復合材料在船舶上的應用及發展趨勢探討

朱 昊

(池州學院材料與環境工程學院 安徽 池州 247000)

0 引言

隨著現代技術的不斷發展,復合材料在船舶制造領域的應用也越來越廣泛。船舶作為一種重要的交通工具,在港口經濟以及國際貿易中扮演著重要的角色,因此在船舶制造和運營過程中,材料的選擇和性能顯得尤為重要。而傳統的金屬材料雖然在一定程度上能夠滿足海洋環境下的強韌要求,但由于自身重量大、容易腐蝕等限制,使得更輕、更強、更耐腐蝕的復合材料逐漸成為船舶制造領域的重要選擇,成為船舶制造中應用廣泛的材料。當前實踐結果表明,采用復合材料建造的船體可以提高航行效率,降低燃油耗用,降低碳排放量,并且由于復合材料擁有良好的成型性,可以生產出更具有流線型外形的船型,從而減小船體阻力,符合當前綠色、低碳、節能化的發展趨勢,成為未來船舶制造領域的重要趨勢和發展方向,本文主要對復合材料在船舶上的應用及發展趨勢進行探討[1]。

1 船舶復合材料性能特點分析

1.1 應用優勢分析

與傳統的金屬材料相比,其在船舶上應用具有多重優勢。首先,復合材料具有輕量化的優勢,這對于船舶來說非常重要,因為船體過重會導致燃油消耗增加,運營成本增加。其次,復合材料具有良好的耐腐蝕特性,海洋環境下有海水、潮濕空氣、環境污染物等,船舶容易被腐蝕,采用復合材料的船舶可以有效地降低腐蝕問題,從而延長使用壽命。此外,復合材料具有高強度、高模量等高性能特點,在滿足船體強度需求的同時,能夠實現局部應力調整,提高了設計自由度。復合材料還具有可塑性的優勢,可以靈活地控制尺寸、形狀和流線外形,為船體設計帶來更大的空間,創造更多的外形和特性,有效提高制造效率和船體質量。并且,復合材料在船體表面涂裝處理后還能使船體更美觀整潔、光亮、平滑[2]。

1.2 發展歷程分析

船用復合材料的發展歷程也是船舶工業技術發展的一個縮影。伴隨著時代發展和科學技術以及工業的深入推進,船用復合材料的技術應用也在不斷發展。1970年代,碳纖維材料的亮相,使得復合材料在船舶制造領域得以更廣泛地應用,例如:美國的Lancer Yachts、Pelle Petterson和Swan Yachts及日本的高端Motor Yacht。1990年代HOPKINS等[3]提出了一種新的概念,即熱塑聚合物材料的快速定型加熱(RFPT)工藝,從而在復合材料的制造和應用中邁出了更加穩健的步伐。而在我國,復合材料應用于船舶制造領域的時間相對較晚。1980年代,我國開始在船舶工業中推廣復合材料的應用,主要是玻璃纖維增強塑料(glass fiber reinforced plastic, GFRP)。1994年經過10年時間的推廣發展,我國出現了第一艘復合材料制造的快艇,標志著我國船用復合材料技術取得了重要的突破,并進入了快速發展的階段。2004年,“舷梯號”船采用GFRP材料建造,成為了我國船用復合材料加大型船艇建造的開端,2008年日照造船公司建造的150 m×25 m×9.5 m泥頭車也采用復合材料船體,成為我國的先驅之一。總的來說,復合材料應用于船舶制造領域的歷程是一個不斷探索、積極開創的過程。

1.3 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2大類型,其中包含3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5大系列材料,船用復合材料的分類及應用部位如圖1所示[4]。

圖1 船舶復合材料典型結構及應用

2 船舶復合材料應用現狀

2.1 國外發展現狀

當前,國外應用于船舶制造領域的復合材料種類繁多,主要包括:石膏復合材料、碳復合材料、玻璃纖維復合材料等。其中碳纖維復合材料在船舶上應用最為廣泛,這是因為碳纖維復合材料具有高強度、低密度、優異的力學性能、耐腐蝕和抗疲勞等優點,在重量、船速、力量結構和速度等方面優于傳統的鋼鐵材料。在超級雅典娜號、50英尺(1英尺約為0.3048 m)帆船Pogo 40S2以及瑞士Alinghi AC-33美洲杯賽艇等都運用了碳復合材料。瑞典VolvoOceanRace的船隊也應用了碳纖維復合材料,使得船的減重效果更為顯著,而英國Princess70MegaYacht的外殼和部分構件則由碳纖維復合材料制成,大大提高了船的性能。此外,汽車生產商沃爾沃也使用碳纖維復合材料制造其27.4 m的商用船MSV Explorer,令其船體輕盈但又充滿強度,船的高效性能和燃料經濟性因此大為提升。美國Gulfstream公司也積極使用復合材料來制造自己的衛星通信艇。這種材料的特點是輕巧,卻具有極高的強度和耐腐蝕性能,為船舶從容面對嚴峻的海洋環境提供了足夠的力量支撐。

