復(fù)合材料：船舶制造材料的“新寵”

本刊記者 王進

復(fù)合材料：船舶制造材料的“新寵”

本刊記者 王進

復(fù)合材料以其獨特的高性能日益受到造船界的重視，已成為一種重要的船用材料。由于安全性和可靠性都得到了提升，復(fù)合材料在船舶制造中的應(yīng)用越來越普遍。

在船舶制造過程中，傳統(tǒng)的造船材料是木材、鋼鐵和鋁。目前，大型船舶主要是由鋼材制成，復(fù)合材料通常用在船舶上層建筑和內(nèi)部組件上。中國船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會鄭一銘認為，隨著復(fù)合材料設(shè)計和制造技術(shù)的迅速發(fā)展，復(fù)合材料的功能將更好、造價將更低，未來復(fù)合材料在軍民用艦船中的應(yīng)用還將更加廣泛。

獨特性能受造船界重視

據(jù)介紹，玻璃纖維增強塑料（GRP）、纖維增強塑料（FRP）等復(fù)合材料首次于20世紀50年代應(yīng)用于海軍的小型艦船。從那時起，玻璃鋼材料在快艇、游艇、賽艇及諸如拖網(wǎng)漁船的小型商業(yè)船只上逐步得到了應(yīng)用。

近年來，隨著材料、施工方法以及應(yīng)用上的改進，復(fù)合材料以其獨特的高性能日益受到造船界的重視，已成為一種重要的船用材料。由于安全性和可靠性都得到了提升，復(fù)合材料在船舶制造中的應(yīng)用越來越普遍。

目前，艦艇上常用的復(fù)合材料有樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料三種。復(fù)合材料普遍質(zhì)量輕、強度高，其比強度普遍高于傳統(tǒng)的造船材料——船體鋼和鋁合金結(jié)構(gòu)材料，這些性能可有效提高艦船的穩(wěn)定性、航速及運載能力。

同時，復(fù)合材料能通過增強內(nèi)部構(gòu)件在阻尼振動下的穩(wěn)定性而減少噪音的產(chǎn)生；它還具有無反射特性，可減少雷達橫截面達到隱身效果；還能根據(jù)需要改變基體和增強體的選擇以及內(nèi)部纖維的方向來達到特定的目的，這一特性是其他材料無法企及的。它也具有優(yōu)異的防腐蝕、抗磨損性能。所有這些性能使其成為船用理想材料。

例如，玻璃鋼復(fù)合材料的比重只有鋼材的1/5—1/6，機械強度為200兆—400兆帕，質(zhì)輕、比強度高，能顯著降低船舶自身重量，而且無磁性，具有介電性和微波穿透性好，耐腐蝕、抗海生物附著，能吸收高能量、沖擊韌性好，導(dǎo)熱系數(shù)低、隔熱性好等優(yōu)點。

復(fù)合材料的建造工藝也帶來了許多便利。與傳統(tǒng)的鋼質(zhì)材料相比，復(fù)合材料不僅可設(shè)計各種形狀和尺寸，還可整體設(shè)計或分體組裝，可設(shè)計性好；建造的船體無接縫和縫隙，使得產(chǎn)品外形規(guī)整、光順美觀，整體性好；在模具中采用樹脂真空吸附整體成型，成型簡便，可實現(xiàn)批量生產(chǎn)；無銹蝕，即使破損也可簡單修補，維修保養(yǎng)方便，全壽命期的經(jīng)濟性能好。

研發(fā)應(yīng)用呈加速趨勢

鑒于復(fù)合材料的巨大優(yōu)勢，國外海軍強國不斷加強船用復(fù)合材料的研制和應(yīng)用，且逐漸由非承力結(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)用擴展。

根據(jù)艦船裝備的發(fā)展需要，國外海軍對樹脂基復(fù)合材料的研究呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢。例如，進一步強化基礎(chǔ)研究，為新型功能復(fù)合材料的研發(fā)做準備并解決在艦艇上應(yīng)用的基礎(chǔ)問題（如老化壽命、毒性等）；完善結(jié)構(gòu)復(fù)合材料研究，完善夾芯結(jié)構(gòu)一體化成型技術(shù)研究，使結(jié)構(gòu)復(fù)合材料成本優(yōu)化、重量更輕，以推進結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在艦船上的應(yīng)用；加強復(fù)合材料大型結(jié)構(gòu)一體化成型工藝研究，推進復(fù)合材料工業(yè)化進程；加強燃燒、疲勞、無損檢測、長期環(huán)境等使用性能研究，提高復(fù)合材料應(yīng)用的可靠性；優(yōu)化復(fù)合材料大型結(jié)構(gòu)與艇體連接技術(shù)、大型結(jié)構(gòu)與金屬構(gòu)架一體化成型技術(shù)，加速復(fù)合材料在艦艇上的系統(tǒng)應(yīng)用。

