稀土在舰船中应用方兴未艾

● 张安文/文

造船工业是制造业领域最重要的工业部门之一，和飞机、汽车一样，是材料、机、电、光和仪表制造，软件和计算机应用的系统集成，造船工业总体水平是制造业各细分部门的技术水平和创新能力的综合体现。造船工业最新技术进展（包括新技术原理应用、新材料、新工艺、新装备、仪器仪表、软件和计算机技术的采用），成为衡量一个国家造船业水平的重要标志。同时，造船业对相关产业的带动提升作用也十分明显，造船业的发展对GDP 增长、高新技术成长、军民结合和增加就业都具有重要意义。

2018年以来,全球造船业陷入低迷期，新接订单和手持订单量都出现了不同程度的下滑，但在2020年后开始复苏。2021年全球造船新接订单量为11985 万载重吨，我国承接了6231 万载重吨，占全球订单量的51.9%，为世界第一。韩国承接了4061万载重吨，占全球订单量的33.8%，为世界第二。日本为1283 万载重吨，占比为10.7%。中韩日这三个造船大国新接订单量占全球总量的96.6%。我国造船业以出口为主，国际船东占我国手持船舶订单的60%以上，属出口外向型行业。我国造船业规模最大，但技术水平与世界先进造船国相比还有较大差距，船舶配套能力严重不足，很多重要的船用核心零部件依赖进口。

稀土在船舶相关的零部件、传感器、电机中有重要应用，稀土功能材料完全有可能与船用配套产业共同发展。

克拉克森公司发布的《造船行情展望报告》指出，随着全球后疫情时代经济的逐步复苏，预计2021年和2022年，全球年均新船订单量同比将增长55%。

与此同时，世界各国尤其是军事大国，这些年来加快了新型舰艇替代老式军舰的进程，被形容为“下饺子”一样的快，而且密集地采用了诸多先进技术、先进材料、先进生产加工工艺，以及最新技术原理和由此产生的全新装备系统，如舰船智能化、船舶机电一体化等。

稀土在舰船中的应用难以代替。采用稀土原材料生产的零部件、重要传感器、执行机构、电机等核心元器件，在舰船的自动化、智能化、机电光一体化等方面发挥着重要作用。稀土永磁、稀土发光、稀土催化、稀土晶体、稀土磁致伸缩材料、稀土合金等材料已经或必将在舰船中得到日益广泛的应用。

稀土永磁电机是稀土在舰船中最重要的应用之一，主要应用于大型电机舰船的主驱动以及中小型及微特电机等各种重要部件。

传统军舰主要驱动方式是柴油机—齿轮箱—螺旋桨，或者燃气轮机—齿轮箱—螺旋桨，更早期的大船还有蒸汽机驱动。而稀土永磁电机的应用令主驱动方式焕然一新。即采用柴油机或燃气轮机驱动发电机发出电力，进而供给可调速的主驱动电机直接带动螺旋桨旋转。

值得指出的是，新的驱动方式是主驱动永磁电机靠近螺旋桨或者合为一体，这种先进的驱动方式具有以下优点：

1.转距密度大，设备简化，适艇性强，推进效率高，可提高最大航速及续航能力；

2.大大降低了振动及噪音，提高了隐蔽性（静默性）；

3.结构和操作简单，系统运行可靠，提高了可维护性；

4.电机采用无换向器结构，无火花产生，避免了石墨粉对绝缘体的不利影响；

5.容积和重量减少，提高了船速和机动性，全寿命周期费用下降；

6.可实现模块化、标准化、通用化，实现自动控制和智能化。

国外稀土永磁电机做为舰船主驱动方式已有多年的历史。德国西门子公司1986年就开发了1100kW，250r/min 电机系统；1998年开发 了1760kW 永磁同步电机IFR6 系列。后来研制了1.7MW～5MW 的电机，用于各类潜艇等。特别引人注目的是该公司研制的PERMASYN 电动机，是功率为20MW 的径向电机，重达84 吨，但其体积比传统直流推进电机降低40%。

图1 PERMASYN 电动机外形

美国于1991年就开始研发潜艇电力推进系统，并推出了25000 轴马力永磁电机，进行全电推进舰船的试制生产，有代表性的是用于SC-21 舰船的19500kW 高效永磁电机。2009年DRS 公司的36.5MW 径向磁通电机交付海军使用。有名的朱姆沃尔特号驱逐舰即DDG1000 舰由BIW 公司制造，该舰采用了36.5MW 永磁电机。以阿利伯克宙斯盾号为代表的导弹驱逐舰，各型号潜艇及核潜艇都有相当多的重要设备、重要零部件用上了稀土功能材料。

英国1996年“海航”号轻型隐身护卫舰采用了2X21000kW永磁电机，电机直接驱动螺旋桨旋转。1997年英皇家海军与ROLL-Royce 公司签订了MW级横向永磁电机合同。

法国热蒙公司1987年开发了40kW，55r/min永磁电机，体积减少40%；1996年1800kW，180r/min 电机完成试验；1997年为智利海军“蝎子”号潜艇提供3.3MW，160r/min 系统，为法国“鲉鱼”级潜艇提供3.5MW 永磁电机。

俄罗斯的4.1MW 永磁电机用于著名的阿穆尔级潜艇，其体积减少60%，重量减少40%，由于降噪而明显地提高了隐身效果。而瑞士的BBC 公司1986年就为瑞典潜艇设计了1.5MW，180r/min 永磁同步推进电机。

