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與傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)材料相比，復合材料具有更高的強度/質(zhì)量比，采用復合材料建造船體和結(jié)構(gòu)物，其質(zhì)量更輕，在燃油消耗和提高航速方面具有更佳的性能。 同時，復合材料還具有耐腐蝕、無磁性、可塑性好等優(yōu)點，因此，自復合材料問世以來就一直在造船工業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，在船舶上的應(yīng)用研究始終是各主要造船國家的關(guān)注焦點。 文中對船用復合材料進行了簡單介紹，并對船用復合材料的國內(nèi)外發(fā)展歷程及應(yīng)用現(xiàn)狀進行了闡述，在此基礎(chǔ)上對船用復合材料的發(fā)展趨勢進行了分析和展望。
1 復合材料的定義
復合材料是由兩種或兩種以上物理和化學性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。雖然復合材料各組分材料仍保持其相對獨立性，但復合材料的性能卻并非組分材料性能的簡單加和，而是表現(xiàn)出遠優(yōu)于兩者的性能。 通常在復合材料中有一相為連續(xù)相，稱為基體，用以粘結(jié)、固定、維持增強材料成一定形狀；另一相為分散相，稱為增強相或增強體，增強材料在復合材料中不構(gòu)成連續(xù)相，它在基體支持下提供強度和剛度。分散相是以獨立的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中的，可以是增強纖維，也可以是顆粒狀彌散的物料。不同增強材料的形態(tài)如圖1 所示。
復合材料的分類方法很多，最基本的按照基體材料類型可以分為：聚合物基復合材料，其基體為有機聚合物高分子；金屬基復合材料，其基體為金屬，如鋁基復合材料、鐵基復合材料等；無機非金屬基復合材料，其基體為陶瓷材料（也包括玻璃和水泥等）。
2 船用復合材料分類
目前，船用復合材料，尤其是應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)的復合材料，以聚合物基復合材料為主，按結(jié)構(gòu)可分為層合板（纖維增強復合材料）和夾層結(jié)構(gòu)復合材料兩大類型，其中包含三個方面的重要復合物：增強材料、樹脂（即基體）和芯層材料。
船用復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（包括吸聲、隔聲、透聲）、隱身（包括吸波、透波、反射、頻選）、防護等五大系列材料，船用復合材料的分類及應(yīng)用部位如圖2 所示。
船用復合材料性能的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在：輕質(zhì)高強，能有效提高船體的儲備浮力；結(jié)構(gòu)功能一體化，在滿足結(jié)構(gòu)承載的情況下性能可設(shè)計，通常具有聲學、雷達、減振、防護、低磁等其他性能，一般的材料成型過程同樣是結(jié)構(gòu)成型過程；耐腐蝕，可滿足高鹽、高濕、紫外等苛刻海洋環(huán)境要求； 耐老化，可滿足船舶的長壽命要求。
以上特性有別于其他船舶結(jié)構(gòu)材料，也是其優(yōu)勢圖2 船用復合材料及結(jié)構(gòu)主要類型與典型應(yīng)用的體現(xiàn)。
從小型快艇開始，復合材料在船舶上的應(yīng)用大概經(jīng)歷3 個階段。 第一階段，主要在掃雷艇等小型船舶上使用，性能要求低，可整體成型。艦艇玻璃鋼模型 玻璃鋼造型 玻璃鋼外殼等玻璃鋼制品。第二階段，在大、中型船舶上得到部分使用，但使用理念仍局限于傳統(tǒng)的船體設(shè)計，復合材料在船上只是起到減輕質(zhì)量、提高部件耐腐蝕能力等輔助作用。第三階段，船舶在設(shè)計之初充分考慮使用中所面臨的多種復雜情況，使用復合材料作為主船體材料，實現(xiàn)其他材料無法實現(xiàn)或難以實現(xiàn)的功效玻璃鋼定制。目前，船用復合材料已經(jīng)突破了第二階段，向第三階段發(fā)展。
