纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用綜述

摘" 要： 纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（fiber reinforced polymer， FRP）因其具有耐化學(xué)腐蝕和耐候性好等優(yōu)異性能，其大面積使用能夠?qū)崿F(xiàn)船舶的高航速、低排放、遠(yuǎn)續(xù)航，進(jìn)而成為現(xiàn)代造船的理想材料之一.文中主要從成型工藝、應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)三個(gè)方面對(duì)FRP在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行概述與分析.首先，基于對(duì)多類型船用FRP復(fù)雜制備工藝的概述，統(tǒng)計(jì)了最常用的船舶FRP性能參數(shù)及分析了各類型FRP的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)；然后，根據(jù)FRP在船舶上的不同應(yīng)用場景，對(duì)其在船體制造的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)概述.最后，依據(jù)現(xiàn)代船舶裝備發(fā)展需求，從船舶制造技術(shù)發(fā)展方向、應(yīng)用場景及結(jié)構(gòu)化發(fā)展等方面對(duì)船舶FRP應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了全面分析.

關(guān)鍵詞： 纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料；船舶；應(yīng)用現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TB324""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：T""""" 文章編號(hào)：1673-4807（2024）01-027-09

DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.01.005

收稿日期： 2022-04-20""" 修回日期： 2021-04-29

基金項(xiàng)目： 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52105450）；江蘇省高校基金項(xiàng)目（21KJB460016）

作者簡介： 劉" 勇（1991—），男，博士，講師， 研究方向?yàn)閺?fù)合材料的跨尺度分析.E-mail：liuyong.1991.happy@just.edu.cn

引文格式： 劉" 勇，李倩楠，李國超，等.纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用綜述［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，38（1）：27-35.DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.01.005.

Application of fiber reinforced resin matrix composites in vessels：A review

LIU Yong， LI Qiannan， LI Guochao， ZHOU Honggen

（School of Mechanical Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212100， China）

Abstract：Due to the excellent properties of fiber reinforced polymer （FRP）， such as chemical corrosion resistance and good weather resistance， it has become one of the ideal materials to build modern vessels for achieving outstanding performance， for instance， high speed， low emission and long endurance， etc. The focus of this paper is to summarize and analyze the application prospects of FRP in vessel’s domain from three aspects： forming process， application status and development trend. Firstly， based on the overview of the complex preparation process of multi-type vessel FRP， the performance parameters of the most commonly FRP that used in the vessel are counted， while the application advantages of each type of FRP are analyzed as well. Then， according to the different application scenarios of FRP on vessels， the application status of FRP in vessel’s manufacture is summarized in detail. Finally， according to the development needs of modern ship equipment， the application development trend of vessel FRP is comprehensively overviewed from the aspects of the development direction of shipbuilding technology， application scenarios and structural development， etc.

Key words：fiber reinforced polymer， vessel， application status， development trend

隨著船舶制造業(yè)的發(fā)展，未來船舶將追求更大的有效負(fù)載、更高的效率、更強(qiáng)的綜合能力、更低的全壽期費(fèi)用.因此重量輕、比強(qiáng)度和比剛度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學(xué)腐蝕和耐候性好的復(fù)合材料將成為未來船舶制造設(shè)計(jì)使用的最佳選擇之一［1］.在現(xiàn)代船舶復(fù)合材料應(yīng)用中，“復(fù)合材料”代表的不再是傳統(tǒng)意義上的玻璃鋼層合板［2］，各種高性能纖維（碳纖維、芳綸纖維和高強(qiáng)聚乙烯纖維等）和樹脂（改性環(huán)氧和酚醛等適用于海洋環(huán)境的低成本樹脂體系）不斷涌現(xiàn)，適宜于船舶構(gòu)件的低成本先進(jìn)制造技術(shù)［3］（RTM及真空輔助成型）也在不斷發(fā)展.纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（fiber reinforced polymer， FRP）作為結(jié)構(gòu)材料和功能材料在船舶行業(yè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用［4］.據(jù)統(tǒng)計(jì)，F(xiàn)RP約占船舶總體建造材料的40%～60%.船用FRP的性能對(duì)船舶的性能、安全與速度息息相關(guān)［5］.例如，世界上第一艘水翼艇Candela Seven被用于研究船用FRP對(duì)船體結(jié)構(gòu)摩擦阻力和動(dòng)力性影響，結(jié)果表明FRP的應(yīng)用范圍及其制造工藝的優(yōu)良一定程度上決定著船舶的使用壽命與維護(hù)費(fèi)用［6］.

