复合材料终端应用市场之造船和航海

美国船舶制造商协会（以下简称NMMA, Chicago, Ill., 美国）在2021年1月的报告中说，2020年动力艇零售额达到13年来的新高，比2019年增长9%，其中新船销售量增长12%，达到31万艘，主要占比是淡水渔船和浮桥船，占动力艇销售量的一半。另一个高增长领域是水上摩托艇，用于滑水和冲浪，2020年其新船增长20%，达到13,000艘。

Rush39动力艇采用麻质纤维、生物树脂以及回收的PET泡沫芯材灌注成型。这艘40英尺长的动力艇还被设计成箔板船，以减少燃料消耗

NMMA在2021年6月报告中继续报道，截至本年度3月，相比2020年平均销量，船舶的销售量增长了30%。"所有迹象表明，船只需求和销售依然旺盛，"NMMA总裁弗兰克-休格梅尔说。而这种增长的驱动力之一是首次购船者的增加，NMMA数据显示，2020年有41.5万首次购船者（新船和二手船）进入市场。据报道，这些买家平均年龄较小，与其他买家群体相比，女性的可能性更大。经销商告诉记者，在新冠病毒流行之前，购买一艘船只的平均等待时间是4至6周，而现在购买船只等待时长基本延长到8到12个月，舷外发动机的交付时间据说也延长至72周。

箔板船（翼板船）

动力船和帆船的一个日益增长的趋势是箔片，即使用被称为水翼的水下翅膀将船体抬出水面并 "飞行"。箔片通常是刺入水面的V形叶片或保持在水下的T形叶片。有些船采用两者组合的方式。与飞机上的翼板作用类似，当船速提升时，这些箔片产生升力使船体升出水面。在大多数情况下，当船只行驶速度达到15-18节，船身就会升出水面。而箔片在较低的速度下则会缩回，并由电子装置驱动。

图为7.7米长Candela公司C-7号电动船起箔照片

由于箔板船可被抬出水面，它们的阻力也就相对更小，因此效率更高，据称燃料消耗可减少30-40%。比如Candela造船公司（瑞典Lidingö）生产的7.7米长的电力驱动C-7船，据称比汽油驱动的平底船的能源效率高4-5倍，且自有成本降低95%。C-7电力船以14-15节速度开始起箔，以22节速度巡航，最大速度可达30节，航程为50海里。

箔通常由碳纤维增强塑料（CFRP）制成。C-7箔片就是由Sicomin环氧体系（法国Châteauneuf les Martigues公司）中的SR1710环氧树脂真空灌注单向（UD）碳纤维并室温固化而成，再在40℃温度下进行后固化。C-7船体采用同质的碳纤维和环氧树脂制成。这是因为采用与箔片相同的材质制作船体可确保船体在轻质的前提下其刚度也能达到使用需求。

虽然造箔板船需要在前期进行大量的设计开发和计算机辅助设计工作，以及采用高昂的碳纤维等轻质材料，使其造船成本高于传统船，但由于箔板船改进后的优良性能使其通常能迅速收回差额。根据一些制造商的说法，最短三年就能收回成本。还有一个因素就是，现在大家对环境友好型船只越来越青睐，而箔片又能在电力驱动船只的基础上改善其性能。种种因素造就现在的箔板船越来越受欢迎。

2021年5月，Candela公司发布了P-12电动箔式水上出租车，以取代柴油动力渡轮。9.5米长P-12水上出租车拥有一个全景式船舱，最多可搭载12名乘客。据称，P-12使用与C-7相同的CFRP水翼系统和船体结构，每位乘客消耗的能源比一辆家用汽车还少，与内燃机船相比，运营成本低90%。

Candela公司的9.5米长的P-12电动箔式水上出租车

2021年推出的另一个更具未来感的产品是Centrostiledesign公司（意大利莫达诺）的Future-E概念船只。据报道，这艘长5.2米、宽2米的 "零影响船 "使用回收的碳纤维复合材料建造，无碳排放、无噪音、无波浪，最多可搭载三名乘客。当速度达到16节时，船体在四个可伸缩的铝箔上浮出水面，并通过两个电动马达使其最大速度达到30节。据报道，Future-E的特点是 "箔集成运动系统"，该系统可管理四个独立调整的箔片，控制其延伸距离以及它们的攻击角度，保证船体平稳行驶。

5.2米长、可容纳三人的Future-E概念船身

CFRP和3D打印的持续增长

在船东和运营商对更高速度和性能要求的推动下，以及希望减少燃料消耗这样的愿景下，CFRP在船舶领域的应用继续缓慢增长。Holland Composites公司（荷兰莱利斯塔德）为Windcat Workboats风电场维护生产的轻质CFRP甲板室，采用树脂灌注CFRP泡沫夹层结构来提高刚度，以实现高开放性、没有支柱的舱体。"整体式甲板舱足够轻，我们可以把它放在减震器上，以隔离它和发动机以及波浪振动，" Janssen说。"Windcat以其真正安静的行驶而闻名，这些船深受大型风力涡轮机OEM厂商的喜爱。所有这些风电场都必须得到维护，因此，预计长度为50至60英尺的高速双体船将会迎来一个新的市场"。

