高性能纤维复合材料在海洋中应用ppt.ppt

高性能纤维复合材料在 高速船艇上的应用 1、船舰用高性能纤维及其织物结构 高性能纤维目前主要用于高 速船艇上，如军舰，揖私船、 赛艇和一些高级游艇上。 11常用纤维纤维 111 玻璃纤维纤维 e-玻璃纤维纤维 :良好的强度，耐水降解。 s-玻璃纤维纤维 ：高强度，抗疲劳劳。 112 玄武岩纤维：火山熔融岩浆，使用温 度高，为269900。 并具有高力学强度 、低导热系数、良好的热振稳定性、抑制共鸣和 隔音、防火性、耐腐蚀性、耐用性和环保洁净性 。 113 碳纤维：高强，高模，高价。 11常用纤维纤维 114 芳纶纤维：轻质、高拉伸强度、高模、高冲击 、耐疲劳和可编织性优良。怕水，怕光。 115 高强高模聚乙烯纤维：spectra ，比水轻。 其室温力学性能、耐水和耐化学腐蚀性能优于芳纶。 116 热塑性纤维：compet，聚酯和尼龙热塑性 纤维。treveria,的热处理聚酯织物。可作为首层材料 。高强（刚度低于玻纤），轻质、价廉、耐冲击和疲劳 性能好，并有可能作为阻尼材料和隔舱材料。硬化时不 放热，适合于高厚度产品，提高了抗损伤容限和工艺性 能，但目前主要用于小船和休闲船。 表1 各种纤维纤维 的典型力学性能 材料密度 (g/cm3 ) 断裂伸 长率 （%） 拉伸 模量 (gpa) 拉伸 强度 (gpa) e-glass2.54.880.73.4 s-glass2.65.7904.6 玄武岩纤维2.5-2.72.0-2.293.1 4.84 碳纤维（高模）1.80.38-2.04002-2.8 碳纤维 t7001.82.12304.9 kevlar-29(aramid)1.4412642.86 kevlar-49(aramid)1.452.91303.6 spectra 900(hmpe)0.973.5117.22.59 polyester compet1.3622.09.651.03 各种纤维在船舶上的应用 1.2 常用织织物结结构 1.2.1 机织织物 无捻粗紗布，也称方格布（woven roving）。 通常为800g/cm2, 平面机织物一般面密度为200-350g/cm2, 平纹织物、有最高的交织点， 方平织物、（basket weave）有打结的经纱和纬纱。 缎纹织 物、交织点最少，材料力学性能较好。 各种机织物结构示意图 针织物 针织物中常用的是经编织物，最早引入 是1975年，比同厚度方格布提供更高的强 度和刚度。它在针织物中引入单向纤维，以 合成纱聚酯纤维缝合在一起，还可以结合一 层毡。图3 是常规机织物和经编织物在结构 上的差别示意图。 全向结构（omnidirectional） 预制毡，短切毡（粉剂和乳剂），连续长 丝毡。各向同性，层间强度好，力学性能低。 单向织物（unidirectional） 大多用于碳纤维，高强高模，难于处理和 浸润，价格高。最近一种锚合材料（anchor reinforcements）引入单向织物，用能与热固 性树脂相适配的热塑性网粘合，材料容易处理 和切割。用于加固和船 体制造，得到极高的产 品性能。 各种织物结构在船舶制造上的应用 立体织物 还未见正式使用，但有以正交织物做游 艇和炮座。防分层。 