復(fù)合材料在船舶上的應(yīng)用及發(fā)展趨勢探討

朱 昊

(池州學(xué)院材料與環(huán)境工程學(xué)院 安徽 池州 247000)

0 引言

隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展,復(fù)合材料在船舶制造領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。船舶作為一種重要的交通工具,在港口經(jīng)濟(jì)以及國際貿(mào)易中扮演著重要的角色,因此在船舶制造和運(yùn)營過程中,材料的選擇和性能顯得尤為重要。而傳統(tǒng)的金屬材料雖然在一定程度上能夠滿足海洋環(huán)境下的強(qiáng)韌要求,但由于自身重量大、容易腐蝕等限制,使得更輕、更強(qiáng)、更耐腐蝕的復(fù)合材料逐漸成為船舶制造領(lǐng)域的重要選擇,成為船舶制造中應(yīng)用廣泛的材料。當(dāng)前實(shí)踐結(jié)果表明,采用復(fù)合材料建造的船體可以提高航行效率,降低燃油耗用,降低碳排放量,并且由于復(fù)合材料擁有良好的成型性,可以生產(chǎn)出更具有流線型外形的船型,從而減小船體阻力,符合當(dāng)前綠色、低碳、節(jié)能化的發(fā)展趨勢,成為未來船舶制造領(lǐng)域的重要趨勢和發(fā)展方向,本文主要對復(fù)合材料在船舶上的應(yīng)用及發(fā)展趨勢進(jìn)行探討[1]。

1 船舶復(fù)合材料性能特點(diǎn)分析

1.1 應(yīng)用優(yōu)勢分析

與傳統(tǒng)的金屬材料相比,其在船舶上應(yīng)用具有多重優(yōu)勢。首先,復(fù)合材料具有輕量化的優(yōu)勢,這對于船舶來說非常重要,因?yàn)榇w過重會導(dǎo)致燃油消耗增加,運(yùn)營成本增加。其次,復(fù)合材料具有良好的耐腐蝕特性,海洋環(huán)境下有海水、潮濕空氣、環(huán)境污染物等,船舶容易被腐蝕,采用復(fù)合材料的船舶可以有效地降低腐蝕問題,從而延長使用壽命。此外,復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量等高性能特點(diǎn),在滿足船體強(qiáng)度需求的同時(shí),能夠?qū)崿F(xiàn)局部應(yīng)力調(diào)整,提高了設(shè)計(jì)自由度。復(fù)合材料還具有可塑性的優(yōu)勢,可以靈活地控制尺寸、形狀和流線外形,為船體設(shè)計(jì)帶來更大的空間,創(chuàng)造更多的外形和特性,有效提高制造效率和船體質(zhì)量。并且,復(fù)合材料在船體表面涂裝處理后還能使船體更美觀整潔、光亮、平滑[2]。

1.2 發(fā)展歷程分析

船用復(fù)合材料的發(fā)展歷程也是船舶工業(yè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)縮影。伴隨著時(shí)代發(fā)展和科學(xué)技術(shù)以及工業(yè)的深入推進(jìn),船用復(fù)合材料的技術(shù)應(yīng)用也在不斷發(fā)展。1970年代,碳纖維材料的亮相,使得復(fù)合材料在船舶制造領(lǐng)域得以更廣泛地應(yīng)用,例如:美國的Lancer Yachts、Pelle Petterson和Swan Yachts及日本的高端Motor Yacht。1990年代HOPKINS等[3]提出了一種新的概念,即熱塑聚合物材料的快速定型加熱(RFPT)工藝,從而在復(fù)合材料的制造和應(yīng)用中邁出了更加穩(wěn)健的步伐。而在我國,復(fù)合材料應(yīng)用于船舶制造領(lǐng)域的時(shí)間相對較晚。1980年代,我國開始在船舶工業(yè)中推廣復(fù)合材料的應(yīng)用,主要是玻璃纖維增強(qiáng)塑料(glass fiber reinforced plastic, GFRP)。1994年經(jīng)過10年時(shí)間的推廣發(fā)展,我國出現(xiàn)了第一艘復(fù)合材料制造的快艇,標(biāo)志著我國船用復(fù)合材料技術(shù)取得了重要的突破,并進(jìn)入了快速發(fā)展的階段。2004年,“舷梯號”船采用GFRP材料建造,成為了我國船用復(fù)合材料加大型船艇建造的開端,2008年日照造船公司建造的150 m×25 m×9.5 m泥頭車也采用復(fù)合材料船體,成為我國的先驅(qū)之一。總的來說,復(fù)合材料應(yīng)用于船舶制造領(lǐng)域的歷程是一個(gè)不斷探索、積極開創(chuàng)的過程。

