船用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀與發(fā)展對(duì)策

蔡歡歡 江國(guó)梁 李博文 韋青嵩

摘 要：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于具有比強(qiáng)度、比模量高的優(yōu)點(diǎn)，在船舶上的應(yīng)用呈現(xiàn)日益上升的趨勢(shì)。本文從纖維增強(qiáng)復(fù)合材料船和產(chǎn)品方面，對(duì)比了國(guó)內(nèi)外船用復(fù)合材料檢測(cè)方法、設(shè)計(jì)、材料規(guī)范和建造工藝等的標(biāo)準(zhǔn)化情況，并提出了我國(guó)船用復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：船用復(fù)合材料，標(biāo)準(zhǔn)化，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

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

0 引 言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、無(wú)磁、耐腐蝕以及比強(qiáng)度、比模量高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在航空航天、風(fēng)電葉片、軌道交通等領(lǐng)域。各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織或委員會(huì)[1]關(guān)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建立了包含材料術(shù)語(yǔ)和取向編碼等基礎(chǔ)類標(biāo)準(zhǔn)，層壓板的密度和吸水率等物理性能、層壓板和結(jié)構(gòu)原件各層級(jí)拉壓彎剪沖等力學(xué)性能以及老化、燃燒、光學(xué)等功能性能等檢測(cè)方法類標(biāo)準(zhǔn)，并被各應(yīng)用行業(yè)所采用。

近幾年，復(fù)合材料在船舶上的應(yīng)用[2]探索不斷深入，從小型船舶整體結(jié)構(gòu)到大型船舶上的典型應(yīng)用部位，從次承力結(jié)構(gòu)到主尺度，從結(jié)構(gòu)材料到結(jié)構(gòu)功能一體化材料，從玻璃鋼到碳纖維高性能復(fù)合材料，從簡(jiǎn)單層合板結(jié)構(gòu)到夾芯加筋結(jié)構(gòu)。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(shù)脂灌注工藝（Vacuum Assisted ResinInfusion，VARI）、樹(shù)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(fā)展。

我國(guó)船用復(fù)合材料隨著應(yīng)用部位的拓展，在設(shè)計(jì)、產(chǎn)品規(guī)范以及成型工藝等方面形成了一系列標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。標(biāo)準(zhǔn)化研究是復(fù)合材料在船舶行業(yè)應(yīng)用研究的重要組成部分，將國(guó)內(nèi)外船用復(fù)合材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整理、分析和對(duì)比，對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在船舶行業(yè)的推廣應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)化工作具有重要意義。

1 船用復(fù)合材料檢測(cè)方法

對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相關(guān)原材料的物理性能規(guī)定、復(fù)合材料的物理性能和力學(xué)性能試驗(yàn)方法、成型工藝以及材料設(shè)計(jì)計(jì)算性能數(shù)據(jù)庫(kù)等方面，國(guó)外形成了系列標(biāo)準(zhǔn)[5-8]。我國(guó)纖維增強(qiáng)塑料委員會(huì)對(duì)于我國(guó)纖維增強(qiáng)塑料行業(yè)的復(fù)合材料也制定了兩百多項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，包含基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、原材料標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法類標(biāo)準(zhǔn)，形成了比較完備的標(biāo)準(zhǔn)體系，滿足基本性能檢驗(yàn)需求，但對(duì)于夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料檢測(cè)方法不足，如實(shí)驗(yàn)室老化試驗(yàn)等，另外設(shè)計(jì)計(jì)算類標(biāo)準(zhǔn)缺失。然而，由于船用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有大尺寸、大厚度的特點(diǎn)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料共性檢測(cè)方法并不適用于船用復(fù)合材料的部件或結(jié)構(gòu)，如船用復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)方法與其他行業(yè)不同。另外，由于使用工況的特殊性，船用復(fù)合材料對(duì)于耐火性、耐海水性等耐久性評(píng)價(jià)不同。

1.1 無(wú)損檢測(cè)

