復合材料在艦船上的應用 zund G3 2XL-1600-Hard-foam台中切割加工－陳智翔焦點新聞熱搜

摘要：復合材料由于具有質輕、優良的力學性能、無磁性、耐蝕性好及材料的可設計性等一系優良特性，在理論研究和實際應用上引起了人們極大的關注。近年來，各國紛紛致力于復合材料的研究開發。本文綜述了復合材料的性能特點、復合材料在艦船船體、上層建筑、桅桿、推進器等幾方面上的應用，分析了我國船用復合材料的現狀和發展前景。
    隨著科學技術的不斷發展，對材料性能要求也越來越高，原來的金屬、高分子或陶瓷等單一材料已不能滿足對強度、韌性、剛度、質量、耐磨及耐蝕性等方面的要求。材料的復合化是材料發展的必然趨勢之一。復合材料就是用兩種或兩種以上不同性能、不同形態的組分材料通過復合材料手段組合而成的一種多相材料，它可發揮各種材料的優點，克服單一材料的缺陷，擴大材料的應用范圍。
    纖維增強樹脂基復合材料，也稱纖維增強塑料(Fiber Reinforced Plastics)，是目前技術比較成熟且應用為廣泛的一類復合材料，這種材料是用短切的或連續纖維及其織物增強熱固性或熱塑性樹脂基體經復合而成，根據增強體的種類，可分為玻璃纖維增強樹脂基復合材料、碳纖維增強樹脂基復合材料、硼纖維增強樹脂基復合材料、碳化硅纖維增強樹脂基復合材料等類型。玻璃纖維增強樹脂基復合材料(GFRP)在我國稱為玻璃鋼。先進樹脂基復合材料是指用碳纖維、陶瓷纖維、芳綸纖維等增強的聚合物復合材料。
1 復合材料作為造船材料的性能特點
    復合材料作為造船材料具有如下特點。
    (1)質輕、優良的機械性能。幾種復合材料和常用材料性能對比見表1。

    (2)復合材料的抗疲勞性好。復合材料疲勞破壞是比較薄弱的纖維處開始作用，逐漸擴展到結合面上。而基體和增強纖維的界面能夠有效地阻止疲勞裂紋的擴展，故抗疲勞性能好。一般金屬材料的疲勞極限為抗拉強度的40%~50%，而碳纖維增強塑料是70%~80%。
    (3)無磁性。復合材料無磁性，在很大的磁場中也不會被磁化，因此復合材料艦船不易被對方磁探儀發現，可使裝磁引信的水雷或魚雷失效，可以避免磁性雷的攻擊，具有很好的反監護作用，這點在軍事上特別重要。[-page-]
    (4)耐蝕性好。復合材料只要配方設計合理，在酸性、堿性及眾多惡劣環境中具有良好的耐腐蝕性。用復合材料制造軍艦、輪船、不用涂漆，在海水中航行幾年也舉生銹，能減少涂油漆等維修費用，使用年限長。
    (5)可根據性能需求進行材料的設計和制造。因復合材料的可設計性，可以選擇不同聚合物和增強材料以及不同的配方、成型工藝等達到不同的性能。以纖維增強塑為例，通過對纖維的種類和含量，纖維的長短，纖維鋪設的方向，基體的種類等精心設計，即使用相同的基體和纖維，也能設計出不同性能的材料。因此，可根據艦船不同部位的結構要求，進行材料、鋪層和結構的優化設計。
    (6)可制成所需的任意形狀的產品，避免多次加工工序。常規材料的抽象材料定義是：可以直接制造制品的物料。但是，復合材料制品不是用“復合材料”直接做出來的。“復合材料”是在做復合材料制品時，才和其制品一起制造出來的，即在復合材料的成型過程中，同時形成了制品的結構，正是由于這一點不同，給復合材料帶來很大的優勢，可大大減少車、銑、刨、磨等機械加工過程和裝配過程，使船殼和構件的整體性好，無接縫或少接縫，無滲漏，提高了艦船的性能。
    此外，復合材料還具有優良的聲、介電性能、耐高溫、減振性等一系列優點，使一種材料具有多種性能。如玻璃鋼既具有類似鋼材的強度，又具有塑料的介電性能和耐蝕性能。復合材料的上述性能是船用其他材料難以比擬的，因此，在艦船上有著廣闊的應用前景。