芯材织物（core fabrics）， 提高船体刚度，最直接的是采用夹芯结 构，但也可通过低成本，低密度材料，快速 增加层材厚度，如”coremat”（纺织型聚 酯）,”trevira”（连续聚酯长丝）和 “compozitex tm”（玻纤，机械连接）。 以及“bulking”.材料。 夹芯结构材料和层材的强度， 刚度和重量比较 2、高性能纤维复合材料 在舰艇上应用的优势 （1）质轻、优良的力学性能 轻质，高的比强度和比刚度，但船体会厚 一些，对同强度的船体，整船刚度稍差，船 体弯曲挠度大一点，这使大船的整体刚度受 限制，超过90米的船体，保证主推进系统和 主轴的直线度有困难。小船如比赛帆船可用 碳纤维大梁保证刚度。 2、高性能纤维复合材料 在舰艇上应用的优势 （2）更好的安全性。 复合材料的破坏模式和钢有很大的不同， 金属材料是裂纹扩展，从弹性行为到塑性行 为，到突然破坏。复合材料是逐层地破坏， 引起材料强度和刚度的变化，最后全部破坏 。这情况可以用在层间产生警告性裂纹来预 示。这有利于保持船体的整体水密性。设计 合理的复合材料船体使用应力低，在极端负 荷时，有很好的安全性。 几种复合材料和常用材料性能对比 （3）耐蚀性好。 复合材料可耐酸、碱、海水侵蚀,水生物 也难以附生。用复合材料制造军舰、轮船， 不用涂漆，在海水中航行几年也不会生锈， 能减少涂油漆等维修费用，使用年限长。 （4）优良的声、磁、电性能(透波、透声性好, 无磁性,介电性能优良)。 如舰艇通过声纳在海上定位，测距和发 现目标。作为声纳设备保护装置的声纳导流 罩要求材料的透声波性好，声波的失真畸变 小，材料的特性阻抗是表征透声性能的重要 参数，材料的特性阻抗和海水越接近越好 各种材料的特性阻抗 材 料特性阻抗 105g/cm.s 材料特性阻抗 105g/cm.s 碳纤维复合材 料 3.18spectra2.06 芳纶纤维 复合 材料 3.01不锈钢45.8 s玻纤复合材料4.31海水1.54 e玻纤复合材料4.21 （5）优良的设计、施工性能。 复合材料的可设计性，可以选择不同聚合 物和增强材料以及不同的配方、成型工艺等 达到不同的性能。可根据产品不同部位的结 构要求，进行优化设计。其次，复合材料避 免了多次加工工序，可一次成型，给产品生 产带来很大的优势，大大减少车、铣、刨、 磨等机械加工过程和装配过程，使船壳和构 件的整体性好，无接缝或少接缝，无渗漏， 提高了舰船的性能。 3 、高性能纤维复合材料 在水面舰艇上的应用 水面舰艇包括：航空母舰、战列舰、巡洋 舰、驱逐舰、护卫舰、护卫艇、鱼雷艇、导弹 艇、猎潜艇、布雷舰、扫雷舰、登陆舰、两栖 攻击舰等；潜艇则有攻击型潜艇和战略潜艇等 。辅助战斗舰艇又称勤务舰艇，主要用于战斗 保障、技术保障和后勤保障，它包括：军事运 输舰船、航行补给舰船、维修供应舰船、医院 船、防险救生船、试验船、通信船、训练船、 侦察船等。 3.1 复合材料在高速船舰船体上的应用 -巡逻艇 单击此处添加段落文字内容 单击此处添加段落文字内容 单击此处添加段落文字内容 建造了长14. 3m， 船速达60kn的巡逻 艇，其采用了凯芙 拉增强的聚酯树脂 单壳结构。 由美国国防部部队 转型办公室设计并 建造的，2006年2 月初下水的美国海 军最新型高速隐形 试验快艇代号m80 的“短剑”( stiletto ) ， 第一艘全玻璃纤 维增强聚合物 (grp)的巡逻艇 诞生，由美国海 军制造,越战期间 在内河上应用。 