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            船用復合材料應用現狀及發展(中)

            作者:中國玻璃纖維復合材料信息網來源:中國玻璃纖維復合材料信息網 瀏覽次數: 日期:2019年7月10日 09:13

            二、船用復合材料分類

             

              目前,船用復合材料,尤其是應用于船體結構的復合材料,以聚合物基復合材料為主,按結構可分為層合板(纖維增強復合材料)和夾層結構復合材料兩大類型,其中包含三個方面的重要復合物:增強材料、樹脂(即基體)和芯層材料。

             

              船用復合材料按照承載部位不同可分為:主承力結構、次承力結構、非承力結構等。按照功能可分為:結構、阻尼、聲學(包括吸聲、隔聲、透聲)、隱身(包括吸波、透波、反射、頻選)、防護等方格布五大系列材料,船用復合材料的分類及應用部位如圖2 所示。

            船用復合材料性能的優越性主要體現在:輕質高強,能有效提高船體的儲備浮力;結構功能一體化,在滿足結構承載的情況下性能可設計,通常具有聲學、雷達、減振、防護、低磁等其他性能,一般的材料成型過程同樣是結構成型過程;耐腐蝕,可滿足高鹽、高濕、紫外等苛刻海洋環境要求;

             

              耐老化,可滿足船舶的長壽命要求。以上特性有別于其他船舶結構材料,也是其優勢圖2 船用復合材料及結構主要類型與典型應用的體現。從小型快艇開始,復合材料在船舶上的應用大概經歷3 個階段。

             

              第一階段,主要在掃雷艇等小型船舶上使用,性能要求低,可整體成型。第二階段,在大、中型船舶上得到部分使用,但使用理念仍局限于傳統的船體設計,復合材料在船上只是起到減輕質量、提高部件耐腐蝕能力等輔助作用。第三階段,船舶在設計之初充分考慮使用中所面臨的多種復雜情況,使用復合材料作為主船體材料,實現其他材料無法實現或難以實現的功效。目前,船用復合材料已經突破了第二階段,向第三階段發展。

             

              三、國內外船用復合材料發展和應用現狀

             

              1 國外發展和應用現狀

             

              早期復合材料都是應用在小型巡邏艇和短切氈登陸艦上。相對差的制造質量和船體剛度限制了船舶的長度不能超過15 m,排水量不超過20 t。

             

              近年來,隨著復合材料設計、制備成本的降低,以及力學性能提高,復合材料開始在大型艦船,如獵雷艇和輕型護衛艦上得到應用。隨著技術的發展,船舶的長度呈穩定的增加趨勢,現在已有80~90 m 長的全復合材料海軍艦船。

             

              美國是復合材料科學技術發展最先進,復合材料應用最廣、用量最大的國家,在船舶復合材料的應用方面,其規模和技術都走在世界前列。美國海軍于1946 年采用聚酯玻璃鋼建成了交通艇,是世界上第一艘復合材料艦船,隨后又制造了玻璃鋼登陸艇、工作船等。

             

              為加快玻璃鋼船舶的發展,美國海軍在20 世紀50 年代中期規定16 m 以下船舶必須用復合材料制造。1954 年前后,美國的手糊成型工藝日趨成熟,1956 年建造了2 艘不同結構形式的小型掃雷艇,開始了玻璃鋼在掃雷艇中的應用研究。

             

              20 世紀60 年代早期,美國海軍制造了第一艘全玻璃鋼巡邏艇,20 世紀80 年代末90 年代初建造了復合材料獵/掃雷艇,艇體均采用高級間苯聚酯樹脂,并以半自動浸膠作業制造,同期制造了采用凱夫拉增強的聚酯樹脂單殼結構的巡邏艇。隨后,美國海軍又將復合材料引入了深潛器的制造。

             

              1966 年采用石墨纖維增強環氧樹脂建造的深潛器,其下潛深度可達6096m。進入21 世紀后,美國進一步加強了復合材料在船舶建造的應用,采用新型高強碳纖維/乙烯基樹脂的夾心層結構,取代傳統玻璃纖維等低強度纖維,建成的新型船舶穩定性高、航速快,并具有隱身、反潛、反水雷能力。歐洲復合材料船舶工業也十分發達。

             

