功能材料在艦船工程領(lǐng)域中的研究進展

劉演龍

（海裝重慶局，重慶 400030）

功能材料在艦船工程領(lǐng)域中的研究進展

劉演龍

（海裝重慶局，重慶 400030）

對艦船用功能材料在軍用領(lǐng)域和民用領(lǐng)域的發(fā)展進行回顧，并介紹了高分子材料在艦船建造和維修領(lǐng)域的應用概況。著重介紹了艦船用高分子阻尼材料、高分子樹脂基復合材料以及高分子隱身材料的研究進展，同時對高分子材料在艦船工程上的應用前景進行了展望。

功能材料；艦船；高分子材料

功能材料是指那些具有優(yōu)良的電學、磁學、光學、熱學、聲學、力學、化學、生物醫(yī)學功能，特殊的物理、化學、生物學效應，能完成功能相互轉(zhuǎn)化，主要用來制造各種功能元器件而被廣泛應用于各類高科技領(lǐng)域的高新技術(shù)材料。功能材料種類繁多，用途廣泛，正在形成一個規(guī)模宏大的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)群，有著十分廣闊的市場前景和極為重要的戰(zhàn)略意義。

高分子阻尼材料、高分子樹脂基復合材料、高分子隱身材料等化學功能材料以其加工簡便、造價低廉、密度小、比強度高等一系列優(yōu)點，在艦船建造和維修領(lǐng)域獲得了越來越多的廣泛應用，其應用技術(shù)已成為艦船與海洋工程中不可缺少的組成部分。艦船用高分子材料能減輕船體重量、降低建造成本、提高安全性和舒適性，在艦船工程領(lǐng)域具有重要的意義。

目前，功能材料在艦船工程中的應用主要有以下幾方面：

（1）制造軸承和機器零件；

（2）制造具有無磁性、吸震、透明等性能特點的電器和航海儀器的零件和元件；

（3）制造管系、海水泵、淡水泵以及其他部件；

（4）用于艦船功能高分子材料及涂料，以及具有減阻、降噪、紅外隱身、雷達隱身、防腐等特殊功能的艦船用涂料。

艦船高新技術(shù)的發(fā)展主要集中在新武器的開發(fā)、艦船隱身化、新動力系統(tǒng)的采用和新船型的研究幾個方面[1]。艦船高新技術(shù)的發(fā)展對艦船材料提出許多新的要求，這就是艦船用高技術(shù)新材料發(fā)展的強大推動力，而高技術(shù)新材料又是艦船上高新技術(shù)實現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

1 功能材料在艦船領(lǐng)域的應用

目前，高分子阻尼材料、高分子樹脂基復合材料以及高分子隱身材料等化學功能材料在艦船工程領(lǐng)域中發(fā)展最快，應用最廣。

1.1 高分子阻尼材料

阻尼材料是一種能吸收振動機械能并轉(zhuǎn)化為熱能而耗散的功能材料，它利用阻尼材料在變形時把動能變成為熱能的原理，降低結(jié)構(gòu)的共振振幅，增加疲勞壽命和降低結(jié)構(gòu)噪聲。

高分子阻尼材料屬于粘彈性阻尼材料，兼有某些粘性液體在一定流動的狀態(tài)下?lián)p耗能量的特性和彈性固體材料儲存能量的特性。高分子聚合物由于其特殊結(jié)構(gòu)，在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域內(nèi)，即在Tg附近，有很好的阻尼減震性能。從高分子鏈段運動的角度來看，在玻璃化轉(zhuǎn)變Tg以下，高分子鏈段的自由運動是完全被凍結(jié)的。整個高分子處于玻璃固體狀態(tài)，模量很高，不能散發(fā)機械能，只能將機械能作為位能儲存起來。在Tg以上的高彈性，鏈段可以自由運動，整個高分子材料顯示出高彈態(tài)固體特征，模量低，亦不能散發(fā)機械能只能將機械能轉(zhuǎn)化為形變能儲存起來。在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)，高分子鏈段是由完全凍結(jié)狀態(tài)向自由運動狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程，在外力作用下，軟硬鏈段發(fā)生摩擦，從而將一部分機械能轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，因而有較好的阻尼性能。

