21世紀是海洋的世紀，加快海洋資源的開發和利用已成為世界各國經濟發展的戰略方向。水上船舶、潛水器、海上結構和其他海洋結構組件都面臨著嚴峻的環境挑戰。因此，通常會考慮具有高度抗性并且需要長時間幾乎不需要維護的材料。此外，輕量化和耐腐蝕性對于船舶來說是必要的，以滿足設計要求并實現速度和可靠性。復合材料，特別是纖維增強聚合物（FRP），自二戰后早期應用以來，在海洋工業中得到了廣泛應用，當時復合材料旨在克服鋼鐵、鋁和木材所遇到的腐蝕問題。減重一直是一個關鍵方面，尤其是商用船舶頂部重量的減輕。多年來，為了滿足海洋行業不斷增長和多變的需求，復合材料已經得到發展，仍然在制造各種合成元素方面發揮著重要作用，包括格柵、管道、軸、管道和船體殼體。迄今為止，復合材料被應用于海洋行業的所有領域，用于各種組件和結構，包括船身、軸承、螺旋槳、艙口蓋、排氣口、船體結構、雷達罩、聲納罩、欄桿、各種類型的船只、閥門和其他海底結構。近年來，由復合材料制成的賽艇越來越普遍，以實現持久高性能和安全性。

一、復合材料在船體、船舶和潛艇中的應用

鹽和腐蝕性海水對水上船舶和結構特別具有破壞性。考慮到復合材料抗腐蝕和疲勞的能力，通過在特定部件中使用熱固性復合材料，如固定件和連接器，可以顯著減少維護需求。

航海工業經歷了明顯的技術進步，如今，船體的制造基于最新一代生產系統。先進復合材料的引入在船只和船舶制造中代表了一個里程碑式的創新。更堅硬的船體和甲板是船舶工業采用復合夾層結構的主要應用領域。此外，在海洋夾層結構中，芳綸、碳素和玻璃 FRP 材料通常用作包裹外層，取代金屬。聚合物泡沫材料（如聚苯乙烯和聚氯乙烯（PVC））和蜂窩結構主要用作芯材。將芳綸纖維（如凱夫拉）或碳纖維與高品質樹脂和超輕芯材（如諾邁克司）結合起來，制造出具有無與倫比機械性能和尺寸的船只。

應用案例：“短劍”高速隱形快艇擁有美國使用碳纖維合成材料一次成型制造的最大船體，整個生產過程中沒有使用一枚釘子、鉚釘，而且不用焊接，因此它的外表十分光滑，重量大大降低，同時其磁信號特征也非常小，不易觸發水雷。

2004年及2008年，中國分別建造了采用復合材料的大型船只，有代表性的是“舷梯號”船采用GFRP材料建造，展現了復合材料在船舶制造領域的快速發展和應用拓展。

1.船體結構

船體結構是船舶的重要組成部分，對于船只的航行安全和性能具有至關重要的作用。傳統的船體結構多為金屬材料，如鋼鐵、鋁等，但隨著復合材料的出現，越來越多的船只開始采用復合材料作為船體結構的主要材料。復合材料在船體結構中的應用可以顯著降低船只的重量，從而提高航速和減少能耗。同時，復合材料還具有良好的耐腐蝕性能，可以延長船只的使用壽命。

2.船舶推進系統

船舶推進系統是船只航行的動力來源，其性能直接關系到船只的航行效率和能耗。復合材料在船舶推進系統中的應用主要體現在螺旋槳上。復合材料螺旋槳具有重量輕、強度高、耐腐蝕等優點，可以顯著提高螺旋槳的推進效率，降低能耗。同時，復合材料螺旋槳還可以減少船只的振動和噪音，提高船只的舒適性和穩定性。

3.船舶設備

船舶設備是船只航行和作業所必需的裝備，如發動機、發電機、導航設備等。復合材料在船舶設備中的應用可以顯著提高設備的性能和壽命。例如，復合材料制成的發動機部件具有重量輕、強度高、耐腐蝕等優點，可以提高發動機的效率和壽命。此外，復合材料還可以用于制造船舶中的管道、閥門等配件，具有優異的耐腐蝕和耐磨性能。