在某些特定應(yīng)用領(lǐng)域，國外海軍也正在積極開展功能復(fù)合材料（吸波、透波、耐溫）、多功能復(fù)合材料以及功能、多功能復(fù)合材料大型結(jié)構(gòu)成型工藝研究，降低艦艇雷達、紅外散射亮點，擴大在耐溫領(lǐng)域的應(yīng)用；積極探索復(fù)合材料應(yīng)用于中型船體自動化排布技術(shù)；加強耐壓殼體、耐壓結(jié)構(gòu)用先進復(fù)合材料（混雜增強、高性能纖維增強）與成型技術(shù)研究，推進復(fù)合材料在深潛器、水中兵器等領(lǐng)域的應(yīng)用。

與軍用領(lǐng)域相比，復(fù)合材料在民用船舶上的應(yīng)用空間更為廣闊。當前，隨著國際社會對于節(jié)能減排的重視以及國際海事組織（IMO）不斷出臺環(huán)保海事新規(guī)，全球船舶行業(yè)都在努力實現(xiàn)船舶的低燃油消耗、低排放、低污染。與鋼質(zhì)材料建造的船舶相比，高性能復(fù)合材料建造的比強度高的輕型船舶在節(jié)能環(huán)保方面明顯更具優(yōu)勢，更“綠色”。高性能復(fù)合材料作為船舶減重的最佳選擇，必將更加受到國際海事界的青睞。

多重利好驅(qū)動國內(nèi)需求

我國船舶制造對復(fù)合材料的需求增長將更加明顯。業(yè)內(nèi)人士認為，這首先得益于船舶“輕量化”的發(fā)展趨勢。長期以來，與日本、韓國建造的同噸位船舶相比，我國建造的船舶空船重量較大。造成這一現(xiàn)象的一個重要原因，就是日、韓在船舶上較多地應(yīng)用了高性能復(fù)合材料，而我國在這方面的應(yīng)用相對較少。

空船重量主要由船體結(jié)構(gòu)重量、舾裝產(chǎn)品重量、輪機電氣設(shè)備重量構(gòu)成，其中，船體結(jié)構(gòu)和舾裝產(chǎn)品占比最大，是船舶輕量化可以取得重要突破的專業(yè)領(lǐng)域，也是復(fù)合材料可以大量使用的領(lǐng)域。如上層建筑、桅桿、螺旋槳、推進軸系、煙囪、艙壁、甲板、艙門、設(shè)備底座、管道系統(tǒng)等都可以采用復(fù)合材料來替代傳統(tǒng)的鋼制材料。未來我國船舶工業(yè)造船完工量將繼續(xù)保持世界前列，這將對復(fù)合材料形成剛性需求。

漁船產(chǎn)業(yè)也對復(fù)合材料需求產(chǎn)生支撐。我國是漁業(yè)大國，擁有近海漁船30萬艘，但普遍質(zhì)量較差，大部分都是木制的漁船，玻璃鋼漁船占比不到10%。但以美國為例，美國的近海漁船全部為玻璃鋼制造，日、俄、英、法、德等國的玻璃鋼漁船也占到其漁船總數(shù)的90%左右。從長期來看，大量傳統(tǒng)木制漁船需要替代更新，對玻璃鋼復(fù)合材料的需求會有一個較長時期的增長。

同樣值得關(guān)注的是游艇產(chǎn)業(yè)潛力的釋放。隨著我國經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展，居民收入的不斷增多，以及國家的大力支持，游艇消費在我國的普及程度將會越來越高。國內(nèi)船艇企業(yè)的快速發(fā)展，改變著船艇市場的結(jié)構(gòu)，促進我國游艇消費回歸理性，趨向中小型、大眾化的產(chǎn)品。因此，玻璃鋼游艇和豪華游艇產(chǎn)業(yè)將會有較大的發(fā)展空間，對復(fù)合材料需求也將大幅增長。

在公務(wù)艇、特種船領(lǐng)域的應(yīng)用也不容忽視。近年來，我國“一帶一路”、南海開發(fā)等國家戰(zhàn)略的出臺，以及南海維權(quán)、釣魚島維權(quán)等都對海監(jiān)船、漁政船、水翼船、駁船、拖船、挖泥船等船型提出了新的要求。新建的船型將會較多地采用復(fù)合材料來提高船舶的使用效能，以適應(yīng)開展相應(yīng)活動的要求。

當然，我國船用復(fù)合材料研制和應(yīng)用水平相對落后。加大研發(fā)和應(yīng)用復(fù)合材料的力度，對我國船舶裝備的總體性能提高具有重大意義。業(yè)內(nèi)人士建議，未來應(yīng)促進我國船用復(fù)合材料向低成本、高性能化、多功能、優(yōu)化連接、長壽命、安全可靠等方面發(fā)展?！?/p>