纤维增强复合材料在船舶和海洋工程中的应用

袁牧歌

(湖北华强科技有限责任公司，湖北 宜昌 443003)

复合材料是由两种和两种以上不同理化性质的材料以特定的形式，分布和比例设计制造而成的人造材料。复合材料在克服单一材料缺点的同时保持了各组分材料的优点，而且还能因为各组分的关联互补产生原材料所不具有的独特性能。按照增强材料的不同，复合材料可分为纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料和板状增强复合材料。而在纤维增强复合材料中，则可按照基体材料的区别分为聚合物基纤维增强复合材料、金属基纤维增强复合材料和无机非金属基纤维增强复合材料(主要陶瓷、水泥等)。目前，纤维增强金属材料和纤维增强无机非金属材料尚处在开发阶段，仍有许多亟待解决的问题。而聚合物基纤维增强复合材料的应用已相对成熟。

纤维增强树脂(FRP)在聚合物纤维增强复合材料领域中占有重要的地位，其产品在航天，船舶，汽车等工业中的应用十分广阔。树脂基纤维增强材料的基体有两种，其一为热塑性树脂(如聚酰胺、热塑性聚氨酯等)，另一种为热固性树脂(如环氧树脂、不饱和聚酯树脂等)。增强纤维有玻璃纤维，凯夫拉纤维，碳纤维等。通常，玻璃纤维由于其低廉的成本在各个领域都有广泛的应用。而使用高性能的碳纤维，凯夫拉纤维增强的先进复合材料则多用于航天航空，船舶海洋，军事，体育等领域。

与传统的金属材料相比，纤维增强树脂中基体和纤维的密度相对较小，而轴向强度高，因此纤维增强树脂具有高轴向比强度和比模量的特点，也因为其树脂基体(环氧树脂等)具备了良好的耐腐蚀、抗疲劳性能，纤维增强树脂也得到了相对优良的耐腐蚀、抗疲劳性。且由于纤维增强树脂的高比强度、高比模量的特点，有效降低了产品自重，不仅能节约能源，更易于施工。因为海洋领域对于材料的性能有特殊的要求，如，耐腐蚀性、轻质性。纤维增强复合材料凭借其自身优势在海洋领域有着十分广阔的应用前景。目前，国内外军用、民用船舶制造商，海洋工程开发商对纤维增强复合材料的研发及应用产生了浓厚的兴趣。纤维增强复合材料在船舶制造、海洋油气开发、海洋工程等领域将发挥越来越重要的作用。

1 纤维增强复合材料在船舶建造上的应用

根据工信部装备工业司对我国造船三大指标的统计，2018年，我国造船完工量为3458万载重吨；新承接船舶订单量为3667万载重吨；手持船舶订单量则为8931万载重吨。同时，以载重吨计，我国造船三大指标均占国际市场份额的40%以上。以修正总吨计，2018年我国造船完工量、新接订单量、手持订单量分别占国际市场份额的36.3%、35.4%和35.8%[1]，继续保持世界领先水准。同时，根据习近平主席提出的“努力建设一支强大的现代化海军”的方针战略，未来5年，中国的船舶工业仍然有着广阔的发展前景，这段时期也是重要的战略机遇期。

1.1 民用船舶

目前，FRP渔船是国内外渔船的主流方向。在欧美发达沿海国家，木质和金属制中小型渔船已经基本淘汰，FRP渔船的占比已经高达80%-90%。其中，美国的近海渔船已经全部更换为FRP渔船，每年用于制造渔船的FRP总量超过20万吨。日本的FRP渔船起步较晚，但通过木质渔船FRP改造，2008年，其FRP渔船的保有量为35万艘，占日本渔船总量的90%。而我国FRP渔船占有率仍处在较低水平，截至2013年，全国20米以上纯复合材料作业渔船不足500艘，所有尺度总和约为两万余艘仅占渔船总量的1%左右[2]。因此，FRP渔船在我国仍有非常大的发展空间和潜力。

