功能材料在舰船工程领域中的研究进展

刘演龙

（海装重庆局，重庆 400030）

功能材料在舰船工程领域中的研究进展

刘演龙

（海装重庆局，重庆 400030）

对舰船用功能材料在军用领域和民用领域的发展进行回顾，并介绍了高分子材料在舰船建造和维修领域的应用概况。着重介绍了舰船用高分子阻尼材料、高分子树脂基复合材料以及高分子隐身材料的研究进展，同时对高分子材料在舰船工程上的应用前景进行了展望。

功能材料；舰船；高分子材料

功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。

高分子阻尼材料、高分子树脂基复合材料、高分子隐身材料等化学功能材料以其加工简便、造价低廉、密度小、比强度高等一系列优点，在舰船建造和维修领域获得了越来越多的广泛应用，其应用技术已成为舰船与海洋工程中不可缺少的组成部分。舰船用高分子材料能减轻船体重量、降低建造成本、提高安全性和舒适性，在舰船工程领域具有重要的意义。

目前，功能材料在舰船工程中的应用主要有以下几方面：

（1）制造轴承和机器零件；

（2）制造具有无磁性、吸震、透明等性能特点的电器和航海仪器的零件和元件；

（3）制造管系、海水泵、淡水泵以及其他部件；

（4）用于舰船功能高分子材料及涂料，以及具有减阻、降噪、红外隐身、雷达隐身、防腐等特殊功能的舰船用涂料。

舰船高新技术的发展主要集中在新武器的开发、舰船隐身化、新动力系统的采用和新船型的研究几个方面[1]。舰船高新技术的发展对舰船材料提出许多新的要求，这就是舰船用高技术新材料发展的强大推动力，而高技术新材料又是舰船上高新技术实现的物质基础。

1 功能材料在舰船领域的应用

目前，高分子阻尼材料、高分子树脂基复合材料以及高分子隐身材料等化学功能材料在舰船工程领域中发展最快，应用最广。

1.1 高分子阻尼材料

阻尼材料是一种能吸收振动机械能并转化为热能而耗散的功能材料，它利用阻尼材料在变形时把动能变成为热能的原理，降低结构的共振振幅，增加疲劳寿命和降低结构噪声。

高分子阻尼材料属于粘弹性阻尼材料，兼有某些粘性液体在一定流动的状态下损耗能量的特性和弹性固体材料储存能量的特性。高分子聚合物由于其特殊结构，在玻璃化转变区域内，即在Tg附近，有很好的阻尼减震性能。从高分子链段运动的角度来看，在玻璃化转变Tg以下，高分子链段的自由运动是完全被冻结的。整个高分子处于玻璃固体状态，模量很高，不能散发机械能，只能将机械能作为位能储存起来。在Tg以上的高弹性，链段可以自由运动，整个高分子材料显示出高弹态固体特征，模量低，亦不能散发机械能只能将机械能转化为形变能储存起来。在玻璃化转变区内，高分子链段是由完全冻结状态向自由运动状态转变的过程，在外力作用下，软硬链段发生摩擦，从而将一部分机械能转化为热能耗散掉，因而有较好的阻尼性能。

随着高新科技的发展，对阻尼材料的要求也越来越高。研究和开发综合性能优良的高性能阻尼材料已成为科学工作者的研究热点。目前，阻尼材料正朝着宽温、宽频、功能复合化的方向发展[2]。我国阻尼材料的研究已经取得了很大的进展，但与发达国家相比仍有较大差距。

