船用纖維增強復合材料標準化現狀與發展對策

蔡歡歡 江國梁 李博文 韋青嵩

摘 要：纖維增強復合材料由于具有比強度、比模量高的優點，在船舶上的應用呈現日益上升的趨勢。本文從纖維增強復合材料船和產品方面，對比了國內外船用復合材料檢測方法、設計、材料規范和建造工藝等的標準化情況，并提出了我國船用復合材料標準化建設的相關建議。

關鍵詞：船用復合材料，標準化，纖維增強復合材料

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.08.017

0 引 言

纖維增強復合材料由于可設計性強、無磁、耐腐蝕以及比強度、比模量高等優點，廣泛應用在航空航天、風電葉片、軌道交通等領域。各國標準化組織或委員會[1]關于纖維增強復合材料建立了包含材料術語和取向編碼等基礎類標準，層壓板的密度和吸水率等物理性能、層壓板和結構原件各層級拉壓彎剪沖等力學性能以及老化、燃燒、光學等功能性能等檢測方法類標準，并被各應用行業所采用。

近幾年，復合材料在船舶上的應用[2]探索不斷深入，從小型船舶整體結構到大型船舶上的典型應用部位，從次承力結構到主尺度，從結構材料到結構功能一體化材料，從玻璃鋼到碳纖維高性能復合材料，從簡單層合板結構到夾芯加筋結構。建造工藝也日益提升，手糊工藝、模壓工藝逐漸向真空輔助樹脂灌注工藝（Vacuum Assisted ResinInfusion，VARI）、樹脂傳遞模塑工藝（Resin Transfer Molding，RTM）和袋壓工藝等閉膜工藝以及纏繞工藝、拉擠工藝等低成本工藝方向發展。

我國船用復合材料隨著應用部位的拓展，在設計、產品規范以及成型工藝等方面形成了一系列標準[3-4]。標準化研究是復合材料在船舶行業應用研究的重要組成部分，將國內外船用復合材料相關標準進行整理、分析和對比，對于纖維增強復合材料在船舶行業的推廣應用和標準化工作具有重要意義。

1 船用復合材料檢測方法

對于纖維增強復合材料相關原材料的物理性能規定、復合材料的物理性能和力學性能試驗方法、成型工藝以及材料設計計算性能數據庫等方面，國外形成了系列標準[5-8]。我國纖維增強塑料委員會對于我國纖維增強塑料行業的復合材料也制定了兩百多項國家標準，包含基礎標準、原材料標準、產品標準和檢測方法類標準，形成了比較完備的標準體系，滿足基本性能檢驗需求，但對于夾芯結構復合材料檢測方法不足，如實驗室老化試驗等，另外設計計算類標準缺失。然而，由于船用復合材料結構具有大尺寸、大厚度的特點，纖維增強復合材料共性檢測方法并不適用于船用復合材料的部件或結構，如船用復合材料的無損檢測方法與其他行業不同。另外，由于使用工況的特殊性，船用復合材料對于耐火性、耐海水性等耐久性評價不同。

1.1 無損檢測

美國采用激光散斑、超聲波、紅外等多種檢測方式研究了船用復合材料的分層、氣孔、水浸、芯材塌陷等多種缺陷類型及尺寸的無損檢測方法，包含玻纖和碳纖成型的層合結構以及夾層結構[9]，并且建立了關于超聲檢測法、X射線檢測法和結構復合材料無損檢測技術的軍用標準。俄羅斯《造船用玻璃鋼結構 無損探傷法》標準規定了玻璃鋼結構的缺陷、檢測方法和安全要求，規定了檢測的項目和允許缺陷的一般要求，以及單層、多層構件和連接組件的檢測。我國有超聲波和X射線照相檢驗的軍用標準，適用于層合板結構的復合材料，對于有聲學功能的夾芯結構復合材料的面芯分層缺陷尺寸、芯材內部缺陷類型和尺寸，以及帽型筋結構的無損檢測方法還處于研究狀態，尚未建立檢測標準。