隨著現(xiàn)代化先進(jìn)船舶研制的需要，船用FRP在有著特殊要求的海洋領(lǐng)域的應(yīng)用前景中同樣不容小覷，大量的FRP將應(yīng)用在現(xiàn)代化先進(jìn)船舶上以提高船體結(jié)構(gòu)的抗疲勞性、耐腐蝕性.但當(dāng)前我國船用復(fù)合材料在設(shè)計(jì)、建造、工藝、檢驗(yàn)等技術(shù)對(duì)于滿足我國船舶復(fù)合材料研制和應(yīng)用需要還有發(fā)展空間［7］.因此，文中圍繞船用FRP的性能特點(diǎn)，總結(jié)歸納船用FRP應(yīng)用現(xiàn)狀、基于調(diào)研分析出其發(fā)展趨勢(shì)，總結(jié)今后發(fā)展的重點(diǎn)任務(wù).

1" FRP概述

船用FRP因其優(yōu)異性能使得它能滿足船舶結(jié)構(gòu)向大型、重載、輕質(zhì)高強(qiáng)以及在惡劣海洋環(huán)境下工作的需要［8］，同時(shí)也能滿足現(xiàn)代船舶智能化和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的需求，使船舶船體結(jié)構(gòu)在保證自身強(qiáng)度的前提下大幅度減輕了整體重量，提高了船舶的整體性能［9］.因此被越來越廣泛地應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)，如軍用艦艇［10］和民用船舶中.船舶FRP的應(yīng)用大致經(jīng)歷3個(gè)階段：第一階段，主要在小型船舶（掃雷艇等）上使用，性能要求低，可整體成型；第二階段，在大、中型船舶上得到部分使用，但仍局限于傳統(tǒng)的船體設(shè)計(jì)的使用理念，F(xiàn)RP在船舶中僅起到減輕質(zhì)量、提高部件耐腐蝕能力等輔助作用；第三階段，船舶在設(shè)計(jì)之初就多方面考慮使用中所面臨的多種復(fù)雜情況，使用FRP作為主要船體材料，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)金屬材料難以實(shí)現(xiàn)的功效.目前船用FRP已經(jīng)突破第二階段，朝向第三階段發(fā)展.

1.1" 船用FRP參數(shù)屬性

船用FRP以聚合物基復(fù)合材料為主，包含4個(gè)方面的重要復(fù)合物：增強(qiáng)材料（纖維）、樹脂（即基體）、芯層材料和層合板.纖維作為增強(qiáng)材料，是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的主要組成部分，F(xiàn)RP所用纖維尺度很小，一般直徑在10""" μm以下，缺陷少且具有較高的強(qiáng)度和模量，單種纖維間是松散的，只能承受拉力，不能承受彎曲、剪切和壓應(yīng)力，其斷裂應(yīng)變約為千分之三十以內(nèi)，是脆性材料，易損傷、斷裂和受到腐蝕.基體材料往往采用具有粘彈性和彈塑性的韌性材料，其相較于纖維可承受較大的應(yīng)變，并起到結(jié)合和保護(hù)纖維材料的作用，對(duì)維持復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的整體性和一致性具有重要作用.用樹脂將纖維粘結(jié)在一起既能承受拉應(yīng)力，又可承受彎曲、壓縮和剪切應(yīng)力.FRP的抗拉強(qiáng)度一般是鋼筋的2倍甚至達(dá)10倍.FRP的抗剪強(qiáng)度低，其強(qiáng)度僅為抗拉強(qiáng)度的5%～20%.比強(qiáng)度很高，即通常所說的輕質(zhì)高強(qiáng)，因此采用FRP材料可減輕結(jié)構(gòu)自重，施工方便，其重量一般為鋼材的20%.船舶結(jié)構(gòu)選用FRP結(jié)構(gòu)件的主要原因是其可根據(jù)需求設(shè)計(jì)相關(guān)材料性能的優(yōu)勢(shì)［11］.目前，船舶常用FRP及其力學(xué)性能如表1.