1.3 船用復(fù)合材料分類

目前,船用復(fù)合材料,尤其是應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料,以聚合物基復(fù)合材料為主,按結(jié)構(gòu)可分為層合板(纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)和夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料2大類型,其中包含3個(gè)方面的重要復(fù)合物:增強(qiáng)材料、樹脂(即基體)和芯層材料。船用復(fù)合材料按照承載部位不同可分為:主承力結(jié)構(gòu)、次承力結(jié)構(gòu)、非承力結(jié)構(gòu)等。按照功能可分為:結(jié)構(gòu)、阻尼、聲學(xué)(包括吸聲、隔聲、透聲)、隱身(包括吸波、透波、反射、頻選)、防護(hù)等5大系列材料,船用復(fù)合材料的分類及應(yīng)用部位如圖1所示[4]。

圖1 船舶復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

2 船舶復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前,國外應(yīng)用于船舶制造領(lǐng)域的復(fù)合材料種類繁多,主要包括:石膏復(fù)合材料、碳復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料等。其中碳纖維復(fù)合材料在船舶上應(yīng)用最為廣泛,這是因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、低密度、優(yōu)異的力學(xué)性能、耐腐蝕和抗疲勞等優(yōu)點(diǎn),在重量、船速、力量結(jié)構(gòu)和速度等方面優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼鐵材料。在超級雅典娜號、50英尺(1英尺約為0.3048 m)帆船Pogo 40S2以及瑞士Alinghi AC-33美洲杯賽艇等都運(yùn)用了碳復(fù)合材料。瑞典VolvoOceanRace的船隊(duì)也應(yīng)用了碳纖維復(fù)合材料,使得船的減重效果更為顯著,而英國Princess70MegaYacht的外殼和部分構(gòu)件則由碳纖維復(fù)合材料制成,大大提高了船的性能。此外,汽車生產(chǎn)商沃爾沃也使用碳纖維復(fù)合材料制造其27.4 m的商用船MSV Explorer,令其船體輕盈但又充滿強(qiáng)度,船的高效性能和燃料經(jīng)濟(jì)性因此大為提升。美國Gulfstream公司也積極使用復(fù)合材料來制造自己的衛(wèi)星通信艇。這種材料的特點(diǎn)是輕巧,卻具有極高的強(qiáng)度和耐腐蝕性能,為船舶從容面對嚴(yán)峻的海洋環(huán)境提供了足夠的力量支撐。

