复合材料在船舶中的应用研究

杜星炜 满雪辉

摘 要 复合材料因其优势显著的性能特点在船舶领域具有广阔的应用空间，随着建造工艺的进步和材料性能的提升，船舶复合材料应用范围和比重逐步增大。本文研究船舶复合材料的应用优势，梳理国内外船舶复合材料应用现状，分析船舶复合材料应用发展方向，研判船舶复合材料发展趋势，为我国船舶复合材料的发展提供参考方向。

关键词 船舶；复合材料；发展趋势

Study on the Application of Composites in Marine Ships

DU Xingwei1，Man Xuehui2

（1.Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028；

2.Heilongjiang Government Affairs Big Data Center 150028）

ABSTRACT The composite materials possess a broad application in the ship field because of their remarkable performance characteristics. With the progress of construction technology and the improvement of material properties， the application range and proportion of ship composite materials increase gradually. The application advantages of ship composite materials are studied， the application status of ship composite materials at home and abroad is sorted out， the application development direction of ship composite materials are analyzed， and the development trend of ship composite materials is studied and judged， so as to provide reference direction for the development of ship composite materials in China.

KEYWORDS ships; composites; development trend

1 引言

现代高科技的发展离不开复合材料，复合材料对现代科学技术的发展有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其发展速度和规模已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一［2］。

复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大，其特点是比重小、比强度和比模量大，具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声和电绝缘等性能，用于船舶制造可减轻重量，提高速度并节约能源。本文介绍了船用复合材料在国内外的应用现状，在此基础上对船用复合材料的发展趋势进行分析和展望。

2 复合材料的应用优势

2.1 轻量化水平突出

与金属相比，碳纤维环氧树脂复合材料的比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，通过铺层设计和结构优化，利用其各向异性特点，可按制件不同部位的强度要求设计纤维排列，其优异的力学性能可充分体现。设计优化后的复合材料船身在相同强度需求的使用条件下比传统钢结构减重50%以上。船身轻量化有助于提高船舶载重量，降低油耗和运营成本。

2.2 耐腐蚀性强

复合材料与传统金属相比耐腐蚀性更好，金属材料在海洋环境受离子影响造成材料水解产生破坏，使材料周围产生气泡，从而导致力学性能降低。复合材料在海洋环境中的初期吸濕率会增加，但随时间推移最终会维持稳定，拉伸强度不再发生显著变化。海洋环境中，由于氯化钠颗粒会附着在材料表面，阻止了水分进一步侵入结构内部。复合材料表面过处理并在接触面增补涂层后具有更强的耐腐蚀性，被用于船舶油气运输的储罐、螺旋桨叶等结构和设备中，以解决材料在海洋环境中的腐蚀问题。

2.3 抗疲劳性好

复合材料相较于传统金属材料在重复载荷作用下的失效机理更为复杂，破坏形式包含纤维断裂、树脂基体开裂等多种形式。在疲劳寿命方面，金属材料通常以刚度或强度降低作为衡量失效的标准，此失效标准下，复合材料循环寿命更长。

2.4 透波性能优良

复合材料具有较高的透波率及较低的反射率和损耗，满足雷达搜寻及瞄准目标精度等要求。在舰船导流罩外壳、桅杆天线罩等设备上具有广泛的应用。

2.5 易于成型

随着复合材料应用领域的拓宽，复合材料成型工艺日渐完善，新成型方法不断涌现。复合材料成型方法目前有很多种，并成功应用于工业生产。根据不同部件的具体使用需求及设计，选用合适的成型工艺，使船舶制造工序更加简单，有利于成本控制。

3 船舶复合材料应用现状

船用复合材料按照功能可分为结构、阻尼、声学、隐身和防护五大系列，如图1所示。

3.1 复合材料在船体结构上的应用

船体上的复合材料结构形式主要为层合板结构和夹层结构。层合板结构利用纤维方向的优异力学性能按照不同角度铺放而成。与传统船用金属相比，纤维复合材料具有更高的比强度和比模量，作为一种理想结构实现了船舶轻量化。

夹层结构外层为力学性能较好的复合材料薄板，中间为力学性能较差但密度低的芯材，用黏合剂将两部分连接。玻璃纤维和碳纤维为主要增强材料，木质、泡沫或蜂窝为主要芯材。纤维材料相较于芯材具有更加突出的力学性能，主要由复合材料面板承受以拉伸、压缩、弯曲、扭转等受力条件下产生的载荷。而芯材决定了夹层结构的截面刚度，随着芯材厚度增加，夹层结构的截面弯曲刚度增加，结构整体重量提升却并不明显，所以在复合材料船舶船体建造中夹层结构应用广泛。

3.2 复合材料在推进器上的应用

复合材料推进器叶片中的纤维承受主要的水动力和离心力，所以通过纤维角度和铺叠顺序设计可以优化结构性能。纤维角度影响叶片结构的推力、有效螺距和翘曲大小，因此叶片需要精确的结构设计和产品制造，以确保获得最优性能。

