復合材料在船舶中的應用研究

杜星煒 滿雪輝

摘 要 復合材料因其優勢顯著的性能特點在船舶領域具有廣闊的應用空間，隨著建造工藝的進步和材料性能的提升，船舶復合材料應用范圍和比重逐步增大。本文研究船舶復合材料的應用優勢，梳理國內外船舶復合材料應用現狀，分析船舶復合材料應用發展方向，研判船舶復合材料發展趨勢，為我國船舶復合材料的發展提供參考方向。

關鍵詞 船舶；復合材料；發展趨勢

Study on the Application of Composites in Marine Ships

DU Xingwei1，Man Xuehui2

（1.Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028；

2.Heilongjiang Government Affairs Big Data Center 150028）

ABSTRACT The composite materials possess a broad application in the ship field because of their remarkable performance characteristics. With the progress of construction technology and the improvement of material properties， the application range and proportion of ship composite materials increase gradually. The application advantages of ship composite materials are studied， the application status of ship composite materials at home and abroad is sorted out， the application development direction of ship composite materials are analyzed， and the development trend of ship composite materials is studied and judged， so as to provide reference direction for the development of ship composite materials in China.

KEYWORDS ships; composites; development trend

1 引言

現代高科技的發展離不開復合材料，復合材料對現代科學技術的發展有著十分重要的作用。復合材料的研究深度和應用廣度及其發展速度和規模已成為衡量一個國家科學技術先進水平的重要標志之一［2］。

復合材料中以纖維增強材料應用最廣、用量最大，其特點是比重小、比強度和比模量大，具有優良的化學穩定性、減摩耐磨、自潤滑、耐熱、耐疲勞、耐蠕變、消聲和電絕緣等性能，用于船舶制造可減輕重量，提高速度并節約能源。本文介紹了船用復合材料在國內外的應用現狀，在此基礎上對船用復合材料的發展趨勢進行分析和展望。

2 復合材料的應用優勢

2.1 輕量化水平突出

與金屬相比，碳纖維環氧樹脂復合材料的比強度和比模量均比鋼和鋁合金大數倍，通過鋪層設計和結構優化，利用其各向異性特點，可按制件不同部位的強度要求設計纖維排列，其優異的力學性能可充分體現。設計優化后的復合材料船身在相同強度需求的使用條件下比傳統鋼結構減重50%以上。船身輕量化有助于提高船舶載重量，降低油耗和運營成本。

2.2 耐腐蝕性強

復合材料與傳統金屬相比耐腐蝕性更好，金屬材料在海洋環境受離子影響造成材料水解產生破壞，使材料周圍產生氣泡，從而導致力學性能降低。復合材料在海洋環境中的初期吸濕率會增加，但隨時間推移最終會維持穩定，拉伸強度不再發生顯著變化。海洋環境中，由于氯化鈉顆粒會附著在材料表面，阻止了水分進一步侵入結構內部。復合材料表面過處理并在接觸面增補涂層后具有更強的耐腐蝕性，被用于船舶油氣運輸的儲罐、螺旋槳葉等結構和設備中，以解決材料在海洋環境中的腐蝕問題。

2.3 抗疲勞性好

復合材料相較于傳統金屬材料在重復載荷作用下的失效機理更為復雜，破壞形式包含纖維斷裂、樹脂基體開裂等多種形式。在疲勞壽命方面，金屬材料通常以剛度或強度降低作為衡量失效的標準，此失效標準下，復合材料循環壽命更長。

2.4 透波性能優良

復合材料具有較高的透波率及較低的反射率和損耗，滿足雷達搜尋及瞄準目標精度等要求。在艦船導流罩外殼、桅桿天線罩等設備上具有廣泛的應用。

2.5 易于成型

隨著復合材料應用領域的拓寬，復合材料成型工藝日漸完善，新成型方法不斷涌現。復合材料成型方法目前有很多種，并成功應用于工業生產。根據不同部件的具體使用需求及設計，選用合適的成型工藝，使船舶制造工序更加簡單，有利于成本控制。

3 船舶復合材料應用現狀

船用復合材料按照功能可分為結構、阻尼、聲學、隱身和防護五大系列，如圖1所示。

3.1 復合材料在船體結構上的應用

船體上的復合材料結構形式主要為層合板結構和夾層結構。層合板結構利用纖維方向的優異力學性能按照不同角度鋪放而成。與傳統船用金屬相比，纖維復合材料具有更高的比強度和比模量，作為一種理想結構實現了船舶輕量化。

夾層結構外層為力學性能較好的復合材料薄板，中間為力學性能較差但密度低的芯材，用黏合劑將兩部分連接。玻璃纖維和碳纖維為主要增強材料，木質、泡沫或蜂窩為主要芯材。纖維材料相較于芯材具有更加突出的力學性能，主要由復合材料面板承受以拉伸、壓縮、彎曲、扭轉等受力條件下產生的載荷。而芯材決定了夾層結構的截面剛度，隨著芯材厚度增加，夾層結構的截面彎曲剛度增加，結構整體重量提升卻并不明顯，所以在復合材料船舶船體建造中夾層結構應用廣泛。

3.2 復合材料在推進器上的應用

復合材料推進器葉片中的纖維承受主要的水動力和離心力，所以通過纖維角度和鋪疊順序設計可以優化結構性能。纖維角度影響葉片結構的推力、有效螺距和翹曲大小，因此葉片需要精確的結構設計和產品制造，以確保獲得最優性能。