除了探索新的復合材料和制造技術外,國外還在不斷研究和應用復合材料在船舶建造領域的新方法和新技術:①預制復合材料模塊化技術,該技術使用模塊化組件,快速構建不同類型的船舶結構。例如,美國海軍研究局(Office of Naval Research, ONR)利用預制的復合材料組件制造了小型作戰艦,大幅提高了制造效率和船體質量。②3D復合材料打印技術,3D復合材料打印技術可以快速制造出復雜形狀的船舶部件,同時還可以減少材料浪費。近年來,美國某些船廠已經開始采用3D打印技術制造船舶部件。③復合材料自修復技術,該技術可以通過添加有機膠原料、微囊化聚合物等物質實現材料自修復,減少了維護和更換次數,提高了材料的耐久性。目前,美國船廠的一些船舶應用了自修復復合材料,如有磨損或者破損現象,可以在船舶維修前自動修復,為船舶維護降低了成本。

2.2 國內發展現狀

國內大型船舶建造領域主要應用的復合材料為玻璃纖維增強塑料和碳纖維增強塑料(carbon fiber reinforced plastic, CFRP)等,這兩種材料被廣泛應用于快艇、游艇、觀光船、漁船等小型船只的制造。與國外相比,國內的復合材料在船舶建造領域的應用還處于起步階段,但是目前在復合材料的制造工藝、質量標準、設計優化等方面已經有了很大的進步。

(1)制造工藝

國內復合材料在船舶建造領域的制作工藝已經逐步成熟,包括復合材料的成型、固化等生產環節的工藝流程。例如,近年來國內許多造船企業開始采用復合材料作為新型船體材料,特別是碳纖維等高強度材料在船舶制造中的應用越來越廣泛。國內某些企業如“橙船科技”就采用復合材料在造船過程中替代了部分鋼材,在環保和造船效率2個方面有了較大提升。此外,在船舶維修領域,復合材料得到了廣泛應用,可以顯著提高維修效率和準確性,并降低維修成本。例如,有些船只使用特非凝膠進行船體修補,作為一種高級的彈性復合材料,可以降低維修周期和成本,也可以增強船體抗壓和防水性。但是國內復合材料在配方和改性方面的技術開發還未達到發達國家的水平,這使得國內的復合材料在某些性能指標上無法與國外同類產品相比。

(2)應用范圍

國內復合材料在船舶上應用涵蓋了船體、船舶零部件和配件等多個領域。目前,國內主要的復合材料船舶應用領域包括船舶外殼、船艙餐廳、水下安全艙、船體配件、龍骨、隔熱層等。在許多應用案例中,復合材料的制作工藝已經實現標準化生產,并且可以實現大規模生產。例如,華能集團的一款船舶發動機柜采用了復合材料,既提高了船舶的燃油效率,又減少了船舶重量。此外,國內一些船舶制造公司已經開始采用復合材料船體結構,如中船重工、江南造船、中國船舶、中海油等,其中比較有名的應該是中船重工南通造船有限公司生產的魚鷹級船舶,魚鷹級船舶采用復合材料,船體更加輕盈、更具有彈性,穩定性更高。

(3)應用標準

當前國內對于復合材料的品質標準和檢測過程已經逐步明確,因此船用復合材料制品,必須符合國家標準和各類船級社的檢驗標準,復合材料是否合乎標準不僅取決于原材料的成分和質量,也必須滿足復雜的性能指標,如耐久性、密度、強度和剛度等。國家有關部門也正在指導制定行業標準和嚴格的檢測流程來推動和規范復合材料的應用,相繼出臺了《聲吶導流罩用玻璃纖維增強塑料規范》[4]、《潛艇指揮室圍殼及上層建筑用玻璃纖維增強塑料規范》[5]和《艦船用非金屬材料毒性評價規程》[6]等一系列相關標準來規范復合材料在船舶上的應用。這些標準為船舶制造企業提供了指導,助力其在使用復合材料方面達到標準化、規范化的生產過程和效果。

可以看出,國內復合材料在船舶建造領域的應用發展前景廣闊,同時仍需要加大研究和應用力度,向高性能、高品質的方向不斷突破,以適應不斷升級的國際市場需求。

2.3 存在的主要問題

盡管復合材料在國外船舶制造領域已有較長的應用歷史,但是我國的應用整體進展緩慢,應用主要集中在快艇、導流罩等方面。目前,復合材料在船舶應用方面存在的問題主要有以下幾個方面。

