复合材料在船舶上的应用及发展趋势探讨

朱 昊

(池州学院材料与环境工程学院 安徽 池州 247000)

0 引言

随着现代技术的不断发展,复合材料在船舶制造领域的应用也越来越广泛。船舶作为一种重要的交通工具,在港口经济以及国际贸易中扮演着重要的角色,因此在船舶制造和运营过程中,材料的选择和性能显得尤为重要。而传统的金属材料虽然在一定程度上能够满足海洋环境下的强韧要求,但由于自身重量大、容易腐蚀等限制,使得更轻、更强、更耐腐蚀的复合材料逐渐成为船舶制造领域的重要选择,成为船舶制造中应用广泛的材料。当前实践结果表明,采用复合材料建造的船体可以提高航行效率,降低燃油耗用,降低碳排放量,并且由于复合材料拥有良好的成型性,可以生产出更具有流线型外形的船型,从而减小船体阻力,符合当前绿色、低碳、节能化的发展趋势,成为未来船舶制造领域的重要趋势和发展方向,本文主要对复合材料在船舶上的应用及发展趋势进行探讨[1]。

1 船舶复合材料性能特点分析

1.1 应用优势分析

与传统的金属材料相比,其在船舶上应用具有多重优势。首先,复合材料具有轻量化的优势,这对于船舶来说非常重要,因为船体过重会导致燃油消耗增加,运营成本增加。其次,复合材料具有良好的耐腐蚀特性,海洋环境下有海水、潮湿空气、环境污染物等,船舶容易被腐蚀,采用复合材料的船舶可以有效地降低腐蚀问题,从而延长使用寿命。此外,复合材料具有高强度、高模量等高性能特点,在满足船体强度需求的同时,能够实现局部应力调整,提高了设计自由度。复合材料还具有可塑性的优势,可以灵活地控制尺寸、形状和流线外形,为船体设计带来更大的空间,创造更多的外形和特性,有效提高制造效率和船体质量。并且,复合材料在船体表面涂装处理后还能使船体更美观整洁、光亮、平滑[2]。

1.2 发展历程分析

船用复合材料的发展历程也是船舶工业技术发展的一个缩影。伴随着时代发展和科学技术以及工业的深入推进,船用复合材料的技术应用也在不断发展。1970年代,碳纤维材料的亮相,使得复合材料在船舶制造领域得以更广泛地应用,例如:美国的Lancer Yachts、Pelle Petterson和Swan Yachts及日本的高端Motor Yacht。1990年代HOPKINS等[3]提出了一种新的概念,即热塑聚合物材料的快速定型加热(RFPT)工艺,从而在复合材料的制造和应用中迈出了更加稳健的步伐。而在我国,复合材料应用于船舶制造领域的时间相对较晚。1980年代,我国开始在船舶工业中推广复合材料的应用,主要是玻璃纤维增强塑料(glass fiber reinforced plastic, GFRP)。1994年经过10年时间的推广发展,我国出现了第一艘复合材料制造的快艇,标志着我国船用复合材料技术取得了重要的突破,并进入了快速发展的阶段。2004年,“舷梯号”船采用GFRP材料建造,成为了我国船用复合材料加大型船艇建造的开端,2008年日照造船公司建造的150 m×25 m×9.5 m泥头车也采用复合材料船体,成为我国的先驱之一。总的来说,复合材料应用于船舶制造领域的历程是一个不断探索、积极开创的过程。

1.3 船用复合材料分类

目前,船用复合材料,尤其是应用于船体结构的复合材料,以聚合物基复合材料为主,按结构可分为层合板(纤维增强复合材料)和夹层结构复合材料2大类型,其中包含3个方面的重要复合物:增强材料、树脂(即基体)和芯层材料。船用复合材料按照承载部位不同可分为:主承力结构、次承力结构、非承力结构等。按照功能可分为:结构、阻尼、声学(包括吸声、隔声、透声)、隐身(包括吸波、透波、反射、频选)、防护等5大系列材料,船用复合材料的分类及应用部位如图1所示[4]。

图1 船舶复合材料典型结构及应用

2 船舶复合材料应用现状

2.1 国外发展现状

当前,国外应用于船舶制造领域的复合材料种类繁多,主要包括:石膏复合材料、碳复合材料、玻璃纤维复合材料等。其中碳纤维复合材料在船舶上应用最为广泛,这是因为碳纤维复合材料具有高强度、低密度、优异的力学性能、耐腐蚀和抗疲劳等优点,在重量、船速、力量结构和速度等方面优于传统的钢铁材料。在超级雅典娜号、50英尺(1英尺约为0.3048 m)帆船Pogo 40S2以及瑞士Alinghi AC-33美洲杯赛艇等都运用了碳复合材料。瑞典VolvoOceanRace的船队也应用了碳纤维复合材料,使得船的减重效果更为显著,而英国Princess70MegaYacht的外壳和部分构件则由碳纤维复合材料制成,大大提高了船的性能。此外,汽车生产商沃尔沃也使用碳纤维复合材料制造其27.4 m的商用船MSV Explorer,令其船体轻盈但又充满强度,船的高效性能和燃料经济性因此大为提升。美国Gulfstream公司也积极使用复合材料来制造自己的卫星通信艇。这种材料的特点是轻巧,却具有极高的强度和耐腐蚀性能,为船舶从容面对严峻的海洋环境提供了足够的力量支撑。

