1.引言

隨著現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步，船舶制造業(yè)越來(lái)越傾向于使用復(fù)合材料。船舶不僅是關(guān)鍵的交通工具，也在港口經(jīng)濟(jì)和國(guó)際貿(mào)易中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，這就使得在制造和運(yùn)營(yíng)船舶時(shí)對(duì)材料的選擇和性能提出了高要求。雖然傳統(tǒng)的金屬材料能夠在海洋環(huán)境下提供一定的強(qiáng)度和韌性，但它們重且容易腐蝕的特性限制了它們的使用。因此，更輕、更堅(jiān)固、耐腐蝕性更強(qiáng)的復(fù)合材料逐漸成為船舶制造的首選材料。使用復(fù)合材料制造的船只不僅航行更高效，還能降低燃料消耗和碳排放。此外，復(fù)合材料的優(yōu)良成型性質(zhì)允許制造出流線型的船體設(shè)計(jì)，減少水阻，這與當(dāng)前追求綠色、低碳和節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì)相符，預(yù)示著它們將在未來(lái)的船舶制造業(yè)中扮演更加重要的角色。

2.發(fā)展歷程

隨著科技和工業(yè)進(jìn)步，船用復(fù)合材料技術(shù)不斷演進(jìn)。自1970年代碳纖維的推出，復(fù)合材料開始在全球船舶制造中廣泛應(yīng)用，見諸于美國(guó)和日本的高端游艇，例如，美國(guó)的 Lancer Yachts、Pelle Petterson 和 Swan Yachts 及日本的高端 Motor Yacht。到了1990年代HOPKINS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，。，新技術(shù)如快速定型加熱工藝進(jìn)一步推動(dòng)了其發(fā)展。中國(guó)在1980年代開始引入復(fù)合材料至船舶制造，起初主要使用玻璃纖維增強(qiáng)塑料。1994年，中國(guó)制造出首艘復(fù)合材料快艇，標(biāo)志技術(shù)突破。2004年及2008年，中國(guó)分別建造了采用復(fù)合材料的大型船只，有代表性的是“舷梯號(hào)”船采用GFＲP 材料建造，展現(xiàn)了復(fù)合材料在船舶制造領(lǐng)域的快速發(fā)展和應(yīng)用拓展。

3.復(fù)材在船舶中的應(yīng)用場(chǎng)景及分類

目前，船用復(fù)合材料，尤其是應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，以聚合物基復(fù)合材料為主，按結(jié)構(gòu)可分為層合板( 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料) 和夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料 2 大類型，其中包含 3 個(gè)方面的重要復(fù)合物: 增強(qiáng)材料、樹脂( 即基體)和芯層材料。船用復(fù)合材料按照承載部位不同可分為: 主承力結(jié)構(gòu)、次承力結(jié)構(gòu)、非承力結(jié)構(gòu)等。按照功能可分為:結(jié)構(gòu)、阻尼、聲學(xué)( 包括吸聲、隔聲、透聲) 、隱身( 包括吸波、透波、反射、頻選) 、防護(hù)等 5 大系列材料，船用復(fù)合材料的分類及應(yīng)用部位如圖。

4.發(fā)展現(xiàn)狀

4.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

在全球船舶制造領(lǐng)域，多種復(fù)合材料得到了應(yīng)用，主要類型包括石膏復(fù)合材料、碳復(fù)合材料和玻璃纖維復(fù)合材料等。碳纖維復(fù)合材料因其出色的高強(qiáng)度、輕質(zhì)、優(yōu)異的機(jī)械性能、耐腐蝕能力和抗疲勞性，在船舶制造中尤為受到青睞，其性能在重量、速度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面明顯超過(guò)傳統(tǒng)鋼材。例如，“超級(jí)雅典娜”號(hào)、長(zhǎng)50英尺的Pogo 40S2帆船和瑞士的Alinghi AC-33美洲杯賽艇均采用了碳復(fù)合材料。瑞典Volvo Ocean Race的船隊(duì)和英國(guó)的Princess 70 Mega Yacht的外殼及部分結(jié)構(gòu)也采用此材料，顯著提升了船只的減重效果和性能。沃爾沃汽車制造的27.4米商用船MSV Explorer使用碳纖維復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了輕盈且強(qiáng)度高的船體設(shè)計(jì)，優(yōu)化了效能和燃油效率。美國(guó)Gulfstream公司同樣采用復(fù)合材料制造其衛(wèi)星通信船，利用材料的輕質(zhì)和高強(qiáng)度特性，保證船只能夠應(yīng)對(duì)海洋環(huán)境的挑戰(zhàn)。