從表1中可以看出，樹脂材料和纖維材料相較于芯材和層壓板具有較大的密度和突出的拉伸模量值［12］，在拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)等受力形式下產(chǎn)生的載荷主要由復(fù)合材料面板承受.在芯材厚度增加時(shí)，復(fù)合材料層壓板的截面彎曲剛度增加，而整體結(jié)構(gòu)重量增加并不明顯.FRP內(nèi)的樹脂與纖維的結(jié)合，使它具有更加優(yōu)越的性能.因此船舶建造中廣泛應(yīng)用FRP等新型功能結(jié)構(gòu)材料以降低船舶整體重量、提高耐疲勞、耐蠕變性能、耐化學(xué)腐蝕.

1.2" 船用FRP成型工藝

船用FRP可以通過增強(qiáng)纖維材料與基體材料經(jīng)過模壓成型、拉擠成型、纏繞成型等多種成型工藝（圖1）制備［13］而成，主要成型工藝如圖2［14］.目前最先進(jìn)的成型工藝是增材制造技術(shù)，也被稱之為快速成型技術(shù)/3D打印技術(shù)［15］.3D打印碳纖維增強(qiáng)高分子，尤其是連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性高分子，在輕量化、高性能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的低成本、高效率制造有巨大潛力.Moi Composites制造的MAMBO是第一艘使用連續(xù)纖維增強(qiáng)材料與乙烯基酯樹脂（因其長期耐海水性而在船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)用中受到青睞）相結(jié)合的3D打印船，使MAMBO的船體結(jié)構(gòu)變得堅(jiān)固、耐用和輕質(zhì).

1.3" 船用FRP分類及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

船用FRP根據(jù)增強(qiáng)材料的不同，可分為碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）［16-17］，玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（GFRP）［18］以及芳綸纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（AFRP）［19］.

1.3.1" 碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料

CFRP是以碳纖維為增強(qiáng)材料，與樹脂材料一起經(jīng)過復(fù)合成型制成的結(jié)構(gòu)材料，相較于傳統(tǒng)材料在性能（比模量、比強(qiáng)度高、抗疲勞性好、以及優(yōu)良的耐熱性）、輕量化和不易侵蝕等幾方面存在優(yōu)勢(shì)［20］，近年來，碳纖維復(fù)合材料在船舶中的應(yīng)用呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)［21］，如圖3.據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年全球碳纖維應(yīng)用船舶占比1.1%，金額達(dá)到27.6百萬美元；國內(nèi)方面，碳纖維在船舶上年需求量達(dá)到1 200噸.例如，“海珠灣”號(hào)是亞洲在中國建造的第一艘碳纖維高速客船（圖4）.與傳統(tǒng)鋁合金船相比，“海珠灣”號(hào)可節(jié)省30%以上燃油，它的重量更輕、強(qiáng)度更高、航速更快.

CFRP在船舶上的應(yīng)用從船舶桅桿結(jié)構(gòu)到現(xiàn)在的100%碳纖維高速客船，CFRP在船舶上的應(yīng)用逐年增長.其應(yīng)用范圍擴(kuò)大的主要原因是船舶一直致力于提高航速和性能.CFRP在船舶上的應(yīng)用體現(xiàn)的不僅是船舶的先進(jìn)性，更是CFRP制造技術(shù)的先進(jìn)性.

1.3.2" 玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料

GFRP具有輕質(zhì)量、高強(qiáng)度、耐高低溫、耐腐蝕、隔熱、阻燃、吸音等優(yōu)異性能以及一定程度的可設(shè)計(jì)性［22］，GFRP成為第一艘應(yīng)用于交通艇的復(fù)合材料［23］.日本作為亞洲復(fù)合材料艦船制造大國，從20世紀(jì)中期就開始建造玻璃鋼船，隨著其造船技術(shù)越來越完善，如今日本的玻璃鋼船產(chǎn)量已躍居世界第2位，僅海洋機(jī)動(dòng)漁船的玻璃鋼用量就占76.3%.

1.3.3" 芳綸纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料

AFRP是一種新興的高性能合成纖維材料.其質(zhì)量輕而強(qiáng)度高，并且具有優(yōu)異的耐高溫和抗老化性能.AFRP帶來的強(qiáng)度性能的保障和實(shí)用結(jié)構(gòu)的輕量化，有效提升了船舶的反應(yīng)能力和殺傷力［24］.