1.2 耐火性

對于纖維增強樹脂基復合材料的耐火性，美國從小規模、中等規模到大規模幾個火災等級進行測試。小規模主要針對試樣的氧指數、煙密度、錐形量熱試驗以及熱輻照試驗；中等規模包含火焰燒穿試驗、低播焰試驗和1/4規模試驗；大規模主要是墻角火試驗和房間火試驗，并對于艙內結構件用復合材料，規定了耐火性的考核方法。例如MILSTD-3020《水面艦船的耐火性能》規定了水面艦船不同等級的耐火分隔的試驗方法和驗收標準，包含材料防火阻燃性能評價方法，如火災結構完整性、煙氣毒性等；MIL-STD-2031《海軍潛艇內用于船體、機械和結構應用的復合材料系統的火災和毒性試驗方法和鑒定程序》規定了潛艇艙內用復合材料的氧指數、煙密度、火焰蔓延系數、可燃性、熱釋放率、1/4尺度防火試驗以及大規模開放環境耐火試驗等。

俄羅斯標準《船用非金屬材料的火災危險性火焰蔓延試驗方法》規定了船用非金屬材料的火焰蔓延試驗；《船用非金屬材料發煙能力的評價方法》規定了船用非金屬材料發煙能力的評價方法。國內對于纖維增強復合材料在艙內的使用，GJ B3881《艦船用非金屬材料毒性評價規程》規定了非金屬材料的常溫和高溫毒性檢測項目。通過參照《國際耐火試驗程序應用規則》（FTP規則），并借鑒國外船用復合材料的評價方法如大規模等級燃燒試驗，我國對低播焰性以及構件級的墻角火試驗提出了測試要求，但并未形成明確的上船使用的評價認證程序。

1.3 耐久性

海水對船用復合材料的影響包含多種因素，如溫度、濕度、鹽分以及外加應力等綜合效應。復合材料在海洋環境中的耐久性，在大多數設計標準中只有間接的闡述，由于長期性能需要大量的測試，對復合材料環境下的疲勞性能和損傷容限預測存在極大挑戰，往往設計時采用非常保守的假設。國外開展了復合材料在干濕態、高低溫，以及暴露于化學介質中的疲勞性能研究，并以經典的層合板理論為基礎，通過研究水吸附熱動力學，建立了水浸入和力學響應行為耦合的物理模型，在DNV離岸標準DNV-OS-C501[10]《復合材料構件》中列出了需要考慮的失效模式和機理清單，直接闡述了復合材料的長期性能。

國內僅開展了復合材料在空氣中的疲勞性能研究，對于干濕態、高低溫以及化學介質多因素影響的疲勞性能并未開展研究。對于復合材料加速老化以及實際海洋環境中的機械性能損失開展了大量研究工作，并建立模型進行擬合分析，但對于溫度和化學物質對復合材料降解過程的影響機理并不清楚，對預測方法的研究也不夠深入。在復合材料設計中，我國主要采用的是設置足夠安全閾值，對試樣進行長期老化性能測試，構件進行疲勞性能試驗，對設計和測試結果進行評估后決定是否上船使用的方法。

2 纖維增強復合材料船

國外最早從40年代開始使用玻璃鋼復合材料建造小型軍事艦艇，如登陸艇、掃雷艇、巡邏艇等。各船級社相關規范中對船用纖維增強復合材料進行了原材料的規定。例如英國勞氏船級社形成了適用于船體長度小于50 m復合材料船的建造規范；美國船級社形成了適用于船長小于61 m的復合材料船建造和入級規范，美國軍用規范MIL-R-21607D（船用）關于耐燃不飽和聚酯樹脂等，規定了包含船用樹脂、催化劑促進劑、玻璃纖維及玻璃布、顏填料等原材料；法國船級社玻璃纖維增強塑料船建造與入級規范規定了用作夾芯結構復合材料的結構芯材是閉孔結構，且與所用船用樹脂相容，60℃范圍內其物理化學性質不發生變化。ISO 12215實現了小型船舶設計的規范化，規定了材料組成、制造、單船設計應力、構建尺寸、結構布置和細則等內容。