在现代海战中，舰船的隐身化水平的高低决定着战争主动权的归属。舰船在航行过程中会产生噪声，采用减振、降噪技术降低舰船噪声可以提高舰船的隐蔽性，提高攻防能力。在进攻上降低自噪声可以提高声呐的探测距离，在防御上可明显提高本舰船的隐身能力从而大大提高舰艇的隐蔽性[3]。舰船减振降噪治理的主要部位有主机、辅机、浮筏、管路、舱室、螺旋浆及附体、船体等，目前，橡胶阻尼材料已在很多领域广泛应用，且其需求量日益增大。在西方，相关的机构对阻尼材料展开了大量的研究工作。德国从20世纪50年代开始，首先研制了自由阻尼结构；美国从20世纪50年代初首先开始研制约束阻尼结构，并应用于核潜艇艇壳和主机基座上。现在，阻尼合金技术也已趋于成熟，美国海军采用M n-C u高阻尼合金制造潜艇螺旋桨，取得了明显的减振效果。20世纪80年代后，国外阻尼减振降噪技术有了更大的发展，他们借助CAD/CAM技术，对相应的材料进行了设计与试验，并进行了整体结构的阻尼减振降噪优化。

我国在2 0世纪7 0年代前后开始进行阻尼减振降噪材料的研究工作。北京材料工艺研究所研制的ZN-10和SZN-11阻尼材料[4]，能与钢板结构模量很好地匹配，具有很好的耐水性，噪声可降至64dB；洛阳船舶材料研究院研制生产的SA-3高阻尼黏弹性材料主要由高聚物和无机填料组成，具有良好的阻尼、阻燃和耐介质性能，已经成功应用于潜艇的噪声治理[5]。此外，阻尼胶合板、智能型阻尼材料也越来越成为研究热点。

除了军事上的应用外，阻尼材料对高速船亦是降低振动响应的一种有效方法。可在主机座、机舱前壁和机舱船底板架铺设阻尼涂层，这既可消耗激励能量，降低振动响应，亦可减少结构声传递。此外，阻尼材料还可用于水翼船的水翼减噪、制造潜艇的螺旋桨以及舰艇底板、隔板、座椅的降噪等，应用前景非常广阔。

1.2 高分子树脂基复合材料

目前舰船用高分子复合材料主要是指纤维增强树脂基复合材料，如玻璃纤维增强树脂基复合材料，碳纤维增强树脂基复合材料，芳纶增强树脂基复合材料等。

舰船用高分子复合材料以其优异的性能及多种特殊的功能替代部分传统材料应用于舰船建造领域，比如船体制造中所用的复合板，舰船内饰中用到的玻璃纤维及木质复合材料等。此外，越来越多的舰船用复合材料被应用在海港设备、码头、桩柱、格栏以及海上工厂等海岸线装备制造中。树脂基复合材料不仅有优异的力学性能，而且还有耐腐蚀、吸收电磁波等特性。碳纤维增强树脂基复合材料可用于舰船推进器。德国开发出碳纤维／环氧树脂螺旋桨，具有质轻、桨叶片强度高且薄的特点，有利于各类舰船加速，使用寿命长且减振效果良好。英国经过3年研制，已成功完成世界最大复合材料螺旋桨的海上性能测试，结果表明该桨能大幅降低震动，运转平稳。

俄罗斯利用碳纤维增强树脂基复合材料摩擦系数低、水中不发软的特点，制造舰船活塞、轴承等部件。此外，树脂基复合材料还可用于制造机械装置、舵、装备、管道系统等。

美国密歇根大学和空军研究实验室合作开发出一种新型纳米涂层材料，其中95%以上是空气，能排斥上百种液体。用这种材料涂在纱网或织物上，其表面可形成一种对液体的弹力。研究人员将这种纳米涂层称为“超全恐液面”，是一种叫做“聚二甲硅氧烷”的弹性塑料粒子混合物，能从立方纳米的尺度对液体形成斥力。研究人员指出，这种材料的化学成分固然重要，但更重要的是它的纹理。无论用在什么物质表面，它都能紧紧缠附在孔状结构上，由此就在这些孔中形成了更加精细的网。这种结构也意味着涂层中95%～99%的部分形成了气袋，所以接触该涂层的任何液体，几乎都无法触及它的固体表面。由于液体只能接触到织物涂层表面的细丝，因此大大减少了分子问的作用力，被用于船舶的先进防水涂料，大大减少水流对船只的拖曳，相关论文发表在最近出版的《美国化学协会杂志》上。