2" 不同船舶FRP應(yīng)用現(xiàn)狀

從圖5可以看出，F(xiàn)RP在船舶中的應(yīng)用小到復(fù)合材料基座板，大到整個(gè)船體結(jié)構(gòu)，船舶的建造已經(jīng)和FRP息息相關(guān).基于船舶結(jié)構(gòu)的用途、材料屬性和結(jié)構(gòu)組成形式的不同，船舶結(jié)構(gòu)已由單一承載功能的結(jié)構(gòu)型復(fù)合材料向兼具防彈、隔聲、吸聲、阻尼、雷達(dá)隱身等特性的多功能型復(fù)合材料發(fā)展.船用FRP可發(fā)揮結(jié)構(gòu)減重、隔音降噪、隱身防護(hù)等優(yōu)勢(shì)，在船舶上層建筑、艙壁圍殼、螺旋槳、桅桿等結(jié)構(gòu)和設(shè)備上廣泛應(yīng)用.故而，船用FRP深受軍事艦艇的青睞，其應(yīng)用也最廣.

2.1" FRP在軍事艦艇上的應(yīng)用

自美國建造出世界第一艘聚酯玻璃鋼交通艇之后，各國陸續(xù)將復(fù)合材料應(yīng)用于軍事艦船中去，主要是軍事巡邏艇、掃雷艦、護(hù)衛(wèi)艦等.

2.1.1" 巡邏艇

船舶FRP在艦船上首次應(yīng)用是在巡邏艇上，早期由于制造精度和質(zhì)量的限制，巡邏艇的長度不超過15 m，排水不超過20 t，只能在內(nèi)陸河、沿海岸線進(jìn)行巡邏.后期隨著科技的發(fā)展，制造精度的提高，復(fù)合材料在巡邏艇中的應(yīng)用趨于大型整體.

第一艘全應(yīng)用GFRP的巡邏艇誕生于20世紀(jì)60年代初，由美國海軍制造，越戰(zhàn)期間在內(nèi)河上使用［25］.20世紀(jì)末，瑞典制造的第一艘FRP隱形試驗(yàn)艇“Smyge”號(hào)橫空出世，其艇長30 m，重量輕、耐腐蝕性好、抗水下沖擊載荷損傷能力強(qiáng)，而且具有許多隱身性能，包括低熱、低磁特征和良好的噪聲抑制性能［26］.

2008年，SD1388全復(fù)合材料高速艇標(biāo)志著我國首次成功將CFRP和GFRP應(yīng)用到了船艇上，打開了我國FRP艦艇建造的新篇章.新加坡皇家海軍和瑞典Kockums AB造船廠設(shè)計(jì)了新一代護(hù)衛(wèi)艦巡邏艇（NGPV）級(jí)，由FRP制成.設(shè)計(jì)的船長80 m，滿載重量1 016 t.FRP設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展使船舶長度穩(wěn)步增加.

FRP在巡邏艇上的應(yīng)用從不超過15 m的小型船體到目前全FRP船舶的長度可達(dá)80～90 m.2022年，完全由FRP制成的中型戰(zhàn)艦的船體很容易達(dá)到120～160 m的長度.然而，由于中型戰(zhàn)艦降低了制造成本，傳統(tǒng)材料（鋁和鋼）仍然是護(hù)衛(wèi)艦的主要選擇.

2.1.2" 掃雷艦

作為海上作戰(zhàn)先鋒的掃雷艦，F(xiàn)RP在其中的應(yīng)用更為廣泛.

20世紀(jì)中期，美國海軍為了克服建造反水雷艇所需的高質(zhì)量木材的稀缺問題，嘗試采用FRP蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造了一艘15.5 m長的反水雷艇XMSB-23.然而，由于建造質(zhì)量、力學(xué)性能和防水性能的原因，海水進(jìn)入到船體中導(dǎo)致無法執(zhí)行獵雷任務(wù).

20世紀(jì)中后期，英國海軍第一次應(yīng)用GFRP進(jìn)行造船.反水雷艦艇（mcmv）HMS Wilton，其船體長度46.6 m，滿載450 t，是當(dāng)時(shí)最大的全GFRP艦艇.GFRP雷艦艇能夠承受海洋中的極端工作條件，以及撞擊和火災(zāi)，GFRP雷艦艇還能夠抵抗局部屈曲，提供高船體梁剛度和出色的水下抗沖擊能力.

