賀遠(yuǎn)松 羅 凱 曹明法

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011）

引 言

玄武巖纖維（Basalt Fibre，簡稱BF）一般可分為普通玄武巖棉、超細(xì)玄武巖纖維和連續(xù)玄武巖纖維（Continuous Basalt Fibre，簡稱CBF），本文主要研究CBF及其復(fù)合材料（簡稱CBF/CM），它是前蘇聯(lián)經(jīng)過30多年的研究而開發(fā)成功的高科技纖維。由于CBF綜合性能優(yōu)異、性價比高，因此應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，極具發(fā)展前景。尤其是近年來，中國也能批量生產(chǎn)CBF及其制品，因此開展對CBF/CM的深入研發(fā)和推廣應(yīng)用是具有現(xiàn)實意義的。CBF的生產(chǎn)技術(shù)含量很高，目前全世界能生產(chǎn)CBF的僅有俄羅斯、烏克蘭、美國和中國等少數(shù)幾個國家。2005年，全球CBF的生產(chǎn)總量不超過3 500 t，有一定規(guī)模的生產(chǎn)企業(yè)不超過6家；而至2012年，全球總產(chǎn)量也僅為5 000 t左右，現(xiàn)階段實際還未形成真正的高科技“產(chǎn)業(yè)”［1］。

近年來，中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院與浙江石金玄武巖纖維有限公司、洛陽船舶材料研究所、上海交通大學(xué)、東華大學(xué)和威海中復(fù)西港船艇有限公司等單位合作，率先開展了CBF/CM在船艇中的應(yīng)用技術(shù)研究并取得很大進(jìn)展，現(xiàn)已能批量生產(chǎn)中小型船艇所需的各種CBF船用制品，也制造了幾艘 CBF/CM 小型船艇［2］。

本研究主要含CBF及其各種船用制品的研制、CBF/CM基本性能和蠕變、老化及耐海洋環(huán)境等長期性能的試驗、CBF/CM船體結(jié)構(gòu)設(shè)計及典型節(jié)點連接技術(shù)、CBF/CM船體結(jié)構(gòu)性能分析、CBF/CM船體成型工藝與質(zhì)量控制技術(shù)和船體結(jié)構(gòu)集成演示系統(tǒng)論證設(shè)計制造及其總強度總剛度試驗等研究工作，并得出CBF/CM可用于建造中小型船艇的結(jié)論。

1 國內(nèi)外研究及發(fā)展概況

1.1 國外發(fā)展概況

上世紀(jì)60年代初期，莫斯科玻璃復(fù)合材料及玻璃纖維研究院為制造具有特殊性能的玻纖質(zhì)材料進(jìn)行了大量研究。BF的優(yōu)良特性引起蘇軍方的注意，要求該院盡快開發(fā)CBF。后來前蘇聯(lián)國防部將該任務(wù)下達(dá)給烏克蘭基輔材料研究院，并在烏克蘭別列切市又建成熱絕緣吸音材料科研生產(chǎn)聯(lián)合體，1972年開始研發(fā)，先產(chǎn)出超細(xì)玄武巖纖維（棉）。此后不久，美國也對此進(jìn)行大量研究，但未獲成功就中途停止。80年代初期，德國DBW公司進(jìn)行該項研究，幾年后也半途而廢，直到1985年，烏克蘭熱絕緣吸音材料科研生產(chǎn)聯(lián)合體終于開發(fā)成功CBF的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)。為此，前蘇聯(lián)共花費上億美元的經(jīng)費。前蘇聯(lián)解體前，在烏克蘭和格魯吉亞還各建成一套玄武巖熔爐。

前蘇聯(lián)的解體使CBF經(jīng)歷了10多年的蕭條期，世界經(jīng)濟復(fù)蘇后CBF又迎來新的投資熱潮，帶動了CBF/CM的強勁增長。例如，烏克蘭基輔的烏日（TOYOTA）合資企業(yè)2005年生產(chǎn)CBF約800 t，產(chǎn)品全部返銷日本；美國俄亥俄州建立的Sudaglass玄武巖纖維工廠也在2006年投產(chǎn)；玄武巖纖維工業(yè)聯(lián)盟已在美國德克薩斯州Woodlands成立，該聯(lián)盟稱將全力推廣玄武巖纖維材料的應(yīng)用。迄今為止，國外共有不同規(guī)模的CBF制造工廠10多家，俄羅斯和烏克蘭各占4家，美國、格魯吉亞、德國等各占 1 家［1，3］。

