探討復合材料層在船體表面防護的應用

劉銘虎　丁浩　李健

摘 要：船舶運行在復雜的水文環境中，船舶的船體表面很容易受到水文環境的腐蝕，因此，船體表面材料應當具備良好的防腐蝕性能。復合材料是人們利用先進的科技，將不同性質的材料優化組合而得到的新材料，具有單一材料所不具備的優越綜合性能。復合材料層運用到船體表面防護中，可以起到防腐蝕、耐高溫、耐疲勞等多種綜合作用。本文分析了目前我國船體表面防護中復合材料層的應用情況，以期提升船舶的整體質量。

關鍵詞：復合材料層；船體表面防護；應用

船舶運行的環境十分復雜，船體會直接與水進行接觸，這些部位容易受到水文環境的腐蝕。不同地域的水體含鹽濃度、溶解、浮游生物的數量及種類等水文環境千差萬別，對船體表面產生腐蝕作用迥然相異。船舶停留在淺水區時，船舶的表面要承受水波的侵蝕，容易產生腐蝕。而與此同時，船舶的上層建筑受到來自陽光、氧氣等自然因素的腐蝕，容易損毀。管路在船舶的各個部位都有分布，因管材不同，腐蝕介質不同，使得管路的腐蝕復雜多樣，電偶腐蝕、沖刷腐蝕、縫隙腐蝕等都有體現[1]。腐蝕船體的因素很多，船體腐蝕的過程，都處于水文環境之中，這就形成了一個天然的電解池，很容易導致大片腐蝕的出現。因此，利用新能優越的復合材料，減輕船體表面的腐蝕，對于船體防護來說，發揮著重要作用。

1復合材料的性能

復合材料不僅保持各組分材料性能的優點，而且通過各組分性能的互補和關聯可以獲得單一組成材料所不能達到的綜合性能[2]。換句換說，復合材料將2種以上材料進行優化組合，能夠發揮多種材料的優越性能。例如，芳綸纖維，芳綸纖維具有耐高溫、耐酸堿、強度高、絕緣等多種性能，因此被廣泛應用到艦船（如航空母艦、核潛艇、救生艇等）復合材料零部件中。還比如，超高分子量聚乙烯纖維，它的輕度在各種纖維中非常靠前，具有優越的抗腐蝕性能、抗老化性能和高頻聲納透過性，很多國家都用它來制造船舶的高頻聲納導流罩。復合材料發展時間比較晚，上個世紀40年代，因為航空工業需要，發展了世界上第一個復合材料——玻璃纖維增強塑料。早期復合材料制造工藝偏低、性能較差，主要運用于小型船只上，隨著科技進步，復合材料在制造工藝、性能、種類等多個方面實現了突破，其作用逐漸受到人們關注，被各國廣泛應用到艦船上。

2復合材料在船體防護中的應用

2.1民用復合材料船舶

民用復合材料船舶發展較早，最早的就是上個世紀50年代的玻璃鋼漁船。玻璃鋼漁船的出現，是民用船舶行業的大變革，它改變了人們利用木材制造漁船的歷史。漁船利用玻璃鋼，還節省了大量的優質木材資源，有利于生態環境保護，同時，玻璃鋼漁船更為堅固，耐用性強，可以到更遠的地方進行捕魚作業，比木制漁船容易獲得更多的經濟效益，自誕生以來，就受到世界各國的共同關注。例如，1990年，威海西港漁業公司，制造了兩對主尺度、主機功率相同的玻璃鋼漁船和木質漁船，筆者對它們進行了比較系統的對比：船長，木質漁船16.83米，玻璃鋼漁船16.88米；總噸數，木質漁船26噸，玻璃鋼漁船27噸；初始造價，木質漁船11萬元，玻璃鋼漁船13.76萬元；漁獲量，木質漁船149噸，玻璃鋼漁船130噸；產值，木質漁船26.9萬元，玻璃鋼漁船27.3萬元；噸魚耗油量，木質漁船0.25噸，玻璃鋼漁船0.24噸；噸魚耗冰量，木質漁船0.66噸，玻璃鋼漁船0.52噸；維修費用，木質漁船1.5萬元，玻璃鋼漁船0.7萬元；利潤，木質漁船8.9萬元，玻璃鋼漁船9.4萬元。從整體上來說，玻璃鋼漁船速度快、拖力大、保溫性能好，同時，玻璃鋼漁船的船體表面比木船更耐腐蝕性，后期所需要的維修費用少，可以獲得更高的經濟效益，迅速受到人們歡迎。除此之外，玻璃鋼復合材料還被廣泛應用到帆船、小艇、舷外掛機艇、游艇、救生艇等多種民用船舶中。