2012年進(jìn)行海試的俄羅斯海軍22350級(jí)護(hù)衛(wèi)艦首艦“戈?duì)柺部品蛏蠈ⅰ碧?hào)艦長135 m，寬16 m，航速30 kn，其上層建筑采用的FRP為碳纖維/聚氯乙烯樹脂，能夠有效地減少雷達(dá)波反射.同年下水的12 700型掃雷艦屬于俄羅斯海軍在21世紀(jì)的新一代反水雷艦艇.該掃雷艇上層建筑為世界上最大，由一塊真空注入成型工藝加工而成的GFRP料制成，是世界上最大的單體復(fù)合材料船.這種船體的重量比金屬船體輕得多，其強(qiáng)度卻更高，最重要的是，船體結(jié)構(gòu)具有高度的耐腐蝕性.同時(shí)，俄羅斯于2011年后開始使用大型FRP船體制造1 000 t的掃雷艇，并在2019年新增4艘新型掃雷艦［27］.

通過上述可以看出：FRP在掃雷艇上的應(yīng)用發(fā)展迅速，船型趨于大型結(jié)構(gòu)化，應(yīng)用部位趨于核心結(jié)構(gòu)件，將來會(huì)更加趨向一體化、整體化發(fā)展.

2.1.3" 護(hù)衛(wèi)艦

護(hù)衛(wèi)艦是FRP應(yīng)用最大的船體.輕型護(hù)衛(wèi)艦作為世界海軍的新秀，目前多個(gè)國家都在積極建造.

2002年，瑞典皇家海軍建造的維斯比（Visby）級(jí)護(hù)衛(wèi)艦［28］是第一艘在船體上大量使用CFRP的軍艦，也是世界上第一種以FRP取代鋼材作為艦體的海上艦艇之一，如圖6.其長72 m，寬10.4 m，滿載排水量620 t，采用碳纖維和玻璃纖維混合增強(qiáng)的聚合物薄板包覆聚氯乙烯芯層制成的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，使用真空灌注技術(shù)使艦艇重量降低約30%.添加了CFRP的結(jié)構(gòu)也使得維斯比級(jí)護(hù)衛(wèi)艦擁有了電磁防護(hù)功能.

FRP護(hù)衛(wèi)艦的設(shè)計(jì)和制造取得了很大進(jìn)展，但由于其材料的成本過高等原因，導(dǎo)致很長一段時(shí)間護(hù)衛(wèi)艦選材依然是低成本的鋼材.所以，降低復(fù)合材料制造成本是未來很長一段時(shí)間要做的事情.

FRP在海軍艦艇上應(yīng)用時(shí)具有如下突出的優(yōu)點(diǎn)：力學(xué)性能優(yōu)異、減輕船舶重量、耐腐蝕（可耐酸、堿、海水侵蝕）能力、優(yōu)良的聲、磁、電性能（透波、透聲性好，無磁性，介電性能優(yōu)良）、優(yōu)良的設(shè)計(jì)、施工性能、容易維護(hù)，維護(hù)費(fèi)用量遠(yuǎn)低于鋼制艇和木制艇.由于以上在船舶建造設(shè)計(jì)中不可忽視的優(yōu)異性能，使其在船舶上的應(yīng)用日益增長，隨著制備工藝和技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)RP在其上的應(yīng)用將不再局限于單只船舶手工制造，而是船舶生產(chǎn)線制造.

2.2" FRP在民用船舶上的應(yīng)用

FRP在民用船舶上的應(yīng)用從早期的漁船到現(xiàn)在的游艇、帆船的趨勢(shì)，可以看出FRP在民用船舶上的應(yīng)用更加廣泛和創(chuàng)新.

2.2.1" 游艇

2014年7月，由美國Palmer Johnson研發(fā)的PJ265超級(jí)運(yùn)動(dòng)游艇［29］全長48 m，是目前世界上最大的全部采用CFRP制造的超級(jí)運(yùn)動(dòng)游艇，相比同尺度其他游艇可節(jié)省一半的燃油.

2014年，中國第一艘全碳纖維游艇“中科·聯(lián)亞”號(hào)游艇，如圖7（a）.其艇身幾乎全部使用了100%CFRP，比傳統(tǒng)的游艇減輕30%，航速增加20%，而且強(qiáng)度更高.

2021年11月1日，阿聯(lián)酋Gulf Craft船廠建造出全球最大CFRP游艇Majesty175，如圖7（b），這艘54 m的三甲板游艇的型寬9.6 m，總噸位為780 t.這艘游艇使用了碳纖維和乙烯纖維等先進(jìn)復(fù)合材料，這種材料上的進(jìn)步使它能夠在低吃水區(qū)域航行，最大吃水只有2.25 m.