1.2 國內(nèi)研發(fā)概況

從上世紀(jì)70年代開始，我國國家建筑材料科學(xué)研究院和南京玻璃纖維研究設(shè)計院曾先后斷斷續(xù)續(xù)進(jìn)行了玄武巖纖維的研發(fā)，但未獲成功。本世紀(jì)初CBF/CM的研發(fā)開始得到國家高度的重視和支持：2001年6月CBF被列為中俄兩國政府間科技合作項目；2002年8月CBF/CM列入國家863計劃；2004年5月列為國家級火炬計劃；同年11月列入國家科技型中小企業(yè)創(chuàng)新基金［3］，特別是 2005年底又被列為“十一五”國家級基礎(chǔ)科研項目，在國內(nèi)外首先開展了CBF/CM在船艇中的應(yīng)用技術(shù)研究。

近十余年來，我國對CBF的開發(fā)業(yè)績顯著，現(xiàn)已成為世界上具有CBF領(lǐng)先生產(chǎn)技術(shù)的國家之一。2002年我國將“連續(xù)玄武巖纖維及其復(fù)合材料”列入863計劃，承擔(dān)該項目的上海俄金玄武巖纖維有限公司（現(xiàn)浙江石金玄武巖纖維有限公司），經(jīng)近兩年的開發(fā)，采用特殊生產(chǎn)技術(shù)和“一步法”工藝，終于取得以純天然玄武巖為原料生產(chǎn)出CBF的研發(fā)成果，并成功地實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)?！笆濉逼陂g自主創(chuàng)新、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的863計劃成果為“十一五”期間CBF/CM在船艇中的應(yīng)用技術(shù)研究準(zhǔn)備了基本物質(zhì)條件，而后者又為CBF/CM的產(chǎn)業(yè)化及今后在船艇中的推廣應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。

目前國內(nèi)擁有CBF生產(chǎn)工廠近十家，2010年全國CBF產(chǎn)量已超過3 000 t，其制品品種發(fā)展到近百種，預(yù)計2015年CBF的產(chǎn)量將達(dá)到10 000 t。我國已完成400孔、800孔成纖技術(shù)的研究，CBF單絲直徑達(dá)到5.7 μm，并制訂了多項有關(guān)玄武巖纖維的國家級和部級標(biāo)準(zhǔn)。

2 船艇中的CBF/CM應(yīng)用技術(shù)研究概述

2.1 CBF及其船用制品研制

研發(fā)出力學(xué)性能達(dá)國際水平的CBF，研制了船艇所需的各種CBF船用制品（含表面氈、短切纖維氈、單向布、方格布、二維正交縫編織物、多軸向縫編織物和三維正交織物等）。

2.2 CBF/CM的主要性能試驗研究

在選材、工藝和鋪層設(shè)計研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了CBF/CM基本性能和包括蠕變、老化及耐海洋環(huán)境等長期性能在內(nèi)的試驗研究，表1為CBF與玻璃纖維物理性能的比較，表2列出不同纖維雙軸向織物復(fù)合材料的力學(xué)性能［4］，表3給出了CBF/CM彎曲蠕變性能的情況，試驗結(jié)果表明CBF/CM的抗彎曲蠕變性能優(yōu)異［5］。

表1 CBF與其他纖維的物理性能

表3 CBF/CM蠕變效應(yīng)數(shù)據(jù)

2.3 CBF/CM船體設(shè)計及典型節(jié)點連接技術(shù)研究

主要進(jìn)行了CBF/CM船體原材料選材、鋪層設(shè)計和結(jié)構(gòu)選型研究；復(fù)合材料船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念分析；運用各種設(shè)計技巧，探索一系列具有彈性連接特征的典型節(jié)點和連接形式；進(jìn)行供驗證試驗所需的CBF/CM船體結(jié)構(gòu)集成演示系統(tǒng)的論證和設(shè)計；最后還對CBF/CM在船體中應(yīng)用的使用性能作了評估分析等研究。限于篇幅，以下僅對復(fù)合材料船體結(jié)構(gòu)設(shè)計理念以及最具彈性連接特征代表性的T型節(jié)點作一簡介。

2.3.1 CBF/CM船體結(jié)構(gòu)設(shè)計的理念［6］

（1）材料與結(jié)構(gòu)的同一性。復(fù)合材料與金屬材料的根本區(qū)別在于其材料和結(jié)構(gòu)是在建造工藝過程中同時形成的。故材料、設(shè)計與工藝之間是密切相關(guān)不可分割的，其對船體性能的影響遠(yuǎn)甚于金屬材料。

