新型船舶材料的研究進展及應用

方秀娟 孟令飛

摘 要：討論及論述船舶材料的研究發展狀況以及材料應用中出現的一系列問題。討論并研究船舶材料未來的發展趨勢以及對船舶自身性能的改善。已經成為世界各國船舶制造業非常關心的一個重點。

關鍵詞：船舶材料；材料發展史；材料科學

引言：在現代船舶發展過程中，美、俄（蘇）、英、德、法、日等船舶強國，均將材料技術發展視作船舶發展的基礎和先導，對材料技術發展給予了高度重視，不僅在不同的發展時期從船舶材料技術發展的頂層研究，制定了發展戰略規劃，投入大量人力、財力持續開展基礎材料技術、新興材料技術的研發和前沿技術的探索，而且非常注重試驗驗證平臺（包括試驗潛艇）的建設。伴隨著船舶發展，經過不斷創新，與時俱進，人們不僅研制了滿足船舶各發展時期所需的各種材料，并且已形成很強的材料技術的研究、生產能力和完整的門類齊全的配套體系，建立起了較完善的船舶材料體系和船舶材料技術的基本理論、方法、工藝等。

著眼于當前船舶材料技術的發展狀況，立足于21世紀前期（2035年前）的高新技術發展，可以預見，21世紀前期船舶材料技術的發展趨勢將呈現出“高”、“復”、“鈦”、"穩”、“防”、“有”、“無”、"前”、“用”、“低”等十大特征。

1.人類材料的的發展的狀況

造船材料的發展依從于世界材料發展的共同道路l1[—《手冊》內容符合世界材料科學共同發展的規律中外科學家探討了到公元ZDZO年的1萬年間人類使用材料的發展史，繪成如下示意圖。

該示意圖的主要用途是預言應用的發展方向，為各工業部類應用新材料提供指導性意見。造船工業的材料選用也可從中得到啟示。本手冊的編寫內容充分體現了該發展方向。《手冊》中高強度鋼占有足夠的篇幅；單獨列有金屬復合材料和焊接材料各一章；輕金屬部分、鋁、鎂、欽、稀有金屬和超導金屬都有單獨的一章；對纖維增強塑料、工程塑料、膠粘劑及密封材料、電氣絕緣材料等都分列一章；這樣在31章中對發展中的材料有足夠的篇幅，以上各例說明《手冊》趕上了世界材料發展的步伐。

1.1納米材料在船舶方面的應用與發展

納米級超細材料具有常規微細粉末所不具備的反常特性，以及納米材料的小尺寸效應、表面界面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應，它在磁性、催化性、光吸收、熱阻和熔點等方面與常規材料相比顯示出優越的性能。因此可以為船舶提供其他材料不能代替的作用。近幾年在某些領域有突出貢獻。如納米材料在特種艦船涂料中應用（吸收雷達波涂層、艦船紅外隱身涂層、潛艇偽裝涂料）、納米材料在通用船舶材料中應用（在船殼漆方面的應用、在抗菌建材和抗菌涂料中的應用、新型高效船底防污涂料、在船舶阻燃材料和涂料中的應用）、納米材料的其它應用（導電材料、梯度功能材料、超微粒傳感器、）納米材料的發展日新月異。不僅僅是實驗室階段的基礎研究不斷深入和擴大，而且納米材料的生產也已向工業規模發展，這樣就為納米材料的實際應用提供了很好的基礎條件。第一屆全國納米技術與應用學術會議于2000年11月在廈門召開，2000年11月在廣州舉行的“第五屆中國國際涂料、油墨及粘合劑展覽會”上，有數家國內廠商展示了他們的納米產品，如納米級氧化鐵黑、氧化鐵紅、氧化鐵黃等，產量已達每年上千噸。還有納米TiO2、納米ZnO、納米SiO2等的投產均有報道。可以講，科學家、企業家，甚至百姓大眾都在關注著納米材料的發展。船舶制造是一門多學科、高技術綜合應用的領域，可以預見納米材料也一定在船舶領域中大有用武之地。

