纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在船舶和海洋工程中的應(yīng)用

袁牧歌

(湖北華強(qiáng)科技有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443003)

復(fù)合材料是由兩種和兩種以上不同理化性質(zhì)的材料以特定的形式，分布和比例設(shè)計(jì)制造而成的人造材料。復(fù)合材料在克服單一材料缺點(diǎn)的同時(shí)保持了各組分材料的優(yōu)點(diǎn)，而且還能因?yàn)楦鹘M分的關(guān)聯(lián)互補(bǔ)產(chǎn)生原材料所不具有的獨(dú)特性能。按照增強(qiáng)材料的不同，復(fù)合材料可分為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料和板狀增強(qiáng)復(fù)合材料。而在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，則可按照基體材料的區(qū)別分為聚合物基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、金屬基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和無機(jī)非金屬基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(主要陶瓷、水泥等)。目前，纖維增強(qiáng)金屬材料和纖維增強(qiáng)無機(jī)非金屬材料尚處在開發(fā)階段，仍有許多亟待解決的問題。而聚合物基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用已相對(duì)成熟。

纖維增強(qiáng)樹脂(FRP)在聚合物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料領(lǐng)域中占有重要的地位，其產(chǎn)品在航天，船舶，汽車等工業(yè)中的應(yīng)用十分廣闊。樹脂基纖維增強(qiáng)材料的基體有兩種，其一為熱塑性樹脂(如聚酰胺、熱塑性聚氨酯等)，另一種為熱固性樹脂(如環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂等)。增強(qiáng)纖維有玻璃纖維，凱夫拉纖維，碳纖維等。通常，玻璃纖維由于其低廉的成本在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。而使用高性能的碳纖維，凱夫拉纖維增強(qiáng)的先進(jìn)復(fù)合材料則多用于航天航空，船舶海洋，軍事，體育等領(lǐng)域。

與傳統(tǒng)的金屬材料相比，纖維增強(qiáng)樹脂中基體和纖維的密度相對(duì)較小，而軸向強(qiáng)度高，因此纖維增強(qiáng)樹脂具有高軸向比強(qiáng)度和比模量的特點(diǎn)，也因?yàn)槠錁渲w(環(huán)氧樹脂等)具備了良好的耐腐蝕、抗疲勞性能，纖維增強(qiáng)樹脂也得到了相對(duì)優(yōu)良的耐腐蝕、抗疲勞性。且由于纖維增強(qiáng)樹脂的高比強(qiáng)度、高比模量的特點(diǎn)，有效降低了產(chǎn)品自重，不僅能節(jié)約能源，更易于施工。因?yàn)楹Ｑ箢I(lǐng)域?qū)τ诓牧系男阅苡刑厥獾囊?，如，耐腐蝕性、輕質(zhì)性。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料憑借其自身優(yōu)勢(shì)在海洋領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景。目前，國內(nèi)外軍用、民用船舶制造商，海洋工程開發(fā)商對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研發(fā)及應(yīng)用產(chǎn)生了濃厚的興趣。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在船舶制造、海洋油氣開發(fā)、海洋工程等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮越來越重要的作用。

1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在船舶建造上的應(yīng)用

根據(jù)工信部裝備工業(yè)司對(duì)我國造船三大指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)，2018年，我國造船完工量為3458萬載重噸；新承接船舶訂單量為3667萬載重噸；手持船舶訂單量則為8931萬載重噸。同時(shí)，以載重噸計(jì)，我國造船三大指標(biāo)均占國際市場(chǎng)份額的40%以上。以修正總噸計(jì)，2018年我國造船完工量、新接訂單量、手持訂單量分別占國際市場(chǎng)份額的36.3%、35.4%和35.8%[1]，繼續(xù)保持世界領(lǐng)先水準(zhǔn)。同時(shí)，根據(jù)習(xí)近平主席提出的“努力建設(shè)一支強(qiáng)大的現(xiàn)代化海軍”的方針戰(zhàn)略，未來5年，中國的船舶工業(yè)仍然有著廣闊的發(fā)展前景，這段時(shí)期也是重要的戰(zhàn)略機(jī)遇期。