隨著高新科技的發(fā)展，對阻尼材料的要求也越來越高。研究和開發(fā)綜合性能優(yōu)良的高性能阻尼材料已成為科學工作者的研究熱點。目前，阻尼材料正朝著寬溫、寬頻、功能復合化的方向發(fā)展[2]。我國阻尼材料的研究已經(jīng)取得了很大的進展，但與發(fā)達國家相比仍有較大差距。

在現(xiàn)代海戰(zhàn)中，艦船的隱身化水平的高低決定著戰(zhàn)爭主動權(quán)的歸屬。艦船在航行過程中會產(chǎn)生噪聲，采用減振、降噪技術(shù)降低艦船噪聲可以提高艦船的隱蔽性，提高攻防能力。在進攻上降低自噪聲可以提高聲吶的探測距離，在防御上可明顯提高本艦船的隱身能力從而大大提高艦艇的隱蔽性[3]。艦船減振降噪治理的主要部位有主機、輔機、浮筏、管路、艙室、螺旋漿及附體、船體等，目前，橡膠阻尼材料已在很多領(lǐng)域廣泛應用，且其需求量日益增大。在西方，相關(guān)的機構(gòu)對阻尼材料展開了大量的研究工作。德國從20世紀50年代開始，首先研制了自由阻尼結(jié)構(gòu)；美國從20世紀50年代初首先開始研制約束阻尼結(jié)構(gòu)，并應用于核潛艇艇殼和主機基座上?，F(xiàn)在，阻尼合金技術(shù)也已趨于成熟，美國海軍采用M n-C u高阻尼合金制造潛艇螺旋槳，取得了明顯的減振效果。20世紀80年代后，國外阻尼減振降噪技術(shù)有了更大的發(fā)展，他們借助CAD/CAM技術(shù)，對相應的材料進行了設(shè)計與試驗，并進行了整體結(jié)構(gòu)的阻尼減振降噪優(yōu)化。

我國在2 0世紀7 0年代前后開始進行阻尼減振降噪材料的研究工作。北京材料工藝研究所研制的ZN-10和SZN-11阻尼材料[4]，能與鋼板結(jié)構(gòu)模量很好地匹配，具有很好的耐水性，噪聲可降至64dB；洛陽船舶材料研究院研制生產(chǎn)的SA-3高阻尼黏彈性材料主要由高聚物和無機填料組成，具有良好的阻尼、阻燃和耐介質(zhì)性能，已經(jīng)成功應用于潛艇的噪聲治理[5]。此外，阻尼膠合板、智能型阻尼材料也越來越成為研究熱點。

除了軍事上的應用外，阻尼材料對高速船亦是降低振動響應的一種有效方法?？稍谥鳈C座、機艙前壁和機艙船底板架鋪設(shè)阻尼涂層，這既可消耗激勵能量，降低振動響應，亦可減少結(jié)構(gòu)聲傳遞。此外，阻尼材料還可用于水翼船的水翼減噪、制造潛艇的螺旋槳以及艦艇底板、隔板、座椅的降噪等，應用前景非常廣闊。

1.2 高分子樹脂基復合材料

目前艦船用高分子復合材料主要是指纖維增強樹脂基復合材料，如玻璃纖維增強樹脂基復合材料，碳纖維增強樹脂基復合材料，芳綸增強樹脂基復合材料等。

艦船用高分子復合材料以其優(yōu)異的性能及多種特殊的功能替代部分傳統(tǒng)材料應用于艦船建造領(lǐng)域，比如船體制造中所用的復合板，艦船內(nèi)飾中用到的玻璃纖維及木質(zhì)復合材料等。此外，越來越多的艦船用復合材料被應用在海港設(shè)備、碼頭、樁柱、格欄以及海上工廠等海岸線裝備制造中。樹脂基復合材料不僅有優(yōu)異的力學性能，而且還有耐腐蝕、吸收電磁波等特性。碳纖維增強樹脂基復合材料可用于艦船推進器。德國開發(fā)出碳纖維／環(huán)氧樹脂螺旋槳，具有質(zhì)輕、槳葉片強度高且薄的特點，有利于各類艦船加速，使用壽命長且減振效果良好。英國經(jīng)過3年研制，已成功完成世界最大復合材料螺旋槳的海上性能測試，結(jié)果表明該槳能大幅降低震動，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

俄羅斯利用碳纖維增強樹脂基復合材料摩擦系數(shù)低、水中不發(fā)軟的特點，制造艦船活塞、軸承等部件。此外，樹脂基復合材料還可用于制造機械裝置、舵、裝備、管道系統(tǒng)等。