碳纖維在耐壓艙中的應用耐壓艙是深潛器、滑翔機等水下設備的核心部件，其主要設計目標是既要有足夠的結構力學性能， 還要有盡可能小的容重比 。將碳纖維應用于耐壓 艙，可使整體結構具有工作深度大、重量輕、容重比小等優點。20 世紀 90 年代，美國使用碳纖維對深潛器的原 始結構進行優化，實現了與之對應水下搜索系統的更 新升級，使用狀況顯示在滿足結構浮力要求的同時， 容重比明顯減小，并且下潛深度可達 6096 m 。2013 年，美國 Ocean Gate 公司推出載人深潛器 Cyclops 研發計劃，計劃包含兩種型號的深潛器，包括 Cy clops I 和 Cyclops II 兩種。其中， Cyclops I 使用碳纖 維作為船體外殼，潛深 500 m ；Cyclops II 使用碳纖 維和鈦合金兩種材料，實際潛深 4000 m 。英國南安普頓海洋研究中心研制的魚雷形自主式水 下機器人 (AUV)AUTOSUB 號，將碳纖維制造成圓 柱殼用作潛水器的耐壓艙，結合鈦合金做成密封端 蓋，在保證潛水器有剩余浮力的同時，也減輕了耐 壓結構的重量，實際下潛深度 6000 m 。

2017 年 3月，由沈陽自動化研究所研制的 “海翼 7000” 水下滑翔機在馬里亞納海溝進行深海科學考察任務，滑翔機的耐壓結構諸多部件使用碳纖維，這次科學考察任務中滑翔機的最大連續工作深度為 6239 m，創造了多項世界紀錄 。2021 年西北工業大學潘光教授團隊研究了碳纖維耐壓柱體屈曲失效機理，分析了不同厚度及橢圓度的碳纖維柱體抗屈曲性能。

二、用于海洋可再生能源的纖維增強復合材料

“海洋可再生能源系統”范疇包括安裝在海洋環境中、利用波浪、洋流、潮汐、鹽度和溫度梯度以及風能的能量的設備和工廠。在這些技術中，潮流能、波動能和近海風力代表了最成熟的技術，其中玻璃和碳纖維增強復合材料得到越來越多的應用。

2023年，全球行業制造商就發布了許多與復合材料風電葉片有關的新進展，主要包括如下：

1、法國通用電氣可再生能源公司延長了與美國風電葉片制造商TPI Composites公司的供應協議，并同意在TPI位于墨西哥華雷斯的工廠增加四條新的葉片生產線。

2、丹麥維斯塔斯公司公布了新的合作伙伴關系，如簽署了一份諒解備忘錄作為烏克蘭基輔DTEK Tyligulska風電項目的一部分，將在烏克蘭再建造384兆瓦。此外公司在美國還獲得了新的重新供電訂單。

3、全球各大制造商也推出了幾種新的風電葉片設計，如西門子歌美颯的SG 4.4-164大容量渦輪機和中國明陽智能能源的18-MW MySE 18.X-28X海上風電葉片，具有140米長的葉片。2023年10月，第一臺GE13-MW Haliade-X海上風力渦輪機，經過3年的測試，開始在英國海岸的Dogger Bank風電場發電。

4、2023年11月，中材科技風電葉片股份有限公司宣布了一項全新突破，使用阿科瑪Elium? 樹脂制作而成的近百米級熱塑性復合材料風電葉片成功下線。

阿科瑪Elium? 樹脂制成的近百米級熱塑性復合材料風電葉片成功下線（圖片來源：中材葉片）

三、復合材料在石油和天然氣工業中的應用

玻璃纖維是用于生產復合管道的最常見材料，用于將海岸鉆井站開采的石油或天然氣輸送到陸上工廠。在上世紀50年代初期，就開始將玻璃纖維用于制作玻璃鋼管道，距今已有70余年歷史。其中，1990年，殼牌公司成為世界上最大的玻璃鋼管使用商,1990年的數據顯示,當時殼牌使用了世界范圍內約35%的玻璃鋼管,也開創了將玻璃鋼管投入到高溫、高壓的工作環境下作業的先河。

升降管是連接海上浮動設施或鉆井平臺與水下鉆井和生產系統的管道，被認為是最關鍵的組件，暴露在惡劣和惡劣的工作環境中承受高靜態和動態載荷。連接管道的長度和柔性對于承受潛水結構與浮動站之間由海浪運動和海流引起的相對位移至關重要。目前研究者及公司都在開發復合材料的升降管。

例如，一個1500m水深的鉆井平臺，其鋼制系纜的質量就達6500t左右，而碳纖維復合材料密度是普通鋼材的1/4，若使用碳纖維復合材料取代部分鋼材將顯著減少鉆井平臺的載重負荷，一定程度上可以節省平臺的建造成本。美國在90年代就開始了實驗驗證，正常運行了3年-4年，平均檢泵周期達到1204天，從驗證結果來看，碳纖維抽油桿效果良好。

