船舶復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

汪 璇， 裴軼群， 周方宇， 王奕杰， 方若愚

(上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引 言

與傳統(tǒng)金屬材料相比，復(fù)合材料輕量化水平高、耐腐蝕性強、抗疲勞性好，被廣泛用于航空航天、艦船游艇、風(fēng)電葉片等先進制造領(lǐng)域?？湛汀⒉ㄒ舻裙咀?0世紀70年代至今，其飛機結(jié)構(gòu)上的復(fù)合材料使用占比不斷提升，達50%以上[1]。復(fù)合材料在船舶上的應(yīng)用探索研究在不斷深入，當前復(fù)合材料主要用于軍艦及小型船舶，歐美等在應(yīng)用研究與經(jīng)驗積累方面處于優(yōu)勢地位，并在近年開始推動相關(guān)船用復(fù)合材料的標準制訂。

1 船舶復(fù)合材料性能特點

復(fù)合材料通常為2種及以上材料復(fù)合制造而成，常見形式為以樹脂為基體、纖維材料作為增強材料的纖維增強樹脂基復(fù)合材料。與普通金屬材料不同，復(fù)合材料表現(xiàn)為各向異性，其在纖維長度方向上具有高強度、高模量的材料性質(zhì)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計的層合板、夾層板等結(jié)構(gòu)具有突出的力學(xué)性能。與金屬材料相比，復(fù)合材料還具有耐腐蝕、抗疲勞、透波隱身、可一體成型等優(yōu)勢，在復(fù)雜海洋工況下具有廣闊的應(yīng)用場景。

1.1 結(jié)構(gòu)屬性

船舶復(fù)合材料的主要結(jié)構(gòu)為層合板結(jié)構(gòu)和夾層結(jié)構(gòu)。層合板結(jié)構(gòu)利用纖維方向優(yōu)異的力學(xué)性能，通過不同角度的單層纖維材料鋪疊而成，一般為對稱鋪層。纖維復(fù)合材料具有較傳統(tǒng)船用金屬更高的比強度(拉伸強度與密度比)和比模量(拉伸模量與密度比)，是實現(xiàn)船舶輕量化的一種理想結(jié)構(gòu)[2]。

夾層結(jié)構(gòu)外層為強度較高、相對較薄的纖維增強樹脂基復(fù)合材料面板，中間為密度較低、相對較厚的芯材，面板與芯材之間用黏合劑連接。纖維材料主要為玻璃纖維和碳纖維，芯材主要為木質(zhì)、泡沫或蜂窩芯材[3]。船舶夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料屬性參數(shù)[4]如表1所示。與芯材相比，纖維材料具有較大的密度和突出的拉伸模量值，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，復(fù)合材料夾層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，因此夾層結(jié)構(gòu)在復(fù)合材料船舶建造中應(yīng)用廣泛。

表1 實船甲板測試結(jié)果

表1 船舶夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料屬性參數(shù)

1.2 建造工藝

船舶復(fù)合材料建造工藝與傳統(tǒng)鋼質(zhì)船舶區(qū)別很大，傳統(tǒng)鋼材切割、裝配、焊接等作業(yè)方式并不適用于復(fù)合材料的生產(chǎn)加工。復(fù)合材料成型普遍需要依靠模具定型，在此基礎(chǔ)上利用樹脂將增強纖維浸潤并固化，具體成型工藝技術(shù)體系如圖1所示。目前船舶復(fù)合材料常用的加工工藝包括手糊成型工藝、噴射成型工藝、樹脂傳遞模塑(Resin Transfer Molding，RTM)工藝、層壓模壓成型工藝等[5]。手糊成型工藝依靠人工將增強纖維布直接裱糊于模具表面，該工藝出現(xiàn)最早且技術(shù)簡單，但其生產(chǎn)效率低下，質(zhì)量難以控制。在手糊成型工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展RTM技術(shù)，樹脂在閉合模具中流動并浸潤增強纖維，在固化后從模具中取出成品。類似工藝還有真空輔助樹脂灌注(Vacuum Assisted Resin Infusion，VARI)成型工藝，該工藝將增強纖維鋪疊于單個模具表面，在鋪上真空袋并密封四周后注入流動樹脂，同時利用真空泵抽除內(nèi)部空氣，使樹脂可充分浸潤增強纖維。該工藝在船舶復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的加工成型過程中得到充分應(yīng)用。