美國密歇根大學和空軍研究實驗室合作開發(fā)出一種新型納米涂層材料，其中95%以上是空氣，能排斥上百種液體。用這種材料涂在紗網(wǎng)或織物上，其表面可形成一種對液體的彈力。研究人員將這種納米涂層稱為“超全恐液面”，是一種叫做“聚二甲硅氧烷”的彈性塑料粒子混合物，能從立方納米的尺度對液體形成斥力。研究人員指出，這種材料的化學成分固然重要，但更重要的是它的紋理。無論用在什么物質(zhì)表面，它都能緊緊纏附在孔狀結(jié)構(gòu)上，由此就在這些孔中形成了更加精細的網(wǎng)。這種結(jié)構(gòu)也意味著涂層中95%～99%的部分形成了氣袋，所以接觸該涂層的任何液體，幾乎都無法觸及它的固體表面。由于液體只能接觸到織物涂層表面的細絲，因此大大減少了分子問的作用力，被用于船舶的先進防水涂料，大大減少水流對船只的拖曳，相關(guān)論文發(fā)表在最近出版的《美國化學協(xié)會雜志》上。

中船重工七二五研究所通過接枝共聚法將聚兩性離子分子poly（SBMA）接枝到聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面，制備了一種新型的雙離子性分子修飾的抗蛋白吸附防污材料，相對于聚二甲基硅氧烷，能夠減少70%的牛血清白蛋白吸附，減少典型污損海生物—硅藻75%的吸附，應用于艦船涂料上具有優(yōu)異的防污效果。

此外，為達到減輕殼體的重量，提供合理有效載荷的目的，新金屬結(jié)構(gòu)材料、先進樹脂基復合材料、結(jié)構(gòu)陶瓷材料等新型結(jié)構(gòu)材料也被大量應用于艦船領(lǐng)域。先進樹脂基復合材料是指用碳纖維、陶瓷纖維、芳綸纖維等增強的聚合物復合材料。先進樹脂基復合材料具有比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料優(yōu)越得多的力學性能，這些復合材料的拉伸強度略高于普通鋼材，而比強度則為普通鋼材的4～6倍，比模量為普通鋼材的2～3倍。另外，先進樹脂基復合材料往往還兼有耐腐蝕、振動阻尼和吸收電磁波等功能。美國“洛杉磯”級核潛艇的聲納導流罩長7.6m，最大直徑8.1m，是目前世界上最大的先進樹脂基復合材料制品 美國的“佩里”號驅(qū)逐艦上首次用芳綸纖維增強塑料制作裝甲。

此外，世界各國均將高分子樹脂基復合材料廣泛用于艦船建造與維修領(lǐng)域中。瑞典新設(shè)計的YS2000高速驅(qū)潛快艇采用纖維材料來減輕艇體的重量。德國AIR加工技術(shù)公司開發(fā)出一種碳纖維／環(huán)氧復合材料螺旋槳，具有很高的強度，可在惡劣的海況下工作。美國海軍用石墨纖維增強環(huán)氧樹脂材料成功地制造出自動無人深潛探海艇AUSSMOD 2的耐壓殼體，該艇的下潛深度為6 096m。

1.3 高分子隱身材料

高分子隱身材料是隱身技術(shù)的重要組成部分，隱身材料的使用被探測率降低，提高自身的生存率。

壓電橡膠和聚偏二氟乙烯(PVDF)等高分子材料被廣泛應用于制成艦船聲納的核心部件水聲換能器轉(zhuǎn)換元件中。壓電橡膠既可作為消聲材料,也可用來制造水聽器[7]。美國新一代的“白人隊長”級攻擊性核潛艇的聲納基陣材料即為壓電橡膠。挪威已在其艦船上試用PVDF作為水聲換能材料,法國也計劃把這種材料用于新型彈道導彈核潛艇。

高分子導電聚合材料作為高分子隱身材料的一員以其優(yōu)良的隱身性能正得到世界各國的高度重視，雖然這類材料作為艦船吸收雷達波的應用還只處于試驗階段。但隨著“模塊合成”、“分子沉積法”、“掃描微探針電化學”等制備導電聚合物微管和納米管的方法相繼出現(xiàn)以及計算機模擬分子設(shè)計技術(shù)的日趨成熟[10]，導電聚合物必將作為艦船和武器裝備的吸波材料得到廣泛的應用。