圖：海上鉆井平臺

在修復領域，復合材料被有效地應用于修復由于化學制劑和海洋生物（如鋼筋混凝土、鋼材或木材）而受到腐蝕性海洋環境影響的結構。

海洋石油、天然氣等資源深水及超深水的一般開發模式是上部浮式裝置 + 底部水下生產系統，連接浮式裝置與水下生產系統的管纜包括生產立管、臍帶纜等，生產立管的主要作用是輸送油氣資源等介質，臍帶纜的主要作用是為水下設備提供電、液控制信號以及化學藥劑等。生產立管、臍帶纜等在位運行時主要承受風、浪、流的作用，設計時需要考慮其抗拉、抗彎、抗扭、疲勞等力學性能。

生產立管主要有鋼管和柔性立管，柔性立管是一種多層復合結構，典型的結構包括外保護層、鎧裝層、骨架層和內襯層。相比于鋼管，柔性立管的剛度較小，更適用于深水油氣資源的開發。但是，隨著開采深度的進一步增加 (如巴西、美國油氣開采最大水深為 3000 m)，柔性立管中的鋼制結構重量不容忽視，容易出現由于自身重量增加引起的拉斷失效。

碳纖維材料因其輕質、高強、耐腐蝕、抗疲勞等性能，應用于柔性立管中 (圖 3(a))，可以在滿足強度要求的同時，大大減輕自重。Meniconi 等針對1000 m 張力腿用生產立管，用 ±20? 碳纖維層合材料和環向玻璃纖維復合材料作為復合結構層，依據相關破壞準則確定了復合結構層的壁厚，分析了整體結構的軸向拉伸 ? 壓強失效載荷包絡線。陳靖華等基于可靠性理論和結構優化方法，提出了碳纖維復合材料輸氣管道的結構設計方法。2003 年，挪威船級社發布了復合材料立管的設計規范及驗收標準。顏芳芳等考慮碳纖維復合材料的屬性特點，建立了按照限定應變準則確定復合材料安全系數的分析模型。Amaechi 等利用有限元分析軟件對深水碳纖維復合材料立管進行了應力分析，研究了不同受載狀況下整體結構的安全系數，并對整體結構的主要參數進行了一定優化。

臍帶纜是水下控制系統的關鍵組成部分，截面復雜，含有多個功能單元，在上部設施和水下生產系統之間傳遞液壓、電力、控制信號、化學藥劑等。深水臍帶纜中一般含有鋼制抗拉鎧裝層 (偶數，螺旋角度相反)，但是隨著水深的增加，臍帶纜中鋼制鎧裝層由于自重太大容易造成臍帶纜拉斷失效。可應用碳纖維增強桿代替鋼制鎧裝層來為臍帶纜提供拉力，在滿足強度的同時自重也極大地減小。將碳纖維復合材料應用于海洋管纜既可以滿足管纜的輕量化要求，又可以提高結構強度。但是，碳纖維管纜在海洋復雜環境下的耐久性需要長時間的工程實踐。另外，碳纖維管纜制造成本相比鋼制管纜有所提高，但從安裝、運營等全壽命周期成本來考慮的話，整體成本將會降低。

目前，水合物及礦產資源開采軟管、LNG 低溫軟管、CO2 注入軟管、油氣卸載漂浮軟管等，對剛度、耐腐及輕量化也具有很高的需求，碳纖維在這些軟管中的應用同樣具有廣闊的前景。

碳纖維在系泊系統中的應用在深海油田開采中，受風、浪、流的影響，開采 平臺在海面上容易變得不穩定，而系泊系統的主要 作用就是將開采平臺在對應位置進行固定。

傳統的系泊系統基本為鋼制結構，鋼材料在海水中易腐蝕，平均使用壽命短，且后期維護成本較高。此外，隨著開采深度的增加，鋼制結構重量增加明顯，如一個1500m水深的鉆井平臺，其鋼制系纜的質量可達6500t左右 。

復合材料力學性能優異，耐腐蝕性好，利用復合 材料代替傳統鋼制系泊，可有效減輕系纜自身重量 并有效減緩海 水腐蝕，延長使用壽命。當平臺工作水深超過 1600 m 時，復合材料系纜總成本較鋼制系纜低 (圖 4)。Jackson 等介紹了一種用于移動式海上鉆井裝置的碳纖維系泊纜。周利鋒等發明了 一種復 合材料錨鏈結構，整個錨鏈由環形單元鏈接 組成，環形單元外層材料和內填充材料分別為碳纖 維和玻璃纖維。Luz 等 分析了碳纖維螺旋桿系泊 系統在拉伸和彎曲載荷作用下的力學特性，證明碳 纖維系泊纜相比傳統結構具有更大的拉斷力和更小的曲率半徑 ( 圖 5) 。