美国海军“短剑” 使用碳纤维复合材料一次整体成型制造的最大船体，无焊接， 无铆接，重量大为降低。艇长24. 4m，宽12. 2m，吃水0. 9m，排水 量为67t。双“m”船体设计，即使在高速回转时，依然可以保持平稳 行驶，从而增加了艇员的舒适度，提高了安全性，扩大了在内河和 地形复杂的浅海使用范围。由于其阻力的降低也使得“短剑”比普通 快艇更加节省燃料。 挪威盾牌星座导弹巡逻艇 （碳玻混杂夹芯结构，隐身） 优缺点比较 grp夹层结构巡逻艇的重量比铝船轻10%, 比钢船轻36%。采用scrimp或碳纤维可进一 步减重。同时增加有效负荷,提高行驰距离和降 低油耗和维护成本。操作成本比钢船低7%。 grp巡逻艇船体梁的刚度较低。据估计,对 于50 m长、采用复合材料夹层结构制造的巡逻 艇,其船体梁的偏转比钢艇的高300%。,船体梁 的挠度比钢艇高240%。船体梁挠度增加会带 来很多问题,如铰接处和连结处的疲劳裂缝,从 而导致螺旋桨轴线的错位 。 反水雷舰艇(mcmv) 英国于1973年制造了全长为46. 6m，排水量 450t，当时世界最大的，也是第一艘玻璃钢反水 雷舰艇-hms wilton 。上世纪八十年代早期英国 就制造了200多艘全复合材料反水雷舰艇。英国 皇家海军的狩猎级(hunt)和桑道级、法国、荷兰 和比利时海军的三伙伴级(tripartite)舰艇采用的 舰体结构类型是单板加筋结构。整个设计包括横 向的框架和纵向的复合材料梁,纵横胶结成grp 预成型的层压结构。无加强筋硬壳式的舰体没有 框架,代之以厚达0.150.20 m grp外壳来提供 刚度和水下抗冲击性能。而且甲板和主要的舰舱 壁都能为舰体提供刚度。 护卫舰 2000年6月8日瑞典皇家海军制造了维斯比 级(visby)护卫舰,它是当时世界最长也几乎是最 重的全复合材料舰艇。全长73 m，宽10. 4m， 吃水2. 4m，排水量600t。船体采用复合材料夹 层结构，主要由碳纤维和乙烯基树脂层压材料 蒙皮和pvc泡沫塑料芯材构成。船体复合材料 提供很高的强度和硬度，轻质（舰体重量减轻 30%左右）和很好的冲击强度，低雷达和磁场 信号特征，还能吸收电磁波，是第一艘在舰体 结构中有效利用碳纤维复合材料海军舰艇。 瑞典“维斯比”级全隐形护卫舰 东华大学早期船体制作 用wari技术，制造6米小艇 碳纤维芳纶纤维混编高速艇 12m船艇制作（scrimp ） 服役中45节揖私艇 3.2 复合材料在高速船舰 上层建筑上的应用 上层建筑采用复合材料有更多的优点, 上层建 筑容纳各种电子信息装备、武器装备、机电设备等 ，承担着绝大部分的作战功能。复合材料的采用， 减轻了上层建筑的重量，而且通过在复合材料夹层 里嵌人有滤波功能的频率选择层，允许发射和接收 预定的频率，从而滤除敌方雷达电磁波。但由于上 层建筑结构复杂,技术上更困难. 玄武岩纤维艇上层建筑 3.2.1复合材料桅杆 60年代复合材料首次应用在桅杆上。为了 减少战舰的雷达反射截面和光学特征，达到隐 身的目的，未来水面舰艇将装备封闭式综合传 感器桅杆，取代挂满各种鞭状、条状天线和各 式彩旗的传统式桅杆，而将各种雷达、通信天 线设计成平面式或球形阵列天线，组成一体化 的封闭式综合传感器桅杆。 美国海军从95年着手研制先进全封闭式桅 杆/传感器系统(aem/s),整个结构高28 m,直 径达10.7 m,是美国海军舰艇上最大的复合 材料水上结构。