1.1 民用船舶

目前，F(xiàn)RP漁船是國內(nèi)外漁船的主流方向。在歐美發(fā)達(dá)沿海國家，木質(zhì)和金屬制中小型漁船已經(jīng)基本淘汰，F(xiàn)RP漁船的占比已經(jīng)高達(dá)80%-90%。其中，美國的近海漁船已經(jīng)全部更換為FRP漁船，每年用于制造漁船的FRP總量超過20萬噸。日本的FRP漁船起步較晚，但通過木質(zhì)漁船F(xiàn)RP改造，2008年，其FRP漁船的保有量為35萬艘，占日本漁船總量的90%。而我國FRP漁船占有率仍處在較低水平，截至2013年，全國20米以上純復(fù)合材料作業(yè)漁船不足500艘，所有尺度總和約為兩萬余艘僅占漁船總量的1%左右[2]。因此，F(xiàn)RP漁船在我國仍有非常大的發(fā)展空間和潛力。

FRP漁船的主流材料為玻璃纖維增強(qiáng)樹脂，俗稱玻璃鋼。相比于木材和金屬材料，玻璃鋼在滿足力學(xué)性能要求的同時(shí)，具有自重小，耐鹽水腐蝕，隔熱性能好，可設(shè)計(jì)性好等特點(diǎn)。在航行性能方面，玻璃鋼船體通常為一次成型，表面光潔度高，有效降低了粘性阻力，提高了船舶的快速性，也減少了燃油的消耗。在同尺寸同功率的情況下，玻璃鋼漁船的航速比鋼制漁船提高了0.5-1節(jié)[2]。同時(shí)，因?yàn)椴Ａт摰谋葟?qiáng)度高，在其他參數(shù)相同的情況下，玻璃鋼漁船的壓載重心更低，在波浪中穩(wěn)定性更強(qiáng)，抗風(fēng)能力更好。在經(jīng)濟(jì)性方面，由于玻璃鋼質(zhì)輕高強(qiáng)，航行阻力小的特點(diǎn)，燃油消耗比同尺寸的鋼制、木質(zhì)漁船更小。玻璃鋼本身耐腐蝕，抗老化的優(yōu)點(diǎn)也增加了玻璃鋼漁船的壽命。通常鋼制漁船的壽命在10-15年左右，且每年都需要進(jìn)行定期維護(hù)。而玻璃鋼漁船的理論壽命一般在50年左右，維護(hù)頻率和費(fèi)用也遠(yuǎn)低于鋼制漁船。玻璃鋼優(yōu)良的隔熱性減少了冷藏冰的消耗，相比于其他材質(zhì)的漁船，節(jié)冰高達(dá)20-40%[2]。因此，玻璃鋼漁船的經(jīng)濟(jì)性和航行性均優(yōu)于鋼制或木質(zhì)漁船。

游艇作為一種水上娛樂高端耐用消費(fèi)品，對(duì)耐用性，安全性，快速性都有更高的要求。過去，復(fù)合材料游艇大多使用玻璃纖維增強(qiáng)樹脂。但由于玻璃纖維增強(qiáng)樹脂的剛度不足，同時(shí)玻璃纖維是致癌物質(zhì)，力學(xué)性能、安全性更好的先進(jìn)復(fù)合材料(碳纖維增強(qiáng)樹脂、芳綸纖維增強(qiáng)樹脂)開始逐步取代傳統(tǒng)的玻璃纖維增強(qiáng)樹脂。例如，于2014年4月試水的“中科聯(lián)亞”號(hào)，其船體幾乎100% 碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。相比于同尺寸的玻璃纖維增強(qiáng)樹脂游艇，其重量減輕了30%，航速增加20%，燃料節(jié)省20%以上。此外，碳纖維/芳綸纖維復(fù)合材料不僅僅能用于制造船體，也可用于制造主承力構(gòu)件或功能構(gòu)件。例如，意大利Perini Navi公司旗下的YildizGemi造船廠承造的“馬耳他獵鷹”號(hào)，作為世界三大私家帆船之一，其三根桅桿每根高達(dá)58.5米，重25噸，均為碳纖維復(fù)合材料制成，在保證強(qiáng)度和剛度的同時(shí)，大大減輕了重量[3]。波蘭帆船廠Sunreef Yachts建造的雙體帆船Sunreef 80不僅桅桿吊桿使用了碳纖維復(fù)合材料，其艙壁使用了PVC泡沫碳纖維復(fù)合材料，船體則使用玻璃鋼材料，空載重量?jī)H為45t，最大航速20節(jié)以上。