但是，碳纖維屬于黏彈性材料， 在張力及循環載荷下需要考慮動態黏彈性及蠕變性，碳纖維系泊瞬時張力特性與長期張力特性均不同于鋼制系泊纜，在設計及分析時需著重考慮。

五、我國海洋工程材料發展面臨的問題分析：

（1）基礎技術的差距

基礎技術的差距主要表現在結構設計能力和材料體系供應體系方面。復合材料的結構設計方法沒有完全建立，缺乏相應的設計規則和設計手段。高性能原材料方面則進口依賴性較強，而且長期海洋環境性能數據積累不足，影響應用。

（２）工程應用的差距

工程應用的差距主要表現在大型結構的低成本制造技術方面。國內在規模化建造、無模塊成型技術、大尺寸大厚度精確制造技術方面與 發達國家存在較大差距，結構阻燃防火工程評價方面也缺少評價方法。在復合材料無損檢測方面，缺乏適合船舶復合材料使用的大型、大厚度復雜結構的無損檢測設備和評價方法。

（３）規范標準的差距

我國目前在海洋工程復合材料方面的技術規范、檢驗標準十分匱乏，這也嚴重制約了我國海洋工程用復合材料的發展速度。

六、提升中國海洋工程裝備制造業國產化率的對策建議

（一）增強自主創新能力，提高設備國產化率創新是引領海工裝備制造業發展的第一動力，增強自主創新能力是提高我國海工裝備國產化率，實現高質量發展的重要支點。提高海工裝 備制造業的自主創新能力，首先政府和企業應加大對海洋工程裝備制造業的研發投入，提供更多的資金、資源和政策支持，完善海工裝備研發的科研設備和人才配備。其次，要加強技術交流，加強企業與科研機構和高校合作交流，共享資源和技術，提高技術創新水平；要加強國際合作，開展聯合研發和項目合作，吸收國際領先的創新成果和技術，提高自主創新能力。人才資源是影響海工裝備發展的基礎性資源，要加大人才培養力度。一方面，政府要制定相關政策，實施海工裝備高技能人才培養戰略，優化創新環境；另一方面，海工裝備制造企業要完善高水平人才的培養和激勵機制，激發其自主創新的動力，從而培養出一批適應國際競爭環境以及具有高水平自主創新能力的海 洋工程裝備制造業技術人才，通過自力更生，加快海工裝備關鍵技術及配套零部件的研發，逐步減少對進口的依賴，提高海工裝備的國產化率。

（二）加強區域合作與統籌，突破關鍵技術瓶頸統籌規劃產業布局，解決區域發展割據問題，加強環渤海、長三角和珠三角三個產業基地的合 作與統籌規劃，實現我國海洋工程裝備制造業基地的專業分工和合理布局。一方面，充分發掘各地資源和優勢，依據各區域的獨特優勢，明確區域定位，因地制宜發展區域優勢產業，避免區域性產業趨同。另一方面，需加大區域技術、人才以及各種資源的交流與合作，實現區域之間優勢互補，構建具有國際影響力的特色海工裝備制造基地，實現海工裝備制造基地效率最大化和優勢發揮最大化，避免結構性產能過剩和同業惡劣競爭。同時，面對深海研發的技術限制，三大海工裝 備基地需突破關鍵技術瓶頸。首先，需加強與世界知名大學和科研機構的交流與合作，通過搭建創新平臺、聯合培養技術人才、協同實施創新項目和共同參加國際展覽等形式，引進國外先進技術， 針對本國實際情景，自主消化吸收，彌補技術短板，逐步掌握海工裝備核心領域的關鍵技術。其次，加快自主創新，研發深海工程裝備，探究適應深海領域新材料、新技術、新產品，提高深海作業能力，并且加強深遠海綜合科考與試驗，豐富深遠海科技創新知識庫，打破關鍵技術瓶頸。

（三）優化產業結構，完善配套設施 在海工裝備制造工程中，配套裝備占有較大 的份額，應注重配套產業的發展，完善配套系。然而，目前我國海工裝備配套設施對外依賴度高，關鍵配套設施自主研發能力弱。為解決 問題，我國海工裝備制造業應重視配套設施的技術研發，逐步從中低端向高端跨越，完善配套產業。

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金甌新材料研究院