3 國內(nèi)外船用復合材料發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀
3.1 國外發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀 早期復合材料都是應(yīng)用在小型巡邏艇和登陸艦上。相對差的制造質(zhì)量和船體剛度限制了船舶的長度不能超過15 m，排水量不超過20 t。 近年來，隨著復合材料設(shè)計、制備成本的降低，以及力學性能提高，復合材料開始在大型艦船，如獵雷艇和輕型護衛(wèi)艦上得到應(yīng)用。
隨著技術(shù)的發(fā)展，船舶的長度呈穩(wěn)定的增加趨勢，現(xiàn)在已有80~90 m 長的全復合材料海軍艦船。 美國是復合材料科學技術(shù)發(fā)展最先進，復合材料應(yīng)用最廣、用量最大的國家，在船舶復合材料的應(yīng)用方面，其規(guī)模和技術(shù)都走在世界前列。美國海軍于1946 年采用聚酯玻璃鋼建成了交通艇，是世界上第一艘復合材料艦船，隨后又制造了玻璃鋼登陸艇、工作船等。 為加快玻璃鋼船舶的發(fā)展，美國海軍在20 世紀50 年代中期規(guī)定16 m 以下船舶必須用復合材料制造。1954 年前后，美國的手糊成型工藝日趨成熟，1956 年建造了2 艘不同結(jié)構(gòu)形式的小型掃雷艇，開始了玻璃鋼在掃雷艇中的應(yīng)用研究。
20 世紀60 年代早期，美國海軍制造了第一艘全玻璃鋼巡邏艇，20 世紀80 年代末90 年代初建造了復合材料獵/掃雷艇，艇體均采用高級間苯聚酯樹脂，并以半自動浸膠作業(yè)制造，同期制造了采用凱夫拉增強的聚酯樹脂單殼結(jié)構(gòu)的巡邏艇。隨后，美國海軍又將復合材料引入了深潛器的制造。 1966 年采用石墨纖維增強環(huán)氧樹脂建造的深潛器，其下潛深度可達6096m。
進入21 世紀后，美國進一步加強了復合材料在船舶建造的應(yīng)用，采用新型高強碳纖維/乙烯基樹脂的夾心層結(jié)構(gòu)，取代傳統(tǒng)玻璃纖維等低強度纖維，建成的新型船舶穩(wěn)定性高、航速快，并具有隱身、反潛、反水雷能力。歐洲復合材料船舶工業(yè)也十分發(fā)達。
20 世紀60年代中期，英國采用玻璃鋼先后制造了450 t 的大型掃雷艇和625 t 的獵雷艇，1973 年采用復合材料建造了全玻璃鋼反水雷艇，其成功應(yīng)用推動了復合材料的迅速發(fā)展，20 世紀80 年代早期就制造了200 多艘全復合材料反水雷船舶。
20 世紀90 年代，英國成功應(yīng)用碳-?；祀s纖維建造了摩托艇、巡邏艇等，隨著技術(shù)的發(fā)展，近年來還成功應(yīng)用回收塑料瓶再加工材料建造艦船，不僅降低了成本，還符合材料生物降解以及循環(huán)利用的發(fā)展方向。
瑞典于1974 年建成了第一艘夾層結(jié)構(gòu)的玻璃鋼掃雷艇，20 世紀90 年代成功研制了世界上第一艘復合材料隱形試驗艇，并逐步發(fā)展形成了以高性能碳纖維和夾芯結(jié)構(gòu)為特點的建造方式，開發(fā)建造了集先進復合材料技術(shù)和隱身技術(shù)于一體的系列輕型驅(qū)逐艦，已成功下水服役。
意大利于20 世紀80 年代中期開始相繼建成多艘玻璃鋼掃雷艇。日本自20 世紀50 年代起就開始建造玻璃鋼船，在高性能船、賽艇和豪華游艇建造方面取得了不俗的成績。進入21 世紀，日本開始研究制造高性能復合材料軍用船舶，目前已成功建成第一艘玻璃鋼復合材料掃雷艇并投入使用。 各國海軍應(yīng)用的復合材料制品還包括船舶上層建筑、推進器、桅桿等。法國海軍于1992 年開始在船舶上層建筑采用復合材料，可以有效降低船舶質(zhì)量。前蘇聯(lián)最早將復合材料螺旋槳用于實船[18—19]。 瑞典于1989 年開始研制復合材料推進軸，對幾千種不同材料及表面處理方法進行了試驗和評估以獲得軸的最佳性能，制得的推進軸質(zhì)量輕、彈性好、適應(yīng)性強、不導電、耐腐蝕。