(1)成本高、工藝復雜。復合材料在船舶制造領域的應用受到成本高、工藝復雜等問題的限制,其中原材料價格較高,加工和制造成本較高,制造工藝對操作者技術水平和使用自動化設備的要求較高,相關零配件的設計和工藝加工較為復雜,需要技術工人具備專業技能,使得復合材料在船舶制造領域的應用難以得到進一步推廣。

(2)缺乏成熟的規范和行業標準。當前無論是國內還是國外,船用復合材料在設計、建造、工藝、檢驗等技術標準上都存在缺項,現有的船舶復合材料標準覆蓋技術領域不全

面,不能夠完全滿足我國船舶復合材料研制和應用需要。

(3)設計和評估周期長。復合材料結構需要滿足一系列嚴格的規定,涉及內容較多,而評價復合材料結構和功能是否可靠必須進行相關測試,而測試確定復合材料性能又是一項時間長而且費用昂貴的工作,因此評估復合材料的安全性和可靠性以及是否滿足設計要求是復合材料在船舶上應用面臨的一個主要問題。

3 復合材料在船舶上的應用發展趨勢

3.1 應用場景更加多樣化

近年來,國內外復合材料在船舶領域的應用實現了一系列創新,包括:在中國航母的建造中使用了復合材料,采用海水的沖擊、腐蝕和高壓力等重責任,經測試相關復合材料在船舶耐久性能方面可以達到先進金屬材料的數倍;最新設計的風力渦輪機使用了無縫復合材料葉片,提高了葉片的剛度,更加可靠;輪船和快艇的船身改為采用復合材料,可以在一定程度上提供與金屬相當的耐久性,且更輕、更容易維護。由于復合材料制造具有靈活性強和精度高等優點,因此未來可以根據不同的需求進行設計和定制,例如,復合材料制造的無人艇和深海探測器可以廣泛應用于極端環境下的科學研究和資源勘探。加上近年來國際社會不斷加大環保力度,未來復合材料還可以用來提高船舶的適航性,減少廢氣和廢水排放,從而實現環保和節能。因此可以預見,未來復合材料在船舶上的應用也更加多元化[7-9]。

3.2 船用復合材料更加標準化

當前,船用復合材料更加標準化已成為一個不容忽視的趨勢,最近我國在船用復合材料標準化方面做了一系列重要工作。如頒布《船用復合材料結構設計規范》,制定船用復合材料的重要技術標準等,主要原因還是復合材料在船舶生產中的應用越來越普遍,并且隨著航運產業的不斷發展,船舶制造正在逐漸向數字化、自動化的方向發展,復合材料被視為未來發展的重要方向。通過制定標準,相關生產可以有依據地執行,降低生產過程中非良率和其他問題,提高制造效率,從而大幅降低重復工作量和制造成本。未來,我國將進一步加強與企業的深度合作,加快推進復合材料技術的創新和配套設施的建設,不斷提高復合材料在船舶領域的應用水平,以滿足船舶市場需求。

3.3 綠色復合材料逐漸得到應用

隨著全球環保意識的不斷加強,越來越多的人們開始重視環保和可持續發展。在這一背景下,綠色復合材料因其良好的環保性能和可持續性,得到了越來越多的關注和應用。目前,綠色復合材料在船舶制造中的應用主要有:碳纖維、玻璃纖維等用于船體半成品制造;綠色補強材料如碳或玻璃纖維增強材料和樹脂,用于船舶維修;綠色復合材料用于制造船舶附件,如耐海水腐蝕性能的防護層、船體內部裝飾層、船舶家具等。

未來綠色復合材料在船舶制造領域的應用將會呈現以下趨勢。首先,新型綠色復合材料出現。除了上述常見的復合材料外,未來還會涌現出更為環保的新型復合材料,如焦油片、納米纖維和聚酯材料等。這些新型復合材料不僅具備輕重比高、強度高、耐磨損等特點,還具備優秀的耐腐蝕和抗氧化性能,具有更廣闊的應用前景。其次,應用范圍將會更加廣泛,從小型輕便船只拓展到大型高速、深水船只項目。未來的經濟和環保需求將會催生更高級別、更大型的船只,也將為綠色復合材料在船舶制造中的應用提供更廣闊的空間。同時,復合材料的有效性并不受限于船身結構,還可以用于特殊應用,如船用電池和發電機的制造。此外,生產技術還會不斷革新。未來,隨著綠色復合材料生產技術的提高,生產成本將被進一步壓縮,同時,大規模制造技術和設備也將得到不斷改進,從而使綠色復合材料在船舶制造過程中的應用更加普及。

4 結語

目前,國內的復合材料在船舶建造領域的應用還處于起步階段,但是隨著技術進步和應用前景的擴展,相信未來復合材料在船舶建造領域將會有更好的發展。同時,國內也需要加大對于復合材料在船舶建造領域的研究投入,持續推進技術創新與產業升級,才能跟上國際市場發展的步伐。