我國纖維增強復合材料在船上的應用最早可追溯到1958年第1艘玻璃鋼工作艇，隨后應用到救生艇、游艇等。纖維增強復合材料（玻璃鋼）船相關標準如表1所示。在20世紀80年代期間，我國形成了工作艇、救生艇等小艇包含艇體型式和尺寸、材料性能和試驗的行業標準，并細化了制圖和單層船體結構構件的設計計算方法等。大部分標準為行業標準，標齡較長，后續無更新。20世紀之后，我國逐漸建立了小艇、救生艇、游艇等殼體材料的國家標準。

3 纖維增強復合材料船用產品

國外使用先進碳纖維復合材料建造大型軍事艦船，如護衛艦和航母等大型軍事艦艇的上層建筑、甲板、艙壁、桅桿系統、螺旋槳、推進軸、舵、管道、泵、閥門、機械和其他設備等部位，以及潛艇推進器、操縱面和舾裝件等結構。美國材料試驗協會（ASTM）和國際標準化組織（ISO）形成了部分船用復合材料產品規范（見表2），如熱固性樹脂玻璃纖維管道系統相關標準規定了船用玻璃鋼管的分類、服役環境和耐火性規定，以及試驗方法等，纖維增強復合材料格柵產品標準規定了產品火災完整性等級。

我國纖維增強復合材料在船舶上應用部位的相關標準匯總于表3。從表3中可以看出，相關標準主要涵蓋部分舾裝件如舢板、彈藥箱、艙室門等舾裝件，以及次承力結構如聲吶導流罩、桅桿、指揮室圍殼和上層建筑、深潛器輕殼體等產品的材料規范，內容包含結構組成、材料以及檢測性能等方面。產品類標準主要采用行業標準的形式，少部分通過吸收轉化國外相應產品，如玻璃纖維管及附件的標準形成了國標。

依托船用復合材料應用制品，國內形成了關于手糊工藝、纏繞成型工藝和真空輔助成型工藝幾項產品制備方法類標準（見表4），代表了我國船用復合材料產品建造工藝的部分技術水平。對于已經發展并應用的新制造技術，如樹脂傳遞模塑（RTM）工藝技術、袋壓工藝技術、復合材料構件制造技術等新技術處于研究或推廣階段，尚未形成行業標準。

4 我國船用復合材料標準化工作建議

我國船用復合材料標準呈現出設計方法類標準標齡過長，產品類和制備方法類標準化研究滯后，檢測方法類標準不完善的特點，如對于大厚度船用夾芯復合材料的無損檢測方法未定型，對于船用復合材料防火和毒性試驗的認證規程未建立，對于海洋環境耐久性研究理論未形成。建議后續在開展相關材料研究及工程化應用工作時，同步開展標準化研究，對已有研制成果延伸形成標準，真正實現新材料新技術新工藝的工程化，提高產品的可靠性。

對于纖維增強復合材料的上船使用，國外從材料典型單元、節點、局部模型到全尺度模型，有一套完整的性能考核方法和評價流程，如意大利船級社RINA[7]規定了夾芯結構復合材料用于殼體建造時對于芯材和夾芯結構復合材料的評價方法和鑒定程序，而我國仍采用對試樣和構件進行性能試驗，對設計和試驗結果進行評估的一事一議方式。隨著船舶向高性能、高附加值船型方向發展，纖維增強復合材料在新型船型上的應用將成為必然的趨勢，為保障復合材料在船舶上的使用安全，必須建立船舶結構用復合材料的應用考核評價規范。同時，要善于引進轉化國外先進的標準化成果，加快復合材料上船推廣應用。

5 結 語

綜上所述，通過對標國外船用纖維增強復合材料的標準化成果，充分了解國內的發展現狀，分門別類，修訂標齡長的標準，跟進并新編產品類和制備方法類標準，補充完善檢測方法類標準等，將相關成果通過標準化的形式固化，可有效規范并促進船用復合材料的發展。

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作者簡介

蔡歡歡，通信作者，博士研究生，副高級工程師，研究方向為新材料應用研究。

江國梁，博士研究生，副高級工程師，研究方向為船舶智能制造研究。

李博文，本科，助理工程師，研究方向為現代管理研究。

韋青嵩，本科，高級工程師（研究員級），研究方向為船舶建造工藝研究。

（責任編輯：袁文靜）