方便、牢靠的連接技術(shù)等。

 船用復(fù)合材料的另一個(gè)發(fā)展方向是對(duì)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、工藝和制造進(jìn)行全面的研究，制定統(tǒng)一規(guī)范的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)開展復(fù)合材料性能評(píng)價(jià)技術(shù)研究。

 在目前復(fù)合材料小樣性能研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)以復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)單元、局部模型為對(duì)象，開展老化性能、疲勞性能、阻燃性能、抗爆性能、耐沖擊性能等性能參數(shù)的測(cè)試，形成覆蓋復(fù)合材料小樣、典型結(jié)構(gòu)單元、局部模型的性能試驗(yàn)方法，推動(dòng)復(fù)合材料在船舶上的規(guī)模化應(yīng)用。

 同時(shí)，發(fā)展船用復(fù)合材料工藝評(píng)定技術(shù)，以船用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的典型部位為對(duì)象，研究工藝樣件的質(zhì)量一致性，形成船用復(fù)合材料工藝評(píng)定的方法。

 針對(duì)船用復(fù)合材料不同的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行分析、歸納，以幾種典型的復(fù)合材料為研究對(duì)象，依托環(huán)境試驗(yàn)平臺(tái)，通過復(fù)合材料大量長期海洋環(huán)境性能試驗(yàn)（如：海水全浸、潮差、大氣暴曬等）和實(shí)驗(yàn)室模擬加速性能試驗(yàn)，獲取海洋環(huán)境下復(fù)合材料的性能演化規(guī)律，并建立壽命預(yù)測(cè)模型，形成船用復(fù)合材料耐海洋性能的評(píng)價(jià)程序、流程和方法，為復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、長期牢靠應(yīng)用、維護(hù)、換裝提供技術(shù)支撐。