除了探索新的復(fù)合材料和制造技術(shù)外,國外還在不斷研究和應(yīng)用復(fù)合材料在船舶建造領(lǐng)域的新方法和新技術(shù):①預(yù)制復(fù)合材料模塊化技術(shù),該技術(shù)使用模塊化組件,快速構(gòu)建不同類型的船舶結(jié)構(gòu)。例如,美國海軍研究局(Office of Naval Research, ONR)利用預(yù)制的復(fù)合材料組件制造了小型作戰(zhàn)艦,大幅提高了制造效率和船體質(zhì)量。②3D復(fù)合材料打印技術(shù),3D復(fù)合材料打印技術(shù)可以快速制造出復(fù)雜形狀的船舶部件,同時(shí)還可以減少材料浪費(fèi)。近年來,美國某些船廠已經(jīng)開始采用3D打印技術(shù)制造船舶部件。③復(fù)合材料自修復(fù)技術(shù),該技術(shù)可以通過添加有機(jī)膠原料、微囊化聚合物等物質(zhì)實(shí)現(xiàn)材料自修復(fù),減少了維護(hù)和更換次數(shù),提高了材料的耐久性。目前,美國船廠的一些船舶應(yīng)用了自修復(fù)復(fù)合材料,如有磨損或者破損現(xiàn)象,可以在船舶維修前自動修復(fù),為船舶維護(hù)降低了成本。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)大型船舶建造領(lǐng)域主要應(yīng)用的復(fù)合材料為玻璃纖維增強(qiáng)塑料和碳纖維增強(qiáng)塑料(carbon fiber reinforced plastic, CFRP)等,這兩種材料被廣泛應(yīng)用于快艇、游艇、觀光船、漁船等小型船只的制造。與國外相比,國內(nèi)的復(fù)合材料在船舶建造領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段,但是目前在復(fù)合材料的制造工藝、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)優(yōu)化等方面已經(jīng)有了很大的進(jìn)步。

(1)制造工藝

國內(nèi)復(fù)合材料在船舶建造領(lǐng)域的制作工藝已經(jīng)逐步成熟,包括復(fù)合材料的成型、固化等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的工藝流程。例如,近年來國內(nèi)許多造船企業(yè)開始采用復(fù)合材料作為新型船體材料,特別是碳纖維等高強(qiáng)度材料在船舶制造中的應(yīng)用越來越廣泛。國內(nèi)某些企業(yè)如“橙船科技”就采用復(fù)合材料在造船過程中替代了部分鋼材,在環(huán)保和造船效率2個(gè)方面有了較大提升。此外,在船舶維修領(lǐng)域,復(fù)合材料得到了廣泛應(yīng)用,可以顯著提高維修效率和準(zhǔn)確性,并降低維修成本。例如,有些船只使用特非凝膠進(jìn)行船體修補(bǔ),作為一種高級的彈性復(fù)合材料,可以降低維修周期和成本,也可以增強(qiáng)船體抗壓和防水性。但是國內(nèi)復(fù)合材料在配方和改性方面的技術(shù)開發(fā)還未達(dá)到發(fā)達(dá)國家的水平,這使得國內(nèi)的復(fù)合材料在某些性能指標(biāo)上無法與國外同類產(chǎn)品相比。

(2)應(yīng)用范圍

國內(nèi)復(fù)合材料在船舶上應(yīng)用涵蓋了船體、船舶零部件和配件等多個(gè)領(lǐng)域。目前,國內(nèi)主要的復(fù)合材料船舶應(yīng)用領(lǐng)域包括船舶外殼、船艙餐廳、水下安全艙、船體配件、龍骨、隔熱層等。在許多應(yīng)用案例中,復(fù)合材料的制作工藝已經(jīng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),并且可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。例如,華能集團(tuán)的一款船舶發(fā)動機(jī)柜采用了復(fù)合材料,既提高了船舶的燃油效率,又減少了船舶重量。此外,國內(nèi)一些船舶制造公司已經(jīng)開始采用復(fù)合材料船體結(jié)構(gòu),如中船重工、江南造船、中國船舶、中海油等,其中比較有名的應(yīng)該是中船重工南通造船有限公司生產(chǎn)的魚鷹級船舶,魚鷹級船舶采用復(fù)合材料,船體更加輕盈、更具有彈性,穩(wěn)定性更高。