圖1 船舶復(fù)合材料成型工藝技術(shù)體系

1.3 應(yīng)用優(yōu)勢

1.3.1 輕量化水平突出

與傳統(tǒng)金屬相比，船舶復(fù)合材料具有較高的比強度和比模量，通過鋪層設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其優(yōu)異的力學(xué)性能可得到充分體現(xiàn)。經(jīng)設(shè)計優(yōu)化的復(fù)合材料上層建筑在強度相當?shù)那闆r下比傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)減重50%以上。船舶結(jié)構(gòu)及設(shè)備的減重對艦船裝備、漁船游艇、競速帆船的生產(chǎn)設(shè)計具有重要意義，可有效提升艦船機動性、增加設(shè)備搭載量。船身減重有利于提高船舶載重量、減少油耗、提升運營經(jīng)濟性。

1.3.2 耐腐蝕性強

與金屬相比，復(fù)合材料具有更好的耐腐蝕性能。在海洋環(huán)境中，復(fù)合材料的破壞形式主要為復(fù)合材料的吸濕性及在海水中受離子影響造成的材料水解現(xiàn)象，最終使材料產(chǎn)生氣泡、性能降低。復(fù)合材料在海洋環(huán)境中初期吸濕率增加，但隨時間推移最終會維持穩(wěn)定，拉伸強度等力學(xué)性能不再變化。海洋環(huán)境中的氯化鈉顆粒會附著在材料表面，在一定程度上阻止水分侵入。經(jīng)表面處理、增補防腐涂層后，復(fù)合材料在鹽霧酸堿等環(huán)境下的耐腐蝕性更強，因此逐步被用于船舶油氣運輸儲罐、螺旋槳葉等結(jié)構(gòu)設(shè)備，以解決金屬腐蝕問題[6]。

1.3.3 抗疲勞性好

在疲勞載荷下，復(fù)合材料比金屬材料具有更為復(fù)雜的失效機理，通常包括纖維破損、基體黏合劑開裂等在內(nèi)的多種破壞形式。在與金屬進行疲勞壽命比較時，通常以剛度損失或強度損失作為失效標準。在失效標準下，復(fù)合材料纜繩比金屬纜繩表現(xiàn)更長的循環(huán)壽命[7]。金屬焊接接口部位易產(chǎn)生疲勞損傷，在現(xiàn)有損傷修補預(yù)防措施中包含利用復(fù)合材料在金屬接口、拐角處進行修補加固的方法，如圖2所示。

圖2 纖維復(fù)合材料開口艙室角落部位加固

1.3.4 低溫環(huán)境下的力學(xué)性能穩(wěn)定

在低溫(-40°)環(huán)境下，大部分鋼材和鋁合金會產(chǎn)生脆化現(xiàn)象，對結(jié)構(gòu)強度和剛度產(chǎn)生威脅。纖維增強復(fù)合材料與之相反，在低溫環(huán)境下強度和剛度基本維持不變，強度甚至略有提高。纖維增強復(fù)合材料在低溫環(huán)境下穩(wěn)定的力學(xué)性能使其成為極地船舶結(jié)構(gòu)設(shè)備的理想金屬替代材料。

1.3.5 電磁兼容性強

船舶復(fù)合材料電磁兼容性強，透波性能優(yōu)良，在艦船導(dǎo)流罩外殼、桅桿天線罩等設(shè)備上具有廣泛的實際應(yīng)用。船舶復(fù)合材料除可透波隱身外，兼顧力學(xué)性能，被廣泛用于軍艦上層建筑等同時對隱身性能和力學(xué)性能具有較高要求的船體結(jié)構(gòu)部位。

1.3.6 可設(shè)計性好

船舶復(fù)合材料可設(shè)計性好，生產(chǎn)建造一體成型，可滿足小尺寸船艇和高速船對復(fù)雜型線的要求。除型線流暢的優(yōu)點外，船舶復(fù)合材料成品結(jié)構(gòu)表面光滑，多用于游船快艇船殼建造，如圖3所示。

