船用纤维增强复合材料标准化现状与发展对策

蔡欢欢 江国梁 李博文 韦青嵩

摘 要：纤维增强复合材料由于具有比强度、比模量高的优点，在船舶上的应用呈现日益上升的趋势。本文从纤维增强复合材料船和产品方面，对比了国内外船用复合材料检测方法、设计、材料规范和建造工艺等的标准化情况，并提出了我国船用复合材料标准化建设的相关建议。

关键词：船用复合材料，标准化，纤维增强复合材料

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.08.017

0 引 言

纤维增强复合材料由于可设计性强、无磁、耐腐蚀以及比强度、比模量高等优点，广泛应用在航空航天、风电叶片、轨道交通等领域。各国标准化组织或委员会[1]关于纤维增强复合材料建立了包含材料术语和取向编码等基础类标准，层压板的密度和吸水率等物理性能、层压板和结构原件各层级拉压弯剪冲等力学性能以及老化、燃烧、光学等功能性能等检测方法类标准，并被各应用行业所采用。

近几年，复合材料在船舶上的应用[2]探索不断深入，从小型船舶整体结构到大型船舶上的典型应用部位，从次承力结构到主尺度，从结构材料到结构功能一体化材料，从玻璃钢到碳纤维高性能复合材料，从简单层合板结构到夹芯加筋结构。建造工艺也日益提升，手糊工艺、模压工艺逐渐向真空辅助树脂灌注工艺（Vacuum Assisted ResinInfusion，VARI）、树脂传递模塑工艺（Resin Transfer Molding，RTM）和袋压工艺等闭膜工艺以及缠绕工艺、拉挤工艺等低成本工艺方向发展。

我国船用复合材料随着应用部位的拓展，在设计、产品规范以及成型工艺等方面形成了一系列标准[3-4]。标准化研究是复合材料在船舶行业应用研究的重要组成部分，将国内外船用复合材料相关标准进行整理、分析和对比，对于纤维增强复合材料在船舶行业的推广应用和标准化工作具有重要意义。

1 船用复合材料检测方法

对于纤维增强复合材料相关原材料的物理性能规定、复合材料的物理性能和力学性能试验方法、成型工艺以及材料设计计算性能数据库等方面，国外形成了系列标准[5-8]。我国纤维增强塑料委员会对于我国纤维增强塑料行业的复合材料也制定了两百多项国家标准，包含基础标准、原材料标准、产品标准和检测方法类标准，形成了比较完备的标准体系，满足基本性能检验需求，但对于夹芯结构复合材料检测方法不足，如实验室老化试验等，另外设计计算类标准缺失。然而，由于船用复合材料结构具有大尺寸、大厚度的特点，纤维增强复合材料共性检测方法并不适用于船用复合材料的部件或结构，如船用复合材料的无损检测方法与其他行业不同。另外，由于使用工况的特殊性，船用复合材料对于耐火性、耐海水性等耐久性评价不同。

1.1 无损检测

美国采用激光散斑、超声波、红外等多种检测方式研究了船用复合材料的分层、气孔、水浸、芯材塌陷等多種缺陷类型及尺寸的无损检测方法，包含玻纤和碳纤成型的层合结构以及夹层结构[9]，并且建立了关于超声检测法、X射线检测法和结构复合材料无损检测技术的军用标准。俄罗斯《造船用玻璃钢结构 无损探伤法》标准规定了玻璃钢结构的缺陷、检测方法和安全要求，规定了检测的项目和允许缺陷的一般要求，以及单层、多层构件和连接组件的检测。我国有超声波和X射线照相检验的军用标准，适用于层合板结构的复合材料，对于有声学功能的夹芯结构复合材料的面芯分层缺陷尺寸、芯材内部缺陷类型和尺寸，以及帽型筋结构的无损检测方法还处于研究状态，尚未建立检测标准。