FRP渔船的主流材料为玻璃纤维增强树脂，俗称玻璃钢。相比于木材和金属材料，玻璃钢在满足力学性能要求的同时，具有自重小，耐盐水腐蚀，隔热性能好，可设计性好等特点。在航行性能方面，玻璃钢船体通常为一次成型，表面光洁度高，有效降低了粘性阻力，提高了船舶的快速性，也减少了燃油的消耗。在同尺寸同功率的情况下，玻璃钢渔船的航速比钢制渔船提高了0.5-1节[2]。同时，因为玻璃钢的比强度高，在其他参数相同的情况下，玻璃钢渔船的压载重心更低，在波浪中稳定性更强，抗风能力更好。在经济性方面，由于玻璃钢质轻高强，航行阻力小的特点，燃油消耗比同尺寸的钢制、木质渔船更小。玻璃钢本身耐腐蚀，抗老化的优点也增加了玻璃钢渔船的寿命。通常钢制渔船的寿命在10-15年左右，且每年都需要进行定期维护。而玻璃钢渔船的理论寿命一般在50年左右，维护频率和费用也远低于钢制渔船。玻璃钢优良的隔热性减少了冷藏冰的消耗，相比于其他材质的渔船，节冰高达20-40%[2]。因此，玻璃钢渔船的经济性和航行性均优于钢制或木质渔船。

游艇作为一种水上娱乐高端耐用消费品，对耐用性，安全性，快速性都有更高的要求。过去，复合材料游艇大多使用玻璃纤维增强树脂。但由于玻璃纤维增强树脂的刚度不足，同时玻璃纤维是致癌物质，力学性能、安全性更好的先进复合材料(碳纤维增强树脂、芳纶纤维增强树脂)开始逐步取代传统的玻璃纤维增强树脂。例如，于2014年4月试水的“中科联亚”号，其船体几乎100% 碳纤维/环氧树脂复合材料。相比于同尺寸的玻璃纤维增强树脂游艇，其重量减轻了30%，航速增加20%，燃料节省20%以上。此外，碳纤维/芳纶纤维复合材料不仅仅能用于制造船体，也可用于制造主承力构件或功能构件。例如，意大利Perini Navi公司旗下的YildizGemi造船厂承造的“马耳他猎鹰”号，作为世界三大私家帆船之一，其三根桅杆每根高达58.5米，重25吨，均为碳纤维复合材料制成，在保证强度和刚度的同时，大大减轻了重量[3]。波兰帆船厂Sunreef Yachts建造的双体帆船Sunreef 80不仅桅杆吊杆使用了碳纤维复合材料，其舱壁使用了PVC泡沫碳纤维复合材料，船体则使用玻璃钢材料，空载重量仅为45t，最大航速20节以上。

1.2 军用船舶

军用舰船为了适应现代战争的需求，不仅对材料的基本性能(力学性能、可靠性、经济性等)有更高的标准，还对电、磁、声等性能有一定的需求。而纤维增强复合材料作为一种能满足这种需求的新材料，越来越受到国内外海军的重视。上个世纪80年代，美国就建造出了以玻璃纤维增强聚酯树脂材料为船体的MSH-1“红衣主教”级近海扫雷舰，在90年代又推出MHC-51“鹗”级近海猎雷艇作为其替代型号。由于玻璃钢本身没有磁性，可以有效减少磁信水雷的触发率。而在欧洲，英国不仅仅也用玻璃钢建造出了大型扫雷艇，更于90年代使用更先进的凯夫拉纤维增强树脂取代了玻璃钢艇壳建造了“施培正”号巡逻艇，自重明显减轻，仅为原来的80%。