圖3 采用碳纖維船殼建造的快艇

2 船舶復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀

復(fù)合材料自20世紀40年代美國軍方用于船舶建造以來，至今超過70 a的船用歷史[8]。目前在整船建造方面，船舶復(fù)合材料多用于軍艦及中小型民用船舶，復(fù)合材料軍艦多為掃雷艇等小型艦艇。近年來，隨著夾層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，復(fù)合材料整船建造開始朝大型化邁進，中小型民用船舶主要包括漁船、游艇、競速帆船等類型。根據(jù)材料和結(jié)構(gòu)的不同，船舶復(fù)合材料可發(fā)揮結(jié)構(gòu)減重、隔音降噪、隱身防護等優(yōu)勢，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，圖4展示船舶復(fù)合材料的典型結(jié)構(gòu)及應(yīng)用[9]。

2.1 美 國

美國在船舶復(fù)合材料技術(shù)研究及實際應(yīng)用中長期處于世界領(lǐng)先地位。進入21世紀以來，美國在復(fù)合材料艦船建造方面取得新突破，有代表性的為2006年下水的高速隱身試驗船短劍號和2013年下水的朱姆沃爾特級導(dǎo)彈驅(qū)逐艦DDG-1000。短劍號采用碳纖維樹脂增強復(fù)合材料建成，具有目前最大的一體成型船殼。該船型長為27.00 m，型寬為12.00 m，型深為5.00 m，吃水為0.80 m，滿載排水量為60 t，最高航速達60.0 kn。朱姆沃爾特級導(dǎo)彈驅(qū)逐艦上層建筑及直升機甲板采用纖維復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，依托復(fù)合材料良好的電磁兼容性，其一體化的上層建筑集成雷達天線、通信導(dǎo)航等設(shè)備，提升隱身作戰(zhàn)水平。該船全長為182.90 m，排水量為14 798 t，最高航速達33.5 kn。

2.2 歐 洲

瑞典在復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的研究方面處于世界前列，其2000年下水的維斯比級輕型護衛(wèi)艦是目前全球最長的全復(fù)合材料艦船，全長為72.70 m，排水量為650 t，艦體、甲板、上層建筑等結(jié)構(gòu)為采用VARI成型工藝建造的碳纖維夾層結(jié)構(gòu)，具有良好的隱身性能[10]。

意大利自20世紀80年代以來主要將船舶復(fù)合材料用于獵雷艇的設(shè)計建造，有代表性的為1998年開始研發(fā)的超級萊里奇型遠洋獵雷艦。近年來，該國的船舶復(fù)合材料上層建筑應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速，形成以技術(shù)出口為導(dǎo)向的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計[11]。

俄羅斯2011年在斯雷登涅夫斯基造船廠開建的亞歷山大級掃雷艇使用玻璃纖維復(fù)合材料。為建造該艇，造船廠專門建立實驗室驗證真空導(dǎo)入模塑技術(shù)。該艇全長為51.75 m，具有全球最大的復(fù)合材料艦船上層建筑[12]。

歐洲其他各國也在嘗試將復(fù)合材料用于船舶設(shè)備和部件的建造。例如：德國AIR加工技術(shù)公司制造一款碳纖維增強材料螺旋槳，憑借其槳葉良好的阻尼性能，使噪聲等級下降明顯；法國在其拉斐特級護衛(wèi)艦上利用玻璃纖維復(fù)合材料制造船舶廢氣排出管道，加上外層低輻射的特殊涂料，大幅提高艦船的紅外隱身性能。

除軍艦外，漁船、游艇等民用小型船只在歐洲也是復(fù)合材料重點應(yīng)用領(lǐng)域。

2.3 中 國

目前國內(nèi)復(fù)合材料船舶主要為海警巡邏艇、執(zhí)法艇、登陸舟等準軍事船艇及部分漁船、游艇等小型民用船舶。與歐美相比，國內(nèi)復(fù)合材料船舶數(shù)量不少，但整體比例并不高，目前歐美日韓等使用玻璃纖維制造的漁船占比達90%以上，而我國復(fù)合材料漁船占比僅超過10%。近年來，復(fù)合材料在船舶舾裝件、船用設(shè)備方面的研制進度加大，纖維復(fù)合材料推進軸、桅桿、螺旋槳等裝置的研制取得相應(yīng)成果并得到應(yīng)用。目前國內(nèi)共有500多家與船舶復(fù)合材料相關(guān)的廠商。隨著國內(nèi)經(jīng)濟的發(fā)展與建造工藝的進步，未來復(fù)合材料漁船、游艇、帆船的數(shù)量與應(yīng)用比例將持續(xù)提升，在艦船設(shè)備及舾裝件上的應(yīng)用場景將不斷拓寬。