美國(guó)采用激光散斑、超聲波、紅外等多種檢測(cè)方式研究了船用復(fù)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(wú)損檢測(cè)方法，包含玻纖和碳纖成型的層合結(jié)構(gòu)以及夾層結(jié)構(gòu)[9]，并且建立了關(guān)于超聲檢測(cè)法、X射線檢測(cè)法和結(jié)構(gòu)復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的軍用標(biāo)準(zhǔn)。俄羅斯《造船用玻璃鋼結(jié)構(gòu) 無(wú)損探傷法》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了玻璃鋼結(jié)構(gòu)的缺陷、檢測(cè)方法和安全要求，規(guī)定了檢測(cè)的項(xiàng)目和允許缺陷的一般要求，以及單層、多層構(gòu)件和連接組件的檢測(cè)。我國(guó)有超聲波和X射線照相檢驗(yàn)的軍用標(biāo)準(zhǔn)，適用于層合板結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，對(duì)于有聲學(xué)功能的夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的面芯分層缺陷尺寸、芯材內(nèi)部缺陷類型和尺寸，以及帽型筋結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)方法還處于研究狀態(tài)，尚未建立檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 耐火性

對(duì)于纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的耐火性，美國(guó)從小規(guī)模、中等規(guī)模到大規(guī)模幾個(gè)火災(zāi)等級(jí)進(jìn)行測(cè)試。小規(guī)模主要針對(duì)試樣的氧指數(shù)、煙密度、錐形量熱試驗(yàn)以及熱輻照試驗(yàn)；中等規(guī)模包含火焰燒穿試驗(yàn)、低播焰試驗(yàn)和1/4規(guī)模試驗(yàn)；大規(guī)模主要是墻角火試驗(yàn)和房間火試驗(yàn)，并對(duì)于艙內(nèi)結(jié)構(gòu)件用復(fù)合材料，規(guī)定了耐火性的考核方法。例如MILSTD-3020《水面艦船的耐火性能》規(guī)定了水面艦船不同等級(jí)的耐火分隔的試驗(yàn)方法和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，包含材料防火阻燃性能評(píng)價(jià)方法，如火災(zāi)結(jié)構(gòu)完整性、煙氣毒性等；MIL-STD-2031《海軍潛艇內(nèi)用于船體、機(jī)械和結(jié)構(gòu)應(yīng)用的復(fù)合材料系統(tǒng)的火災(zāi)和毒性試驗(yàn)方法和鑒定程序》規(guī)定了潛艇艙內(nèi)用復(fù)合材料的氧指數(shù)、煙密度、火焰蔓延系數(shù)、可燃性、熱釋放率、1/4尺度防火試驗(yàn)以及大規(guī)模開(kāi)放環(huán)境耐火試驗(yàn)等。

俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)《船用非金屬材料的火災(zāi)危險(xiǎn)性火焰蔓延試驗(yàn)方法》規(guī)定了船用非金屬材料的火焰蔓延試驗(yàn)；《船用非金屬材料發(fā)煙能力的評(píng)價(jià)方法》規(guī)定了船用非金屬材料發(fā)煙能力的評(píng)價(jià)方法。國(guó)內(nèi)對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在艙內(nèi)的使用，GJ B3881《艦船用非金屬材料毒性評(píng)價(jià)規(guī)程》規(guī)定了非金屬材料的常溫和高溫毒性檢測(cè)項(xiàng)目。通過(guò)參照《國(guó)際耐火試驗(yàn)程序應(yīng)用規(guī)則》（FTP規(guī)則），并借鑒國(guó)外船用復(fù)合材料的評(píng)價(jià)方法如大規(guī)模等級(jí)燃燒試驗(yàn)，我國(guó)對(duì)低播焰性以及構(gòu)件級(jí)的墻角火試驗(yàn)提出了測(cè)試要求，但并未形成明確的上船使用的評(píng)價(jià)認(rèn)證程序。

1.3 耐久性

海水對(duì)船用復(fù)合材料的影響包含多種因素，如溫度、濕度、鹽分以及外加應(yīng)力等綜合效應(yīng)。復(fù)合材料在海洋環(huán)境中的耐久性，在大多數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中只有間接的闡述，由于長(zhǎng)期性能需要大量的測(cè)試，對(duì)復(fù)合材料環(huán)境下的疲勞性能和損傷容限預(yù)測(cè)存在極大挑戰(zhàn)，往往設(shè)計(jì)時(shí)采用非常保守的假設(shè)。國(guó)外開(kāi)展了復(fù)合材料在干濕態(tài)、高低溫，以及暴露于化學(xué)介質(zhì)中的疲勞性能研究，并以經(jīng)典的層合板理論為基礎(chǔ)，通過(guò)研究水吸附熱動(dòng)力學(xué)，建立了水浸入和力學(xué)響應(yīng)行為耦合的物理模型，在DNV離岸標(biāo)準(zhǔn)DNV-OS-C501[10]《復(fù)合材料構(gòu)件》中列出了需要考慮的失效模式和機(jī)理清單，直接闡述了復(fù)合材料的長(zhǎng)期性能。