(3)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前國內(nèi)對于復(fù)合材料的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和檢測過程已經(jīng)逐步明確,因此船用復(fù)合材料制品,必須符合國家標(biāo)準(zhǔn)和各類船級社的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),復(fù)合材料是否合乎標(biāo)準(zhǔn)不僅取決于原材料的成分和質(zhì)量,也必須滿足復(fù)雜的性能指標(biāo),如耐久性、密度、強(qiáng)度和剛度等。國家有關(guān)部門也正在指導(dǎo)制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和嚴(yán)格的檢測流程來推動和規(guī)范復(fù)合材料的應(yīng)用,相繼出臺了《聲吶導(dǎo)流罩用玻璃纖維增強(qiáng)塑料規(guī)范》[4]、《潛艇指揮室圍殼及上層建筑用玻璃纖維增強(qiáng)塑料規(guī)范》[5]和《艦船用非金屬材料毒性評價(jià)規(guī)程》[6]等一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范復(fù)合材料在船舶上的應(yīng)用。這些標(biāo)準(zhǔn)為船舶制造企業(yè)提供了指導(dǎo),助力其在使用復(fù)合材料方面達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的生產(chǎn)過程和效果。

可以看出,國內(nèi)復(fù)合材料在船舶建造領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展前景廣闊,同時(shí)仍需要加大研究和應(yīng)用力度,向高性能、高品質(zhì)的方向不斷突破,以適應(yīng)不斷升級的國際市場需求。

2.3 存在的主要問題

盡管復(fù)合材料在國外船舶制造領(lǐng)域已有較長的應(yīng)用歷史,但是我國的應(yīng)用整體進(jìn)展緩慢,應(yīng)用主要集中在快艇、導(dǎo)流罩等方面。目前,復(fù)合材料在船舶應(yīng)用方面存在的問題主要有以下幾個(gè)方面。

(1)成本高、工藝復(fù)雜。復(fù)合材料在船舶制造領(lǐng)域的應(yīng)用受到成本高、工藝復(fù)雜等問題的限制,其中原材料價(jià)格較高,加工和制造成本較高,制造工藝對操作者技術(shù)水平和使用自動化設(shè)備的要求較高,相關(guān)零配件的設(shè)計(jì)和工藝加工較為復(fù)雜,需要技術(shù)工人具備專業(yè)技能,使得復(fù)合材料在船舶制造領(lǐng)域的應(yīng)用難以得到進(jìn)一步推廣。

(2)缺乏成熟的規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前無論是國內(nèi)還是國外,船用復(fù)合材料在設(shè)計(jì)、建造、工藝、檢驗(yàn)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上都存在缺項(xiàng),現(xiàn)有的船舶復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)覆蓋技術(shù)領(lǐng)域不全

面,不能夠完全滿足我國船舶復(fù)合材料研制和應(yīng)用需要。

(3)設(shè)計(jì)和評估周期長。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)需要滿足一系列嚴(yán)格的規(guī)定,涉及內(nèi)容較多,而評價(jià)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和功能是否可靠必須進(jìn)行相關(guān)測試,而測試確定復(fù)合材料性能又是一項(xiàng)時(shí)間長而且費(fèi)用昂貴的工作,因此評估復(fù)合材料的安全性和可靠性以及是否滿足設(shè)計(jì)要求是復(fù)合材料在船舶上應(yīng)用面臨的一個(gè)主要問題。

3 復(fù)合材料在船舶上的應(yīng)用發(fā)展趨勢

3.1 應(yīng)用場景更加多樣化

近年來,國內(nèi)外復(fù)合材料在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了一系列創(chuàng)新,包括:在中國航母的建造中使用了復(fù)合材料,采用海水的沖擊、腐蝕和高壓力等重責(zé)任,經(jīng)測試相關(guān)復(fù)合材料在船舶耐久性能方面可以達(dá)到先進(jìn)金屬材料的數(shù)倍;最新設(shè)計(jì)的風(fēng)力渦輪機(jī)使用了無縫復(fù)合材料葉片,提高了葉片的剛度,更加可靠;輪船和快艇的船身改為采用復(fù)合材料,可以在一定程度上提供與金屬相當(dāng)?shù)哪途眯?且更輕、更容易維護(hù)。由于復(fù)合材料制造具有靈活性強(qiáng)和精度高等優(yōu)點(diǎn),因此未來可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)和定制,例如,復(fù)合材料制造的無人艇和深海探測器可以廣泛應(yīng)用于極端環(huán)境下的科學(xué)研究和資源勘探。加上近年來國際社會不斷加大環(huán)保力度,未來復(fù)合材料還可以用來提高船舶的適航性,減少廢氣和廢水排放,從而實(shí)現(xiàn)環(huán)保和節(jié)能。因此可以預(yù)見,未來復(fù)合材料在船舶上的應(yīng)用也更加多元化[7-9]。