1.2 軍用船舶

軍用艦船為了適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需求，不僅對(duì)材料的基本性能(力學(xué)性能、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等)有更高的標(biāo)準(zhǔn)，還對(duì)電、磁、聲等性能有一定的需求。而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為一種能滿足這種需求的新材料，越來越受到國內(nèi)外海軍的重視。上個(gè)世紀(jì)80年代，美國就建造出了以玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂材料為船體的MSH-1“紅衣主教”級(jí)近海掃雷艦，在90年代又推出MHC-51“鶚”級(jí)近海獵雷艇作為其替代型號(hào)。由于玻璃鋼本身沒有磁性，可以有效減少磁信水雷的觸發(fā)率。而在歐洲，英國不僅僅也用玻璃鋼建造出了大型掃雷艇，更于90年代使用更先進(jìn)的凱夫拉纖維增強(qiáng)樹脂取代了玻璃鋼艇殼建造了“施培正”號(hào)巡邏艇，自重明顯減輕，僅為原來的80%。

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)隱身性能的需求越來越高，碳纖維復(fù)合材料可以通過改性或調(diào)整碳纖維的排布、間距、截面來產(chǎn)生良好的透波、吸波性能。例如，根據(jù)甘永學(xué)[4]等的研究，短切鍍鎳碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的吸波性能相比普通連續(xù)碳纖維復(fù)合材料，其吸波性能有了明顯的提高。而根據(jù)趙東林[5]等的研究，異截面碳纖維的擁有很高的介電損耗和較高的磁損耗，是一種十分有前景的吸波碳纖維。因此，使用特殊碳纖維復(fù)合材料來建造船舶的上層建筑不僅可以減重，更可以提高艦船的隱身性能。早在1991年，瑞典海軍使用PVC泡沫、玻璃纖維和碳纖維的夾芯復(fù)合材料研制出了世界上第一艘復(fù)合材料試驗(yàn)艦“斯米格”號(hào)，這種特殊的復(fù)合材料使艦船抗紅外和抗雷達(dá)掃描能力得到了極大的提高。1999年4月，挪威皇家海軍研制了“Skjold”級(jí)雙體導(dǎo)彈快速巡邏艇，該巡邏艇的艇身是由多層玻璃纖維/石墨增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料制成，并輔以大量的吸波涂料。同時(shí)，上層建筑也多由碳纖維復(fù)合材料制成，比強(qiáng)度高，抗沖擊性能好，減少了自重，其機(jī)動(dòng)性和隱身性均得到了保證。

1.3 船舶推進(jìn)器

而在船舶推進(jìn)系統(tǒng)方面，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂是船舶螺旋槳槳葉的理想材料，已經(jīng)成為船舶推進(jìn)系統(tǒng)的主要方向之一。傳統(tǒng)的螺旋槳槳葉一般為鎳鋁銅合金(NAB)，雖然NAB材料相比其他金屬材料有耐腐蝕、防海洋生物附著、易于加工等優(yōu)點(diǎn)，然而NBA材料也有質(zhì)量重、空泡剝蝕、易疲勞、振動(dòng)噪聲大的問題。而復(fù)合材料的特點(diǎn)就是質(zhì)輕高強(qiáng)，因此當(dāng)用來設(shè)計(jì)復(fù)合螺旋槳時(shí)，螺旋槳過重的問題得到了有效的抑制，槳葉的厚度有相對(duì)較大的空間來調(diào)整，從而達(dá)到最理想的空泡性能。根據(jù)前蘇聯(lián)專家的實(shí)驗(yàn)[6]，相同尺寸、形狀的復(fù)合材料螺旋槳和金屬螺旋槳，復(fù)合材料螺旋槳的主機(jī)/槳軸的振動(dòng)和噪聲比金屬螺旋槳有明顯的降低。