除了探索新的复合材料和制造技术外,国外还在不断研究和应用复合材料在船舶建造领域的新方法和新技术:①预制复合材料模块化技术,该技术使用模块化组件,快速构建不同类型的船舶结构。例如,美国海军研究局(Office of Naval Research, ONR)利用预制的复合材料组件制造了小型作战舰,大幅提高了制造效率和船体质量。②3D复合材料打印技术,3D复合材料打印技术可以快速制造出复杂形状的船舶部件,同时还可以减少材料浪费。近年来,美国某些船厂已经开始采用3D打印技术制造船舶部件。③复合材料自修复技术,该技术可以通过添加有机胶原料、微囊化聚合物等物质实现材料自修复,减少了维护和更换次数,提高了材料的耐久性。目前,美国船厂的一些船舶应用了自修复复合材料,如有磨损或者破损现象,可以在船舶维修前自动修复,为船舶维护降低了成本。

2.2 国内发展现状

国内大型船舶建造领域主要应用的复合材料为玻璃纤维增强塑料和碳纤维增强塑料(carbon fiber reinforced plastic, CFRP)等,这两种材料被广泛应用于快艇、游艇、观光船、渔船等小型船只的制造。与国外相比,国内的复合材料在船舶建造领域的应用还处于起步阶段,但是目前在复合材料的制造工艺、质量标准、设计优化等方面已经有了很大的进步。

(1)制造工艺

国内复合材料在船舶建造领域的制作工艺已经逐步成熟,包括复合材料的成型、固化等生产环节的工艺流程。例如,近年来国内许多造船企业开始采用复合材料作为新型船体材料,特别是碳纤维等高强度材料在船舶制造中的应用越来越广泛。国内某些企业如“橙船科技”就采用复合材料在造船过程中替代了部分钢材,在环保和造船效率2个方面有了较大提升。此外,在船舶维修领域,复合材料得到了广泛应用,可以显著提高维修效率和准确性,并降低维修成本。例如,有些船只使用特非凝胶进行船体修补,作为一种高级的弹性复合材料,可以降低维修周期和成本,也可以增强船体抗压和防水性。但是国内复合材料在配方和改性方面的技术开发还未达到发达国家的水平,这使得国内的复合材料在某些性能指标上无法与国外同类产品相比。

(2)应用范围

国内复合材料在船舶上应用涵盖了船体、船舶零部件和配件等多个领域。目前,国内主要的复合材料船舶应用领域包括船舶外壳、船舱餐厅、水下安全舱、船体配件、龙骨、隔热层等。在许多应用案例中,复合材料的制作工艺已经实现标准化生产,并且可以实现大规模生产。例如,华能集团的一款船舶发动机柜采用了复合材料,既提高了船舶的燃油效率,又减少了船舶重量。此外,国内一些船舶制造公司已经开始采用复合材料船体结构,如中船重工、江南造船、中国船舶、中海油等,其中比较有名的应该是中船重工南通造船有限公司生产的鱼鹰级船舶,鱼鹰级船舶采用复合材料,船体更加轻盈、更具有弹性,稳定性更高。

(3)应用标准

当前国内对于复合材料的品质标准和检测过程已经逐步明确,因此船用复合材料制品,必须符合国家标准和各类船级社的检验标准,复合材料是否合乎标准不仅取决于原材料的成分和质量,也必须满足复杂的性能指标,如耐久性、密度、强度和刚度等。国家有关部门也正在指导制定行业标准和严格的检测流程来推动和规范复合材料的应用,相继出台了《声呐导流罩用玻璃纤维增强塑料规范》[4]、《潜艇指挥室围壳及上层建筑用玻璃纤维增强塑料规范》[5]和《舰船用非金属材料毒性评价规程》[6]等一系列相关标准来规范复合材料在船舶上的应用。这些标准为船舶制造企业提供了指导,助力其在使用复合材料方面达到标准化、规范化的生产过程和效果。

可以看出,国内复合材料在船舶建造领域的应用发展前景广阔,同时仍需要加大研究和应用力度,向高性能、高品质的方向不断突破,以适应不断升级的国际市场需求。

2.3 存在的主要问题

尽管复合材料在国外船舶制造领域已有较长的应用历史,但是我国的应用整体进展缓慢,应用主要集中在快艇、导流罩等方面。目前,复合材料在船舶应用方面存在的问题主要有以下几个方面。