在实际应用中，2003年英国Qineti Q公司制造了直径2.9 m的复合材料螺旋桨，如图2所示。德国AIR公司开发的Contur系列复合材料螺旋桨已成功应用于多类舰船，如图3所示。2015年日本中岛公司与船级社为“太鼓丸”号“Taiko-Maru”化学品货轮开发了柔性复合材料螺旋桨，如图4所示。

3.3 复合材料海军舰船上层建筑上的应用

法国海军于1992年开始在舰船上层建筑上采用复合材料，2002年交付的5艘“拉斐特”级舰的上层建筑均采用复合材料夹层板。芬兰皇家海军的Rauma快速巡逻艇的上层建筑也采用复合材料夹层结构，船体采用铝合金。美国海军“阿利·伯克”级驱逐舰的上层建筑是由夹层复合材料与钢结构组合而成，包括武器系统外罩、前指挥室、直升机库、烟囱等构件。

美国新一代驱逐舰首舰DDG 1000，排水量约14000t，航速约30kn，是美国未来海军的主力战舰，集成上层建筑是其亮点之一，尺寸约为60.35m×21.12m×18.1m，具有隐身性强、电磁兼容性好等优势。DDG 1000驱逐舰集成上层建筑应用复合材料的部件包括上层甲板室、机库、雷达天线罩等。意大利海军近年建造了4艘“克曼德安迪”级轻型护卫舰，自2002 年开始服役，生产商为芬坎蒂尼造船公司里瓦·特里戈索造船厂。 第4艘舰“福斯卡里” 2004年下水，该舰长88.4m，满载排水量1520 t，最大航速25 kn以上，采用了更多的玻璃纤维增强复合材料，用于桅杆和直升飞机库，实现了减重和耐腐蚀的目的。美国西雅图的Zyvex船舶公司采用先进复合材料制造的LRV-17快艇投入航行，其航程相当于同规格快艇的3倍以上。该新型快艇采用了碳纤维增强复合材料，大大减轻了快艇结构重量，延长了快艇航程。

4 船舶复合材料发展趋势

4.1 场景多样化

随着材料性能、生产工艺改进，以及复合材料实际应用经验的积累，船舶复合材料的应用场景在不断扩大。目前军用舰船对复合材料应用需求较大，复合材料轻质的特点有助于提升军舰机动性并有效提高搭载武器装备数量，其良好的透波性能可满足舰船隐身要求，增加设备集成度。复合材料未来在军舰上的应用探索将进一步深化，应用范围与规模将持续扩大。在民船领域，由复合材料夹层结构建造的上层建筑对降低船舶重心，提高船舶稳定性是十分有效的。

4.2 尺寸大型化

船舶复合材料从最初应用于扫雷艇、渔船等小型船只逐步向护卫舰、驱逐舰、客船等船型应用方向发展，其结构尺寸不断增大。复合材料大量应用于对结构强度要求较高的部位，虽有轻型护卫舰使用碳纤维夹层结构，上层建筑使用玻璃纤维结构的船型案例，但由于研制成本高、建造工艺难度大、历史数据积累不足，因此难以在船舶领域获得大规模的应用。当前趋势是在小尺寸复合材料结构成熟应用的基础上不断进行大尺度构件试验。

4.3 评估标准化

相较于传统船用金属材料，复合材料设计参数、性能表现更为复杂，加上船舶应用历史相对较短、规模较小，包括疲劳、防火和降噪等性能参数在实际应用中的数据经验积累不足，各国研制的大型复合材料船舶或多或少带有试验性质。传统钢船规范标准不适用于复合材料船舶，复合材料作为船用材料的发展趋势之一，国际各方正快速建立其评估标准体系。目前美国和俄罗斯对船舶复合材料的评估标准较为全面，欧盟开展对船舶复合材料的全生命周期管理研究。我国对船舶复合材料的性能评估体系尚不统一，限制了船舶复合材料应用发展的速度，今后应完善相关数据的收集与应用经验积累，加强船舶复合材料应用体系研究。

5 结语

（1）海洋船舶制造中应用复合材料具有非常显著的优势，要想进一步拓展应用，关键是要加快复合材料的设计和研发进程。我国海洋船舶复合材料未来发展的最重要一步是改进设计工艺。复合材料要向着高性能、低成本的方向发展，结构上需要完成从非承力结构向主/次承力结构的转变，这样才能继续拓展复合材料的应用范畴，使其能够在海洋船舶制造中得到大规模的应用。

（2）欧美在船舶复合材料技术应用、标准制订方面处于领先地位。近年来，欧美加大对轻量化材料结构的研究力度，持续推动相应规则的修改，在国际标准制订方面比我国具有更强的话语权，掌握相对深厚的技术储备与市场先机。

所以，需研究船用复合材料制作工艺的评价标准，分析和归纳复合材料应用的典型部位，进行海洋环境条件下的性能试验研究。可通过试验室模拟海洋环境，加速复合材料的性能试验，获取相应的数据参数，建立寿命预测模型，形成完整的复合材料海洋性能评价程序、流程和具体方法，为复合材料的结构设计、应用和维护等提供可靠的数据支持。

参 考 文 献

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