              20 世紀60年代中期,英國采用玻璃鋼先后制造了450 t 的大型掃雷艇和625 t 的獵雷艇,1973 年采用復合材料建造了全玻璃鋼反水雷艇,其成功應用推動了復合材料的迅速發展,20 世紀80 年代早期就制造了200 多艘全復合材料反水雷船舶。

             

              20 世紀90 年代,英國成功應用碳-?;祀s纖維建造了摩托艇、巡邏艇等,隨著技術的發展,近年來還成功應用回收塑料瓶再加工材料建造艦船,不僅降低了成本,還符合材料生物降解以及循環利用的發展方向。

             

              瑞典于1974 年建成了第一艘夾層結構的玻璃鋼掃雷艇,20 世紀90 年代成功研制了世界上第一艘復合材料隱形試驗艇,并逐步發展形成了以高性能碳纖維和夾芯結構為特點的建造方式,開發建造了集先進復合材料技術和隱身技術于一體的系列輕型驅逐艦,已成功下水服役。

             

              意大利于20 世紀80 年代中期開始相繼建成多艘玻璃鋼掃雷艇。日本自20 世紀50 年代起就開始建造玻璃鋼船,在高性能船、賽艇和豪華游艇建造方面取得了不俗的成績。進入21 世紀,日本開始研究制造高性能復合材料軍用船舶,目前已成功建成第一艘玻璃鋼復合材料掃雷艇并投入使用。

             

              各國海軍應用的復合材料制品還包括船舶上層建筑、推進器、桅桿等。法國海軍于1992 年開始在船舶上層建筑采用聚力復材復合材料,可以有效降低船舶質量。前蘇聯最早將復合材料螺旋槳用于實船。

             

              瑞典于1989 年開始研制復合材料推進軸,對幾千種不同材料及表面處理方法進行了試驗和評估以獲得軸的最佳性能,制得的推進軸質量輕、彈性好、適應性強、不導電、耐腐蝕。美國從1995 年開始采用復合材料研究先進的全封閉桅桿,并成功裝備于驅逐艦、航空母艦等。

             

              此外由于復合材料可降低船舶的雷達信號特征以及紅外(熱)信號特征,因此復合材料還廣泛應用于煙囪、艙壁、甲板、舵等次承載結構,在隱身及結構減重方面所做的貢獻非常顯著。

            2 國內發展和應用現狀

             

              我國復合材料在船舶方面的研發應用起始于1958 年,第一艘玻璃鋼工作艇誕生于上海。在20 世紀70 年代中期曾研制過一艘總長近39 m 的掃雷試驗艇,此后對GRP/CM 反水雷艦艇的研發工作就中斷了十多年。

             

              20 世紀90 年代以來,隨著技術發展與工藝引進,我國采用復合材料生產了大量游艇、帆船、救助艇,以及公安、武警、海監、海關等航速較高的巡邏艇、執法艇、緝私艇等準軍事艇,但迄今為止還未設計建造一艘高科技含量的海軍反水雷艦艇。

             

              在復合材料船舶構件方面,我國在20 世紀60 年代末成功研制了復合材料聲納導流罩,并應用于潛艇,發展至今已形成較為成熟的應用。20 世紀80 年代后期研制開發了復合材料雷達天線罩、水雷殼體并投入使用,20 世紀90 年代成功研制了應用于大型水面船舶的復合材料桅桿以及上層建筑等。

             

              與國外相比,目前我國船用復合材料非短切類粗紗粗紗應用范圍和規模仍然較小。在原材料方面,目前我國已能生產國際市場上大多數品種的玻璃鋼用增強材料,但與世界工業發達國家相比,在產品技術水平、品種、規格、質量等方面仍有較大差距,碳纖維、芳綸纖維等高性能纖維仍依賴于進口,樹脂產能也嚴重落后。

             

              在成型加工方面,RTM 工藝以其產品質量好、生產效率高等優點得到了廣泛關注與快速發展,在工業發達國家已發展相當成熟,并且不斷趨于完善,而我國則從20 世紀80 年代才開始引進RTM 工藝和設備,投入生產少,設備利用率低,目前RTM 工藝仍處于發展階段。與國外相比,現階段我國在船舶復合材料領域的應用技術和研發方面仍較為落后,仍有很大的發展空間。

             

             

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