新型船舶材料的研究进展及应用

方秀娟 孟令飞

摘 要：讨论及论述船舶材料的研究发展状况以及材料应用中出现的一系列问题。讨论并研究船舶材料未来的发展趋势以及对船舶自身性能的改善。已经成为世界各国船舶制造业非常关心的一个重点。

关键词：船舶材料；材料发展史；材料科学

引言：在现代船舶发展过程中，美、俄（苏）、英、德、法、日等船舶强国，均将材料技术发展视作船舶发展的基础和先导，对材料技术发展给予了高度重视，不仅在不同的发展时期从船舶材料技术发展的顶层研究，制定了发展战略规划，投入大量人力、财力持续开展基础材料技术、新兴材料技术的研发和前沿技术的探索，而且非常注重试验验证平台（包括试验潜艇）的建设。伴随着船舶发展，经过不断创新，与时俱进，人们不仅研制了满足船舶各发展时期所需的各种材料，并且已形成很强的材料技术的研究、生产能力和完整的门类齐全的配套体系，建立起了较完善的船舶材料体系和船舶材料技术的基本理论、方法、工艺等。

着眼于当前船舶材料技术的发展状况，立足于21世纪前期（2035年前）的高新技术发展，可以预见，21世纪前期船舶材料技术的发展趋势将呈现出“高”、“复”、“钛”、"稳”、“防”、“有”、“无”、"前”、“用”、“低”等十大特征。

1.人类材料的的发展的状况

造船材料的发展依从于世界材料发展的共同道路l1[—《手册》内容符合世界材料科学共同发展的规律中外科学家探讨了到公元ZDZO年的1万年间人类使用材料的发展史，绘成如下示意图。

该示意图的主要用途是预言应用的发展方向，为各工业部类应用新材料提供指导性意见。造船工业的材料选用也可从中得到启示。本手册的编写内容充分体现了该发展方向。《手册》中高强度钢占有足够的篇幅；单独列有金属复合材料和焊接材料各一章；轻金属部分、铝、镁、钦、稀有金属和超导金属都有单独的一章；对纤维增强塑料、工程塑料、胶粘剂及密封材料、电气绝缘材料等都分列一章；这样在31章中对发展中的材料有足够的篇幅，以上各例说明《手册》赶上了世界材料发展的步伐。

1.1纳米材料在船舶方面的应用与发展

纳米级超细材料具有常规微细粉末所不具备的反常特性，以及纳米材料的小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，它在磁性、催化性、光吸收、热阻和熔点等方面与常规材料相比显示出优越的性能。因此可以为船舶提供其他材料不能代替的作用。近几年在某些领域有突出贡献。如纳米材料在特种舰船涂料中应用（吸收雷达波涂层、舰船红外隐身涂层、潜艇伪装涂料）、纳米材料在通用船舶材料中应用（在船壳漆方面的应用、在抗菌建材和抗菌涂料中的应用、新型高效船底防污涂料、在船舶阻燃材料和涂料中的应用）、纳米材料的其它应用（导电材料、梯度功能材料、超微粒传感器、）纳米材料的发展日新月异。不仅仅是实验室阶段的基础研究不断深入和扩大，而且纳米材料的生产也已向工业规模发展，这样就为纳米材料的实际应用提供了很好的基础条件。第一届全国纳米技术与应用学术会议于2000年11月在厦门召开，2000年11月在广州举行的“第五届中国国际涂料、油墨及粘合剂展览会”上，有数家国内厂商展示了他们的纳米产品，如纳米级氧化铁黑、氧化铁红、氧化铁黄等，产量已达每年上千吨。还有纳米TiO2、纳米ZnO、纳米SiO2等的投产均有报道。可以讲，科学家、企业家，甚至百姓大众都在关注着纳米材料的发展。船舶制造是一门多学科、高技术综合应用的领域，可以预见纳米材料也一定在船舶领域中大有用武之地。