随着现代战争对隐身性能的需求越来越高，碳纤维复合材料可以通过改性或调整碳纤维的排布、间距、截面来产生良好的透波、吸波性能。例如，根据甘永学[4]等的研究，短切镀镍碳纤维/环氧树脂复合材料的吸波性能相比普通连续碳纤维复合材料，其吸波性能有了明显的提高。而根据赵东林[5]等的研究，异截面碳纤维的拥有很高的介电损耗和较高的磁损耗，是一种十分有前景的吸波碳纤维。因此，使用特殊碳纤维复合材料来建造船舶的上层建筑不仅可以减重，更可以提高舰船的隐身性能。早在1991年，瑞典海军使用PVC泡沫、玻璃纤维和碳纤维的夹芯复合材料研制出了世界上第一艘复合材料试验舰“斯米格”号，这种特殊的复合材料使舰船抗红外和抗雷达扫描能力得到了极大的提高。1999年4月，挪威皇家海军研制了“Skjold”级双体导弹快速巡逻艇，该巡逻艇的艇身是由多层玻璃纤维/石墨增强树脂复合材料制成，并辅以大量的吸波涂料。同时，上层建筑也多由碳纤维复合材料制成，比强度高，抗冲击性能好，减少了自重，其机动性和隐身性均得到了保证。

1.3 船舶推进器

而在船舶推进系统方面，碳纤维增强环氧树脂是船舶螺旋桨桨叶的理想材料，已经成为船舶推进系统的主要方向之一。传统的螺旋桨桨叶一般为镍铝铜合金(NAB)，虽然NAB材料相比其他金属材料有耐腐蚀、防海洋生物附着、易于加工等优点，然而NBA材料也有质量重、空泡剥蚀、易疲劳、振动噪声大的问题。而复合材料的特点就是质轻高强，因此当用来设计复合螺旋桨时，螺旋桨过重的问题得到了有效的抑制，桨叶的厚度有相对较大的空间来调整，从而达到最理想的空泡性能。根据前苏联专家的实验[6]，相同尺寸、形状的复合材料螺旋桨和金属螺旋桨，复合材料螺旋桨的主机/桨轴的振动和噪声比金属螺旋桨有明显的降低。

自重是影响船只性能的主要问题之一，因此，降低自重也是提高船只性能的重要手段。一般情况下，传统的金属推进系统重量大，约占船舶总重的2%[6]。使用碳纤维复合材料替代传统金属桨、金属轴系可以有效降低船只自重，还能解决推进系统中的海水腐蚀问题。2014年，日本“太鼓丸”号尝试换装了碳纤维复合材料螺旋桨，也是世界第一套商用碳纤维复合材料桨。因为碳纤维复合材料螺旋桨的重量远低于传统金属桨，其推进轴的轴径也得到了缩减，自重显著减少，燃油耗费降低。根据日本海事协会的报告，换装了碳纤维复合材料螺旋桨的“太鼓丸”号比装配NBA螺旋桨时期，动力需求减少了9%。

1.4 其他方面

纤维增强复合材料在船舶系统的其他方面使用也十分广泛。例如，因为纤维增强复合材料质轻高强和耐腐蚀耐酸碱的特性，舰船中的管道系统多使用纤维增强复合材料。除此之外，在船舵、船用装备、船舶内饰等方面也有应用。

2 纤维增强复合材料在海洋工程上的应用

海洋工程的工程主体大都是位于海上或海岸线向海一侧。而纤维增强复合材料在保证了基本力学性能的同时，由于其良好的可设计性、易施工性、耐疲劳、耐腐蚀等特点，在海洋工程中(如海上油气平台、海洋风电、浮岛等)拥有特殊的优势。

2.1 海洋油气

根据第三次全国油气资源评价报告，我国近海地区石油资源储量为107.4亿吨，天然气资源储量8.1万亿立方米[7]。同时，根据中国海洋石油总公司的报告，截至2016年，国内海域共有197个油气田获国家批准，121个油气田已在生产，石油年产量为5763万吨，天然气产量为120亿立方米[8]。海洋油气开发仍然拥有十分广阔的前景。纤维增强复合材料作为一种能满足海洋资源开发领域需求的材料，在海洋油气方面的应用越来越广。