2 復合材料在艦船上的應用
2.1 復合材料艦船
    美國是復合材料科學技術發展先進，復合材料應用廣、用量大的，在復合材料艦船方面，其規模和技術都走在前列。美國海軍于1946年建成了長8.53m的的艘聚酯GFRP交通艇，就此拉開了復合材料造船的序幕。這之后，為了加快玻璃鋼船艇的發展，美國海軍在上世紀50年代中期就規定16m以下的艦艇必須用復合材料制造。1954年前后，美國的手糊成型工藝日趨成熟，開始開發GFRP游艇，并于次年大量生產游艇、帆船等船艇。1956年美國建造了2艘不同結構形式的小型掃雷艇，開始了GFRP在掃雷艇中的應用研究。20世紀60年代早期，美國海軍制造了艘全GFRP巡邏，越戰期間在內河上應用。1966年美國開始批量生8產大型復合材料漁船，1979年就建造了390艘。80年代末美國建造的MHC-1級獵/掃雷艇，90年代初建成的GFRP沿海獵雷艇“Osprey”號，艇體均采用高級間苯聚酯樹脂，并以半自動浸膠作業制造。同時期建造的長14.3m，船速達60kn的巡邏艇，采用了凱芙拉增強的聚酯樹脂單殼結構。1996年建造的深潛探海艇，用了石墨纖維增強環氧樹脂單殼結構，艇的下潛深度可達6096m。由美國國防部部隊轉型辦公室設計并建造的，2006年2月初下水的美國海軍新型高速隱形試驗快艇代號M80的“短劍”(Stiletto)，如圖1(a)，是美國使用碳纖維復合材料一次成型制造的大船體，在整體制造成型過程中不用焊接，更無需鉚接，因此船體外表十分光滑，重量也大為降低。該艇長為24.4m，寬為12.2m，吃水為0.9m，排水量為67t。它獨特的雙“M”船體設計以及碳纖維材料的使用，不但使其獲得了高速，也使其行駛過程中的穩定性更高，高速行駛中的沉浮現象大大減輕，即使在高速回轉時，依然可以保持平衡行駛，從而增加了艇員的舒適度，提高了艇的適航安全性，擴大了在內河和地形復雜的淺海使用范圍。與此同時，由于其阻力的降低也使得“短劍”比普通快艇更加節省燃料。由此可見，自上世紀90年代以來，美國的船艦已大量采用先進復合材料來制造，先進復合材料在船艇工業中將得到日益增多的應用。[-page-]

    二十世紀六七十年代，英美同時進行獵雷艇的設計開發。于1973年采用復合材料制造了全長為46.6m，滿載排水量達450t，當時大的全玻璃鋼艦船，也是艘反水雷艦艇-HMS Wilton。HMS Wilton的巨大成功帶來復合材料應用的迅速擴張。上世紀八十年代早期就制造了200多艘全復合材料反水雷艦艇。英國國防部艦艇處發表了推薦采用玻璃鋼作為艦艇結構材料的文件，1962年英國船舶登記局頒布了勞氏船級社關于6~36m長GFRP船的技術規范。英國不僅是大型GFRP反水雷艦艇的先驅，在復合材料高速艇的研制技術方面也屬一流水平，建造了不少軍用高速艇，它還研制了航速很高的輕型氣墊船和橫渡英吉利海峽的HM-2型氣墊渡船。
    瑞典的夾層結構復合材料技術堪稱一流，用之建造了不少高速軍用艇和巡邏艇，如TV171、TV172和CG27型海岸巡邏艇。值得一提的是，瑞典于1991年研制成功了上艘復合材料隱形試驗艇“斯米格”(Smyge)號，該艇采用碳纖維與玻璃纖維混雜復合材料技術和PVC泡沫夾心結構建造，提高了速度和隱形性，集先進復合材料技術、夾層結構技術、隱身技術及雙體氣墊技術于一身，堪稱當代高科技艦船。1993年，瑞典軍備局和海軍推出“水面戰斗艦2000”計劃(YS2000)。YS2000計劃項目建造的艘護衛艦命名為“維斯比”號(Visby)，該級軍艦就此成為維斯比級護衛艦，如圖1(b)，該艦于2000年6月8日下水，全長為73m，艦寬為10.4m，吃水深度為2.4m，排水量為600t(全部)。船體采用復合材料夾層結構，主要由一個碳纖維和乙烯層壓材料組成的一個PVC核心構成。船體復合材料提供很高的強度和硬度，低重量和很好的沖擊強度，低雷達和磁場信號特征，還能吸收電磁波，是艘在艦體結構中有效利用碳纖維復合材料的海軍艦艇。為了用CFRP建造如此大的艦船，瑞典花費大量時間進行試驗，研究出真空輔助夾層灌輸法生產工藝。采用CFRP材料建造的維斯比級護了艦較同級鋼質艦艇輕一半，這意味著艦上可以裝設更多的裝備，航速與續航力也可提高。