1.2钛合金材料在船舶方面的应用与发展

钛合金用于舰船上始于 20 世纪 60 年代。 钛合金由于具有良好的耐海水腐蚀性能、高强度比和无磁性等性能，在船舶材料中具有较好的发展前景。但是钛合金成本高、冶炼难度大，对钛及其合金失效研究还不够充分等问题制约了钛合金在舰船上的发展应用。目前的应用如1.深海潜水器钛制耐压壳体主要用在深海潜水器上。如制造美国 Aivin 号、Sea-Cliff 号深潜器的壳体 ；Ti-6Al-4V ELI 合金用于法国 SM97 号、日本“深海 2000”号、美国海军深海救援艇（DSRV）的壳体、浮力球等。我国自主设计建造的载人潜水器“蛟龙”号也由钛合金制造。2. 钛合金声纳导流罩综合性能优越，应用于俄罗斯“库尔斯克号”、“明斯克”、“基辅”等航空母舰。3. 螺旋桨钛合金螺旋桨材料强度高，在海水中抗疲劳性能好、能耐冲刷和空泡腐蚀。美国海军在水翼艇上使用直径为1500mm、四叶可拆式钛合金螺旋桨。4. 舰船泵、阀及管系由于温度和湿度的影响，船舶上的泵、阀和管使用铜、不锈钢制造管路，寿命只有 2 ～ 5 年 ；而钛合金制造的各种泵等，使用寿命远超铜或不锈钢制品。经过近 50 年的研究，我国也已独立研制出 Ti31、Ti75、Ti B19、Ti70、Ti80、TA5 等一批具有自主知识产权的船用钛合金。

制约钛合金发展应用的因素 钛合金材料成本高，制约了其在船舶上的应用。船舶材料金属用量大，种类多。首要的条件是成本问题。只有降低钛合金成本才能拓展钛合金在船舶领域的应用。

1.3防火隔热材料在船舶方面的应用与发展

船舶舱室的内装材料以不燃材料取代可燃材料已成趋势， 在这方面， 世界各国都做了大量研究。

（1）岩棉制品

岩棉制品的特点是质量轻，保温耐热性能良好，有良好的吸声性能，价格比陶瓷棉便宜，是纤维粗，性脆，耐热度比陶瓷棉差。岩棉制品的最高使用温度一般650～800℃之间，因避免直接将岩棉制品用在耐火分隔上；不燃性：巖棉制品的不燃性良好，能够作为不燃性材料直接使用。

（2） 玻璃纤维

玻璃纤维是以石英砂和废玻璃加热熔融，用喷吹加一层隔热材料，再加上空气隔层和衬板所组成的和离心法制造。用于船舶行业的主要是无碱超细玻璃棉。它的特点是纤维直径细 ，因此能使制品的容重做得很轻 ，而且它不燃烧、不腐烂、耐酸耐油，导热系数很低，低温条件下的隔热效果很好。但它的使用温度比较低，通500～600 ℃。

（3）陶瓷棉制品

陶瓷棉陶瓷材料经高温熔融后吹制成的，是一种耐高温的新颖材料。我国是上世纪 70 年代开始生产陶瓷棉的。主要以焦宝石为原材料的普通硅酸铝纤维。由于陶瓷及其制品容重轻、高温导热系数小、对人体皮肤刺痒程度轻于岩棉和玻璃棉，因此在近期船用和平台作为防火材料被大量使用。其性能特点是导热系数：陶瓷棉产导热系数在 200 ℃时为0.05，400 ℃时为 0.20，在 1200 ℃时为 0.30 以下，而且陶瓷棉制品有优良的耐火性能，主要用于舱壁隔热材料和船用锅炉、排烟、管道隔热的保温材料。

（4）改性聚双马来酰亚胺复合泡沫塑料

聚双马来酰亚胺是聚酰胺亚的一种，具有无毒、耐热、工艺性优越等特点 。利用双马的种基团接枝改性，经发泡、聚合后就制得了改性聚双马来酰亚胺复合泡沫材料。双马泡沫无毒无味，容重小于 60 kg m3，热系数低、耐油、耐酸碱腐蚀、阻燃性好， 燃烧时低烟、无熔滴，也不会产生大量有毒气体。总之双马泡沫是比较理想的海洋船舶与军用舰艇舱室隔热保温材料。

参考文献：

[1] 陈国虞，徐匀.从世界材料应用发展总趋势评价《船舶材料手册》（1989年版）.

[2] 金晓鸿.纳米材料在船舶材料领域的应用和前景.

[3] 李德强，王树森，包恩达.钛合金材料在船舶材料上的应用与发展.

[4] 张宇，谭振东，王广东.何超防火隔热材料在海洋船舶上的应用研究.