國(guó)內(nèi)僅開(kāi)展了復(fù)合材料在空氣中的疲勞性能研究，對(duì)于干濕態(tài)、高低溫以及化學(xué)介質(zhì)多因素影響的疲勞性能并未開(kāi)展研究。對(duì)于復(fù)合材料加速老化以及實(shí)際海洋環(huán)境中的機(jī)械性能損失開(kāi)展了大量研究工作，并建立模型進(jìn)行擬合分析，但對(duì)于溫度和化學(xué)物質(zhì)對(duì)復(fù)合材料降解過(guò)程的影響機(jī)理并不清楚，對(duì)預(yù)測(cè)方法的研究也不夠深入。在復(fù)合材料設(shè)計(jì)中，我國(guó)主要采用的是設(shè)置足夠安全閾值，對(duì)試樣進(jìn)行長(zhǎng)期老化性能測(cè)試，構(gòu)件進(jìn)行疲勞性能試驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果進(jìn)行評(píng)估后決定是否上船使用的方法。

2 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料船

國(guó)外最早從40年代開(kāi)始使用玻璃鋼復(fù)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(jí)社相關(guān)規(guī)范中對(duì)船用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行了原材料的規(guī)定。例如英國(guó)勞氏船級(jí)社形成了適用于船體長(zhǎng)度小于50 m復(fù)合材料船的建造規(guī)范；美國(guó)船級(jí)社形成了適用于船長(zhǎng)小于61 m的復(fù)合材料船建造和入級(jí)規(guī)范，美國(guó)軍用規(guī)范MIL-R-21607D（船用）關(guān)于耐燃不飽和聚酯樹(shù)脂等，規(guī)定了包含船用樹(shù)脂、催化劑促進(jìn)劑、玻璃纖維及玻璃布、顏填料等原材料；法國(guó)船級(jí)社玻璃纖維增強(qiáng)塑料船建造與入級(jí)規(guī)范規(guī)定了用作夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)芯材是閉孔結(jié)構(gòu)，且與所用船用樹(shù)脂相容，60℃范圍內(nèi)其物理化學(xué)性質(zhì)不發(fā)生變化。ISO 12215實(shí)現(xiàn)了小型船舶設(shè)計(jì)的規(guī)范化，規(guī)定了材料組成、制造、單船設(shè)計(jì)應(yīng)力、構(gòu)建尺寸、結(jié)構(gòu)布置和細(xì)則等內(nèi)容。

我國(guó)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在船上的應(yīng)用最早可追溯到1958年第1艘玻璃鋼工作艇，隨后應(yīng)用到救生艇、游艇等。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（玻璃鋼）船相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。在20世紀(jì)80年代期間，我國(guó)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(yàn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并細(xì)化了制圖和單層船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算方法等。大部分標(biāo)準(zhǔn)為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)齡較長(zhǎng)，后續(xù)無(wú)更新。20世紀(jì)之后，我國(guó)逐漸建立了小艇、救生艇、游艇等殼體材料的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料船用產(chǎn)品

國(guó)外使用先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料建造大型軍事艦船，如護(hù)衛(wèi)艦和航母等大型軍事艦艇的上層建筑、甲板、艙壁、桅桿系統(tǒng)、螺旋槳、推進(jìn)軸、舵、管道、泵、閥門、機(jī)械和其他設(shè)備等部位，以及潛艇推進(jìn)器、操縱面和舾裝件等結(jié)構(gòu)。美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）形成了部分船用復(fù)合材料產(chǎn)品規(guī)范（見(jiàn)表2），如熱固性樹(shù)脂玻璃纖維管道系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了船用玻璃鋼管的分類、服役環(huán)境和耐火性規(guī)定，以及試驗(yàn)方法等，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料格柵產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了產(chǎn)品火災(zāi)完整性等級(jí)。

