船用復合材料應用現狀及發展

馮利軍，程正沖，李伏

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船用復合材料應用現狀及發展

馮利軍，程正沖，李伏

（西南技術工程研究所，重慶 400039）

對船用復合材料的定義及分類進行了介紹，并對國內外船用復合材料的應用發展歷程及現狀進行了闡述。國外船用復合材料應用時間早，原料制造以及成型工藝發展相對成熟，目前已成功應用于多種船舶、船體以及上層建筑、桅桿等結構的制造。相比之下，我國船用復合材料研究起步較晚，原料生產以及成型工藝較為落后，在實船應用方面與國外存在較大差距。在此基礎上，分析了我國船用復合材料發展存在的主要問題，并從設計制造工藝的提升，以及性能評價技術體系的完善兩方面對其未來發展趨勢進行了展望。

船舶；復合材料；應用；發展

與傳統金屬結構材料相比，復合材料具有更高的強度/質量比，采用復合材料建造船體和結構物，其質量更輕，在燃油消耗和提高航速方面具有更佳的性能。同時，復合材料還具有耐腐蝕、無磁性、可塑性好等優點，因此，自復合材料問世以來就一直在造船工業中發揮著重要的作用，在船舶上的應用研究始終是各主要造船國家的關注焦點。文中對船用復合材料進行了簡單介紹，并對船用復合材料的國內外發展歷程及應用現狀進行了闡述，在此基礎上對船用復合材料的發展趨勢進行了分析和展望。

1 復合材料的定義

復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[1]。雖然復合材料各組分材料仍保持其相對獨立性，但復合材料的性能卻并非組分材料性能的簡單加和，而是表現出遠優于兩者的性能。通常在復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，增強材料在復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[2—3]。不同增強材料的形態如圖1所示。

圖1 增強材料形式

復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[2]：聚合物基復合材料，其基體為有機聚合物高分子；金屬基復合材料，其基體為金屬，如鋁基復合材料、鐵基復合材料等；無機非金屬基復合材料，其基體為陶瓷材料（也包括玻璃和水泥等）。

2 船用復合材料分類

目前，船用復合材料，尤其是應用于船體結構的復合材料，以聚合物基復合材料為主，按結構可分為層合板（纖維增強復合材料）和夾層結構復合材料兩大類型，其中包含三個方面的重要復合物：增強材料、樹脂（即基體）和芯層材料[3]。

船用復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，船用復合材料的分類及應用部位如圖2所示。

船用復合材料性能的優越性主要體現在[4]：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。

以上特性有別于其他船舶結構材料，也是其優勢的體現。從小型快艇開始，復合材料在船舶上的應用大概經歷3個階段[5]。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，但使用理念仍局限于傳統的船體設計，復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復雜情況，使用復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，船用復合材料已經突破了第二階段，向第三階段發展。

圖2 船用復合材料及結構主要類型與典型應用

3 國內外船用復合材料發展和應用現狀

3.1 國外發展和應用現狀

早期復合材料都是應用在小型巡邏艇和登陸艦上。相對差的制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，隨著復合材料設計、制備成本的降低，以及力學性能提高，復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長的全復合材料海軍艦船。

美國是復合材料科學技術發展最先進，復合材料應用最廣、用量最大的國家，在船舶復合材料的應用方面，其規模和技術都走在世界前列[6—10]。美國海軍于1946年采用聚酯玻璃鋼建成了交通艇，是世界上第一艘復合材料艦船，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以下船舶必須用復合材料制造。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，美國海軍制造了第一艘全玻璃鋼巡邏艇，20世紀80年代末90年代初建造了復合材料獵/掃雷艇，艇體均采用高級間苯聚酯樹脂，并以半自動浸膠作業制造，同期制造了采用凱夫拉增強的聚酯樹脂單殼結構的巡邏艇[10]。隨后，美國海軍又將復合材料引入了深潛器的制造[11—12]。1966年采用石墨纖維增強環氧樹脂建造的深潛器，其下潛深度可達6096 m。進入21世紀后，美國進一步加強了復合材料在船舶建造的應用，采用新型高強碳纖維/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，并具有隱身、反潛、反水雷能力[13]。

歐洲復合材料船舶工業也十分發達。20世紀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年采用復合材料建造了全玻璃鋼反水雷艇，其成功應用推動了復合材料的迅速發展，20世紀80年代早期就制造了200多艘全復合材料反水雷船舶。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[14]，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。瑞典于1974年建成了第一艘夾層結構的玻璃鋼掃雷艇，20世紀90年代成功研制了世界上第一艘復合材料隱形試驗艇，并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，開發建造了集先進復合材料技術和隱身技術于一體的系列輕型驅逐艦，已成功下水服役。意大利于20世紀80年代中期開始相繼建成多艘玻璃鋼掃雷艇[15]。

日本自20世紀50年代起就開始建造玻璃鋼船，在高性能船、賽艇和豪華游艇建造方面取得了不俗的成績。進入21世紀，日本開始研究制造高性能復合材料軍用船舶，目前已成功建成第一艘玻璃鋼復合材料掃雷艇并投入使用[16]。

