復(fù)合材料在艦船建造中的應(yīng)用

于霖 王天瀟

摘 ? 要：國(guó)外復(fù)合材料在艦船建造中的應(yīng)用起步較早，不論是復(fù)合材料制造還是成型工藝均發(fā)展的較為成熟，現(xiàn)階段已廣泛應(yīng)用于各式各樣艦船、船體等結(jié)構(gòu)的建造。相比較而言，我國(guó)艦船建造復(fù)合材料應(yīng)用依舊存在發(fā)展階段，復(fù)合材料生產(chǎn)、成型工藝還有待進(jìn)一步發(fā)展。本文首先介紹了復(fù)合材料的含義及艦船用復(fù)合材料分類，然后分析了復(fù)合材料在艦船建造中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，最后探討了復(fù)合材料在艦船建造中的應(yīng)用進(jìn)展，以期為促進(jìn)我國(guó)艦船建造事業(yè)的有序健康發(fā)展提供一些幫助。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 ?艦船 ?建造

中圖分類號(hào)：U674 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）09（b）-0080-02

相較于金屬材料，復(fù)合材料有著特有的優(yōu)點(diǎn)，諸如質(zhì)量輕、比強(qiáng)度大、比模量高、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等，因此在艦船建造中，為了增強(qiáng)艦船綜合性能，可選取復(fù)合材料對(duì)相同非金屬結(jié)構(gòu)部位的鋼材予以取代，這樣一方面可降低艦船結(jié)構(gòu)重量，提升艦船綜合性能指標(biāo)，另一方面可對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)開展設(shè)計(jì)，以此充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。復(fù)合材料種類繁多，適用范圍廣泛，在艦船建造中，可用于制造船體結(jié)構(gòu)、推進(jìn)器、上層建筑等[1]。

1 ?復(fù)合材料概述

1.1 復(fù)合材料

復(fù)合材料，是指由兩種或超過兩種物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組成的一種多相固體材料。即便復(fù)合材料各組分材料依舊保持有各自的獨(dú)立性，然而復(fù)合材料的性能并不等同于組分材料性能的疊加，并且其性能遠(yuǎn)超過各組分材料的性能。一般情況下，在復(fù)合材料中存在一相屬于連續(xù)相，稱作基體，作用于維持、固定增強(qiáng)材料成相應(yīng)形狀;另一相屬于分散相，稱作增強(qiáng)體，在復(fù)合材料中增強(qiáng)材料不構(gòu)成連續(xù)相，其依賴基體提供強(qiáng)度、剛度。分散相以獨(dú)立形態(tài)分布于整個(gè)連續(xù)相中，既可是增強(qiáng)纖維，也可是顆粒狀彌散的物料。

1.2 艦船用復(fù)合材料分類

現(xiàn)階段，艦船用復(fù)合材料，特別是應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，大多為聚合物基復(fù)合材料，依據(jù)機(jī)構(gòu)不同，可劃分為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，這其中又包括樹脂、增強(qiáng)材料、芯層材料三方面重要復(fù)合物。艦船用復(fù)合材料依據(jù)承載部位不同，可劃分為非承力結(jié)構(gòu)、次承力結(jié)構(gòu)、主承力結(jié)構(gòu)等;依據(jù)功能不同，可劃分為結(jié)構(gòu)、防護(hù)、阻尼、聲學(xué)等相關(guān)材料。對(duì)于艦船用復(fù)合材料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)而言，主要表現(xiàn)為：其一，強(qiáng)度高、質(zhì)量輕，可顯著提升船體的儲(chǔ)備浮力;其二，結(jié)構(gòu)功能一體化，在保證艦船結(jié)構(gòu)承載的前提下可實(shí)現(xiàn)多樣性能設(shè)計(jì)，諸如防護(hù)、聲學(xué)、減振、雷達(dá)等;其三，耐腐蝕，可滿足高鹽、高濕、紫外等惡劣海洋環(huán)境要求;其四，良好的隔熱性、沖擊韌性，可實(shí)現(xiàn)船體無(wú)縫連接，進(jìn)一步在光滑船體上覆蓋其他色彩[2]。