（2）材料與結(jié)構(gòu)的各向異性。與均質(zhì)的金屬材料不同，CBF/CM是各向異性材料，因此在設(shè)計船體結(jié)構(gòu)時，除要校核主要載荷方向的強度，還應(yīng)考慮次要載荷方向的應(yīng)力等問題。

（3）材料與結(jié)構(gòu)的可設(shè)計性。復(fù)合材料船體與金屬船體在設(shè)計方面的最大區(qū)別是其材料和結(jié)構(gòu)都具有可設(shè)計性，CBF/CM性能的可設(shè)計性為其船體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計奠定了技術(shù)可行性。

（4）復(fù)合效應(yīng)的優(yōu)越性。CBF/CM及其結(jié)構(gòu)是由各組分材料經(jīng)復(fù)合工藝形成的，但它并不是幾種原材料簡單的混合，而是按復(fù)合效應(yīng)形成新的性能，因而在設(shè)計中要注意充分發(fā)揮復(fù)合效應(yīng)的優(yōu)越性。

（5）船體結(jié)構(gòu)型式的多樣性。復(fù)合材料船體結(jié)構(gòu)形式比金屬船體豐富得多，除單板加筋結(jié)構(gòu)外，還有夾層、硬殼式、波形及其混雜結(jié)構(gòu)等，而結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選型及設(shè)計技巧的發(fā)揮對船體性能有至關(guān)重要的影響。

（6）船體性能對復(fù)合工藝及環(huán)境的依賴性。船體性能對成型方法、工藝參數(shù)和過程及環(huán)境因素等的依賴性較大，故手糊成型的船體性能之離散度較金屬船體大很多，先進(jìn)的真空輔助成型可明顯提高性能，降低其離散度。

2.3.2 具有彈性連接特征的典型節(jié)點與連接技術(shù)研究

在參考國內(nèi)外復(fù)合材料船體典型節(jié)點和連接形式的基礎(chǔ)上，主要通過采用有較大斷裂伸長率的新型柔性樹脂，并充分發(fā)揮復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計技巧，設(shè)計了具有彈性連接特征的典型節(jié)點圖冊，其中最有代表性的是艙壁與船殼和艙壁與甲板的T型連接節(jié)點（見圖1）。

圖1 復(fù)合材料船體T型節(jié)點的連接型式

2.4 CBF/CM船體結(jié)構(gòu)性能分析及船體水下爆炸響應(yīng)的數(shù)值仿真等研究

進(jìn)行了CBF/CM艦船船體結(jié)構(gòu)性能的分析，并通過對復(fù)合材料船體梁極限強度的研究，提出便于實船設(shè)計應(yīng)用的預(yù)報復(fù)合材料船體極限崩潰縱向極限強度的簡化分析方法［7-8］；還開展了CBF/CM船體水下爆炸響應(yīng)的數(shù)值仿真以及水下爆炸脈動載荷對CBF/CM船體結(jié)構(gòu)影響的研究［9-10］。限于篇幅，本文對上述研究不再展開，詳見相應(yīng)的參考文獻(xiàn)。

2.5 CBF/CM船體成型工藝與質(zhì)量控制技術(shù)研究

對復(fù)合材料船體真空輔助成型工藝方法進(jìn)行較深入的試驗研究，提供包括材料特性和工藝參數(shù)對纖維/樹脂浸潤過程影響的CBF織物等增強材料滲透率數(shù)據(jù)報告，并對CBF/CM真空輔助成型工藝的多參數(shù)影響進(jìn)行優(yōu)化；還研究了采用真空輔助成型的CBF/CM船體質(zhì)量控制與監(jiān)測技術(shù)，在上述研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行真空輔助成型工藝監(jiān)控軟件的開發(fā)，為實現(xiàn)對于要求高抗沖擊強度的大厚度船體成型工藝過程的在線監(jiān)控打下基礎(chǔ)［11-12］。