2021年11月8日，在中國建造的亞洲首艘總長超過40 m的全CFRP結(jié)構(gòu)高速客輪“海珠灣號(hào)”在南沙小虎島造船基地碼頭順利下水.船長42.8 m，型寬10.8 m，可載客260人，設(shè)計(jì)航速超過37 kn，采用噴水式推進(jìn).與傳統(tǒng)鋁合金船相比，“海珠灣”號(hào)可節(jié)省30%以上燃油，它的重量更輕、強(qiáng)度更高、航速更快.

2.2.2" 箔板船（翼板船）

瑞典Candela Boats公司在2019年生產(chǎn)的7.7 m長水翼電動(dòng)艇Candela Seven，如圖7（c），是世界上第一艘也是唯一一艘電動(dòng)水翼艇.船體和甲板由碳纖維制成，重180公斤.整船總重量約為1 300公斤，比傳統(tǒng)的玻璃纖維船輕30％，能耗成本降低了80%.

2021年6月，Candela推出了一款Candela C-7，如圖7（d），世界上第一艘由人工智能（AI）操控的全電動(dòng)水翼飛行艇驚艷亮相.Candela C-7的船體由真空注入的碳纖維制成，其重量大大低于同類船只，同時(shí)又很堅(jiān)硬和牢固.

2.2.3" 帆船

2010年船舶FRP領(lǐng)域最引人注目的成就之一是在BMW ORACLE Racing的美國賽艇上制造了具有碳和芳綸纖維增強(qiáng)框架，并用航空薄膜材料蒙皮的“帆翼”，這一技術(shù)突破將游艇的機(jī)動(dòng)性和速度提高了20%.

表2" 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在船舶中的最新應(yīng)用

Table 2" Latest applications of fiber-reinforced composite materials in ships

船舶名稱時(shí)間部件名稱應(yīng)用材料特點(diǎn)

PJ265超級(jí)運(yùn)動(dòng)游艇2014世界上最大的全部采用CFRP制造的超級(jí)運(yùn)動(dòng)游艇CFRP速度達(dá)到32節(jié)航速；相比同尺度其他游艇可節(jié)省50%的燃油.

水翼電動(dòng)艇Candela Seven2019碳纖維/環(huán)氧樹脂和輕質(zhì)船體EP/CFRP比燃?xì)鈩?dòng)力滑行艇的能效高4～5倍；成本低95%；比傳統(tǒng)船節(jié)省80%的能源.

Candela P-12電動(dòng)水翼水上出租車2020碳纖維/環(huán)氧樹脂和輕質(zhì)船體EP/CFRPP-12每名乘客消耗的能源比家用汽車少，與內(nèi)燃機(jī)船相比，運(yùn)行成本低90%.

Future-E概念船2021船體結(jié)構(gòu)可回收 CFRP無碳排放、無噪音、無波浪，最多可搭載3名乘客；速度達(dá)到16節(jié)

MAMBO（Motor AdditiveManufacturing Boat）2021第一艘使用GFRP的3D打印船F(xiàn)RPFRP與乙烯基酯樹脂相結(jié)合使MAMBO變得堅(jiān)固、耐用和輕質(zhì).

Beluga 3D打印帆船原型20213D打印船體回收聚丙烯（PP）和30%短玻璃纖維制成材料克服了傳統(tǒng)GFRP缺乏可回收性的缺點(diǎn)；通過使用其專有的自動(dòng)AM系統(tǒng)將船體打印成一個(gè)整體，從而消除了對(duì)昂貴模具的需求.

Majesty1752021全球最大碳復(fù)合材料游艇碳纖維和乙烯纖維等先進(jìn)復(fù)合材料這種材料上的進(jìn)步使它能夠在低吃水區(qū)域航行，最大吃水只有2.25 m.

“海珠灣”號(hào)2021亞洲第一艘在中國建造的碳纖維高速客船碳纖維與傳統(tǒng)鋁合金船相比，“海珠灣”號(hào)可節(jié)省30%以上燃油；它的重量更輕、強(qiáng)度更高、航速更快.

2021年另一個(gè)具有未來感的產(chǎn)品來自于意大利Centrostiledesign公司的“Future-E”概念船，如圖7（e）.這艘5.2 m長、2 m寬的Future-E飛船采用可回收碳纖維復(fù)合材料建造，即無碳排放、無噪音、無波浪，最多可搭載3名乘客.