中船重工七二五研究所通过接枝共聚法将聚两性离子分子poly（SBMA）接枝到聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面，制备了一种新型的双离子性分子修饰的抗蛋白吸附防污材料，相对于聚二甲基硅氧烷，能够减少70%的牛血清白蛋白吸附，减少典型污损海生物—硅藻75%的吸附，应用于舰船涂料上具有优异的防污效果。

此外，为达到减轻壳体的重量，提供合理有效载荷的目的，新金属结构材料、先进树脂基复合材料、结构陶瓷材料等新型结构材料也被大量应用于舰船领域。先进树脂基复合材料是指用碳纤维、陶瓷纤维、芳纶纤维等增强的聚合物复合材料。先进树脂基复合材料具有比传统结构材料优越得多的力学性能，这些复合材料的拉伸强度略高于普通钢材，而比强度则为普通钢材的4～6倍，比模量为普通钢材的2～3倍。另外，先进树脂基复合材料往往还兼有耐腐蚀、振动阻尼和吸收电磁波等功能。美国“洛杉矶”级核潜艇的声纳导流罩长7.6m，最大直径8.1m，是目前世界上最大的先进树脂基复合材料制品 美国的“佩里”号驱逐舰上首次用芳纶纤维增强塑料制作装甲。

此外，世界各国均将高分子树脂基复合材料广泛用于舰船建造与维修领域中。瑞典新设计的YS2000高速驱潜快艇采用纤维材料来减轻艇体的重量。德国AIR加工技术公司开发出一种碳纤维／环氧复合材料螺旋桨，具有很高的强度，可在恶劣的海况下工作。美国海军用石墨纤维增强环氧树脂材料成功地制造出自动无人深潜探海艇AUSSMOD 2的耐压壳体，该艇的下潜深度为6 096m。

1.3 高分子隐身材料

高分子隐身材料是隐身技术的重要组成部分，隐身材料的使用被探测率降低，提高自身的生存率。

压电橡胶和聚偏二氟乙烯(PVDF)等高分子材料被广泛应用于制成舰船声纳的核心部件水声换能器转换元件中。压电橡胶既可作为消声材料,也可用来制造水听器[7]。美国新一代的“白人队长”级攻击性核潜艇的声纳基阵材料即为压电橡胶。挪威已在其舰船上试用PVDF作为水声换能材料,法国也计划把这种材料用于新型弹道导弹核潜艇。

高分子导电聚合材料作为高分子隐身材料的一员以其优良的隐身性能正得到世界各国的高度重视，虽然这类材料作为舰船吸收雷达波的应用还只处于试验阶段。但随着“模块合成”、“分子沉积法”、“扫描微探针电化学”等制备导电聚合物微管和纳米管的方法相继出现以及计算机模拟分子设计技术的日趋成熟[10]，导电聚合物必将作为舰船和武器装备的吸波材料得到广泛的应用。

目前世界各国海军现役和在建的潜艇中，绝大多数均已敷设了消声瓦。消声瓦能够减少对方主动声纳的探测距离并且能降低本艇内机械噪声。消声瓦在合成材料与粘贴技术上将有新的发展，日本海上自卫队目前使用的一种由电阻抗变层和低阻抗谐振层组成的宽频带高效吸波树脂复合材料，在1～20吉赫的雷达波段上吸收率达20分贝以上，使得其海中装备的隐身性能较好。英国海军目前使用的聚氨酯材料、法国海军的聚硫橡胶、广泛用于声学材料的丁基橡胶等，都是发展消声瓦技术的很有前途的合成材料。美国海军使用的玻璃纤维制双层薄板消声瓦，则被认为是消声瓦未来发展的一种趋势。其他形式的复合材料与复合声学结构相结合的消声瓦，由于具有优良的吸声和减振效果，也必然是未来消声瓦设计的重点。在消声瓦结构设计多样化的同时，消声瓦的使用日趋专用化，适于特定艇体的区域或特定频段的专用型消声瓦逐渐得到广泛应用（前苏联对不同活动区域的潜艇敷设不同材料的消声瓦）。要求消声瓦既保持吸声效果，还要使其具有减振的作用，另外，降低本艇自噪声为主要目的的特殊消声瓦在将来也会出现。消声瓦技术[8～9]已不再是一种完全独立的领域，而是潜艇隐身和减振降噪技术、艇体水动力噪声治理、艇体防污等多项技术工程综合应用的领域。