2 ?復(fù)合材料在艦船建造中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

復(fù)合材料在艦船建造中的應(yīng)用可追溯至20世紀(jì)40年代，美國(guó)是率先將復(fù)合材料應(yīng)用于艦船建造的國(guó)家，由此也開啟了復(fù)合材料用以艦船建造材料的篇章，隨后其他眾多國(guó)家紛紛加入到復(fù)合材料應(yīng)用行列中，復(fù)合材料在艦船建造中的應(yīng)用研究得以變得越來(lái)越廣泛深入。起初，復(fù)合材料在艦船建造中的應(yīng)用普遍集中于軍事領(lǐng)域，而伴隨社會(huì)的不斷進(jìn)步，復(fù)合材料應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。如今，諸如小型漁船、快艇等各式各樣類型的艦船建造均引入了復(fù)合材料，一些大型艦船更將復(fù)合材料用作船殼、甲板、上層建筑等建造的重要材料。在艦船建造中復(fù)合材料的應(yīng)用研究不斷展開，即便研究發(fā)展時(shí)間并不長(zhǎng)，然而所收獲的應(yīng)用研究成效已超過近百年的金屬艦船制造。近年來(lái)，我國(guó)艦船建造中復(fù)合材料的應(yīng)用研究成效有目共睹，然而在一系列客觀因素的影響下，其發(fā)展水平相較于發(fā)達(dá)國(guó)家仍舊存在不小的差距。同時(shí)，因?yàn)楫?dāng)前我國(guó)還沒有建立起艦船建造復(fù)合材料生產(chǎn)應(yīng)用的完善產(chǎn)業(yè)鏈，使得很大一部分復(fù)合材料有賴于國(guó)外進(jìn)口，成本十分昂貴。除此之外，我國(guó)在復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝及復(fù)合材料應(yīng)用的艦船建造設(shè)計(jì)上還存在一系列問題，因?yàn)榕灤瑥?fù)合材料無(wú)損檢測(cè)工作依舊不夠完善，復(fù)合材料應(yīng)用還存在一定的局限性，由此要求相關(guān)人員要加大研究力度。

3 ?復(fù)合材料在艦船建造中的應(yīng)用進(jìn)展

3.1 樹脂基復(fù)合材料在船體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

船體結(jié)構(gòu)建造通常對(duì)強(qiáng)度、剛度等方面提出了較為嚴(yán)格的要求，采用的材料多以纖維增強(qiáng)熱固性塑料為主，且主要包括玻璃纖維增強(qiáng)熱固性樹脂，其比強(qiáng)度約可達(dá)到鋼材的2～3倍，并且還可實(shí)現(xiàn)塑料的耐蝕性、介電性能。而對(duì)于更多采用了先進(jìn)的高性能纖維，諸如碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯等纖維及其織物的復(fù)合材料，可實(shí)現(xiàn)更可觀 的比強(qiáng)度、比模量。而在于基體樹脂方面，現(xiàn)階段常用的包括有環(huán)氧樹脂、乙烯基酯、不飽和聚酯等，可滿足多種不同艦船的多樣需求[3]。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在船體上的應(yīng)用主要適用于快艇、游艇、客船、漁船、救生艇等艦船種類。除此之外，在艦船建造中纖維增強(qiáng)樹脂基符合材料還可應(yīng)用于艦船上層建筑、二級(jí)結(jié)構(gòu)中。