2021年9月，大型增材制造專家Caracol首次推出了Beluga這是一種3D打印帆船原型［30］，用回收聚丙烯（PP）和30%短玻璃纖維制成，如圖7（f）.Caracol聲稱用這些材料克服了傳統(tǒng)GFRP結(jié)構(gòu)缺乏可回收性的缺點(diǎn)，并使用其專有的自動(dòng)增材制造系統(tǒng)將船體打印成一個(gè)整體，從而消除了對(duì)昂貴模具的需求.

基于上述統(tǒng)計(jì)分析，國內(nèi)外FRP在船舶結(jié)構(gòu)中的最新應(yīng)用見表2.

3" 船用FRP的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

FRP在船舶上雖然已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但同時(shí)也受到了生產(chǎn)工藝及技術(shù)和制造成本的制約［31］.我國船用FRP今后發(fā)展的重點(diǎn)任務(wù)為突破關(guān)鍵制造核心技術(shù)形成低成本產(chǎn)品鏈、提升智能制造水平、加強(qiáng)自主創(chuàng)新能力建設(shè).因此，首先應(yīng)該研究FRP高質(zhì)量制造工藝技術(shù)，并控制其工藝成本，盡可能地實(shí)現(xiàn)軍轉(zhuǎn)民用/軍民兩用.此外，隨著各國對(duì)FRP的愈加重視，其正朝低成本、場景多樣化、綠色可回收的趨勢(shì)發(fā)展，具體發(fā)展趨勢(shì)如下.

3.1" 低成本產(chǎn)業(yè)鏈的船用FRP制造

目前船用FRP呈爆發(fā)增長的應(yīng)用市場，對(duì)FRP制備工藝及應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求.其核心是：低成本產(chǎn)業(yè)鏈.初始材料（纖維、基體）低成本、制備工藝（經(jīng)典工藝：拉擠與纏繞可使纖維材料或預(yù)浸料直接成型三維結(jié)構(gòu)，這就意味著拉擠與纏繞可以發(fā)揮巨大的作用）低成本、整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈低成本，才能讓前面提到的應(yīng)用前景落到實(shí)處.當(dāng)然，“低成本產(chǎn)業(yè)鏈”也不再是傳統(tǒng)的意義，高成本的產(chǎn)品帶來高額的利潤，相對(duì)而言同樣屬于低成本，所以要從長遠(yuǎn)考慮，材料、高端裝備與智能制造的統(tǒng)籌發(fā)展［31］.

FRP自身的力學(xué)性能非常優(yōu)異，尤其確定方向的負(fù)荷情況下，這是現(xiàn)在通用的船舶鋼板完全不能相比的.只有從總體構(gòu)思與設(shè)計(jì)開始，與FRP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員共同參與，將FRP自身的力學(xué)性能展示出來，才可能打造一臺(tái)真正輕量化且成本可控的新型船舶.2006年制造的代號(hào)M80的“短劍”（Stiletto）是碳纖維一次成型的最大船體，船體的整體化使船舶整體重量下降、安全性更高，且速度更快.在船舶中要實(shí)現(xiàn)FRP用量的突破，除了整體成型，必須在船身、甲板等大型部件上實(shí)現(xiàn)FRP的應(yīng)用，大尺寸加筋壁板以其承載效率高、連接件數(shù)量少、結(jié)構(gòu)重量輕、一體化等優(yōu)勢(shì)，成為船舶主承力結(jié)構(gòu)件的主要結(jié)構(gòu)形式［32］.

3.2" 船用FRP應(yīng)用場景多樣化

近年來，船用FRP的應(yīng)用場景趨于多樣化.主要是由于不斷發(fā)展的FRP性能及制造工藝.軍艦對(duì)FRP應(yīng)用需求一直處于較大的狀態(tài)，船用FRP優(yōu)異的輕量化性能對(duì)于提升軍艦機(jī)動(dòng)性，提升武備數(shù)量具有很大的幫助，其良好的透波性可滿足艦船隱身要求，增加設(shè)備集成度.FRP在軍艦上的應(yīng)用在各類船型中處于領(lǐng)先地位，將來，船用FRP在軍艦上的應(yīng)用探索將進(jìn)一步深化，應(yīng)用范圍與規(guī)模將持續(xù)擴(kuò)大.