美國從1995 年開始采用復合材料研究先進的全封閉桅桿，并成功裝備于驅(qū)逐艦、航空母艦等。 此外由于復合材料可降低船舶的雷達信號特征以及紅外（熱）信號特征，因此復合材料還廣泛應(yīng)用于煙囪、艙壁、甲板、舵等次承載結(jié)構(gòu)，在隱身及結(jié)構(gòu)減重方面所做的貢獻非常顯著。
3.2 國內(nèi)發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀
我國復合材料在船舶方面的研發(fā)應(yīng)用起始于1958 年，第一艘玻璃鋼工作艇誕生于上海。在20 世紀70 年代中期曾研制過一艘總長近39 m 的掃雷試驗艇，此后對GRP/CM 反水雷艦艇的研發(fā)工作就中斷了十多年。
20 世紀90 年代以來，隨著技術(shù)發(fā)展與工藝引進，我國采用復合材料生產(chǎn)了大量游艇、帆船、救助艇，以及公安、武警、海監(jiān)、海關(guān)等航速較高的巡邏艇、執(zhí)法艇、緝私艇等準軍事艇，但迄今為止還未設(shè)計建造一艘高科技含量的海軍反水雷艦艇。 在復合材料船舶構(gòu)件方面，我國在20 世紀60 年代末成功研制了復合材料聲納導流罩，并應(yīng)用于潛艇，發(fā)展至今已形成較為成熟的應(yīng)用。20 世紀80 年代后期研制開發(fā)了復合材料雷達天線罩 玻璃鋼座凳 玻璃鋼天線罩 玻璃鋼裝飾、水雷殼體并投入使用，20 世紀90 年代成功研制了應(yīng)用于大型水面船舶的復合材料桅桿以及上層建筑等。
與國外相比，目前我國船用復合材料應(yīng)用范圍和規(guī)模仍然較小。在原材料方面，目前我國已能生產(chǎn)國際市場上大多數(shù)品種的玻璃鋼用增強材料，但與世界工業(yè)發(fā)達國家相比，在產(chǎn)品技術(shù)水平、品種、規(guī)格、質(zhì)量等方面仍有較大差距，碳纖維、芳綸纖維等高性能纖維仍依賴于進口，樹脂產(chǎn)能也嚴重落后。 在成型加工方面，RTM 工藝以其產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點得到了廣泛關(guān)注與快速發(fā)展，在工業(yè)發(fā)達國家已發(fā)展相當成熟，并且不斷趨于完善，而我國則從20 世紀80 年代才開始引進RTM 工藝和設(shè)備，投入生產(chǎn)少，設(shè)備利用率低，目前RTM 工藝仍處于發(fā)展階段。與國外相比，現(xiàn)階段我國在船舶復合材料領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)和研發(fā)方面仍較為落后，仍有很大的發(fā)展空間。
4 存在的問題
盡管復合材料在國外海軍強國已具有較長的應(yīng)用歷史，而我國的快艇、導流罩等方面雖也有所應(yīng)用，但進展緩慢，其原因在于復合材料自身的特點與傳統(tǒng)金屬材料不同，復合材料具有極強的可設(shè)計性，其材料性能與制造工藝密切相關(guān)，而目前缺乏相關(guān)設(shè)計規(guī)范、經(jīng)驗數(shù)據(jù)以及可靠性評價技術(shù)和指標體系。目前，復合材料在船舶應(yīng)用方面存在的問題主要有以下幾個方面。
1）高性能、低成本的船舶用復合材料設(shè)計與制造 多年以來，在大部分造船應(yīng)用中，復合材料與傳統(tǒng)材料（除了木材外）相比，在成本上都不具備競爭力。迄今為止，大部分復合材料結(jié)構(gòu)都采用樹脂浸漬增強材料制造而成，此工藝周期長、勞動密集、費用昂貴，且難以控制產(chǎn)品質(zhì)量。生產(chǎn)高質(zhì)量的復合材料需要船舶制造商引進新的制造方法，而船舶制造商正缺乏模型和大型穩(wěn)定的數(shù)據(jù)庫信息來預測復合材料結(jié)構(gòu)的制造成本。