(1)成本高、工艺复杂。复合材料在船舶制造领域的应用受到成本高、工艺复杂等问题的限制,其中原材料价格较高,加工和制造成本较高,制造工艺对操作者技术水平和使用自动化设备的要求较高,相关零配件的设计和工艺加工较为复杂,需要技术工人具备专业技能,使得复合材料在船舶制造领域的应用难以得到进一步推广。

(2)缺乏成熟的规范和行业标准。当前无论是国内还是国外,船用复合材料在设计、建造、工艺、检验等技术标准上都存在缺项,现有的船舶复合材料标准覆盖技术领域不全

面,不能够完全满足我国船舶复合材料研制和应用需要。

(3)设计和评估周期长。复合材料结构需要满足一系列严格的规定,涉及内容较多,而评价复合材料结构和功能是否可靠必须进行相关测试,而测试确定复合材料性能又是一项时间长而且费用昂贵的工作,因此评估复合材料的安全性和可靠性以及是否满足设计要求是复合材料在船舶上应用面临的一个主要问题。

3 复合材料在船舶上的应用发展趋势

3.1 应用场景更加多样化

近年来,国内外复合材料在船舶领域的应用实现了一系列创新,包括:在中国航母的建造中使用了复合材料,采用海水的冲击、腐蚀和高压力等重责任,经测试相关复合材料在船舶耐久性能方面可以达到先进金属材料的数倍;最新设计的风力涡轮机使用了无缝复合材料叶片,提高了叶片的刚度,更加可靠;轮船和快艇的船身改为采用复合材料,可以在一定程度上提供与金属相当的耐久性,且更轻、更容易维护。由于复合材料制造具有灵活性强和精度高等优点,因此未来可以根据不同的需求进行设计和定制,例如,复合材料制造的无人艇和深海探测器可以广泛应用于极端环境下的科学研究和资源勘探。加上近年来国际社会不断加大环保力度,未来复合材料还可以用来提高船舶的适航性,减少废气和废水排放,从而实现环保和节能。因此可以预见,未来复合材料在船舶上的应用也更加多元化[7-9]。

3.2 船用复合材料更加标准化

当前,船用复合材料更加标准化已成为一个不容忽视的趋势,最近我国在船用复合材料标准化方面做了一系列重要工作。如颁布《船用复合材料结构设计规范》,制定船用复合材料的重要技术标准等,主要原因还是复合材料在船舶生产中的应用越来越普遍,并且随着航运产业的不断发展,船舶制造正在逐渐向数字化、自动化的方向发展,复合材料被视为未来发展的重要方向。通过制定标准,相关生产可以有依据地执行,降低生产过程中非良率和其他问题,提高制造效率,从而大幅降低重复工作量和制造成本。未来,我国将进一步加强与企业的深度合作,加快推进复合材料技术的创新和配套设施的建设,不断提高复合材料在船舶领域的应用水平,以满足船舶市场需求。

3.3 绿色复合材料逐渐得到应用

随着全球环保意识的不断加强,越来越多的人们开始重视环保和可持续发展。在这一背景下,绿色复合材料因其良好的环保性能和可持续性,得到了越来越多的关注和应用。目前,绿色复合材料在船舶制造中的应用主要有:碳纤维、玻璃纤维等用于船体半成品制造;绿色补强材料如碳或玻璃纤维增强材料和树脂,用于船舶维修;绿色复合材料用于制造船舶附件,如耐海水腐蚀性能的防护层、船体内部装饰层、船舶家具等。

未来绿色复合材料在船舶制造领域的应用将会呈现以下趋势。首先,新型绿色复合材料出现。除了上述常见的复合材料外,未来还会涌现出更为环保的新型复合材料,如焦油片、纳米纤维和聚酯材料等。这些新型复合材料不仅具备轻重比高、强度高、耐磨损等特点,还具备优秀的耐腐蚀和抗氧化性能,具有更广阔的应用前景。其次,应用范围将会更加广泛,从小型轻便船只拓展到大型高速、深水船只项目。未来的经济和环保需求将会催生更高级别、更大型的船只,也将为绿色复合材料在船舶制造中的应用提供更广阔的空间。同时,复合材料的有效性并不受限于船身结构,还可以用于特殊应用,如船用电池和发电机的制造。此外,生产技术还会不断革新。未来,随着绿色复合材料生产技术的提高,生产成本将被进一步压缩,同时,大规模制造技术和设备也将得到不断改进,从而使绿色复合材料在船舶制造过程中的应用更加普及。

4 结语

目前,国内的复合材料在船舶建造领域的应用还处于起步阶段,但是随着技术进步和应用前景的扩展,相信未来复合材料在船舶建造领域将会有更好的发展。同时,国内也需要加大对于复合材料在船舶建造领域的研究投入,持续推进技术创新与产业升级,才能跟上国际市场发展的步伐。