船用復合材料的檢驗與管理

肖偉星

（大連航運職業技術學院，遼寧大連 116041）

0 引言

對于復合材料在船舶上的應用，國外分析和研究的時間比較早。而我國在研究船用復合材料方面起步比較晚，無論是成型工藝，還是生產原料都比較滯后，應用實船上與國外的差距也比較大[1]。

1 船用復合材料概述

船用復合材料是一種多相的固體材料，由化學性質和物理性質2種和2種以上不同的物質組成。船用復合材料所具有的獨特性，各組分材料也具有。但船用復合材料性能是將優于二者的性能更好地表現出來，并不是簡單地加和組分性能。在船用復合材料中，通常有一個連續相，也就是“基體”，將增強材料固定和粘結以及維持成為相應的形狀；還有一個增強體分散相，使船用復合材料不連續相材料得以增強，在基體支持下，提高剛度和強度。在整個連續相中，分散相分布的形態為獨立，能將纖維很大程度地增強，還能作為彌散顆料狀的物料[2]。

船用復合材料有許多分類方法，最基本的是根據基體材料的類型進行分類，可分為金屬基和聚合物基以及無機非金屬基復合材料。金屬基復合材料，基體是鐵基復合材料和鋁基復合材料等金屬；聚合物基復合材料，有機聚合高分子為基體；無機非金屬基復合材料，基體主要是陶瓷和水泥及玻璃等。

2 船用復合材料應用現狀和發展情況

船用復合材料早期大多應用在小型登陸艦和小型巡邏艇。剛度和質量較差的船用復合材料使船舶長度受到限制，≤15 m，排水量＜20 t。最近幾年，設計和制備船用復合材料的成本大幅度降低，提升了力學性能，輕型護衛艦和獵雷艇等大型艦船開始應用復合材料[3]。當前全復合材料的海軍船舶長度已經達到（80～90）m。

2.1 國外應用現狀和發展情況

在船用復合材料技術發展上，美國是最先進的，也是船用復合材料用量最大和應用最廣的國家，無論是技術上還是規模上，美國都在世界前列。1946年，美國海軍用聚酯玻璃鋼建造的交通艇，是世界上第一艘應用復合材料的艦船，接著又制造了工作船和玻璃鋼登陸艇等[4]。為了加快玻璃鋼船舶技術的發展，20世紀50年代，美國要求海軍船舶凡長度＜16 m以下的，都采用復合材料制造；1954年，美國手糊成型工藝更加成熟；1956年，美國建造2艘結構形式不同的小型掃雷艇，對掃雷艇中應用玻璃鋼進行分析和研究；20紀60年代，美國海軍制造第一艘全玻璃鋼巡邏艇；20世紀90年代，應用復合材料建造掃雷艇，利用高級間苯聚脂樹脂和半自動的浸膠作業制造艇體，同時期，還利用聚脂樹脂單殼結構制造了巡邏艇。美國海軍在制造深潛器中也應用了船用復合材料[5]。1966年，利用石墨纖維建造環氧樹脂深潛器，下潛深度可6096 m。21世紀后，美國提升船舶中復合材料的應用，新型乙烯基樹脂與乙烯基樹脂夾心層結構，代替傳統玻璃纖維等低度纖維，新型船舶航速快，穩定性高，且具備反潛、隱身及反水雷能力[6]。

20世紀50年代，日本開始建造玻璃鋼船，建造的賽艇、高性能船和豪華游艇都獲得了良好效果。21世紀，日本開始制造高性能復合材料軍用船舶，第一艘玻璃鋼復合材料掃雷艇已建造成功并投入使用。

歐洲的船舶復合材料技術也非常發達。1974年，瑞曲成功制成第一艘夾層結構玻璃鋼掃雷艇；20世紀90年代，世界第一艘復合材料隱形試驗艇研制成功。隨著技術的不斷發展，夾芯結構及高性能碳纖維建造方式都已經形成。英國利用玻璃鋼成功制造625 t獵雷艇和450 t大型掃雷艇；1973年，成功制造全玻璃鋼反水雷艇；20世紀80年代，制造200多艘全復合材料反水雷船舶；20世紀90年代，英國運用碳和玻璃混雜纖維技術，成功制造巡邏艇和摩托艇等。20世紀80年代，意大利多艘玻璃鋼掃雷艇相繼建造成功[7]。