我國(guó)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在船舶上應(yīng)用部位的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)匯總于表3。從表3中可以看出，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)如聲吶導(dǎo)流罩、桅桿、指揮室圍殼和上層建筑、深潛器輕殼體等產(chǎn)品的材料規(guī)范，內(nèi)容包含結(jié)構(gòu)組成、材料以及檢測(cè)性能等方面。產(chǎn)品類標(biāo)準(zhǔn)主要采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的形式，少部分通過(guò)吸收轉(zhuǎn)化國(guó)外相應(yīng)產(chǎn)品，如玻璃纖維管及附件的標(biāo)準(zhǔn)形成了國(guó)標(biāo)。

依托船用復(fù)合材料應(yīng)用制品，國(guó)內(nèi)形成了關(guān)于手糊工藝、纏繞成型工藝和真空輔助成型工藝幾項(xiàng)產(chǎn)品制備方法類標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表4），代表了我國(guó)船用復(fù)合材料產(chǎn)品建造工藝的部分技術(shù)水平。對(duì)于已經(jīng)發(fā)展并應(yīng)用的新制造技術(shù)，如樹(shù)脂傳遞模塑（RTM）工藝技術(shù)、袋壓工藝技術(shù)、復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù)等新技術(shù)處于研究或推廣階段，尚未形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

4 我國(guó)船用復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)化工作建議

我國(guó)船用復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)呈現(xiàn)出設(shè)計(jì)方法類標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)齡過(guò)長(zhǎng)，產(chǎn)品類和制備方法類標(biāo)準(zhǔn)化研究滯后，檢測(cè)方法類標(biāo)準(zhǔn)不完善的特點(diǎn)，如對(duì)于大厚度船用夾芯復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)方法未定型，對(duì)于船用復(fù)合材料防火和毒性試驗(yàn)的認(rèn)證規(guī)程未建立，對(duì)于海洋環(huán)境耐久性研究理論未形成。建議后續(xù)在開(kāi)展相關(guān)材料研究及工程化應(yīng)用工作時(shí)，同步開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)化研究，對(duì)已有研制成果延伸形成標(biāo)準(zhǔn)，真正實(shí)現(xiàn)新材料新技術(shù)新工藝的工程化，提高產(chǎn)品的可靠性。

對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的上船使用，國(guó)外從材料典型單元、節(jié)點(diǎn)、局部模型到全尺度模型，有一套完整的性能考核方法和評(píng)價(jià)流程，如意大利船級(jí)社RINA[7]規(guī)定了夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料用于殼體建造時(shí)對(duì)于芯材和夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的評(píng)價(jià)方法和鑒定程序，而我國(guó)仍采用對(duì)試樣和構(gòu)件進(jìn)行性能試驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)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(fā)展，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在新型船型上的應(yīng)用將成為必然的趨勢(shì)，為保障復(fù)合材料在船舶上的使用安全，必須建立船舶結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的應(yīng)用考核評(píng)價(jià)規(guī)范。同時(shí)，要善于引進(jìn)轉(zhuǎn)化國(guó)外先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)化成果，加快復(fù)合材料上船推廣應(yīng)用。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)標(biāo)國(guó)外船用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的標(biāo)準(zhǔn)化成果，充分了解國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀，分門別類，修訂標(biāo)齡長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，跟進(jìn)并新編產(chǎn)品類和制備方法類標(biāo)準(zhǔn)，補(bǔ)充完善檢測(cè)方法類標(biāo)準(zhǔn)等，將相關(guān)成果通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的形式固化，可有效規(guī)范并促進(jìn)船用復(fù)合材料的發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介

蔡歡歡，通信作者，博士研究生，副高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾虏牧蠎?yīng)用研究。

江國(guó)梁，博士研究生，副高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榇爸悄苤圃煅芯俊?/p>

李博文，本科，助理工程師，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代管理研究。

韋青嵩，本科，高級(jí)工程師（研究員級(jí)），研究方向?yàn)榇敖ㄔ旃に囇芯俊?/p>

（責(zé)任編輯：袁文靜）