在實際應用中，2003年英國Qineti Q公司制造了直徑2.9 m的復合材料螺旋槳，如圖2所示。德國AIR公司開發的Contur系列復合材料螺旋槳已成功應用于多類艦船，如圖3所示。2015年日本中島公司與船級社為“太鼓丸”號“Taiko-Maru”化學品貨輪開發了柔性復合材料螺旋槳，如圖4所示。

3.3 復合材料海軍艦船上層建筑上的應用

法國海軍于1992年開始在艦船上層建筑上采用復合材料，2002年交付的5艘“拉斐特”級艦的上層建筑均采用復合材料夾層板。芬蘭皇家海軍的Rauma快速巡邏艇的上層建筑也采用復合材料夾層結構，船體采用鋁合金。美國海軍“阿利·伯克”級驅逐艦的上層建筑是由夾層復合材料與鋼結構組合而成，包括武器系統外罩、前指揮室、直升機庫、煙囪等構件。

美國新一代驅逐艦首艦DDG 1000，排水量約14000t，航速約30kn，是美國未來海軍的主力戰艦，集成上層建筑是其亮點之一，尺寸約為60.35m×21.12m×18.1m，具有隱身性強、電磁兼容性好等優勢。DDG 1000驅逐艦集成上層建筑應用復合材料的部件包括上層甲板室、機庫、雷達天線罩等。意大利海軍近年建造了4艘“克曼德安迪”級輕型護衛艦，自2002 年開始服役，生產商為芬坎蒂尼造船公司里瓦·特里戈索造船廠。 第4艘艦“福斯卡里” 2004年下水，該艦長88.4m，滿載排水量1520 t，最大航速25 kn以上，采用了更多的玻璃纖維增強復合材料，用于桅桿和直升飛機庫，實現了減重和耐腐蝕的目的。美國西雅圖的Zyvex船舶公司采用先進復合材料制造的LRV-17快艇投入航行，其航程相當于同規格快艇的3倍以上。該新型快艇采用了碳纖維增強復合材料，大大減輕了快艇結構重量，延長了快艇航程。

4 船舶復合材料發展趨勢

4.1 場景多樣化

隨著材料性能、生產工藝改進，以及復合材料實際應用經驗的積累，船舶復合材料的應用場景在不斷擴大。目前軍用艦船對復合材料應用需求較大，復合材料輕質的特點有助于提升軍艦機動性并有效提高搭載武器裝備數量，其良好的透波性能可滿足艦船隱身要求，增加設備集成度。復合材料未來在軍艦上的應用探索將進一步深化，應用范圍與規模將持續擴大。在民船領域，由復合材料夾層結構建造的上層建筑對降低船舶重心，提高船舶穩定性是十分有效的。

4.2 尺寸大型化

船舶復合材料從最初應用于掃雷艇、漁船等小型船只逐步向護衛艦、驅逐艦、客船等船型應用方向發展，其結構尺寸不斷增大。復合材料大量應用于對結構強度要求較高的部位，雖有輕型護衛艦使用碳纖維夾層結構，上層建筑使用玻璃纖維結構的船型案例，但由于研制成本高、建造工藝難度大、歷史數據積累不足，因此難以在船舶領域獲得大規模的應用。當前趨勢是在小尺寸復合材料結構成熟應用的基礎上不斷進行大尺度構件試驗。

4.3 評估標準化

相較于傳統船用金屬材料，復合材料設計參數、性能表現更為復雜，加上船舶應用歷史相對較短、規模較小，包括疲勞、防火和降噪等性能參數在實際應用中的數據經驗積累不足，各國研制的大型復合材料船舶或多或少帶有試驗性質。傳統鋼船規范標準不適用于復合材料船舶，復合材料作為船用材料的發展趨勢之一，國際各方正快速建立其評估標準體系。目前美國和俄羅斯對船舶復合材料的評估標準較為全面，歐盟開展對船舶復合材料的全生命周期管理研究。我國對船舶復合材料的性能評估體系尚不統一，限制了船舶復合材料應用發展的速度，今后應完善相關數據的收集與應用經驗積累，加強船舶復合材料應用體系研究。

5 結語

（1）海洋船舶制造中應用復合材料具有非常顯著的優勢，要想進一步拓展應用，關鍵是要加快復合材料的設計和研發進程。我國海洋船舶復合材料未來發展的最重要一步是改進設計工藝。復合材料要向著高性能、低成本的方向發展，結構上需要完成從非承力結構向主/次承力結構的轉變，這樣才能繼續拓展復合材料的應用范疇，使其能夠在海洋船舶制造中得到大規模的應用。

（2）歐美在船舶復合材料技術應用、標準制訂方面處于領先地位。近年來，歐美加大對輕量化材料結構的研究力度，持續推動相應規則的修改，在國際標準制訂方面比我國具有更強的話語權，掌握相對深厚的技術儲備與市場先機。

所以，需研究船用復合材料制作工藝的評價標準，分析和歸納復合材料應用的典型部位，進行海洋環境條件下的性能試驗研究。可通過試驗室模擬海洋環境，加速復合材料的性能試驗，獲取相應的數據參數，建立壽命預測模型，形成完整的復合材料海洋性能評價程序、流程和具體方法，為復合材料的結構設計、應用和維護等提供可靠的數據支持。

參 考 文 獻

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