2.2軍用復合材料艦艇

復合材料在船舶領域的應用，主要體現在軍事領域。復合材料具有優越的防腐蝕性和隱蔽性，被世界各國廣泛利用到軍事艦艇上，而其中最具代表性的就是瑞典。瑞典生產的軍事武器，因其卓越的性能，在世界上向來是獨樹一幟，其艦性能堪稱世界先驅。例如，瑞典制造的維斯比級輕型護衛艦。該護衛艦艦長72米、艦寬10.4米、滿載排水量620噸，其最大的特點就在整體艦船上使用了碳纖維增強塑料夾層板，這種復合材料結構堅實，強度可與鋼鐵相媲美，具有良好的抗水波沖擊性；碳纖維增強塑料夾層板表面光滑平整，具有良好的隱蔽性；它的密度小，重量輕，減輕了船舶重量，加快了航行速度；它具有良好的耐腐蝕性，從而大幅度減少后期維修費用；它還可以絕熱，從而很好的屏蔽艦船內，各種機械設備所產生的熱量紅外輻射。由于其材料的特點，它具有良好的隱蔽性、防腐蝕性、抗水波沖擊性、隔熱性，能夠滿足在惡劣海洋氣候中，進行護衛任務的需求，是一款受到世界各國歡迎的護衛艦。

現代軍用艦艇，朝著全復合材料的方向發展，很多西方發達國家的軍用艦船，包括船體的上層建筑，都利用了復合材料。例如，美國所制造的“布什”號航空母艦，利用了復合材料桅桿，復合材料桅桿具備和鋼制桅桿同樣的防護性能，但是復合材料桅桿卻比鋼制桅桿減重達5噸。這一設計不僅降低了船身的重心，也提高了其穩定性，有利于船體整體的防護[3]。

2.3高性能復合材料船

進入上個世紀80年代，高性能船逐漸開始利用復合材料。高性能船主要是指高速單體船、高速雙體船、水翼艇等船舶。而高性能船舶中，最主要利用的復合材料就是K-49芳綸。利用K-49芳綸，制作成混雜玻璃鋼，或者是纖維增強樹脂，具有較好的耐水性，可以抵御水文環境的侵蝕；同時還具有較強的抗紫外線能力，能夠很好的抵御陽光腐蝕。將K-49芳綸和玻璃纖維氈適當混鋪，制成的復合材料，其沖擊韌性可提高數倍，將芳綸纖維混雜鋪層利用到船體上，可以提高船體的耐沖性能。而一些高性能船舶，例如高速船，為了提升速度，其船體的層板比普通慢船就薄的多，它對剛性和強度的需求就比較迫切，因此，可以在其關鍵部位使用芳綸，從而實現了增強強度的目的。

3結束語

綜上所述，復合材料具有優越的防護性能，被廣泛應用到民用船舶、軍用艦船和高性能船舶中，因此，未來船舶行業，應當整合復合材料性能，把握新科技，有利于更好的提升船舶質量與性能。

參考文獻

[1]楊保平，崔錦峰，張應鵬等.環氧改性氟碳納米復合船舶涂料的研制[J].蘭州理工大學學報，2006，31（5）：67-70.

[2]陳光.新材料概論[M].國防工業出版社，2013.

[3]李濤，高興，商偉輝，等.船舶用復合材料的性能研究[J].玻璃鋼/復合材料，2011，（2）：32-35.

（作者單位：江蘇揚子江船業集團公司）