3 船舶復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)展趨勢

隨著船舶復(fù)合材料技術(shù)應(yīng)用的積累，其優(yōu)異的材料性能越來越受到各國重視，在船舶上的應(yīng)用研究在不斷深入。當前歐洲正通過FIBRESHIP與RAMSSES項目，整合行業(yè)團隊，對船舶復(fù)合材料的進一步應(yīng)用進行探索試驗；國際海事組織(IMO)通過臨時準則，對船舶復(fù)合材料防火性能作出規(guī)定，并將根據(jù)實踐情況進行正式修訂。船舶復(fù)合材料的應(yīng)用正朝多樣化、大型化、標準化方向發(fā)展。

3.1 場景多樣化

隨著材料性能及生產(chǎn)工藝的提升與應(yīng)用經(jīng)驗的積累，船舶復(fù)合材料的應(yīng)用場景在不斷擴大。目前軍艦對復(fù)合材料的應(yīng)用需求較大，復(fù)合材料優(yōu)秀的輕量化性能有助于提升軍艦機動性，提升武備數(shù)量，其良好的透波性能可滿足艦船隱身要求，增加設(shè)備集成度[13]。復(fù)合材料軍艦應(yīng)用在各類船型中處于領(lǐng)先地位，在可預(yù)見的未來，復(fù)合材料在軍艦上的應(yīng)用探索將進一步深化，應(yīng)用范圍與規(guī)模將持續(xù)擴大。民船領(lǐng)域復(fù)合材料主要用于漁船、游艇、客船等船型，由復(fù)合材料夾層板結(jié)構(gòu)建造的上層建筑有助于降低船舶重心，提高穩(wěn)性，在客船等船型方面的應(yīng)用需求不斷增加[14]。復(fù)合材料船用裝備的應(yīng)用研究持續(xù)推進，目前研制成型并獲得實際應(yīng)用的裝置為桅桿、導(dǎo)流罩、螺旋槳、推進軸、移動式甲板等。

為進一步探索復(fù)合材料今后在船舶上的應(yīng)用場景與發(fā)展方向，歐洲開展一項名為RAMSSES的項目，旨在對船舶輕量化進行新材料新工藝的探索，提升企業(yè)競爭力。該項目包含13項演示實例，展現(xiàn)新型材料在海事行業(yè)的適用性及發(fā)展?jié)撃?，其中：與復(fù)合材料相關(guān)的項目包括上層建筑輕量化艙壁、輕量化高載荷構(gòu)件、滾裝船模塊化甲板、近海船只定制化船殼等。

3.2 尺寸大型化

船舶復(fù)合材料由最初的掃雷艇、漁船等小型船只逐步向護衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦、客船等船型應(yīng)用方向發(fā)展，其結(jié)構(gòu)尺寸不斷增大。復(fù)合材料的大尺度應(yīng)用對結(jié)構(gòu)強度要求較高，雖有碳纖維夾層板結(jié)構(gòu)的輕型護衛(wèi)艦、玻璃纖維結(jié)構(gòu)的上層建筑等船型案例，但由于研制成本高、建造工藝難度大、歷史數(shù)據(jù)積累不足，因此難以在船舶領(lǐng)域獲得大規(guī)模的應(yīng)用。當前趨勢是在小尺寸復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成熟應(yīng)用的基礎(chǔ)上不斷進行大尺度構(gòu)件試驗，有代表性的為由歐盟資助的FIBRESHIP項目，旨在填補現(xiàn)有技術(shù)空白，對50.00 m及以上尺寸的船舶復(fù)合材料使用進行研究。該項目研制一個由全復(fù)合材料建造的漁業(yè)研究船分段，其尺寸為11.00 m×11.00 m×8.60 m，重量為20 t。FIBRESHIP項目聯(lián)盟正在推動IMO監(jiān)管框架的修改，謀求在大尺度復(fù)合材料船舶設(shè)計、建造及運營方面形成新的指南與準則，以此深化復(fù)合材料船舶建造與運營方面的技術(shù)基礎(chǔ)，掌握市場先機。