自重是影響船只性能的主要問題之一，因此，降低自重也是提高船只性能的重要手段。一般情況下，傳統(tǒng)的金屬推進(jìn)系統(tǒng)重量大，約占船舶總重的2%[6]。使用碳纖維復(fù)合材料替代傳統(tǒng)金屬槳、金屬軸系可以有效降低船只自重，還能解決推進(jìn)系統(tǒng)中的海水腐蝕問題。2014年，日本“太鼓丸”號(hào)嘗試換裝了碳纖維復(fù)合材料螺旋槳，也是世界第一套商用碳纖維復(fù)合材料槳。因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料螺旋槳的重量遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)金屬槳，其推進(jìn)軸的軸徑也得到了縮減，自重顯著減少，燃油耗費(fèi)降低。根據(jù)日本海事協(xié)會(huì)的報(bào)告，換裝了碳纖維復(fù)合材料螺旋槳的“太鼓丸”號(hào)比裝配NBA螺旋槳時(shí)期，動(dòng)力需求減少了9%。

1.4 其他方面

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在船舶系統(tǒng)的其他方面使用也十分廣泛。例如，因?yàn)槔w維增強(qiáng)復(fù)合材料質(zhì)輕高強(qiáng)和耐腐蝕耐酸堿的特性，艦船中的管道系統(tǒng)多使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。除此之外，在船舵、船用裝備、船舶內(nèi)飾等方面也有應(yīng)用。

2 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在海洋工程上的應(yīng)用

海洋工程的工程主體大都是位于海上或海岸線向海一側(cè)。而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在保證了基本力學(xué)性能的同時(shí)，由于其良好的可設(shè)計(jì)性、易施工性、耐疲勞、耐腐蝕等特點(diǎn)，在海洋工程中(如海上油氣平臺(tái)、海洋風(fēng)電、浮島等)擁有特殊的優(yōu)勢(shì)。

2.1 海洋油氣

根據(jù)第三次全國油氣資源評(píng)價(jià)報(bào)告，我國近海地區(qū)石油資源儲(chǔ)量為107.4億噸，天然氣資源儲(chǔ)量8.1萬億立方米[7]。同時(shí)，根據(jù)中國海洋石油總公司的報(bào)告，截至2016年，國內(nèi)海域共有197個(gè)油氣田獲國家批準(zhǔn)，121個(gè)油氣田已在生產(chǎn)，石油年產(chǎn)量為5763萬噸，天然氣產(chǎn)量為120億立方米[8]。海洋油氣開發(fā)仍然擁有十分廣闊的前景。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為一種能滿足海洋資源開發(fā)領(lǐng)域需求的材料，在海洋油氣方面的應(yīng)用越來越廣。

玻璃纖維增強(qiáng)樹脂作為一種耐海水腐蝕，價(jià)格低廉的材料，通過纖維濕法纏繞工藝大量應(yīng)用于海洋鉆井平臺(tái)的低壓管道，低壓容器等設(shè)備中。例如，隸屬于英國石油總公司的Dunbar平臺(tái)就使用玻璃鋼引油管代替原本的碳鋼引油管，其成本從150萬英鎊減少為40萬英鎊[9]。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因?yàn)槠鋬?yōu)異的理化性能和相對(duì)昂貴的價(jià)格，更多的應(yīng)用于海洋油氣開發(fā)的關(guān)鍵部件。早在上世紀(jì)90年代，美國就利用碳纖維和不飽和聚酯研制出碳纖維增強(qiáng)樹脂(CFRP)推油桿。該CFRP推油桿使用拉擠成型法生產(chǎn)，單根長(zhǎng)度可達(dá)3km，有效克服了傳統(tǒng)鋼制推油桿因?yàn)槠浣庸拷Y(jié)構(gòu)帶來的缺陷。同時(shí)，更輕的自重，更小的截面積，更長(zhǎng)的工作壽命，有效提高了工作效率減少了運(yùn)作成本。