1.2鈦合金材料在船舶方面的應用與發展

鈦合金用于艦船上始于 20 世紀 60 年代。 鈦合金由于具有良好的耐海水腐蝕性能、高強度比和無磁性等性能，在船舶材料中具有較好的發展前景。但是鈦合金成本高、冶煉難度大，對鈦及其合金失效研究還不夠充分等問題制約了鈦合金在艦船上的發展應用。目前的應用如1.深海潛水器鈦制耐壓殼體主要用在深海潛水器上。如制造美國 Aivin 號、Sea-Cliff 號深潛器的殼體 ；Ti-6Al-4V ELI 合金用于法國 SM97 號、日本“深海 2000”號、美國海軍深海救援艇（DSRV）的殼體、浮力球等。我國自主設計建造的載人潛水器“蛟龍”號也由鈦合金制造。2. 鈦合金聲納導流罩綜合性能優越，應用于俄羅斯“庫爾斯克號”、“明斯克”、“基輔”等航空母艦。3. 螺旋槳鈦合金螺旋槳材料強度高，在海水中抗疲勞性能好、能耐沖刷和空泡腐蝕。美國海軍在水翼艇上使用直徑為1500mm、四葉可拆式鈦合金螺旋槳。4. 艦船泵、閥及管系由于溫度和濕度的影響，船舶上的泵、閥和管使用銅、不銹鋼制造管路，壽命只有 2 ～ 5 年 ；而鈦合金制造的各種泵等，使用壽命遠超銅或不銹鋼制品。經過近 50 年的研究，我國也已獨立研制出 Ti31、Ti75、Ti B19、Ti70、Ti80、TA5 等一批具有自主知識產權的船用鈦合金。

制約鈦合金發展應用的因素 鈦合金材料成本高，制約了其在船舶上的應用。船舶材料金屬用量大，種類多。首要的條件是成本問題。只有降低鈦合金成本才能拓展鈦合金在船舶領域的應用。

1.3防火隔熱材料在船舶方面的應用與發展

船舶艙室的內裝材料以不燃材料取代可燃材料已成趨勢， 在這方面， 世界各國都做了大量研究。

（1）巖棉制品

巖棉制品的特點是質量輕，保溫耐熱性能良好，有良好的吸聲性能，價格比陶瓷棉便宜，是纖維粗，性脆，耐熱度比陶瓷棉差。巖棉制品的最高使用溫度一般650～800℃之間，因避免直接將巖棉制品用在耐火分隔上；不燃性：巖棉制品的不燃性良好，能夠作為不燃性材料直接使用。

（2） 玻璃纖維

玻璃纖維是以石英砂和廢玻璃加熱熔融，用噴吹加一層隔熱材料，再加上空氣隔層和襯板所組成的和離心法制造。用于船舶行業的主要是無堿超細玻璃棉。它的特點是纖維直徑細 ，因此能使制品的容重做得很輕 ，而且它不燃燒、不腐爛、耐酸耐油，導熱系數很低，低溫條件下的隔熱效果很好。但它的使用溫度比較低，通500～600 ℃。

（3）陶瓷棉制品

陶瓷棉陶瓷材料經高溫熔融后吹制成的，是一種耐高溫的新穎材料。我國是上世紀 70 年代開始生產陶瓷棉的。主要以焦寶石為原材料的普通硅酸鋁纖維。由于陶瓷及其制品容重輕、高溫導熱系數小、對人體皮膚刺癢程度輕于巖棉和玻璃棉，因此在近期船用和平臺作為防火材料被大量使用。其性能特點是導熱系數：陶瓷棉產導熱系數在 200 ℃時為0.05，400 ℃時為 0.20，在 1200 ℃時為 0.30 以下，而且陶瓷棉制品有優良的耐火性能，主要用于艙壁隔熱材料和船用鍋爐、排煙、管道隔熱的保溫材料。

（4）改性聚雙馬來酰亞胺復合泡沫塑料

聚雙馬來酰亞胺是聚酰胺亞的一種，具有無毒、耐熱、工藝性優越等特點 。利用雙馬的種基團接枝改性，經發泡、聚合后就制得了改性聚雙馬來酰亞胺復合泡沫材料。雙馬泡沫無毒無味，容重小于 60 kg m3，熱系數低、耐油、耐酸堿腐蝕、阻燃性好， 燃燒時低煙、無熔滴，也不會產生大量有毒氣體。總之雙馬泡沫是比較理想的海洋船舶與軍用艦艇艙室隔熱保溫材料。

參考文獻：

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[2] 金曉鴻.納米材料在船舶材料領域的應用和前景.

[3] 李德強，王樹森，包恩達.鈦合金材料在船舶材料上的應用與發展.

[4] 張宇，譚振東，王廣東.何超防火隔熱材料在海洋船舶上的應用研究.