碳纖維復合材料在游艇制造中的應用

CCS福州分社 焦明鑫

碳纖維復合材料在游艇制造中的應用

CCS福州分社 焦明鑫

碳纖維具有十分優異的力學性能，是先進復合材料最重要的增強體，通過與樹脂、碳、陶瓷、金屬等基體材料復合后可制得優異的碳纖維復合材料。其復合材料以輕質、高強度、高模量、耐腐蝕、耐疲勞、可設計性強、結構尺寸穩定性好和可大面積整體成型等特點，在游艇制造等眾多領域得到應用。

游艇制造材料及工藝

目前游艇制造材料主要分為纖維增強塑料、鋁合金和鋼材三類，鋼材主要應用于大型游艇，中小型游艇主要采用鋁合金和纖維增加塑料，而纖維增強塑料是游艇制造中的主流材料。

纖維增強塑料目前主要分為兩種，一種是玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼），一種是碳纖維增強塑料，由于碳纖維材料制造成本高，價格昂貴，目前絕大多數游艇采用玻璃纖維增強塑料制造，碳纖維增強塑料主要運用于帆艇、體育運動艇、桅桿等對重量和強度要求較高的部分。

采用纖維增強塑料作為艇體材料的游艇艇體結構形式分為兩類，一類為單層板，一類為夾層板。

單層板，是一種用纖維增強材料加以含催化劑/促進劑的樹脂鋪設而成的一種結構形式。

夾層板，是一種纖維增強材料之間加芯材鋪設而成的一種結構形式，這類芯材具有抗彎曲、拉伸、壓縮、剪切和撓曲能力，或者基本上無抗彎曲、拉伸、壓縮、剪切和撓曲能力，但有傳遞剪切載荷能力。芯材一般采用硬質泡沫塑料、輕木、膠合板或松木等。夾層板主要用于艇體結構中應力較為集中的構件中。

纖維增強塑料成型工藝分為三種，即手工鋪敷、噴射成型和真空袋壓成型。

玻璃纖維增強塑料和碳纖維增強塑料應用對比

玻璃纖維增強塑料和碳纖維增強塑料是游艇制造中兩大主要復合材料，下面將兩者在游艇結構中的應用作一下對比。

一、《游艇建造規范》（2012）規定：纖維增加塑料艇體中剖面模數是以玻璃纖維無捻粗紗正交布鋪糊成型的標準鋪層設計單層板的力學性能為基準。對于其他鋪層設計，若其單層板的強度與標準鋪層設計層板的強度不一致時，艇體中剖面模數的要求可乘以下列規定的系數K進行修正：

K=180/σt

式中，σt——層板的極限拉伸強度，N/mm2。

二、艇體構件尺寸修正可參考《纖維增強塑料船建造規范》（2015）規定：規范規定的船體構件尺寸均以玻璃纖維無捻粗紗正交布鋪糊成型的標準鋪層設計單層板的力學性能為基準。

1、對于單層板結構，若層板的拉伸強度或抗彎強度大于180 N/mm2時，則按規范計算所得的單層板厚度和構件的剖面模數，可分別乘以按下式計算的系數Kt和系數Kw修正：

（1）、層板厚度的修正系數：Kt＝180/σb；

（2）、構件剖面模數的修正系數：Kw＝180/σnu。

式中，σb——層板的極限抗彎強度，N/mm2；

σnu——層板的極限拉伸強度，N/mm2。

當Kt小于0.5時，取Kt等于0.5，當Kw小于0.7時，取Kw等于0.7。

2、對于夾層板結構，若其面板的抗拉強度大于180 N/mm2時，則按規范計算所得的夾層板面板的厚度和夾層結構梁的剖面模數，可分別乘以按下式計算的系數K進行修正：

K=180/σnu

式中，σnu——夾層結構面板的極限拉伸強度，N/mm2。

當K小 于0.5時， 取K等 于0.5。

碳纖維樹脂復合材料的拉伸強度一般都在3500MPa以上，即3500 N/mm2，則修正系數K=180/σnu=180/3500＝0.05＜0.5，則取K等于0.5。

從上式可以看出，當用碳纖維增強塑料代替玻璃纖維增強塑料時，層板的厚度和橫剖面模數減少了50%，加上碳纖維的密度是1.6～2.15g/cm3，而玻璃纖維的密度是 2.4～2.7 g/cm3，因此，用碳纖維增強塑料代替玻璃纖維增強塑料大大降低了艇體的重量，增強了游艇的操縱性，滿足了對速度的需求，也起到了節能減排的效果。

三、特殊船型結構的游艇對高強度復合材料有著更高要求，以海船雙體游艇連接橋為例，總橫彎矩Mbx按下式計算：

Mbx＝9.81k(0.5b+b1)kNm

b——片體寬度，m；

b1——連接橋寬度，m；

k——系數，沿海航區取0.243，遮蔽航區取0.135。

由上式可以看出，如需增加連接橋的寬度，則總橫彎矩大幅增加，而連接橋的寬度直接影響到雙體游艇上層建筑的布置和設計，其基本功能性受到極大影響。為了更理想地解決這一問題，則需要更高強度的纖維增強材料來制作連接橋，碳纖維以其優異的力學性能成為首選。

碳纖維增強塑料改性處理

碳纖維增強塑料是一種以碳纖維為增強材料，樹脂為基體的復合材料，不同的基體樹脂與碳纖維組合在一起形在的復合材料有不同的性能表現，有的剛度好，韌性差，有的則韌性好，剛度差。單一樹脂和復配樹脂與碳纖維形成的復合材料也有著不同的性能表現。下面以環氧樹脂為例，展示復配樹脂基體下的碳纖維復合材料的性能表現。

本次選取AG80和E51兩種環氧樹脂在不同質量比下碳纖維/環氧樹脂復合材料的力學性能表現舉例說明，其表現如下表。

表 復配樹脂基體下碳纖維/環氧樹脂復合材料的力學性能

從上表及圖示可以看出，不同比例的復配樹脂時的復合材料有著明顯不同的力學性能表現，當復配樹脂的比例為1：1時，復合材料的綜合力學性能較好，在其他比例下的復合材料剛性強，則韌性差，或者韌性強，則剛性差。在實際設計或生產中，我們可以調配不同型號、不同比例的復配基體樹脂，以改變復合材料的力學性能，從而得到適合實際應用的復合材料。

碳纖維復合材料具有優異的性能，在高科技領域占有重要地位，日后的發展必定日新月異，應用前景越來越廣闊。隨著碳纖維制造技術的發展與進步，它的生產成本定會大大降低，它的應用領域會逐步擴大，也會越來越多地應用到游艇制造工業中來。