肖偉星

（大連航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧大連 116041）

0 引言

對(duì)于復(fù)合材料在船舶上的應(yīng)用，國(guó)外分析和研究的時(shí)間比較早。而我國(guó)在研究船用復(fù)合材料方面起步比較晚，無(wú)論是成型工藝，還是生產(chǎn)原料都比較滯后，應(yīng)用實(shí)船上與國(guó)外的差距也比較大[1]。

1 船用復(fù)合材料概述

船用復(fù)合材料是一種多相的固體材料，由化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)2種和2種以上不同的物質(zhì)組成。船用復(fù)合材料所具有的獨(dú)特性，各組分材料也具有。但船用復(fù)合材料性能是將優(yōu)于二者的性能更好地表現(xiàn)出來(lái)，并不是簡(jiǎn)單地加和組分性能。在船用復(fù)合材料中，通常有一個(gè)連續(xù)相，也就是“基體”，將增強(qiáng)材料固定和粘結(jié)以及維持成為相應(yīng)的形狀；還有一個(gè)增強(qiáng)體分散相，使船用復(fù)合材料不連續(xù)相材料得以增強(qiáng)，在基體支持下，提高剛度和強(qiáng)度。在整個(gè)連續(xù)相中，分散相分布的形態(tài)為獨(dú)立，能將纖維很大程度地增強(qiáng)，還能作為彌散顆料狀的物料[2]。

船用復(fù)合材料有許多分類(lèi)方法，最基本的是根據(jù)基體材料的類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)，可分為金屬基和聚合物基以及無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料。金屬基復(fù)合材料，基體是鐵基復(fù)合材料和鋁基復(fù)合材料等金屬；聚合物基復(fù)合材料，有機(jī)聚合高分子為基體；無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料，基體主要是陶瓷和水泥及玻璃等。

2 船用復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展情況

船用復(fù)合材料早期大多應(yīng)用在小型登陸艦和小型巡邏艇。剛度和質(zhì)量較差的船用復(fù)合材料使船舶長(zhǎng)度受到限制，≤15 m，排水量＜20 t。最近幾年，設(shè)計(jì)和制備船用復(fù)合材料的成本大幅度降低，提升了力學(xué)性能，輕型護(hù)衛(wèi)艦和獵雷艇等大型艦船開(kāi)始應(yīng)用復(fù)合材料[3]。當(dāng)前全復(fù)合材料的海軍船舶長(zhǎng)度已經(jīng)達(dá)到（80～90）m。

2.1 國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展情況

在船用復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展上，美國(guó)是最先進(jìn)的，也是船用復(fù)合材料用量最大和應(yīng)用最廣的國(guó)家，無(wú)論是技術(shù)上還是規(guī)模上，美國(guó)都在世界前列。1946年，美國(guó)海軍用聚酯玻璃鋼建造的交通艇，是世界上第一艘應(yīng)用復(fù)合材料的艦船，接著又制造了工作船和玻璃鋼登陸艇等[4]。為了加快玻璃鋼船舶技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)50年代，美國(guó)要求海軍船舶凡長(zhǎng)度＜16 m以下的，都采用復(fù)合材料制造；1954年，美國(guó)手糊成型工藝更加成熟；1956年，美國(guó)建造2艘結(jié)構(gòu)形式不同的小型掃雷艇，對(duì)掃雷艇中應(yīng)用玻璃鋼進(jìn)行分析和研究；20紀(jì)60年代，美國(guó)海軍制造第一艘全玻璃鋼巡邏艇；20世紀(jì)90年代，應(yīng)用復(fù)合材料建造掃雷艇，利用高級(jí)間苯聚脂樹(shù)脂和半自動(dòng)的浸膠作業(yè)制造艇體，同時(shí)期，還利用聚脂樹(shù)脂單殼結(jié)構(gòu)制造了巡邏艇。美國(guó)海軍在制造深潛器中也應(yīng)用了船用復(fù)合材料[5]。1966年，利用石墨纖維建造環(huán)氧樹(shù)脂深潛器，下潛深度可6096 m。21世紀(jì)后，美國(guó)提升船舶中復(fù)合材料的應(yīng)用，新型乙烯基樹(shù)脂與乙烯基樹(shù)脂夾心層結(jié)構(gòu)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)玻璃纖維等低度纖維，新型船舶航速快，穩(wěn)定性高，且具備反潛、隱身及反水雷能力[6]。

