新型復合材料模塊化上層建筑的應用

李艷臣　李任戈　熊偉　胡哲　彭紹源

摘 要：復合材料因其輕質高強、耐腐蝕及抗沖擊性能好等優(yōu)點，在造船領域已經廣泛應用。本文從復合材料國內外技術發(fā)展現狀和應用進行綜合論述，研究復合材料在海洋工程領域上層建筑模塊方面的使用

關鍵詞：復合材料；海洋工程；上層建筑；應用

中圖分類號：U668.7 文獻標識碼：A

Abstract： Composite materials have been widely used in the field of shipbuilding because of their excellent properties such as light weight， high strength， corrosion resistance and impact resistance. In this paper， the current situation and application of composite materials both at home and abroad are comprehensively discussed， and the application of composite materials in the upper module of marine engineering is studied.

Key words： Composite materials； Marine engineering； Superstructure； Application

1 引言

復合材料是由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或者化學的方法組成具有新的性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求，具有輕質高強、耐腐蝕（可耐酸、堿、海水侵蝕）和抗沖擊性能好等綜合性優(yōu)點，尤其是在海水環(huán)境中表現出來的優(yōu)異性能，以及較低的維護保養(yǎng)費用，使得復合材料在海洋船舶領域得到了廣泛的應用。

2 國內外發(fā)展現狀

20世紀40年代，因航空工業(yè)的需要發(fā)展了玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現了復合材料這一名詞。相關資料顯示，美國海軍1946年就開始嘗試使用復合材料建造交通艇，雖然直到1950年才基本取得成功，但是從此掀開了復合材料船舶建造的新篇章，世界各地相繼開始研制復合材料船舶。

2.1 國外復合材料在艦艇上的應用

（1）巡邏艇

第一艘全玻璃鋼纖維增強聚合物（GRP）的巡邏艇于20世紀60年代早期，由美國海軍建造，并在越戰(zhàn)期間在越南內河上應用。

（2）獵雷艦

樹脂基復合材料沒有磁性，加上其優(yōu)異的綜合性能，成為了掃雷艇、獵雷艦的最佳結構材料。1973年，英國研制了第一艘46.6 m長的全玻璃鋼反水雷艦艇。該艇的巨大成功帶來了復合材料應用的迅速擴張，80年代早期就制造了200多艘全復合材料反水雷艦艇。

（3）護衛(wèi)艦

隨著復合材料工藝性能的研究和發(fā)展，其逐漸應用于大型艦船上。瑞典皇家海軍通過YS-2000項目，于1996年開始建造第一艘全隱形Visby護衛(wèi)艦，也是世界上第一艘實用型隱身軍艦，如圖1。

（4）上層建筑

20世紀60年代中期以來，復合材料上層建筑逐漸出現在海軍艦艇上。70年代早期，獵雷艇的上層建筑開始采用復合材料。1992年法國海軍首航了采用復合材料上層建筑的大型軍艦—La Fayette護衛(wèi)艦，如圖2。

到目前為止，復合材料在艦艇上層建筑中的應用已涉及到可探測性煙囪、綜合性桅桿直到集成上層建筑，實現了減重、雷達紅外線隱身等，如表2。

（5）其它

除了上述應用之外，復合材料還應用在水翼艇、氣墊船以及艦艇的二級結構、機械或者裝置上，如：螺旋槳、推進軸系、遮護板、方向舵、機械部件、設備底座、熱交換器、管道系統(tǒng)、通風管、甲板格柵等。

2.2 國內復合材料在艦艇上的應用

我國的復合材料始于1958年，首先應用于軍工產品，后隨著技術進步逐漸擴展到民用領域。

歷經近60年的發(fā)展，我國已建造了100多種型號的復合材料艦船，包括：漁船、游艇、帆船、賽艇、巡邏艇、漁政船、救生艇、緝私快艇、沖鋒舟等。

3 復合材料模塊化上層建筑的應用前景

如上所述，20世紀60年代以來，復合材料上層建筑已經出現在海軍艦艇上，表1列舉了當前國際上上層建筑采用復合材料的典型案例。由此可以看出，復合材料是可以作為上層建筑制作的原材料，且復合材料作為上層建筑材料有其自身優(yōu)勢，比如減重、隱身、無信號遮蔽等。

復合材料模塊化上層建筑，就是結合復合材料的特性以及模塊化施工這一現代先進的施工理念，兩者融合形成的適用于海洋工程應用的新型裝備。

3.1 復合材料選擇

復合材料模塊化上層建筑的應用，首先要確保復合材料性能滿足相關規(guī)范的防火安全需要，安全是首位的；，其次復合材料的選擇要有一定的強度和剛度要求；再次就是復合材料要具有一定的經濟性，能滿足工程開發(fā)使用的經濟性需求。

3.1.1復合材料的防火性能

船舶與海洋工程裝備是一個相對封閉的場所，一旦發(fā)生火災通常會對人的生命和財產安全及生存環(huán)境構成重大威脅。為此相關規(guī)范對船舶和海洋工程裝備制定了具體消防安全目標和功能要求，復合材料的選擇應能滿足規(guī)范不同分隔區(qū)域的具體要求以及耐火試驗程序規(guī)則要求。

由于一般用于制造復合材料的熱固性樹脂遇火后易燃燒，因此用于船舶與海洋工程的復合材料需要提高材料的氧指數，使其具有阻燃性或自熄性，或者采用完全不燃燒的無機復合物。

3.1.2 復合材料的強度和剛度

船舶與海洋工程裝備在其生命周期內，可能會遭遇惡劣天氣和自然災害，因此復合材料要有足夠的強度和剛度，能夠抵抗遇到的惡劣自然環(huán)境。

復合材料制品輕質高強，具有突出的比強度和比模量，可以通過不同角度的纖維布置設計使復合材料強度達到設計需要。此外，復合材料的彈性模量較低，可以通過結構形式上的合理設計來彌補材料剛性不足的問題，如采用夾層結構、折板結構、拱形結構或加肋結構等，通過合理的結構設計提高結構的剛度和穩(wěn)定性，使復合材料板滿足設計需求。

3.1.3復合材料的經濟性 （下轉第頁）（上接第頁）

復合材料費用偏高，目前一般的玻璃纖維增強樹脂基復合材料的成本為15 000元/ t，如果采用碳纖維等高性能的增強材料或環(huán)氧樹脂等高性能基體材料，成本還會增加。因此為了減少復合材料上層建筑結構的造價，需要根據構件的不同用途選用不同的材料、不同的受力特點采用不同的復合結構形式，通過合理的材料設計和結構設計，使結構滿足使用要求，又降低成本，達到最高的性價比。

4 結語

復合材料雖然因為其成本較高，在船舶與海洋工程中的應用沒有傳統(tǒng)鋼材廣泛。但是其優(yōu)越性能和較低的全生命周期維護保養(yǎng)費用，以及復合材料技術和工藝的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，使復合材料的應用得到了快速發(fā)展，并具有廣闊的前景。復合材料模塊化上層建筑也會在船舶與海洋工程領域占據越來越重要角色。

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