3.2 船用復(fù)合材料更加標(biāo)準(zhǔn)化

當(dāng)前,船用復(fù)合材料更加標(biāo)準(zhǔn)化已成為一個(gè)不容忽視的趨勢,最近我國在船用復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)化方面做了一系列重要工作。如頒布《船用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》,制定船用復(fù)合材料的重要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等,主要原因還是復(fù)合材料在船舶生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越普遍,并且隨著航運(yùn)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,船舶制造正在逐漸向數(shù)字化、自動化的方向發(fā)展,復(fù)合材料被視為未來發(fā)展的重要方向。通過制定標(biāo)準(zhǔn),相關(guān)生產(chǎn)可以有依據(jù)地執(zhí)行,降低生產(chǎn)過程中非良率和其他問題,提高制造效率,從而大幅降低重復(fù)工作量和制造成本。未來,我國將進(jìn)一步加強(qiáng)與企業(yè)的深度合作,加快推進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)的創(chuàng)新和配套設(shè)施的建設(shè),不斷提高復(fù)合材料在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用水平,以滿足船舶市場需求。

3.3 綠色復(fù)合材料逐漸得到應(yīng)用

隨著全球環(huán)保意識的不斷加強(qiáng),越來越多的人們開始重視環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。在這一背景下,綠色復(fù)合材料因其良好的環(huán)保性能和可持續(xù)性,得到了越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。目前,綠色復(fù)合材料在船舶制造中的應(yīng)用主要有:碳纖維、玻璃纖維等用于船體半成品制造;綠色補(bǔ)強(qiáng)材料如碳或玻璃纖維增強(qiáng)材料和樹脂,用于船舶維修;綠色復(fù)合材料用于制造船舶附件,如耐海水腐蝕性能的防護(hù)層、船體內(nèi)部裝飾層、船舶家具等。

未來綠色復(fù)合材料在船舶制造領(lǐng)域的應(yīng)用將會呈現(xiàn)以下趨勢。首先,新型綠色復(fù)合材料出現(xiàn)。除了上述常見的復(fù)合材料外,未來還會涌現(xiàn)出更為環(huán)保的新型復(fù)合材料,如焦油片、納米纖維和聚酯材料等。這些新型復(fù)合材料不僅具備輕重比高、強(qiáng)度高、耐磨損等特點(diǎn),還具備優(yōu)秀的耐腐蝕和抗氧化性能,具有更廣闊的應(yīng)用前景。其次,應(yīng)用范圍將會更加廣泛,從小型輕便船只拓展到大型高速、深水船只項(xiàng)目。未來的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保需求將會催生更高級別、更大型的船只,也將為綠色復(fù)合材料在船舶制造中的應(yīng)用提供更廣闊的空間。同時(shí),復(fù)合材料的有效性并不受限于船身結(jié)構(gòu),還可以用于特殊應(yīng)用,如船用電池和發(fā)電機(jī)的制造。此外,生產(chǎn)技術(shù)還會不斷革新。未來,隨著綠色復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)的提高,生產(chǎn)成本將被進(jìn)一步壓縮,同時(shí),大規(guī)模制造技術(shù)和設(shè)備也將得到不斷改進(jìn),從而使綠色復(fù)合材料在船舶制造過程中的應(yīng)用更加普及。

4 結(jié)語

目前,國內(nèi)的復(fù)合材料在船舶建造領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段,但是隨著技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用前景的擴(kuò)展,相信未來復(fù)合材料在船舶建造領(lǐng)域?qū)懈玫陌l(fā)展。同時(shí),國內(nèi)也需要加大對于復(fù)合材料在船舶建造領(lǐng)域的研究投入,持續(xù)推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)升級,才能跟上國際市場發(fā)展的步伐。