复合材料在船艇中的应用

复合材料在船艇中的应用

0复合材料船舶在船基船上的应用

自20世纪40年代中期以来，笫一艘玻璃战舰出现以来，主要造船厂先后开发了几艘复合

战舰。多年来，在英、美、法、意、H和瑞典等传统造船强国的推动下，复合材料在船艇中

的应用日益广泛

近年来，随着复合材料造船技术的迅速发展，其在军民用舰船中获得了更多的应用。以下就

复合材料、船体设计、成型工艺和质量控制技术及其在舰船中应用的进展作一介绍。

1原材料及其最新技术

1.1纤维增强材料

1.1.1纤维胶带

(1)建造低性能的船基材料和弹性材料在船基

国外一般的复合材料船艇均采用E-玻璃纤维(无碱玻纤)作为增强材料,而我国的复合材料

船艇除E-玻纤外，一些低性能的船艇为降低成本曾采用或部分采用中碱玻纤建造船体。后

来中国船级社曾规定中碱玻纤应经增强型的浸润剂处理，其玻璃钢的性能应达到接受的无

碱玻璃钢的性能要求，且仅允许用于15m以下小艇的甲板和上层建筑。现中国船级社已明

确规定，不应使用中碱玻纤及其织物作为玻璃钢船建造所用增强材料。

(2)深水决定应用市场

高强度玻纤与E-玻纤相比，具有拉伸强度高、弹性模量高、抗冲击性能好、化学稳定性好、

抗疲劳性好、耐高温等优良性能，可用于深水水雷外壳、防弹装甲、救生艇、高压容器及

螺旋桨(S玻纤/尼龙)等。截至20世纪末，己开发的高强度玻纤主要有:美国的“S”和“S-

2”玻纤、日本的“T”玻纤、俄罗斯的“BMJI”玻纤、法国的“R”玻纤和中国南京玻

璃纤维研究设计院的“HS”系列玻纤。表1是这些高强度玻纤与E-玻纤的性能对比

(3)高性能玻纤

近年来根据市场和产品的需求,在E-玻纤成分的基础上，又开发了各种高性能玻纤,并正在

逐步推广。对于高性能玻纤的开发，美国各公司的工作最为出色,几年来相继发布的高性能

玻纤有ZENTR0N超高强玻纤、ECR无硼耐化学侵蚀玻纤、ADVANTEX无碱无硼无氟的耐腐

蚀系列玻纤、S-1新型高性能玻纤无捻粗纱和HYBON新型高性能玻纤无捻粗纱系列制品等

1.1.2和连续玄武岩纤维

碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维和连续玄武岩纤维已列为我国中长期鼓励发展

的四大高科技纤维，以下仅介绍可用作船体材料的碳纤维利连续玄武岩纤维的最新动向。

(1)小丝束碳纤维

碳纤维按其用途可分为宇航级的小丝束(通常为小于12K)碳纤维和工业级的大丝束(通常为

大于24K)碳纤维。以往主要致力于研发生产小丝束的那些世界著名碳纤维制造商，近年来

多已转向于开发制造工业级的大丝束碳纤维。由于大丝束碳纤维既能满足，业领域的应用,

还可大幅度降低成本,性价比很高,因此非常适用于复合材料船艇工业。

(2)船舶cbf的研究与开发

“连续玄武岩纤维”(ContinuousBasaltFibre,简称CBF)是以纯天然火山岩为原料，在1

450-150(TC熔融后，通过伯铃合金拉丝漏板高速拉制布成的连续纤维，是•种纯天然的无

机非金属材料。与前三种高科技纤维相比,CBF除了具有高科技纤维的高强度、高模量特点

外，还具有温度范围广(-269〜700℃)、抗氧化、抗辐射、绝热隔音、过滤性好、适应于各

种环境下使用等优弁性能:且性价比高。CBF的制造技术发源丁前苏联，由丁其生产技术含

量很高，目前全世界能生产CBF的仅有俄罗斯、乌克兰、比利时和中国等少数几个国家。