1.2 耐火性

对于纤维增强树脂基复合材料的耐火性，美国从小规模、中等规模到大规模几个火灾等级进行测试。小规模主要针对试样的氧指数、烟密度、锥形量热试验以及热辐照试验；中等规模包含火焰烧穿试验、低播焰试验和1/4规模试验；大规模主要是墙角火试验和房间火试验，并对于舱内结构件用复合材料，规定了耐火性的考核方法。例如MILSTD-3020《水面舰船的耐火性能》规定了水面舰船不同等级的耐火分隔的试验方法和验收标准，包含材料防火阻燃性能评价方法，如火灾结构完整性、烟气毒性等；MIL-STD-2031《海军潜艇内用于船体、机械和结构应用的复合材料系统的火灾和毒性试验方法和鉴定程序》规定了潜艇舱内用复合材料的氧指数、烟密度、火焰蔓延系数、可燃性、热释放率、1/4尺度防火试验以及大规模开放环境耐火试验等。

俄罗斯标准《船用非金属材料的火灾危险性火焰蔓延试验方法》规定了船用非金属材料的火焰蔓延试验；《船用非金属材料发烟能力的评价方法》规定了船用非金属材料发烟能力的评价方法。国内对于纤维增强复合材料在舱内的使用，GJ B3881《舰船用非金属材料毒性评价规程》规定了非金属材料的常温和高温毒性检测项目。通过参照《国际耐火试验程序应用规则》（FTP规则），并借鉴国外船用复合材料的评价方法如大规模等级燃烧试验，我国对低播焰性以及构件级的墙角火试验提出了测试要求，但并未形成明确的上船使用的评价认证程序。

1.3 耐久性

海水对船用复合材料的影响包含多种因素，如温度、湿度、盐分以及外加应力等综合效应。复合材料在海洋环境中的耐久性，在大多数设计标准中只有间接的阐述，由于长期性能需要大量的测试，对复合材料环境下的疲劳性能和损伤容限预测存在极大挑战，往往设计时采用非常保守的假设。国外开展了复合材料在干湿态、高低温，以及暴露于化学介质中的疲劳性能研究，并以经典的层合板理论为基础，通过研究水吸附热动力学，建立了水浸入和力学响应行为耦合的物理模型，在DNV离岸标准DNV-OS-C501[10]《复合材料构件》中列出了需要考虑的失效模式和机理清单，直接阐述了复合材料的长期性能。

国内仅开展了复合材料在空气中的疲劳性能研究，对于干湿态、高低温以及化学介质多因素影响的疲劳性能并未开展研究。对于复合材料加速老化以及实际海洋环境中的机械性能损失开展了大量研究工作，并建立模型进行拟合分析，但对于温度和化学物质对复合材料降解过程的影响机理并不清楚，对预测方法的研究也不够深入。在复合材料设计中，我国主要采用的是设置足够安全阈值，对试样进行长期老化性能测试，构件进行疲劳性能试验，对设计和测试结果进行评估后决定是否上船使用的方法。

2 纤维增强复合材料船

国外最早从40年代开始使用玻璃钢复合材料建造小型军事舰艇，如登陆艇、扫雷艇、巡逻艇等。各船级社相关规范中对船用纤维增强复合材料进行了原材料的规定。例如英国劳氏船级社形成了适用于船体长度小于50 m复合材料船的建造规范；美国船级社形成了适用于船长小于61 m的复合材料船建造和入级规范，美国军用规范MIL-R-21607D（船用）关于耐燃不饱和聚酯树脂等，规定了包含船用树脂、催化剂促进剂、玻璃纤维及玻璃布、颜填料等原材料；法国船级社玻璃纤维增强塑料船建造与入级规范规定了用作夹芯结构复合材料的结构芯材是闭孔结构，且与所用船用树脂相容，60℃范围内其物理化学性质不发生变化。ISO 12215实现了小型船舶设计的规范化，规定了材料组成、制造、单船设计应力、构建尺寸、结构布置和细则等内容。