    其他對復合材料艦船的發展也十分重視。如1999年4月下水的由挪威皇家海軍制造的大的全復合材料挪威Skjold(盾牌星座“Shield”)級氣墊雙體導彈快速巡邏艇，如圖1(c)。艇體內外使用了由玻璃纖維和石墨多層粘合布組成的多層纖維增強塑料，邊緣則使用了乙烯樹脂和聚酯樹脂；艇體和表面還大量安裝計雷達波吸收材料和涂敷復合材料，橫梁、桅桿和支承結構選用高抗拉強度的碳纖維和石墨填充材料。采用復合材料夾層結構，簡單化了主船體和上層建筑，具有較高的比強度、好的沖擊性能和低的紅外、磁和雷達特性。意大利20世紀80年代后采用先進復合材料開發了Lerici I型、Lerici II型和Lerici MK II型硬殼式獵雷艇。俄羅斯也一直注重復合材料在艦船上的應用。前蘇聯1959年建成了長32.5m的玻璃鋼內河油輪，1970年建成24.6m長的小型玻璃鋼反水雷艇“Yevgenya”號，1989年起批量建造Lida級玻璃鋼沿海獵雷艇。[-page-]
2.2 復合材料上層建筑
    艦船上層建筑容納了各種電子信息裝備及其天線、武器裝備、機電設備等，承擔著絕大部分的電磁手段運用、武器裝備發射、航行控制、作占指揮、補給以及其他與外部環境相互作用的作占功能，對艦船的整體作占性能起著決定性的影響。輕型復合材料的采用，不僅減輕了上層建筑的重量，而且通過在輕型復合材料夾層里嵌入有濾波功能的頻率選擇層(FFS)，允許發射和接收預定的頻率，從而濾除敵方雷達電磁波。
    近年來，許多海軍對采用復合材料建造大型艦船上層建筑的可行性進行了評估。由于玻璃鋼的屈服應力約為鋼的10倍，因此在鋼結構與復合材料上層建筑連接處產生疲勞斷裂的可能性大大減小。同時復合材料上層建筑代替鋼質上層建筑還可減輕重量，對于小型海軍艦艇(長度小于20m)來說，采用復合材料代替鋼可以減輕約65%的重量。
    法國海軍于1992年開始在艦船上層建筑采用復合材料，2002年交付的5艘“拉斐特”級艦的上層建筑均采用復合材料GRP夾層板建造。芬蘭皇家海軍的快速巡邏艇勞馬(Rauma)的上層建筑也采用復合材料夾層結構，船體采用鋁合金。美國海軍“阿利・伯克”級驅逐艦的上層建筑是由夾層復合材料與鋼結構組合而成，包括武器系統的外罩(CT-WS)、前指揮室、直升機庫、煙囪等。目前，其他一些海軍也正在考慮將復合材料應用于上層建筑。
2.3 復合材料推進器
    目前，在艦船推進器方面應用較多的是碳纖維增強的復合材料。復合材料螺旋槳的優點是：批量生產、成本低、質量輕、使用壽命長、降低變速箱/軸磨損等。安靜是當今艦船的主攻方向之一，低嗓已成為衡量艦船(特別是潛艇)總體性能的重要指標之一。當螺旋槳高速運轉時其槳葉片上產生時滅的空泡，導致槳葉剝蝕，并伴有強烈的振動和噪聲。更輕的復合材料可在不顯著增加螺旋槳重量的情況下使葉片更薄，薄葉片具有改善空泡性能的潛力，從而降低振動和水下特征。前蘇聯早將復合材料螺旋槳用于實船。20世紀60年代就在一艘漁船上安裝了一個直徑2m的復合材料螺旋槳，70年代又在一艘大型商業船上采用了一個直徑達6m的復合材料螺旋槳。