3.2 玻璃鋼/復(fù)合材料在艦船建造中的應(yīng)用

玻璃鋼/復(fù)合材料作為一種新型功能材料，其可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)均質(zhì)材料所不可比擬的優(yōu)質(zhì)綜合性能。歷經(jīng)長(zhǎng)期的專門研究，玻璃鋼/復(fù)合材料得以在全球眾多國(guó)家地區(qū)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，并在建筑、軍事、艦船、航天等領(lǐng)域得到廣泛推廣。近些年，在眾多發(fā)達(dá)國(guó)家的推動(dòng)下，玻璃鋼/復(fù)合材料在艦船建造中的應(yīng)用收獲了飛速發(fā)展，并逐漸形成了有別于傳統(tǒng)木質(zhì)、鋼質(zhì)等艦船的獨(dú)特設(shè)計(jì)、建造及質(zhì)量控制技術(shù)?，F(xiàn)階段，玻璃鋼/復(fù)合材料不僅主要作用于建造獵掃雷艦艇，也是中小型艦船上層建筑建造的最理想材料選擇，還是中小型隱身艦船極具潛力的結(jié)構(gòu)隱身材料，還是中小型高速高性能艦船建造的最適用材料。

3.3 復(fù)合材料在艦船推進(jìn)器上的應(yīng)用

首先，復(fù)合材料在艦船螺旋槳上的應(yīng)用。前蘇聯(lián)于20世紀(jì)60年代便將1個(gè)直徑為2m的復(fù)合材料螺旋槳裝置用于一艘漁船上，70年代又將一個(gè)直徑為6m的復(fù)合材料螺旋槳裝置于一艘大型商業(yè)艦船上。英國(guó)有公司如今成功完成了全球最大的復(fù)合材料螺旋槳的海上測(cè)試，該復(fù)合材料螺旋槳直徑達(dá)到2.9m，相較于傳統(tǒng)鎳鋁銅合金材料螺旋槳其重量顯著更輕。其次，復(fù)合材料在艦船推進(jìn)軸系上的應(yīng)用。瑞典有公司于20世紀(jì)80年代末展開對(duì)復(fù)合材料推進(jìn)軸的研究，并研究評(píng)估了數(shù)以千計(jì)的材料復(fù)合及表面處理方法，以期得到推進(jìn)軸的最理想性能，如今全球眾多國(guó)家的游艇、商船、軍艦等均采用由其生產(chǎn)的復(fù)合材料推進(jìn)軸，傳輸功率為12MW，可承載轉(zhuǎn)矩為200kN·m[4]。

4 ?結(jié)語(yǔ)

歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，我國(guó)已建成了100余種復(fù)合材料艦船，產(chǎn)品包括有游艇、漁船、賽艇、漁船、巡邏艇等多種品種。復(fù)合材料有著傳統(tǒng)材料所不可比擬的優(yōu)勢(shì)，但其在艦船建造中的應(yīng)用成效還有待進(jìn)一步提高。因此，相關(guān)人員必須要加大研究力度，提高對(duì)復(fù)合材料優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)及艦船用復(fù)合材料分類的明確認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)對(duì)復(fù)合材料在艦船建造中應(yīng)用研究現(xiàn)狀的深入分析，不斷推進(jìn)復(fù)合材料在艦船建造中的科學(xué)合理應(yīng)用，積極促進(jìn)我國(guó)艦船建造事業(yè)的有序健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 王凱歌，張新宇.淺析復(fù)合材料在艦船建造中的應(yīng)用前景[J].門窗，2014，27（10）：140.

[2] 賀遠(yuǎn)松，羅凱，曹明法.玄武巖纖維復(fù)合材料在船艇中的應(yīng)用技術(shù)研究[J].船舶，2014，12（4）：49-54.

[3] FIORE V， BELLA G D， VALENZA A. Glass–basalt/epoxy Hybrid Composites for Marine Applications[J].Materials & Design，2010，32（4）：2091-2099.

[4] 康逢輝，吳醫(yī)博，楊瑞瑞，等.阻尼復(fù)合材料在艦船筏架中的應(yīng)用研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2018，40（7）：58-62.