20世紀(jì)50年代，日本開(kāi)始建造玻璃鋼船，建造的賽艇、高性能船和豪華游艇都獲得了良好效果。21世紀(jì)，日本開(kāi)始制造高性能復(fù)合材料軍用船舶，第一艘玻璃鋼復(fù)合材料掃雷艇已建造成功并投入使用。

歐洲的船舶復(fù)合材料技術(shù)也非常發(fā)達(dá)。1974年，瑞曲成功制成第一艘?jiàn)A層結(jié)構(gòu)玻璃鋼掃雷艇；20世紀(jì)90年代，世界第一艘復(fù)合材料隱形試驗(yàn)艇研制成功。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，夾芯結(jié)構(gòu)及高性能碳纖維建造方式都已經(jīng)形成。英國(guó)利用玻璃鋼成功制造625 t獵雷艇和450 t大型掃雷艇；1973年，成功制造全玻璃鋼反水雷艇；20世紀(jì)80年代，制造200多艘全復(fù)合材料反水雷船舶；20世紀(jì)90年代，英國(guó)運(yùn)用碳和玻璃混雜纖維技術(shù)，成功制造巡邏艇和摩托艇等。20世紀(jì)80年代，意大利多艘玻璃鋼掃雷艇相繼建造成功[7]。

2.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展情況

1958年，我國(guó)開(kāi)始研發(fā)在船舶制造上應(yīng)用復(fù)合材料，在上海成功建造第一艘玻璃工作艇；20世紀(jì)70年代，曾研制一艘39 m掃雷試驗(yàn)艇，但研發(fā)反水雷艦艇工作中斷了10多年；20世紀(jì)90年代，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新工藝也在不斷引進(jìn)，我國(guó)開(kāi)始運(yùn)用復(fù)合材料大量生產(chǎn)帆船、游艇、救助艇以及航速較高的準(zhǔn)軍事艇等，例如武警、公安、海關(guān)和海監(jiān)用的執(zhí)法艇、巡邏艇及緝私艇等，但到目前為止，高科技的海軍反水雷艦艇還沒(méi)有設(shè)計(jì)建造出來(lái)。20世紀(jì)60年代，在船舶應(yīng)用復(fù)合材料的構(gòu)件上，我國(guó)研制成功復(fù)合材料聲納導(dǎo)流罩，已在潛艇中應(yīng)用；20世紀(jì)80年代，我國(guó)研制開(kāi)發(fā)了復(fù)合材料水雷殼體和雷達(dá)天線罩，并且已經(jīng)投入使用；20世紀(jì)90年代，上層建筑和大型水面應(yīng)用的復(fù)合材料桿等已研制成功。

目前我國(guó)已可以生產(chǎn)玻璃鋼的多種增強(qiáng)材料，但在產(chǎn)品品種、質(zhì)量、規(guī)格以及技術(shù)等方面，與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大的差距，部分高性能纖維還需要進(jìn)口，如芳綸纖維和碳纖維等，樹(shù)脂的產(chǎn)能也相對(duì)落后[8]。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，RTM（樹(shù)脂傳遞模壓法）工藝已非常成熟，而我國(guó)還處于發(fā)展階段。相對(duì)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)在船舶應(yīng)用復(fù)合材料方面，研發(fā)和應(yīng)用都比較落后，有較大的發(fā)展空間。

3 船用復(fù)合材料檢測(cè)管理存在的問(wèn)題

國(guó)外海軍強(qiáng)國(guó)應(yīng)用船用復(fù)合材料已經(jīng)有很長(zhǎng)歷史，我國(guó)在導(dǎo)流罩和快艇等方面也應(yīng)用了船用復(fù)合材料，但進(jìn)展比較緩慢，主要原因是復(fù)合材料的特點(diǎn)與傳統(tǒng)金屬材料有許多不同之處，船用復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性非常強(qiáng)，制造工藝與材料性能關(guān)系非常密切。目前，無(wú)論是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)規(guī)范，還是指標(biāo)體系和可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)都比較欠缺。