德國AIR公司研制出一種碳纖維環氧的螺旋槳，比金屬槳推進效率提高3%~10%，減輕重量25%~35%，有利于快艇加速；另外，該螺旋槳阻尼性好，可降低噪聲約5dB。英國QinetiQ公司經過3年研制，已成功完成大復合材料槳葉在鎳鋁銅合金槳軸上，安裝在“海神”號三體試驗艦進行了性能測度。海試表明該槳為大幅降低震動，運轉平衡。在推進軸方面，復合材料推進軸的優點是重量輕、有彈性、適應性強、不導電、無腐蝕等。瑞曲的Applied Composits AB公司于1989年開始研制復合材料推進軸，已經試驗和評估了幾千種不同材料的復合材料以及表面處理方法以獲得軸的佳性能，相當多的商船、軍艦、游艇和大型雙體船等使用其生產的復合推進軸，傳輸功率達12MW，可承載的轉矩達220kN・m。
2.4 復合材料桅桿
   為了減少占艦的雷達反射截面和光學特征，達到隱身的目的，未來水面艦艇將裝備封閉式綜合傳感器桅桿，取代掛滿各種鞭狀、條狀天線和各式彩施的傳統式桅桿，而將各種雷達、通信天線設計成平面式或球形陣列天線，組成一體化的封閉式綜合傳感器桅桿。美國海軍以下一代艦船的桅桿為目標，從1995年開始研究先進的全封閉的桅桿(Advanced Enclosed Mast/Sensor)系統，設計制造的，AEM/S是由上、下兩個外表面向內傾斜10度的六角錐形體結構組成，各種天線和有關設備都統一組合裝備在該結構內，結構內部傳感器的電波能以極低損耗穿過結構物，結構外部由能反射電波的復合材料板材構成，而且由于所有設備都裝備在結構的內部，可以防止風雨和鹽份的侵害，對設備的維修保養十分有利。該系統脫離了傳統的桅桿概念，用于裝備驅逐艦(SC-21)、航空母艦(CVX)和“圣・安東尼奧”(LPD-17)兩棲戰艦等。[-page-]
    歐洲海軍也正在研制封閉綜合傳感器桅桿。該桅桿為一金字塔形封閉式桅桿，塔頂為一個較小的圓球，歐洲人將這種全新的桅桿，形象地稱之為“烏鴉窩”。“烏鴉窩”將容納相控陣雷達天線以及各式無線電通信、數據傳輸、電子對抗天線和紅外、雷達、激光告警接收天線，而且同一種天線將4個一組或3個一組地成群出現，能夠360度全向探測與接收，不留死角。各種雷達波束、通信數據都能在同一個時間內通過計算機自動處理后實時顯示在指揮控制中心。新型封閉式桅桿必須由先進的復合材料建造。歐洲海軍的“烏鴉窩”由納米技術制造的玻璃纖維、碳纖維等復合而成。它可以讓各種不同的雷達波束和通信信號，相互之間不受干擾地通過，而且信號損耗極低，又能抵抗外來干擾，這在21世紀的海上信息化戰爭中將具有明顯的優勢。奎奈蒂克(Qinetiq)公司研制的先進技術桅桿(ATM)于2006年投入使用，裝備英國海軍“皇家方舟”號航母。
2.5 復合材料在艦船其他方面上的應用
    復合材料除應用于以上幾方面外，還可用于制造機械裝置、舵、裝備、管道系統等。如2007年4月份，在一年一度的歐洲大也是大的復合材料展覽會JEC上，法國DJP等展出了用于大型船舶發動機的復合材料水壓控制裝置，它由一個閥體及一個可分成兩部分的導管所組成。該裝置的重量僅為傳統的鋼或鑄鐵的1/7~1/8且具有更高的機械性能及抗震性能。采用一次成型工藝，無需再次組裝或粘結，使用壽命長，耐腐蝕、成本低廉。近法國法拉利公司(FERRARI)推出專為船上應用而設計的船用復合材料織物Stamoid船用系列產品，這種復合材料織物經過綜合處理，具有耐久性好、抗紫外線、柔軟、密封防水、保養容易、防霉、尺寸穩定、體積小等特點。適用于在大型船只或高速運行的船上用作防雨篷、駕駛艙頂篷、風雨罩、天頂遮篷、遮陽罩或防護罩，也可以用來制造風擋，防護欄、擋風玻璃遮蓋以及蹦床等。
3 國內的情況與前景