在上述四大高科技纤维中,我国唯有CBF的研制与先进国家处于同一起跑线上，并可能后来

居上。近几年来，中国船舶及海洋工程设计研究院与浙匚石金玄武岩纤维有限公司等邑位

合作,积极开展CBF及其复合材料在船舶中的应用技术研究,取得了很大进展。已制造出世

界上单丝直径最细的CBF,并能批量生产中小型船艇所需的各种CBF船用制品，还成功地制

造了几艘CBF复合材料小型船艇。

1.2树脂

1.2.1间苯型聚酯树脂

船舶中最常用的基体树脂是不饱和聚酯树脂,对于高性能船艇则采用价格稍贵,而抗冲击和

防水性能较好的间苯型聚酯树脂。最近,美国雷可德公司推出性价比较高的对苯型及改性

对苯聚酯树脂,对苯树脂的化学结构使它具有比邻苯型、间苯型树脂更好的耐水性。

1.2.2固化剂改性法

环氧树脂主要有双酚A环氧和脂环族环氧两大类。主要用于采用碳纤维的赛艇、高性能艇

和高档游艇的主船体，常用的是双酚A型。其优点:粘接力强、固化收缩小、耐腐蚀性好、

固化后力学性能高、树脂贮存期长。缺点:价格较贵、粘度大、固化时间长(完全固化需经

热处理)、固化剂毒性大。因此，国内一般船艇很少采用环氧树脂。

针对环氧树脂的缺点,美国陶氏公司最近推出了全新的特种I).E.R.85X系列韧性环氧树脂

产品,其有以下三个特点：

(1)增韧效果更加稳定可靠，对最终制品的副作用小；

(2)粘度低，便于施工；

(3)出色的柔顺性、优良的附着力以及较低的脆性。

1.2.3温度固化剂

乙烯基酯树脂的力学性能和价格均介于聚酯和环氧树脂之间。与聚酯相比，具有更好的耐

吸水性和耐水解性，固化后更具弹性,并有更高的强度,这能承受高达200℃的温度且不会变

形,具有高温强度和刚度及更大韧性,十分适合造船。最近，由美国雷可德公司研发的穴含

苯乙烯的乙烯基酯树脂已经接近商业化阶段,这将对绿色环保有所贡献。

1.2.4新型材料的应用

酚醛树脂至今已有80多年的历史了，酚醛树脂成本低，与各种增强材料结合可开发许多新

型材料，例如作为船舶的内部装饰面板。20世纪80年代，美国西方化学公司、陶氏化学公

司、英国帝国化学等公司研发了新一代酚醛树脂复合材料系统，具有优异的阻燃、低烟密

度、低毒性能和杰出的热力学物理性能,并能适应现有的复合材料船体成型工艺。

1.3船基结构芯材

复合材料夹层结构船艇常用的轻质高性能结构芯材有泡沫塑料、轻木(BALSA)以及各种蜂

窝材,本文主要介绍泡沫塑料结构芯材。常用的轻质泡沃芯材有PU(聚氨酯)、PVC(聚氯乙

烯)、SAN(丙烯睛-苯乙烯〕、PEI(聚微酰亚胺)和PUI(聚甲基丙烯酰亚胺)等，其中PU和

PVC是以往国内船艇中最常用的结构芯材

结构芯材方面最新的进展是美国WobCore技术公司开发了一种名为TYC0R的芯材,它是一

族用玻璃纤维和低密度闭孔泡沫制造的复合芯材,两者用胶粘剂粘接。由于其较小的芯材

间隙从而提高了均匀性,它比BALSA轻木具有更高的性能一致性,而且吸收树脂比纯泡沫塑

料的结构芯材和BALSA少,预期在除高性能艇以外的一般船艇中会有较好的应用前景。

2环保设备的设计

2.1复合材料船舶的性能

应掌握复合材料船体不同于金属船体的下述•些基本的设计理念：

金属材料为均质的各向同性材料,其性能是由船体设计师通过选材而确定的。而复合材料

为非均质的各向异性材料其材料和结构的性能是可设计的，具体地说是由船体设计师通过

不同的铺层设计来获得其不同的性能，因此可以实现比金属船体更优化的船体结构设计;金