aem/s上半部覆盖fss，可 让本身特定的周波数穿过,下半部能反射雷 达波或由雷达吸波材料所吸收。各种天线和 有关设备都统一组合装备在该结构内,结构 的外部由能反射电波的复合材料板材构成。 由于所有设备都在结构内部,可以防止风雨 和盐份的侵害,对设备的维修保养十分有利 。 uss arthur w.radford 驱逐舰上的复合材料桅杆 3.2.2 复合材料螺旋桨 海军舰艇的螺旋桨材料一直以来都是镍铝 铜合金(nab),存在很多问题:加工复杂叶片时花 费高,叶片容易疲劳产生裂纹,声学阻尼性相对较 差,振动时会带来噪音等等。因此,海军设计者们 不得不考虑其它材料,最引人注目的材料是不锈 钢、钛合金及复合材料。 复合材料螺旋桨的优点: (1) 可设计性，复合材料叶片中的纤维可以承受 主要的水动力和离心力。,承载的纤维可以沿叶 片的不同方向敷设从而使应变最小。因此,可以 通过设计纤维排列和堆积的顺序来优化叶片性 能。纤维排列的方向影响叶片的推力、有效螺 距和翘曲。 (2)全寿命周期的维修费用低; (3)降低变速箱/轴的磨损; (4) 制造成本低(仅仅是批量生产时); 复合材料螺旋桨的优缺点 (5) 质量轻; (6)抗疲劳性能强; (7)抗腐蚀性能强; (8)使用厚而具有弹性的叶片,改善螺旋桨的空泡 性能; (9)电/磁特性弱; (10)噪声低。 (11) 减振性能好; 缺点:制造费用高、叶片梢部变形大、耐冲击损 坏能力低 “俄亥俄”级战略导弹核潜艇螺旋桨 3.2.3 碳纤维传动轴 碳纤维轴的优点 （1）重量轻；c/e复合材料轴比同尺寸的钢轴轻 2580%。而大型舰船如护卫舰、驱逐舰上各钢 轴约占整船重量的2%(约100200 t)。 （2）强度和刚度高。 （3)低热膨胀系数，尺寸稳定，适合经历高加速 度和得到最小运动惯量的产品。 (4)幅宽大，长跨距，减低轴承数量及重量，节省 船体轴承座结构，每段长度可达10米无支撑。 碳纤维轴的优点 (5)使用寿命长，把使用周期成本至少减小25% 。 （6)临界转速高，线速度高。扭力达1000knm （7)有效和安全的速度改变 (8)不导电，无磁性 (9)不锈蚀，无损耗，免维护。 (10)减少机械振动，噪音小。 (11)减少由于皱折，伸长和刮擦引进的幅损（ web damage），减少幅卷（web wrap-ups） 。 jumbo cat船上用碳纤维轴 flying cat 渡船 flying cat船上用碳纤维轴 flying cat船上用碳纤维轴 在小型船舶上的应用 连接齿轮箱及尾轴或喷水器/弦外机等。 ，并且能传送螺旋桨的推力。特点：容许对 中偏差，减低由轴系传送的声音及震动，扭 力可达14knm 3.2.4 复合材料在海军舰艇的 二级结构、机械和装备上的应用 （1）烟囱 复合材料烟囱具有质轻、成本低的优点,以 及优良的热绝缘性能,而且能够削弱雷达信号从 而提高舰船的隐身性,已在mcmv上成功应用多 年。visby级和la fayette级护卫舰的烟囱都采 用复合材料夹层结构。当前目标是在大型军舰 上使用复合材料烟囱。horsman报道说,在两艘 意大利旅游客轮上安装复合材料烟囱来代替铝 和不锈钢烟囱,可以减轻50%重量,节约20%成本 。 （2） 舰舱壁、甲板、舱门 此方面的应用正处于研究之中,优点是质轻 2040%,更低的磁特性,火灾时热传导低,阻声性 能更好;缺点是制造和安装的成本比钢制的高 2090%。