2.2 國內應用現狀和發展情況

1958年，我國開始研發在船舶制造上應用復合材料，在上海成功建造第一艘玻璃工作艇；20世紀70年代，曾研制一艘39 m掃雷試驗艇，但研發反水雷艦艇工作中斷了10多年；20世紀90年代，隨著科學技術的發展，新工藝也在不斷引進，我國開始運用復合材料大量生產帆船、游艇、救助艇以及航速較高的準軍事艇等，例如武警、公安、海關和海監用的執法艇、巡邏艇及緝私艇等，但到目前為止，高科技的海軍反水雷艦艇還沒有設計建造出來。20世紀60年代，在船舶應用復合材料的構件上，我國研制成功復合材料聲納導流罩，已在潛艇中應用；20世紀80年代，我國研制開發了復合材料水雷殼體和雷達天線罩，并且已經投入使用；20世紀90年代，上層建筑和大型水面應用的復合材料桿等已研制成功。

目前我國已可以生產玻璃鋼的多種增強材料，但在產品品種、質量、規格以及技術等方面，與工業發達國家還有很大的差距，部分高性能纖維還需要進口，如芳綸纖維和碳纖維等，樹脂的產能也相對落后[8]。工業發達國家，RTM（樹脂傳遞模壓法）工藝已非常成熟，而我國還處于發展階段。相對工業發達國家，我國在船舶應用復合材料方面，研發和應用都比較落后，有較大的發展空間。

3 船用復合材料檢測管理存在的問題

國外海軍強國應用船用復合材料已經有很長歷史，我國在導流罩和快艇等方面也應用了船用復合材料，但進展比較緩慢，主要原因是復合材料的特點與傳統金屬材料有許多不同之處，船用復合材料可設計性非常強，制造工藝與材料性能關系非常密切。目前，無論是經驗數據和設計規范，還是指標體系和可靠性評價技術都比較欠缺。

3.1 用復合材料設計和制造低成本高性能船舶

多年來，相對于傳統材料，在造船過程中使用復合材料沒有成本優勢。直到目前，大多數船用復合材料的結構都是利用浸漬樹脂對材料增強，這種工藝勞動密集、費用昂貴、制造周期長，且產品質量控制難度大。利用復合材料生產較高質量的船，船舶制造商應引進和借鑒新的制造方法，但船舶制造商數據信息欠缺，很難預測船用復合材料結構制造成本。

3.2 復合材料性能的基礎數據積累

船舶上復合材料的應用，由于數據積累有限而受到制約。船用復合材料結構涉及到許多嚴格的規定，如環境老化性能、物理力學性能、抗水下振動損壞、抗氣流沖擊、防火性能、彈道保護、碎片、雷達以及聲納性能等。船用復合材料功能和結構的可靠性評價數據非常有限，通過對船用復合材的檢測，確定其振動、沖擊、明火以及彈道條件下具有的性能，此項工作費用高，用間長。有效評估船用復合材料的可靠性和安全性，以滿足設計要求，是船舶復合材料應用的關鍵問題。

4 船用復合材料發展趨勢

在船舶中應用復合材料的優勢非常大，對船舶中復合材料應用受阻礙問題，解決的主要方法是加快設計和研發船用復合材，改進設計工藝是船用復合材料未來發展的主要方向。設計和制造低成本、高性能的船用復合材料，將非承力結構發展為主承力結構和次承力結構，將局部使用向大規模使用擴展[9]，是復合材料的發展趨勢。加強船用復合材的研發、應用力度，使船用復合材料既具有高性能、低成本及多功能，又具有長壽命、優化連接及安全可靠等優點。船用復合材料從單一承載功能結構型向多功能型發展，既具有隔聲、防彈及吸聲特性，又具有雷達隱聲和阻尼等特性，還要配套研發船用復合材料與鋼結構之間、復合材料結構之間比較可靠的連接技術。

船用復合材料發展的另外一個方向，是統一規范船用復合材料的工藝、設計和制造標準，并積極開展船用復合材料評價性能技術。將船用復合材料局部模型和典型結構單元作為重點研究對象，檢測其疲勞性能、抗爆性能、阻燃性能以及耐沖擊性能等性能參數，形成典型結構單元和覆蓋船用復合材料小樣及檢測局部模型性能的方法，推動船舶復合材料的規模化應用。此外，也要發展評定船用復合材料工藝的技術，對象就是船用復合材料典型部位結構，實現工藝樣件質量研究的一致性，形成評定船用復合材料工藝的有效方法。歸納分析不同環境下船用復合材料的應用，研究的對象是船用復合材料海洋環境性能，試驗和環境依托的試驗平臺，以及加速性實驗室模擬的性能試驗等典型船用復合材料。同時形成船用復合材料耐海洋環境的流程及方法、評價程序、長期可靠應用、船用復合材料的結構、換裝以及維護等，并提供技術支撐。