臍帶管是一種由集束電纜(供電、通訊)和鋼管單元為主要部分用塑料管包裹的中空管纜。臍帶管作為深海油氣開采的重要設(shè)備之一，對(duì)于材料的力學(xué)性能和自重有嚴(yán)苛的要求。在水深超過2000m時(shí)，若使用傳統(tǒng)的鋼管，其自重和海水波動(dòng)產(chǎn)生的張力載荷會(huì)使鋼材拉伸變形，如果形變量過大，臍帶管中的集束電纜就會(huì)繃斷。而如果通過增加臍帶管內(nèi)部鋼管的壁厚或者鋼管數(shù)量的方法來加強(qiáng)抗張能力減少形變，則過大的自重會(huì)使臍帶管斷裂。質(zhì)輕高強(qiáng)的CFRP加強(qiáng)桿作為傳統(tǒng)鋼管的替代品，在達(dá)到相同效果的情況下，減少重量達(dá)80%，改善了臍帶管的變形問題，壽命顯著增加。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料還廣泛應(yīng)用于海洋平臺(tái)錨泊系纜、采油/輸送立管。質(zhì)輕高強(qiáng)，易于安裝，免維護(hù)壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)使其成為深海采油平臺(tái)系纜和立管的理想材料。

2.2 海洋風(fēng)電

風(fēng)力發(fā)電作為一種可再生的綠色能源，在清潔能源領(lǐng)域占有重要地位。2013年，國務(wù)院發(fā)布的《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》第四條提出，要加快調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，增加清潔能源供應(yīng)[10]。2018年我國非化石能源消費(fèi)比重已提高到14.3%，預(yù)計(jì)到2020年年底，我國的風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)容量有望提高到260GW，成為僅次于水力發(fā)電的非化石能源。風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)在未來仍有很大的發(fā)展?jié)摿?。目前，國?nèi)外主流風(fēng)電仍以低速陸地風(fēng)電為主。海上風(fēng)電資源雖然豐富，但海洋環(huán)境對(duì)風(fēng)電機(jī)組有更高的要求，安裝成本明顯高于陸地風(fēng)電。因此，為了提高海上風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)效率，減少使用成本，風(fēng)葉大型化是目前海上風(fēng)電發(fā)展的主要趨勢(shì)。

大型風(fēng)葉的捕風(fēng)能力更強(qiáng)，發(fā)電效率更高，但對(duì)材料比強(qiáng)度、剛度、耐疲勞和耐潮濕方面有更高的要求。傳統(tǒng)的玻璃鋼風(fēng)葉因?yàn)閯偠炔蛔悖⒉贿m合作為大型風(fēng)葉的材料。而碳纖維增強(qiáng)樹脂在這方面能夠完全滿足上述需求，是大型風(fēng)葉的理想材料。碳纖維的密度僅為玻璃纖維的70%，而拉伸強(qiáng)度比玻璃纖維的1.5倍以上，彈性模量更是玻纖的3-8倍。但由于碳纖維的價(jià)格高昂，目前碳纖維僅用于風(fēng)葉的關(guān)鍵部分，如葉根、主梁帽、前后緣等位置。顯著改善了葉片共振、主梁帽層間失效、葉根疲勞失效等問題。

3 結(jié)語

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因?yàn)槠滟|(zhì)輕高強(qiáng)、抗疲勞的特點(diǎn)在航天工業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)趨近成熟，然而在船舶和海洋領(lǐng)域中的應(yīng)用相對(duì)較晚。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料優(yōu)異的耐海水腐蝕性、抗疲勞等特點(diǎn)，使其在船舶和海洋領(lǐng)域擁有十分廣闊的發(fā)展前景。目前，制約纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，尤其是先進(jìn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料規(guī)?；瘧?yīng)用的主要問題是制造成本，但不難預(yù)見，隨著先進(jìn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造成本的降低，使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可以有效降低整體運(yùn)營成本，在提高安全可靠性的同時(shí)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。隨著我國海軍事業(yè)的發(fā)展和海洋資源的不斷開發(fā)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的大規(guī)模應(yīng)用可以說是一種必然趨勢(shì)。