3.3 評估標準化

與傳統(tǒng)船用金屬材料相比，復(fù)合材料的設(shè)計參數(shù)、性能表現(xiàn)更為復(fù)雜，加上船舶應(yīng)用歷史相對較短、規(guī)模較小，包括疲勞、防火、降噪等性能參數(shù)在實際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)經(jīng)驗積累不足，目前各國研制的大型復(fù)合材料船舶或多或少帶有試驗性質(zhì)。

傳統(tǒng)鋼船規(guī)范標準不適用于復(fù)合材料船舶，針對防火等要求需要出臺新的規(guī)定[15]。2017年IMO海上安全委員會(MSC)在第98屆會議上通過的1574號通函(MSC.1/Circ.1574)包含一項臨時準則，針對復(fù)合材料上船使用的消防事宜進行規(guī)定。該準則的出臺是為滿足《國際海上人命安全公約》(《SOLAS公約》)關(guān)于可燃性材料替換需要進行審核評估的要求，掃除復(fù)合材料上船使用的規(guī)則性障礙；作為臨時性準則，文件明確指出在4 a后(2021年)將根據(jù)收集的數(shù)據(jù)與實踐反饋進行再修訂，這為復(fù)合材料今后在船舶應(yīng)用方面的規(guī)則制訂奠定基礎(chǔ)。

復(fù)合材料作為船用材料的發(fā)展趨勢方向之一，國際各方正抓緊建立其評估標準體系，目前美國和俄羅斯對船舶復(fù)合材料的評估標準較為全面，歐盟開展對船舶復(fù)合材料的全生命周期管理研究。我國對船舶復(fù)合材料的性能評估體系尚不統(tǒng)一，限制船舶復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)展的進度[16]，今后應(yīng)完善相關(guān)數(shù)據(jù)的收集與應(yīng)用經(jīng)驗積累，加強船舶復(fù)合材料應(yīng)用體系研究。

4 結(jié) 論

(1)船舶復(fù)合材料在軍艦上的應(yīng)用前景較為廣闊。當前船舶復(fù)合材料的設(shè)計建造成本偏高，應(yīng)用案例偏少，全壽命周期的經(jīng)濟性分析論證尚不充分，民用船舶復(fù)合材料應(yīng)用動機不強。而軍艦對快速性、隱身性、裝載量等方面需求強烈，美國、法國、瑞典等國在新建軍艦上均有使用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的試驗案例。復(fù)合材料由于其材料特性，與傳統(tǒng)金屬相比可滿足多樣化的應(yīng)用場景，有效提升船舶性能與作戰(zhàn)能力，因此軍艦對復(fù)合材料的上艦應(yīng)用較為歡迎，研究意愿也較為強烈。

(2)船舶上層建筑復(fù)合材料夾層板結(jié)構(gòu)將成為近期主要應(yīng)用研究方向。近年來，船舶復(fù)合材料應(yīng)用研究呈現(xiàn)大尺度化趨勢，美國、俄羅斯等國均在其先進艦船上層建筑中采用復(fù)合材料夾層板結(jié)構(gòu)。由于上層建筑一般參與總縱強度有限，而輕量化結(jié)構(gòu)有助于重心降低與穩(wěn)性提升，因此在當前條件下上層建筑復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用具有可行性。歐美正在推進IMO關(guān)于復(fù)合材料艙壁防火、艙室降噪等方面的規(guī)則制訂和標準修改。

(3)歐美在船舶復(fù)合材料技術(shù)應(yīng)用、標準制訂方面處于領(lǐng)先地位。歐美在復(fù)合材料軍艦應(yīng)用的探索研究早于我國，美國早在70多年前就開始船舶復(fù)合材料應(yīng)用探索，現(xiàn)役隱身導(dǎo)彈驅(qū)逐艦采用復(fù)合材料；瑞典于20多年前下水的碳纖維護衛(wèi)艦在輕量化、快速化等方面現(xiàn)仍處于世界領(lǐng)先地位。歐美的游艇、帆船市場活躍，復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)成熟，其在漁船上的應(yīng)用比例遠大于我國。近年來，歐美加大對輕量化材料結(jié)構(gòu)的研究力度，持續(xù)推動相應(yīng)規(guī)則的修改，在國際標準制訂方面比我國具有更強的話語權(quán)，掌握相對深厚的技術(shù)儲備與市場先機。