3.1 用復(fù)合材料設(shè)計(jì)和制造低成本高性能船舶

多年來(lái)，相對(duì)于傳統(tǒng)材料，在造船過(guò)程中使用復(fù)合材料沒(méi)有成本優(yōu)勢(shì)。直到目前，大多數(shù)船用復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)都是利用浸漬樹(shù)脂對(duì)材料增強(qiáng)，這種工藝勞動(dòng)密集、費(fèi)用昂貴、制造周期長(zhǎng)，且產(chǎn)品質(zhì)量控制難度大。利用復(fù)合材料生產(chǎn)較高質(zhì)量的船，船舶制造商應(yīng)引進(jìn)和借鑒新的制造方法，但船舶制造商數(shù)據(jù)信息欠缺，很難預(yù)測(cè)船用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造成本。

3.2 復(fù)合材料性能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累

船舶上復(fù)合材料的應(yīng)用，由于數(shù)據(jù)積累有限而受到制約。船用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)涉及到許多嚴(yán)格的規(guī)定，如環(huán)境老化性能、物理力學(xué)性能、抗水下振動(dòng)損壞、抗氣流沖擊、防火性能、彈道保護(hù)、碎片、雷達(dá)以及聲納性能等。船用復(fù)合材料功能和結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)非常有限，通過(guò)對(duì)船用復(fù)合材的檢測(cè)，確定其振動(dòng)、沖擊、明火以及彈道條件下具有的性能，此項(xiàng)工作費(fèi)用高，用間長(zhǎng)。有效評(píng)估船用復(fù)合材料的可靠性和安全性，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，是船舶復(fù)合材料應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。

4 船用復(fù)合材料發(fā)展趨勢(shì)

在船舶中應(yīng)用復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)非常大，對(duì)船舶中復(fù)合材料應(yīng)用受阻礙問(wèn)題，解決的主要方法是加快設(shè)計(jì)和研發(fā)船用復(fù)合材，改進(jìn)設(shè)計(jì)工藝是船用復(fù)合材料未來(lái)發(fā)展的主要方向。設(shè)計(jì)和制造低成本、高性能的船用復(fù)合材料，將非承力結(jié)構(gòu)發(fā)展為主承力結(jié)構(gòu)和次承力結(jié)構(gòu)，將局部使用向大規(guī)模使用擴(kuò)展[9]，是復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)。加強(qiáng)船用復(fù)合材的研發(fā)、應(yīng)用力度，使船用復(fù)合材料既具有高性能、低成本及多功能，又具有長(zhǎng)壽命、優(yōu)化連接及安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。船用復(fù)合材料從單一承載功能結(jié)構(gòu)型向多功能型發(fā)展，既具有隔聲、防彈及吸聲特性，又具有雷達(dá)隱聲和阻尼等特性，還要配套研發(fā)船用復(fù)合材料與鋼結(jié)構(gòu)之間、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)之間比較可靠的連接技術(shù)。

船用復(fù)合材料發(fā)展的另外一個(gè)方向，是統(tǒng)一規(guī)范船用復(fù)合材料的工藝、設(shè)計(jì)和制造標(biāo)準(zhǔn)，并積極開(kāi)展船用復(fù)合材料評(píng)價(jià)性能技術(shù)。將船用復(fù)合材料局部模型和典型結(jié)構(gòu)單元作為重點(diǎn)研究對(duì)象，檢測(cè)其疲勞性能、抗爆性能、阻燃性能以及耐沖擊性能等性能參數(shù)，形成典型結(jié)構(gòu)單元和覆蓋船用復(fù)合材料小樣及檢測(cè)局部模型性能的方法，推動(dòng)船舶復(fù)合材料的規(guī)模化應(yīng)用。此外，也要發(fā)展評(píng)定船用復(fù)合材料工藝的技術(shù)，對(duì)象就是船用復(fù)合材料典型部位結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工藝樣件質(zhì)量研究的一致性，形成評(píng)定船用復(fù)合材料工藝的有效方法。歸納分析不同環(huán)境下船用復(fù)合材料的應(yīng)用，研究的對(duì)象是船用復(fù)合材料海洋環(huán)境性能，試驗(yàn)和環(huán)境依托的試驗(yàn)平臺(tái)，以及加速性實(shí)驗(yàn)室模擬的性能試驗(yàn)等典型船用復(fù)合材料。同時(shí)形成船用復(fù)合材料耐海洋環(huán)境的流程及方法、評(píng)價(jià)程序、長(zhǎng)期可靠應(yīng)用、船用復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、換裝以及維護(hù)等，并提供技術(shù)支撐。