采用稀土永磁电机作为主驱动电机，已经逐渐成为各国海军舰艇主驱动的主流技术，并由此带动了船舶机电一体化、智能化等颠覆性技术的快速发展。

民用船舶稀土永磁电机驱动技术要晚于军用舰船的发展，但也开启了永磁电机驱动的大幕。如ABB 公司已成功开发了3～5MW 系列永磁主驱动电机，广泛用于海上救援船、浮动钻井平台、电缆铺设船、游艇、轮渡船等。西门子公司研制的永磁电机5～20MW，采用双螺旋桨，用于驱动各种邮轮，如4X21.5MW 永磁电机用于玛丽娅皇后二世号邮轮。

我国在这方面的研究与应用晚于相关发达国家，但也取得了一定成绩并在迎头赶上。2016年中车电机公司与相关企业签订了船用永磁同步牵引电机合同，可提供80KW 等永磁电机及配套变频器，实现了油改电，运营成本降低10%以上，同时减少了污染和碳排放，该电机将广泛用于内河船运、景区、港口、轮渡等中小船舶。2017年，我国研制的第一艘全电动船舶试航成功，该船可载2000 吨货物，充电2 小时可续航80km。

Research and Markets 公司对2015～2024年全球电动船舶、小型潜艇、自动水上航行器等的市场前景、性能、成本等内容进行了预测，认为其市场容量由2013年的26 亿美元将增加到2024年的73 亿美元，而大功率电动船市场将增长3 倍以上。

稀土防辐射涂料用在舰船相关部位可起到防辐射作用。采用Tb、Dy、Fe 的稀土超磁致伸缩材料，通常称为Terfenol-D,用这种材料制成的水生换能器,在相同体积条件下,其共振频率是压电陶瓷的1/4～1/3，发射频率高10 倍以上，是用来制作水下声纳的理想材料，可实现在较远距离探知敌方舰艇的方位。在民用方面，可用于探测鱼群的位置等和探测地质情况的仪器。

早在1983年利用Sc 制作的GsGG 晶体研发成功，即Gd3SC2Ga3O12激光晶体，可用于潜水艇水下激光器以及其他重要应用场景。

大约90%的激光材料都涉及到稀土，激光材料在军事上的应用越来越重要。如使用很早也很普遍的掺钕钇铝石榴石，用于制作激光测距仪，可测距离为4000～8000m。激光测距仪重量轻、体积小、操作简单、测距速度快而准确，而且其测量误差仅为其光学测距仪的五分之一到数百分之一，被称为现代战争中明察秋毫的“千里眼”，广泛应用于地形测量，坦克、飞机、舰船和火炮对目标高度的测量，是提高坦克、飞机、舰艇等兵器打击精度的重要技术装备。

炸弹的精准制导有多种方式，激光制导是最重要的方式之一。对打击目标照射激光，采用每秒发射几十个脉冲的YAG：Nd 激光器,对脉冲进行编码,光脉冲能自导导弹响应，防止对导弹发射干扰和躲避敌方障碍。

舰船不论大型抑或中小型，都需要大量的照明灯具，用于轮机舱、驾驶舱、船员休息、弹药库等各船室的照明，总耗电量也不可忽视。而电力来源于柴油机、燃气轮机或核反应堆等驱动发电获得，舰船携带油料有限，为此节约电力消耗非常必要。各种稀土发光材料制作的灯具节能、高效，在舰船上有广泛应用，如三基色节能灯、LED 灯、高压汞灯等，这些灯具所用的发光材料均含有Y、Eu、Ce、Tb 等稀土元素（Y、Eu、Ce 是高丰度稀土元素）。

图2 永磁电机直接驱动螺旋桨方式

图3 海军056 舰雄姿

与此同时，舰船上要使用大量的显示屏、显示标牌等。这些屏幕要采用LED、OLED 材料，还有发光二极管的大量使用，都离不开稀土材料，稀土长余辉材料也在夜间和舰艇暗处标牌一显身手。

随着舰船轻量化和综合能力提升的要求，将会有更多的稀土结构材料用于舰船。如稀土耐热材料用于高温涂层；稀土、铌处理钢用于甲板和壳体材料以提高耐腐蚀能力及耐磨性能；稀土球墨铸铁用于大型柴油机主轴；稀土蠕墨铸铁用于排气管，稀土灰铸铁用于柴油机缸体、缸盖等，以提高耐磨、耐热、减振性能并提高机械性能等；高比强度、轻量化的稀土铝合金、镁合金用于各种舰船构件,以减轻自重；含稀土的涂料用于船体涂覆以防腐等。

值得一提的是，随着各海军大国战略核打击力量扩充和升级，核动力用于大型舰船特别是核潜艇呈现与日俱增态势。如核反应堆需要热中子俘荻材料，而Eu 具有较大的热中子俘荻截面，而且是一个长寿命的吸收体，在核潜艇的核反应堆发挥重要作用。

稀土高分子X 射线防护材料、稀土高分子中子辐射防护材料都可以在舰船中找到用武之地，如后者的热中子屏蔽效果比无稀土高分子材料高5～6 倍，其中添加了Sm、Eu、Gd、Dy 等元素的材料性能为最佳。

由此可见，以稀土永磁、稀土发光、稀土晶体为代表的稀土功能材料，以稀土钢、稀土铸铁、稀土有色金属、稀土有机化合物为代表的稀土结构材料，已经在舰船中得到日益广泛的应用。随着稀土材料性能的持续改进，性价比的不断提升，以及新的稀土功能材料和结构材料的问世，可以预见稀土在舰船中将有更多的用武之地。稀土在舰船中的应用，将有力地加快舰船的自动化、智能化升级，节省舰船及部件重量，减少油料消耗，进而提高舰船的续航能力、隐身能力等综合性能。简言之，稀土在舰船中应用正是方兴未艾、前景可期。

（注：本文数据及照片均引自《船电技术》等公开出版物和相关网站。）

图4 LGN 即液化天然气船

图5 玛利亚皇后二世号邮轮