2）船用復合材料可靠性評價技術(shù)和指標體系 當船舶結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊、震動、碰撞和火災(zāi)時，極易發(fā)生失效，然而目前還沒有能夠確定其是否失效的分析工具。此外，由于復合材料的各向異性，其縮放規(guī)則特別復雜，因此，在開展結(jié)構(gòu)設(shè)計時相比金屬要復雜得多。
3）船用復合材料性能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累 有限的數(shù)據(jù)積累阻礙了復合材料在船舶上的應(yīng)用。復合材料結(jié)構(gòu)需要通過一系列嚴格的規(guī)定，內(nèi)容涉及物理力學性能、環(huán)境老化性能、抗氣流沖擊、抗水下振動損壞、防火性能（可燃性、明火、煙塵、毒性、結(jié)構(gòu)整體性）、碎片/彈道保護以及雷達/聲納性能。 評價復合材料結(jié)構(gòu)和功能是否可靠所需要的數(shù)據(jù)極其有限，而測試確定復合材料在沖擊、振動、彈道和明火條件下的性能，是一項時間長而且費用昂貴的工作。評估復合材料的安全性和可靠性，滿足設(shè)計要求是復合材料上船舶應(yīng)用面臨的一個主要問題。
5 船用復合材料發(fā)展趨勢
復合材料在船舶應(yīng)用方面具有極大的優(yōu)勢，加快復合材料的設(shè)計和研發(fā)是解決阻礙其在船舶方面應(yīng)用的主要問題。未來船用復合材料發(fā)展方向首先是設(shè)計工藝的改進。 復合材料發(fā)展趨勢在于設(shè)計制造高性能、低成本復合材料，推動復合材料由非承力結(jié)構(gòu)向主/次承力結(jié)構(gòu)發(fā)展，從局部使用向大規(guī)模應(yīng)用拓展，加大復合材料的研發(fā)和應(yīng)用力度，使其具有低成本、高性能、多功能、優(yōu)化連接、長壽期、安全可靠等特點。 由單一承載功能的結(jié)構(gòu)型復合材料向兼具防彈、隔聲、吸聲、阻尼、雷達隱身等特性的多功能型復合材料發(fā)展，同時配套研發(fā)復合材料結(jié)構(gòu)之間及其與鋼結(jié)構(gòu)之間方便、可靠的連接技術(shù)等。
船用復合材料的另一個發(fā)展方向是對復合材料的設(shè)計、工藝和制造進行全面的研究，制定統(tǒng)一規(guī)范的設(shè)計標準，同時開展復合材料性能評價技術(shù)研究。 在目前復合材料小樣性能研究的基礎(chǔ)上，重點以復合材料典型結(jié)構(gòu)單元、局部模型為對象，開展老化性能、疲勞性能、阻燃性能、抗爆性能、耐沖擊性能等性能參數(shù)的測試，形成覆蓋復合材料小樣、典型結(jié)構(gòu)單元、局部模型的性能試驗方法，推動復合材料在船舶上的規(guī)模化應(yīng)用。 同時，發(fā)展船用復合材料工藝評定技術(shù)，以船用復合材料結(jié)構(gòu)的典型部位為對象，研究工藝樣件的質(zhì)量一致性，形成船用復合材料工藝評定的方法。 針對船用復合材料不同的應(yīng)用環(huán)境進行分析、歸納，以幾種典型的復合材料為研究對象，依托環(huán)境試驗平臺，通過復合材料大量長期海洋環(huán)境性能試驗（如：海水全浸、潮差、大氣暴曬等）和實驗室模擬加速性能試驗，獲取海洋環(huán)境下復合材料的性能演化規(guī)律，并建立壽命預測模型，形成船用復合材料耐海洋性能的評價程序、流程和方法，為復合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計、長期可靠應(yīng)用、維護、換裝提供技術(shù)支撐。
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