属船体结构是通过对金属材料的冷热加工和焊接等工艺而形成的，加工过程中材料不发生

组分和化学的变化。而复合材料及其船体结构是由各组分原材料经复合工艺，在成型过程

中同时形成的，但它并不是几种原材料简单的混合,而是按复合效应形成具有新性能的复合

材料及其船体结构；复合材料船体之性能和质量对施工人员素质、成型方法、工艺参数、

工艺过程及环境因素等的依赖性较强,因而船体结构性能的离散度较大，但自从先进的真空

辅助成型技术在船舶领域成功应用后，上述情况有了很大改观;复合材料的强度可达到或超

过一般船体钢的屈服极限但其弹性模量却比金属材料低得多，因此传统的单板加筋结构复

合材料船体常会出现强度有余而刚性不足的现象。对于限重敏感的高性能船艇而言，采用

夹层结构无疑是最佳的选型

2.2复合材料船抗压强度的分析

复合材料船舶常用的设计方法有:仿母型船换算的等代设计、按船级社的规范设计、兴用

直接计算法进行设计等方法。以下主要介绍复合材料船艇建造与入级规范的情况。

20世纪70年代的国外主要船级社（如LR、GL、DNV、PC、ABS、BV等）就先后颁布了各种复

合材料船艇建造和入级规范，我国一直到80年代后期才开始编制亚合材料船艇的有关规范。

近年来，中国船级社（CCS）和中华人民共和国渔业船舶检验局（ZY）加强了复合材料船艇建造

与入级规范的编制与修订工作,逐渐完善我国复合材料船艇的相应规范。这些规范使国内

复合材料船舶设计和制造有了一定的依据，但复合材料船舶的规范设计方法不如钢质船舶

规范那样成熟,主要是设计建造和使用经验的枳累还不够充分。表3给出我国玻璃纤维增

强塑料船舶规范的概况。

2.3结构型式设计

金属船体结构型式可归结为壳板加筋结构,可细分为纵骨架式、横骨架式和混合骨架式。

而复合材料船体结构型式则比金属船体丰富得多，其典型结构型式有单板加筋结构、央层

结构、硬壳式结构、波形结构及各种混杂结构等。结构的选型及设计技巧的发挥对船体性

能有重大影响。以往国内复合材料船体一般均采用单板加筋结构，即使有的采用夹层结构

型式，但对其设计和计算也未作深入研究,缺乏技术储备。研究表明：不同的船体结构型式

对船舶的总体性能和各种特殊性能会产生不同的影响

3由复合造船厂制成和破坏检测技术组成的船舶

3.1船基材料的成型工艺和质量控制

2000年前国内大部分船厂仍沿用落后的手糊成型工艺，成型车间的环境条件及施工人员的

技术水平对船体性能质量有很大影响，而我国无损检测手段乂较落后，故成型工艺和质量控

制一直是复合材料船舶制造业的薄弱环节。21世纪初，由北京航空工艺研究所与中国船舶

及海洋工程设计研究院合作，首次将真空辅助成型工艺引入船艇行业。目前国内一些复合

材料骨干船厂已掌握了这一先进成型工艺,并制造出高质量高性能的复合材料船舶,但无损

检测技术仍较落后。

3.2高渗透、低渗流、模浆成型技术

真空辅助成型工艺是一种新型的大型复合材料制件的低成本液体模塑成型技术，它主要用

真空负压排出纤维中的气体并实现树脂对纤维的浸渍。该工艺仅需要一个单面刚性模具，

不需要热压罐等大型成型设备,极大地节省了模具及设备的投资。根据树脂的分配系统，可

将该工艺分为三种类型：即高渗透介质型、沟槽引流型和高渗透介质与沟槽引流配合型。

与手糊成型相比该工艺的优点是：

(1)力学性能提高很多；

(2)质量一致性和可重复性好；