复合材料和周围钢结构的联结处需要 足够的抗内部冲击损坏的能力,此即为成本大幅 增加的主要原因。 （3） 附件 将复合材料应用在武器外罩和甲板防护板 上,及作为导弹冲击遮护板,以免受高速射弹和榴 散弹的冲击。美国海军已经在其kidd级导弹驱 逐舰上使用凯芙拉复合材料盔甲,以保护船员免 受小型武器炮火的袭击。 （4） 方向舵 舰艇用复合材料方向舵正处于研发之中,预 计其比现有的金属舵轻50%,成本低20%。美国 海军的复仇者(avenger)级反水雷舰艇上正在使 用复合材料方向舵。 美国圣路易斯 （5） 机械装置和引擎部件 玻璃纤维增强酚醛复合材料已经应用在 柴油机的滑轮组、油盘、凸轮罩、水泵、油泵 、滑轮、舵轮和调速链轮齿中。由此重量可以 减轻4070%,购置成本可以节省1040%。据预 测,还可以降低结构和空气噪声520 db,降低电 磁特性,提高耐腐蚀/侵蚀、耐磨和耐疲劳性能。 不过,实际应用可能要等到不久的将来。 （6） 设备底座 grp的底座(1.2 m0.97 m)比同尺寸的钢 底座轻58%,且可以提供足够的保护,使机械和设 备免受水下冲击载荷、抵抗冲击损坏。此外,由 于它的阻尼性和无磁性,复合材料底座能够降低 舰艇的声音和磁特性。 （7） 热交换器 海军舰艇上的热交换器要经受严酷的海水 腐蚀/侵蚀,因此维护费用高,由此还降低了使用 寿命。美国海军正在考虑使用碳纤维复合材料 的热交换器。 （8） 管道系统 复合材料在海军舰艇上的最早应用就是管 道。60年代,在提高了复合材料管道的质量和耐 久性后,英国皇家海军将其安装在突击艇的压舱 系统中。70年代早期,美国海军在其巡逻护卫舰 上也安装了复合材料管道。据估计,复合材料管 道的生产安装成本比黄铜或不锈钢管低1550% 。 4、高性能复合材料在 水下舰艇上的应用 法、德两国潜艇中应用的主要是声学复合材 料，其中法国海军“凯旋”级潜艇上60%的非耐压 结构都采用了结构功能一体化的声学复合材料。 复合材料在美国海军潜艇中的应用更为广泛，不 仅应用在潜艇指挥台围壳、声纳导流罩、泵喷导 管、消声瓦等结构上，而且还在泵、通风管道系 统等中得到了应用。另外，还对夹芯复合材料作 为钢质压力壳体外壁加衬的可行性进行了系统研 究。 4.1 指挥台围壳 早在1953年，美国海军就在“食蚊鱼”级潜艇 上安装了全玻璃纤维增强复合材料指挥台围壳， 以验证该型围壳的性能是否比传统铝合金围壳更 好。铝合金围壳在服役过程中会出现腐蚀，需要 持续的维护及维修。结果显示，复合材料围壳的 耐用性更好，而且几乎不需要维护。随后，美国 海军在20世纪50年代和60年代初期为25艘“食蚊 鱼”级潜艇安装了复合材料指挥台围壳，并延用 至今。 弗吉尼亚”级攻击型核潜艇 4.2 潜艇艇艏声纳导流罩 目前水面舰艇和潜艇的艇艏声纳导流罩选 择了用复合材料建造。该罩给环绕声纳换能器 提供平滑的水流并保护换能器避免损伤。潜艇 上的导流罩真正是庞大的结构,它差不多有34英 尺的跨度和43000磅重量,但与壳体横截面匹配 时,导流罩充满着水,所以不会受到像耐压壳体 那样巨大的压缩载荷的作用。虽然如此,仍然对 潜艇艇艏声纳导流罩结构提出必要的性能要求 。 美国实验潜艇albacore(agss 569) albacore(agss 569)安装了大的没有加强筋的导 流罩