    我的國復合材料起始于1958年，艘玻璃鋼工作艇于當年在上海誕生。這之后通過不斷的研制和開發，已建造了大小不一的百余種型號玻璃鋼船艇，如982型邊防巡邏艇及其改進艇型，已造了200多艘；1992年在蛇口召開第二屆國際高性能船舶會議，此后，廣東地區掀起研制復合材料高速客船的熱潮，先后研制了40~100客位單體高速船，1995年還建成160客和225客高速雙體氣墊船，并與法國合作開發了雙體機動帆艇，目前正在研制航速高達80km/h的復合材料水翼艇。表2列出了我國研制建造的部分復合材料船艇。纖維復合材料船體結構有單殼加筋結構、夾層結構、硬殼式結構、波型結構及其混雜結構。目前我國用得多的是單殼加筋結構，近幾年也采用了一些夾層結構，硬殼結構抗爆性能好，是建造纖維復合材料獵/掃雷艇艇體的理想結構。
    表2
    在復合材料原料方面，我國目前已能生產國際市場上大多數品種的玻璃鋼用增強材料，品種基本配套。我國玻璃纖維工業近年取得了很大的發展，從1995年的16萬t增長到2001年的27萬t，形成了“泰山”、“巨石”、“重慶國際”3個年產量分別超過3萬t的大型池窯拉絲企業，其產品已有50%左右進入國際市場。但與工業發達相比，我國玻璃纖維的生產仍有較大差距。主要表現為企業布局不合理，生產規模小、技術水平低、在玻璃纖維品種、規格、質量方面與國外相比仍然有一定的差距。對于碳纖維、芳綸纖維等高性能纖維，我國主要依賴進口，西方本家在某些品種上對我國實行禁運，這在很大程度上限制了我國高性能復合材料的發展及應用。作為原材料的樹脂，國內不飽和聚酯樹脂生產廠大小總共逾200家，但年前能力多數在500t以下。2002年，美國道化學公司在我國張家港市投資建設年產4.1萬t的環氧樹脂生產廠，已正式建成投產。目前我國酚醛樹脂年產量約20萬t，約1/10用于纖維增強塑料。國內具備生產乙烯基酯樹脂的廠家頗多，但全年產銷量僅為1500t左右。
    在成型加工工藝方面，就目前的整體狀況來看，我國的復合材料行業手糊工藝制品占有相當大的比重。隨著復合材料工業對成型工藝產品的品質要求的不斷提升，特別是對成型工藝的環保及成本方面的要求越來越高，這就促使要求生產工藝、產品質量的不斷改進和升級。近年來，樹脂轉移成型(Resin Transfer Molding,RTM)及真空輔助樹脂轉移成型(Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding,VARTM)工藝以其產品質量好，閉模生產等特點在國內外得到了迅速的發展。RTM工藝在我國起步較晚，大規模發展是從1993開始的。據不完全統計，到1997年，在短短不到4年的時間里，全國購買的RTM設備不少于300臺。我國引進該技術的時間雖短，但目前已取得了長足的進步，絕大多數的原、輔材料都已實現了國產化。VARTM技術目前在國內仍處于發展的初級階段，但已被一些廠家采用如上海的紅雙喜造船廠，由某公司制造的國產玻璃鋼超高速水翼船，大量采用高性能復俁材料和先進的真空輔助成型法，從而使船體結構具有極好的強度和剛性。
    我國復合材料事業經歷了40多年的發展，取得了一定的成績，打下了一定基礎。但總的來說我們的發展速度還不夠快，與發達還有一定的差距。我們應抓住樹脂基體發展創新、增強材料發展創新、生產工藝發展創新和產品應用發展創新，以開發高剛度、高強度、高濕熱環境下使用的復合材料為重點，構筑材料、成型加工、設計、檢查一體化的材料系統。充分利用各方面的資源(技術資源，物質資源)，緊密聯系各方面的優勢，以推動復合材料在艦船工業的進一步發展。

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