民船領(lǐng)域復(fù)合材料主要用于漁船、游艇、客船等船型.由FRP夾層板結(jié)構(gòu)建造的上層建筑有助于降低船舶重心、提高穩(wěn)性、更加輕量化等.在客船等船型方面的應(yīng)用需求不斷增加，進(jìn)一步探索復(fù)合材料今后在船舶上的應(yīng)用場景與發(fā)展方向.

3.3" 船用FRP趨向工藝改進(jìn)、回收利用和可持續(xù)性

加大FRP的研發(fā)和應(yīng)用力度，使其具有低成本、高性能、多功能、優(yōu)化連接、長壽期、安全可靠等特點(diǎn).使船用FRP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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)用拓展.

另外，為了使船用FRP在船舶領(lǐng)域應(yīng)用能繼續(xù)增長，對(duì)FRP的設(shè)計(jì)、工藝和制造進(jìn)行全面的研究，建立一套較為完善的、可滿足工程實(shí)際應(yīng)用的衡量、評(píng)估船舶材料經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)理論及指標(biāo)體系，同時(shí)開展復(fù)合材料性能評(píng)價(jià)技術(shù)研究，必須更加重視回收利用和可持續(xù)性發(fā)展.

4" 結(jié)論

文中通過對(duì)船用FRP工藝和船舶常用樹脂基復(fù)合材料及其性能屬性參數(shù)總結(jié)歸納、并根據(jù)其在船體中的應(yīng)用現(xiàn)狀分析出船用FRP發(fā)展趨勢(shì)，得出以下結(jié)論：

（1） 船用FRP中的CFRP、GFRP和AFRP因其具有較好的耐化學(xué)腐蝕和耐候性等優(yōu)良特性，進(jìn)而在船舶中有非常廣闊的發(fā)展前景，由于船用FRP中采用增強(qiáng)相材料的不同，其各相性能具有較大的差距，進(jìn)而在船舶結(jié)構(gòu)的應(yīng)用區(qū)域存在很大的差異.目前船舶先進(jìn)程度主要基于CFRP的用量占比，CFRP具有最好的減重效果且性能比較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)；最早一批應(yīng)用的復(fù)合材料是GFRP，目前在船舶的各個(gè)結(jié)構(gòu)上基本都能看到它的身影，但和CFRP相比，重量是碳纖維復(fù)合材料的5倍，CFRP正逐步取代GFRP，但受限于復(fù)雜的制備工藝以及較高的生產(chǎn)成本，這將是一個(gè)循序漸進(jìn)的進(jìn)程.AFRP因其具有優(yōu)異的耐高溫性能在船舶應(yīng)用中擁有不可取代的地位，目前船用FRP的制造工藝技術(shù)也更為先進(jìn)，尤其是采用3D打印技術(shù)與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的方法制備的船用FRP，為船體結(jié)構(gòu)變得堅(jiān)固、耐用和輕質(zhì)等創(chuàng)新制造打下了良好基礎(chǔ).

（2） 船用FRP在軍艦上的應(yīng)用前景尤為廣闊，用量占比將會(huì)大幅度提升.軍艦對(duì)快速性、隱身性、裝載量等方面需求強(qiáng)烈，歐美等國在新建軍艦上均有使用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)案例，且有大幅度推廣使用的趨勢(shì).但由于復(fù)合材料制備技術(shù)的不足，大尺度結(jié)構(gòu)的制備使船舶建造應(yīng)用的成本較高，促使FRP在船體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用達(dá)不到大面積的使用.將來的發(fā)展首先應(yīng)克服復(fù)合材料制造技術(shù)的不足，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方式找到最優(yōu)的應(yīng)用方案，提高綜合效果.

（3） 船用FRP在海洋中規(guī)模化應(yīng)用主要受兩個(gè)因素制約：一是FRP的應(yīng)用起步晚，制備工藝不太成熟；二是FRP的制造成本高，大尺寸構(gòu)件一體性制備難度大.然而，據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，目前關(guān)于船用FRP尚無“結(jié)構(gòu)-性能-應(yīng)用”的全面系統(tǒng)性制造流程.隨著低成本產(chǎn)業(yè)鏈的不斷發(fā)展，大力推進(jìn)FRP在海洋船舶領(lǐng)域的應(yīng)用是發(fā)展的必然趨勢(shì)，全局化思想尤為重要，同時(shí)綠色制造概念和可持續(xù)發(fā)展也會(huì)貫穿船舶建造始終.

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（責(zé)任編輯：顧琳）