我国纤维增强复合材料在船上的应用最早可追溯到1958年第1艘玻璃钢工作艇，随后应用到救生艇、游艇等。纤维增强复合材料（玻璃钢）船相关标准如表1所示。在20世纪80年代期间，我国形成了工作艇、救生艇等小艇包含艇体型式和尺寸、材料性能和试验的行业标准，并细化了制图和单层船体结构构件的设计计算方法等。大部分标准为行业标准，标龄较长，后续无更新。20世纪之后，我国逐渐建立了小艇、救生艇、游艇等壳体材料的国家标准。

3 纤维增强复合材料船用产品

国外使用先进碳纤维复合材料建造大型军事舰船，如护卫舰和航母等大型军事舰艇的上层建筑、甲板、舱壁、桅杆系统、螺旋桨、推进轴、舵、管道、泵、阀门、机械和其他设备等部位，以及潜艇推进器、操纵面和舾装件等结构。美国材料试验协会（ASTM）和国际标准化组织（ISO）形成了部分船用复合材料产品规范（见表2），如热固性树脂玻璃纤维管道系统相关标准规定了船用玻璃钢管的分类、服役环境和耐火性规定，以及试验方法等，纤维增强复合材料格栅产品标准规定了产品火灾完整性等级。

我国纤维增强复合材料在船舶上应用部位的相关标准汇总于表3。从表3中可以看出，相关标准主要涵盖部分舾装件如舢板、弹药箱、舱室门等舾装件，以及次承力结构如声呐导流罩、桅杆、指挥室围壳和上层建筑、深潜器轻壳体等产品的材料规范，内容包含结构组成、材料以及检测性能等方面。产品类标准主要采用行业标准的形式，少部分通过吸收转化国外相应产品，如玻璃纤维管及附件的标准形成了国标。

依托船用复合材料应用制品，国内形成了关于手糊工艺、缠绕成型工艺和真空辅助成型工艺几项产品制备方法类标准（见表4），代表了我国船用复合材料产品建造工艺的部分技术水平。对于已经发展并应用的新制造技术，如树脂传递模塑（RTM）工艺技术、袋压工艺技术、复合材料构件制造技术等新技术处于研究或推广阶段，尚未形成行业标准。

4 我国船用复合材料标准化工作建议

我国船用复合材料标准呈现出设计方法类标准标龄过长，产品类和制备方法类标准化研究滞后，检测方法类标准不完善的特点，如对于大厚度船用夹芯复合材料的无损检测方法未定型，对于船用复合材料防火和毒性试验的认证规程未建立，对于海洋环境耐久性研究理论未形成。建议后续在开展相关材料研究及工程化应用工作时，同步开展标准化研究，对已有研制成果延伸形成标准，真正实现新材料新技术新工艺的工程化，提高产品的可靠性。

对于纤维增强复合材料的上船使用，国外从材料典型单元、节点、局部模型到全尺度模型，有一套完整的性能考核方法和评价流程，如意大利船级社RINA[7]规定了夹芯结构复合材料用于壳体建造时对于芯材和夹芯结构复合材料的评价方法和鉴定程序，而我国仍采用对试样和构件进行性能试验，对设计和试验结果进行评估的一事一议方式。随着船舶向高性能、高附加值船型方向发展，纤维增强复合材料在新型船型上的应用将成为必然的趋势，为保障复合材料在船舶上的使用安全，必须建立船舶结构用复合材料的应用考核评价规范。同时，要善于引进转化国外先进的标准化成果，加快复合材料上船推广应用。

5 结 语

综上所述，通过对标国外船用纤维增强复合材料的标准化成果，充分了解国内的发展现状，分门别类，修订标龄长的标准，跟进并新编产品类和制备方法类标准，补充完善检测方法类标准等，将相关成果通过标准化的形式固化，可有效规范并促进船用复合材料的发展。

参考文献

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作者簡介

蔡欢欢，通信作者，博士研究生，副高级工程师，研究方向为新材料应用研究。

江国梁，博士研究生，副高级工程师，研究方向为船舶智能制造研究。

李博文，本科，助理工程师，研究方向为现代管理研究。

韦青嵩，本科，高级工程师（研究员级），研究方向为船舶建造工艺研究。

（责任编辑：袁文静）