4.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

中國(guó)，船舶制造業(yè)對(duì)復(fù)合材料的制造工藝已逐漸精熟，包括成型和固化等步驟。特別是碳纖維等高性能復(fù)合材料的應(yīng)用正變得日益普及，企業(yè)如橙船科技通過(guò)替換鋼材以提升環(huán)保性和效率。在船舶維護(hù)領(lǐng)域，復(fù)合材料的使用也大幅提高了修復(fù)效率和降低了成本，如使用特非凝膠修補(bǔ)船體，提升了抗壓和防水性能。盡管如此，國(guó)內(nèi)在復(fù)合材料的配方和改性技術(shù)上仍未達(dá)到國(guó)際水平。

復(fù)合材料的應(yīng)用范圍廣泛，覆蓋船體、船舶部件等多個(gè)方面。國(guó)內(nèi)復(fù)合材料主要應(yīng)用于船殼、餐廳、安全艙等，如華能集團(tuán)的船舶發(fā)動(dòng)機(jī)柜和中船重工生產(chǎn)的魚鷹級(jí)船舶等都采用復(fù)合材料，使船體更輕、更有彈性。

對(duì)于復(fù)合材料的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)流程已逐步規(guī)范，必須符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)家相關(guān)部門也制定了一系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如《聲吶導(dǎo)流罩用玻璃纖維增強(qiáng)塑料規(guī)范》等，以指導(dǎo)和規(guī)范復(fù)合材料的使用。

盡管國(guó)際上復(fù)合材料在船舶制造中已有廣泛應(yīng)用，中國(guó)在這一領(lǐng)域的進(jìn)展相對(duì)緩慢，主要應(yīng)用于快艇等。面臨的挑戰(zhàn)包括高成本、復(fù)雜的工藝、缺乏成熟規(guī)范和長(zhǎng)周期的設(shè)計(jì)評(píng)估，這些問(wèn)題限制了復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)船舶制造領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

5.前沿應(yīng)用

浪速泵制造所，一家日本公司，最近推出了一款創(chuàng)新的超輕型船用泵，這款泵由碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）制成，標(biāo)志著全球首款碳纖維船用泵的問(wèn)世。該泵將被安裝在川崎重工生產(chǎn)的水翼噴射船“SEVEN ISLANDS YUI”上。這一突破性產(chǎn)品采用了新開發(fā)的CFRP技術(shù)，以取代傳統(tǒng)的鋁質(zhì)泵。經(jīng)過(guò)廣泛的測(cè)試，這款泵證明能夠承受極端的工作環(huán)境，展現(xiàn)出卓越的耐壓和耐久性能。通過(guò)與川崎重工及東海汽船的兩年緊密合作，于2020年6月30日，這款船用泵成功交付并投入使用。與傳統(tǒng)的海用青銅鑄造泵相比，采用CFRP材料的泵重量大大減輕，僅為后者的四分之一。

6.展望

展望未來(lái)，復(fù)合材料在船舶制造中的應(yīng)用預(yù)計(jì)將繼續(xù)擴(kuò)大，主要得益于它們?cè)谔岣叽恍阅堋⒔档途S護(hù)成本以及提升環(huán)境可持續(xù)性方面的顯著優(yōu)勢(shì)。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步和制造技術(shù)的創(chuàng)新，如3D打印等新興技術(shù)的應(yīng)用，將使得復(fù)合材料的使用更加廣泛和高效。此外，對(duì)于減少全球碳排放和實(shí)現(xiàn)綠色航運(yùn)的日益迫切需求將進(jìn)一步推動(dòng)復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展。我們可以預(yù)見，未來(lái)的船舶將更加依賴于輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕的復(fù)合材料，以實(shí)現(xiàn)更高的能效和環(huán)境友好性。

進(jìn)一步地，智能化和數(shù)字化技術(shù)的融合將使得復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用更加精準(zhǔn)和有效。通過(guò)大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的幫助，可以優(yōu)化材料組合和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化和定制化的船舶解決方案。同時(shí)，隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的提升，復(fù)合材料的回收利用和生命周期管理也將成為研究和發(fā)展的重點(diǎn)，以確保船舶制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

綜上所述，復(fù)合材料將在未來(lái)的船舶制造業(yè)中扮演更加重要的角色，不僅因?yàn)樗鼈兡軌蛱嵘坏男阅芎托剩€因?yàn)樗鼈兎袭?dāng)前的環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，我們有理由相信，船舶制造業(yè)將迎來(lái)一個(gè)更加綠色、高效和智能化的新時(shí)代。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱昊.復(fù)合材料在船舶上的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)探討[J].信息記錄材料,2023,24(09):27-29+33.

此文由中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)搜集整理編譯，部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)資料。文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請(qǐng)注明出處。