目前世界各國海軍現(xiàn)役和在建的潛艇中，絕大多數(shù)均已敷設(shè)了消聲瓦。消聲瓦能夠減少對方主動聲納的探測距離并且能降低本艇內(nèi)機械噪聲。消聲瓦在合成材料與粘貼技術(shù)上將有新的發(fā)展，日本海上自衛(wèi)隊目前使用的一種由電阻抗變層和低阻抗諧振層組成的寬頻帶高效吸波樹脂復合材料，在1～20吉赫的雷達波段上吸收率達20分貝以上，使得其海中裝備的隱身性能較好。英國海軍目前使用的聚氨酯材料、法國海軍的聚硫橡膠、廣泛用于聲學材料的丁基橡膠等，都是發(fā)展消聲瓦技術(shù)的很有前途的合成材料。美國海軍使用的玻璃纖維制雙層薄板消聲瓦，則被認為是消聲瓦未來發(fā)展的一種趨勢。其他形式的復合材料與復合聲學結(jié)構(gòu)相結(jié)合的消聲瓦，由于具有優(yōu)良的吸聲和減振效果，也必然是未來消聲瓦設(shè)計的重點。在消聲瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計多樣化的同時，消聲瓦的使用日趨專用化，適于特定艇體的區(qū)域或特定頻段的專用型消聲瓦逐漸得到廣泛應用（前蘇聯(lián)對不同活動區(qū)域的潛艇敷設(shè)不同材料的消聲瓦）。要求消聲瓦既保持吸聲效果，還要使其具有減振的作用，另外，降低本艇自噪聲為主要目的的特殊消聲瓦在將來也會出現(xiàn)。消聲瓦技術(shù)[8～9]已不再是一種完全獨立的領(lǐng)域，而是潛艇隱身和減振降噪技術(shù)、艇體水動力噪聲治理、艇體防污等多項技術(shù)工程綜合應用的領(lǐng)域。

2 在艦船領(lǐng)域應用展望

我國對功能材料的研究起步較晚，特別是艦船軍用新材料發(fā)展較慢,為適應現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭的需要,我們應該重視高性能和多功能高分子新材料的研究和開發(fā),并充分利用材料科學技術(shù)的新成就,將有限的時間和財力集中放在新材料的應用研究上。未來高分子材料在艦船阻尼材料、涂料、消聲材料等方面必將有更大的發(fā)展。未來的高分子阻尼材料將向著高阻尼性能、工作溫度寬、高強度、耐老化和低污染的方向以及結(jié)構(gòu)－智能一體化的方向發(fā)展。阻尼材料是集機械力學和材料力學、聲學、材料加工等多學科、跨領(lǐng)域的材料，需要進一步定量的研究。涂料方面，開發(fā)環(huán)境友好型防污、隱身、防腐的多功能涂料是21世紀海洋涂料的發(fā)展方向之一，無毒、低表面能防污涂料、自拋光防污涂料、來源廣泛的生物仿生防污涂料將是未來發(fā)展的重點。當前新型海洋防污涂料技術(shù)的開發(fā)勢在必行。

消聲高分子材料方面，減振復合材料、壓電阻尼減振消聲材料、壓磁阻尼吸聲材料、聲斗篷、聲子晶體等領(lǐng)域?qū)⑹菍淼难芯恐攸c。未來艦船要突出吸聲隱身的要求，在設(shè)計和選材時可考慮選擇多功能材料來代替只有單一功能的材料。

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Development Progress of FunctionalMaterials in Ships Engineering Area

LIU Yan-long
（ChongqingMilitary Representative Departmentof the Naval，Chongqing 400030，China）

From military and civilian aspects.The development of functional materials for ships were reviewed.Its presentsituation ofapplication in the field of ship construction and shipmaintenance fieldswere clarified.The research progress of marine polymer including damping materials,resin-based composite materials,and sound-absorbing materials were highlighted.The applicaion prospects of polymer materials in ships and marine engineering were reviewed.

functionalmaterials；ships；polymermaterials

TP274

B

1672-545X（2014）04-0275-04

2014-01-09

劉演龍（1972—），男，高級工程師，碩士，研究方向為武器系統(tǒng)工程與應用。