各國海軍應用的復合材料制品還包括船舶上層建筑、推進器、桅桿等。法國海軍于1992年開始在船舶上層建筑采用復合材料，可以有效降低船舶質量[17]。前蘇聯最早將復合材料螺旋槳用于實船[18—19]。瑞典于1989年開始研制復合材料推進軸，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，制得的推進軸質量輕、彈性好、適應性強、不導電、耐腐蝕[20]。美國從1995年開始采用復合材料研究先進的全封閉桅桿，并成功裝備于驅逐艦、航空母艦等[20]。此外由于復合材料可降低船舶的雷達信號特征以及紅外（熱）信號特征，因此復合材料還廣泛應用于煙囪、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[10]。

3.2 國內發展和應用現狀

我國復合材料在船舶方面的研發應用起始于1958年，第一艘玻璃鋼工作艇誕生于上海。在20世紀70年代中期曾研制過一艘總長近39 m的掃雷試驗艇，此后對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，我國采用復合材料生產了大量游艇、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、緝私艇等準軍事艇，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[21]。在復合材料船舶構件方面，我國在20世紀60年代末成功研制了復合材料聲納導流罩，并應用于潛艇，發展至今已形成較為成熟的應用[22]。20世紀80年代后期研制開發了復合材料雷達天線罩、水雷殼體并投入使用[23]，20世紀90年代成功研制了應用于大型水面船舶的復合材料桅桿以及上層建筑等[24—25]。與國外相比，目前我國船用復合材料應用范圍和規模仍然較小。

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于進口，樹脂產能也嚴重落后。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，并且不斷趨于完善，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工藝仍處于發展階段[26]。與國外相比，現階段我國在船舶復合材料領域的應用技術和研發方面仍較為落后，仍有很大的發展空間。

4 存在的問題

盡管復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，其原因在于復合材料自身的特點與傳統金屬材料不同，復合材料具有極強的可設計性，其材料性能與制造工藝密切相關，而目前缺乏相關設計規范、經驗數據以及可靠性評價技術和指標體系。目前，復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、低成本的船舶用復合材料設計與制造。多年以來，在大部分造船應用中，復合材料與傳統材料（除了木材外）相比，在成本上都不具備競爭力。迄今為止，大部分復合材料結構都采用樹脂浸漬增強材料制造而成，此工藝周期長、勞動密集、費用昂貴，且難以控制產品質量。生產高質量的復合材料需要船舶制造商引進新的制造方法，而船舶制造商正缺乏模型和大型穩定的數據庫信息來預測復合材料結構的制造成本[27]。

2）船用復合材料可靠性評價技術和指標體系。當船舶結構在受到沖擊、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，由于復合材料的各向異性，其縮放規則特別復雜，因此，在開展結構設計時相比金屬要復雜得多[28]。

3）船用復合材料性能基礎數據積累。有限的數據積累阻礙了復合材料在船舶上的應用。復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、抗氣流沖擊、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。評價復合材料結構和功能是否可靠所需要的數據極其有限，而測試確定復合材料在沖擊、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。評估復合材料的安全性和可靠性，滿足設計要求是復合材料上船舶應用面臨的一個主要問題[28—29]。

5 船用復合材料發展趨勢

復合材料在船舶應用方面具有極大的優勢，加快復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。未來船用復合材料發展方向首先是設計工藝的改進[27]。復合材料發展趨勢在于設計制造高性能、低成本復合材料，推動復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，加大復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復合材料向兼具防彈、隔聲、吸聲、阻尼、雷達隱身等特性的多功能型復合材料發展，同時配套研發復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[29]。

船用復合材料的另一個發展方向是對復合材料的設計、工藝和制造進行全面的研究，制定統一規范的設計標準，同時開展復合材料性能評價技術研究[28]。在目前復合材料小樣性能研究的基礎上，重點以復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、耐沖擊性能等性能參數的測試，形成覆蓋復合材料小樣、典型結構單元、局部模型的性能試驗方法，推動復合材料在船舶上的規模化應用。同時，發展船用復合材料工藝評定技術，以船用復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，形成船用復合材料工藝評定的方法[30]。針對船用復合材料不同的應用環境進行分析、歸納，以幾種典型的復合材料為研究對象，依托環境試驗平臺，通過復合材料大量長期海洋環境性能試驗（如：海水全浸、潮差、大氣暴曬等）和實驗室模擬加速性能試驗，獲取海洋環境下復合材料的性能演化規律，并建立壽命預測模型，形成船用復合材料耐海洋性能的評價程序、流程和方法，為復合材料的結構設計、長期可靠應用、維護、換裝提供技術支撐[31]。

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Application and Development of Composites for Naval Ships

FENG Li-jun, CHENG Zheng-chong, LI Fu

(Southwest Technology and Engineering Research Institute, Chongqing 400039, China)

In this paper, definition and classification of composites for naval ships were introduced, and the development history and current state of composites application were illustrated. The application of composites in shipbuilding in foreign started earlier, and with the development of material manufacturing and processing improvement, composites had been successfully applied for the construction of different types of naval ships, as well as superstructures, masts and decks, etc. By contrast, the research of composites started much later in our country, and there is a great gap in applications with foreign due to the backward technologies of raw material production and forming process. Based on the utility status and the demand of ship building, the current limitation of the composite applications was analyzed, and the research and development tendency was presented from two aspects of the improvement of design and production technologies, and perfection of the evaluation methods system.

ships; composites; application; development

10.7643/ issn.1672-9242.2017.05.012

TJ04；TJ83

A

1672-9242(2017)05-0051-05

2017-03-06；

2017-04-06

馮利軍（1980—），男，山西忻州人，碩士，工程師，主要研究方向為高分子物理與化學。