2 在舰船领域应用展望

我国对功能材料的研究起步较晚，特别是舰船军用新材料发展较慢,为适应现代高技术战争的需要,我们应该重视高性能和多功能高分子新材料的研究和开发,并充分利用材料科学技术的新成就,将有限的时间和财力集中放在新材料的应用研究上。未来高分子材料在舰船阻尼材料、涂料、消声材料等方面必将有更大的发展。未来的高分子阻尼材料将向着高阻尼性能、工作温度宽、高强度、耐老化和低污染的方向以及结构－智能一体化的方向发展。阻尼材料是集机械力学和材料力学、声学、材料加工等多学科、跨领域的材料，需要进一步定量的研究。涂料方面，开发环境友好型防污、隐身、防腐的多功能涂料是21世纪海洋涂料的发展方向之一，无毒、低表面能防污涂料、自抛光防污涂料、来源广泛的生物仿生防污涂料将是未来发展的重点。当前新型海洋防污涂料技术的开发势在必行。

消声高分子材料方面，减振复合材料、压电阻尼减振消声材料、压磁阻尼吸声材料、声斗篷、声子晶体等领域将是将来的研究重点。未来舰船要突出吸声隐身的要求，在设计和选材时可考虑选择多功能材料来代替只有单一功能的材料。

[1]潘镜芙.水面战斗舰艇的发展展望[J].上海造船，2006，65(1)：25-27.

[2]陈 冲，岳 红，张慧军，等.高分子阻尼材料的研究进展[J].中国胶粘剂，2009，18(10)：57-61.

[3]徐 杰.舰船隐身技术[J].舰船电子工程，2010，192(6)：6-8.

[4]毛蕾蕾，李德良.阻尼技术在高性能船舶中的应用研究[J].现代化工，2010，(S 2)：67-70.

[5]林新志，马玉璞，任润桃.SA-3型高阻尼粘弹性材料[J].材料开发与应用，1992，7(4)：9-14．

[6]张国腾，陈蔚岗，唐桂云.复合材料轻量化技术在舰船制造领域的应用[J].纤维复合材料，2010，(1)：31-35.

[7]赵树磊，郭万涛，吴医博.复合材料基座减震性能试验研究[J].材料开发与应用，2009，24(4)：8-13.

[8]王晓霞.热固性树脂基复合材料的固化变形数值模拟[D].山东大学，2012，5.

[9]黄立志，张聪莉，郑水蓉，等.聚氨酯阻尼材料研究进展[J].热固性树脂，2010，25(4)：49-52.

Development Progress of FunctionalMaterials in Ships Engineering Area

LIU Yan-long
（ChongqingMilitary Representative Departmentof the Naval，Chongqing 400030，China）

From military and civilian aspects.The development of functional materials for ships were reviewed.Its presentsituation ofapplication in the field of ship construction and shipmaintenance fieldswere clarified.The research progress of marine polymer including damping materials,resin-based composite materials,and sound-absorbing materials were highlighted.The applicaion prospects of polymer materials in ships and marine engineering were reviewed.

functionalmaterials；ships；polymermaterials

TP274

B

1672-545X（2014）04-0275-04

2014-01-09

刘演龙（1972—），男，高级工程师，硕士，研究方向为武器系统工程与应用。