(3)对强度和刚度要求相同的结构,可减轻重量、节约原材料并降低成本；

(4)可一次成型大型复杂儿何形状的单板加筋结构、夹层结构和波型结构,无二次胶接带来

的麻烦和弊病：

(5)环保:挥发性有机物和有毒空气污染物均被局限于真空袋中，几乎为闭模成型过程，这是

真空辅助成型最突出的优点

3.3真空袋内袋普通袋

双层真空袋渗透工艺(如图1所示)基于并高于单真空袋工艺。双层真空袋渗透工艺兼具提

高渗透物体强度、减重、降低孔隙率和增加纤维含量的四大优势。其原理是利用两个独立

的真空袋，内袋包裹在加工的制件外,外袋密封内袋,在两层真空袋之间有一层单独的排气

层。操作者需要把握好如何套袋，以及每个袋子的真空量。该工艺的关键在于必须将两个

真空袋的主要功能区分开来,在操作时，首先是内袋负责将气体排尽，然后再利用外袋压实。

3.4测制件的选择

复合材料制品的质量控制除应重视成型工艺过程的在线监控外，无损检测也是重要措施之

一。无损检测(NDT)又称非破坏检测,其含意为在不损坏被检制件的条件下,利用各种物理

方法检测制件的内部状态和缺陷。复合材料是非均质、各向异性的多相材料，它的结构组

织非常复杂,而缺陷种类和数量又较多，难以给出定量的质量标准和标准缺陷图谱，因而适

用程度既随制件而异，又随检测方法而不同。只有根据制件无损检验要求，正确选择适用的

无损检测技术,才会有工程上的实用意义。

复合材料无损检测技术最初是在金属材料无损检测技术的基础上改进而成的，如射线检测、

声振检测、声发射检测、超声检测等。后来又根据复合材料本身的特性，开发了不少新的

检测方法，如压力传感器枪测,包括光纤传感器的表面检测和埋入复合材料内部的检测方法

等

4最新的木材应用

4.1建造猎扫雷舰队

由于玻璃钢/更合材料的无磁性,在其出现后不久就受到有低磁和无磁要求的舰船（尤其是

反水雷舰艇）的青睐。通过长期的研发和建造实践,现已成为这类舰船最佳的结构/功能材

料。目前现役的复合材料猎扫雷舰艇总数已超过世界现有大中型反水雷舰艇的一半，可见

采用复合材料建造猎扫雷艇是现代反水雷舰艇发展的一个重要方向。世界上目前仅有英、

法、意、荷、瑞典等国具有设计和建造大中型猎扫雷舰艇能力并已出口国外

大型复合材料反水雷舰艇的新进展是口本最近建成的一艘大型玻璃钢扫雷舰。该舰是口本

计划建造的“江之岛”级扫雷舰的首制舰，其标准排水量为570t、总长60m、型宽10.1

m、型深4.5m,主机动力为2台1617kN柴油发动机，航速Mkn。船体采用轻量化的复

合材料,耐久性能好,且使用寿命长。该舰即将交付日本海上自卫队服役。

4.2结构/隐私材料

复合材料具有传统金属材料无法比拟的优良综合性能,对提高舰船隐身性能方面更有诸多

优点。复合材料的吸波透波性、绝缘隔热隔音性、阻尼减振性以及无磁性等固有特性为提

高舰艇的雷达隐身、红外隐身、声隐身和磁隐身等创造了极有利的条件，因而是设计和建

造中小型隐身舰艇最有潜力的结构/隐身材料〜瑞典是研发复合材料隐身舰艇的先驱

者，1991年就建成总长30.4m的双体气垫隐身试验艇"Smyge”号，1997年挪威也开始研

发总长46.8m“Skjold”级双体气垫隐身巡逻艇的首制艇,2000年6月总长72.8m的

“Visby”级全隐身轻型护卫舰在瑞典下水,迄今它仍为世界最大的复合材料舰艇

4.3复合材料的选用

由于对隐身性能的追求，使得护卫舰艇长桥楼结构的型式频频出现。为了既保证强度,又能

减轻上层