圖2 CBF/CM船體的真空輔助成型現(xiàn)場

3 CBF/CM船體結(jié)構(gòu)集成演示系統(tǒng)論證、設(shè)計和制造

開展船體結(jié)構(gòu)集成演示系統(tǒng)的論證，以確定在現(xiàn)有條件下船體結(jié)構(gòu)集成演示系統(tǒng)的尺度大小和結(jié)構(gòu)形式等。在此基礎(chǔ)上，完成了18.8 m長的CBF/CM集成演示系統(tǒng)船體鋪層和結(jié)構(gòu)設(shè)計，制訂了船體建造工藝說明書，然后采用真空輔助成型工藝，進(jìn)行該系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)部件（包括船殼、甲扳、艙壁等）的制造，最后采用手糊成型工藝完成船體各結(jié)構(gòu)部件的組裝。整個制造過程均在較嚴(yán)格的質(zhì)量控制程序下進(jìn)行，以獲得性能優(yōu)良的船體結(jié)構(gòu)演示系統(tǒng)。

圖3 船體結(jié)構(gòu)集成演示系統(tǒng)外觀圖

4 CBF/CM船體結(jié)構(gòu)總強度、總剛度等試驗研究

為了考察本研究攻克的主要關(guān)鍵技術(shù)在CBF/CM船體結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造中應(yīng)用的效果，了解采用當(dāng)前CBF/CM制造的船體結(jié)構(gòu)主要性能水平，有必要對船體結(jié)構(gòu)集成演示系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜態(tài)強度和剛度試驗，并與玻璃鋼船體作比較，為今后實際應(yīng)用提供有用數(shù)據(jù)。

4.1 試驗對象

試驗對象分別為GRP和CBF / CM制造的主船體（含有船殼、甲板和艙壁等），如圖4所示。

圖4 試驗對象簡圖

4.2 試驗結(jié)果及分析

4.2.1 靜剛度試驗

GRP和CBF/CM船體，當(dāng)注水到最高水位時，由實測數(shù)據(jù)結(jié)果得到的最大撓度值均發(fā)生在近船舯17號肋位處（見下頁圖5和圖6），總體來看，兩種材料船體結(jié)構(gòu)的剛度基本相當(dāng)。

4.2.2 靜強度試驗

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算得到的結(jié)果，可得出船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況如下：

圖5 GRP船體結(jié)構(gòu)的撓度曲線

圖6 CBF/CM船體結(jié)構(gòu)的撓度曲線

就整個船體結(jié)構(gòu)來說，在注水加載情況下，無論對于甲板還是底部，最大應(yīng)變、應(yīng)力均發(fā)生在靠近船舯的區(qū)域，且相對于同一肋骨位置的中龍骨測點應(yīng)力均高于中縱桁的應(yīng)力。

對于CBF/CM船體，相應(yīng)于同一肋骨位置的甲板中縱桁與旁縱桁測點應(yīng)力比較接近，而底部中龍骨的測點應(yīng)力則明顯高于旁內(nèi)龍骨。

對于CBF/CM船體，在超載（最大注水量）情況下，測點處最大實測應(yīng)力為34.64 MPa，仍小于許用值40 MPa，在試驗過程中，船體始終無開裂、漏水等現(xiàn)象發(fā)生，滿足安全性要求。

5 結(jié) 論

（1）CBF的物理性能大多高于E玻纖和S玻纖，而CBF/CM的力學(xué)性能則界于E和S玻璃鋼之間，且其性能的離散度均略大于玻纖和玻璃鋼。

（2）相對于在船艇中有近70年應(yīng)用歷史的玻纖和玻璃鋼來說，CBF/CM作為一種尚處在研發(fā)階段的高科技纖維和新穎復(fù)合材料，還有較大的潛力待進(jìn)一步開發(fā)。

（3）經(jīng)過幾年的科研、設(shè)計、建造、試驗和初步應(yīng)用實踐，攻克了采用CBF/CM建造船艇的關(guān)鍵技術(shù)，表明CBF/CM可用于建造船艇。

作為一種新穎的增強纖維，CBF無疑會有不完善之處需要改進(jìn)，為此特提出以下幾點建議：

（1）加強對CBF專用浸潤劑的研究，并進(jìn)行與船艇應(yīng)用環(huán)境相關(guān)性能的深入研究。

（2）建立池窯化融熔技術(shù)和設(shè)備、研發(fā)多孔大漏板拉絲技術(shù)、采用大絲束纖維生產(chǎn)工藝，以達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定和規(guī)?；a(chǎn)，是未來CBF研發(fā)和制造技術(shù)的發(fā)展趨勢。

（3）CBF/CM在船艇中的應(yīng)用尚處于起始階段，可先從上層建筑的設(shè)計制造等工程化應(yīng)用實踐開始，建議其主船體可先采用CBF與E玻纖混雜增強型復(fù)合材料。

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