玻璃纤维增强树脂作为一种耐海水腐蚀，价格低廉的材料，通过纤维湿法缠绕工艺大量应用于海洋钻井平台的低压管道，低压容器等设备中。例如，隶属于英国石油总公司的Dunbar平台就使用玻璃钢引油管代替原本的碳钢引油管，其成本从150万英镑减少为40万英镑[9]。

碳纤维增强复合材料因为其优异的理化性能和相对昂贵的价格，更多的应用于海洋油气开发的关键部件。早在上世纪90年代，美国就利用碳纤维和不饱和聚酯研制出碳纤维增强树脂(CFRP)推油杆。该CFRP推油杆使用拉挤成型法生产，单根长度可达3km，有效克服了传统钢制推油杆因为其接箍结构带来的缺陷。同时，更轻的自重，更小的截面积，更长的工作寿命，有效提高了工作效率减少了运作成本。

脐带管是一种由集束电缆(供电、通讯)和钢管单元为主要部分用塑料管包裹的中空管缆。脐带管作为深海油气开采的重要设备之一，对于材料的力学性能和自重有严苛的要求。在水深超过2000m时，若使用传统的钢管，其自重和海水波动产生的张力载荷会使钢材拉伸变形，如果形变量过大，脐带管中的集束电缆就会绷断。而如果通过增加脐带管内部钢管的壁厚或者钢管数量的方法来加强抗张能力减少形变，则过大的自重会使脐带管断裂。质轻高强的CFRP加强杆作为传统钢管的替代品，在达到相同效果的情况下，减少重量达80%，改善了脐带管的变形问题，寿命显著增加。

碳纤维增强复合材料还广泛应用于海洋平台锚泊系缆、采油/输送立管。质轻高强，易于安装，免维护寿命长的特点使其成为深海采油平台系缆和立管的理想材料。

2.2 海洋风电

风力发电作为一种可再生的绿色能源，在清洁能源领域占有重要地位。2013年，国务院发布的《大气污染防治行动计划》第四条提出，要加快调整能源结构，增加清洁能源供应[10]。2018年我国非化石能源消费比重已提高到14.3%，预计到2020年年底，我国的风电累计并网容量有望提高到260GW，成为仅次于水力发电的非化石能源。风力发电产业在未来仍有很大的发展潜力。目前，国内外主流风电仍以低速陆地风电为主。海上风电资源虽然丰富，但海洋环境对风电机组有更高的要求，安装成本明显高于陆地风电。因此，为了提高海上风电机组的单机效率，减少使用成本，风叶大型化是目前海上风电发展的主要趋势。

大型风叶的捕风能力更强，发电效率更高，但对材料比强度、刚度、耐疲劳和耐潮湿方面有更高的要求。传统的玻璃钢风叶因为刚度不足，并不适合作为大型风叶的材料。而碳纤维增强树脂在这方面能够完全满足上述需求，是大型风叶的理想材料。碳纤维的密度仅为玻璃纤维的70%，而拉伸强度比玻璃纤维的1.5倍以上，弹性模量更是玻纤的3-8倍。但由于碳纤维的价格高昂，目前碳纤维仅用于风叶的关键部分，如叶根、主梁帽、前后缘等位置。显著改善了叶片共振、主梁帽层间失效、叶根疲劳失效等问题。

3 结语

纤维增强复合材料因为其质轻高强、抗疲劳的特点在航天工业中的应用已经趋近成熟，然而在船舶和海洋领域中的应用相对较晚。纤维增强复合材料优异的耐海水腐蚀性、抗疲劳等特点，使其在船舶和海洋领域拥有十分广阔的发展前景。目前，制约纤维增强复合材料，尤其是先进纤维增强复合材料规模化应用的主要问题是制造成本，但不难预见，随着先进纤维增强复合材料制造成本的降低，使用纤维增强复合材料可以有效降低整体运营成本，在提高安全可靠性的同时带来可观的经济效益。随着我国海军事业的发展和海洋资源的不断开发，纤维增强复合材料的大规模应用可以说是一种必然趋势。