建造者moi composites（意大利米兰）声称MAMBO(Motor Additive Manufacturing BOat)是第一艘采用连续玻纤增强热固性树脂制成的复合材料3D打印船。这艘长6.5米、宽2.5米的动力艇展示了一种新的、独特的形状，这在传统制造中是不可能的。它是在生成算法的指导下，机器人分段打印而成，这样可以直接从数字结构模型中打印出连续的纤维，而且尺寸上也可以扩展。然后，这些部分被层压在一起，形成最终的雕刻结构，没有传统的船体和甲板之间的划分。

6.5米长的MAMBO 3D打印船

MAMBO采用连续纤维增强乙烯基酯树脂（因其对海水具有长期耐腐蚀性而受到青睐）制成，使其更加坚固、耐用并且轻质。创新的3D打印技术可以使产品制作不需要模具，并且它可以以一种既高效又经济的方式来制造实际产品——不仅仅是小批量试作的模型件或者特殊物品。Moi在MAMBO项目中的合作伙伴包括数字设计软件供应商Autodesk（美国加州圣拉斐尔）和玻璃纤维供应商Owens Corning欧文斯科宁公司（美国俄亥俄州托莱多）。

2021年9月，大型增材制造（AM）专家Caracol公司（意大利洛马佐）首次推出Beluga，这是一个3D打印帆船原型，使用回收的聚丙烯（PP）和30%的短切玻纤制作而成。Beluga是Caracol和NextChem（意大利罗马）联合研究的产物，后者是一家生产MyReplast再生塑料材料的绿色能源公司。Caracol公司声称已经克服了传统玻璃纤维结构制品缺乏可回收性的难题。Caracol公司还通过使用其专有的机器人AM系统——包括一个带挤出机的六轴机械臂，可一次性打印船体，消除了对昂贵模具的需求。

船舶中的复合材料

欧洲两大财团FIBRESHIP和RAMSSES在拥有378名成员的欧洲海上轻量化应用网络（E-LASS）协会的支持下，在一系列示范项目中取得了进展，包括复合材料甲板、船舵、船体、模块化船舱和上层结构以及对复合材料与钢的焊接接头处的修补等。他们旨在展示大型结构和整船的防火和结构性能，以及新的生产工艺、连接技术、设计工具和认证途径。FIBRESHIP已经部分完成一个重达20吨、85米长，且由复合材料制成的渔业研究船（FRV），完成部件的尺寸为11 ×11 × 8.6米，由位于法国La Ciotat的iXblue船厂建造。

与此同时，RAMSSES有13个示范项目正在进行，其中10个项目需要使用复合材料。RAMSSES还在研制全复合材料船——一艘80米长的全复合材料海上巡逻船。Damen造船集团（荷兰戈林赫姆）正在牵头演示这艘全尺寸复合材料船的部分完成体，尺寸为6 × 6 ×3米，该部分采用Evonik（德国埃森）的新型树脂真空灌注而成。Damen公司还与InfraCore公司（荷兰鹿特丹）合作，将引用InfraCore公司新技术于船体制作。此前，InfraCore的姐妹公司FiberCore Europe（鹿特丹）将此技术应用于全球1000多座复合材料桥梁和闸门。目前InfraCore公司正在为演示者建造甲板、舱壁和船体结构，并将对其进行结构和防火性能测试。"InfraCore公司的运营经理Laurent Morel说："我们将使用水平和垂直灌注法一次性制作船体部件。截至目前，我们可以灌注9.8米高度的船体部件"。

RAMSSES船体部件

复合材料已经在第一艘使用复合材料货物甲板的滚装汽车运输船上得到证明，该甲板作为RAMSSES第14工作包一部分，由Uljanik集团（克罗地亚普拉）设计和建造。Uljanik集团还为一艘110米长的内河游船设计了轻质日光浴甲板，为一艘200米长的普通货船设计了复合材料夹层甲板。Compocean公司（挪威Sandvika）经理Arnt Frode Brevik解释说："夹层甲板是一种可拆卸甲板，你可以安装它来分隔货舱，以方便装载不同类型的货物"。" Brevik继续补充："多年来，我们一直与Oshima Shipbuilding（日本长崎）和DNV GL合作开发轻质型夹层甲板，目标是与钢制相比减重50%。"2017年Compocean公司就展出过一个9 ×2米的玻璃纤维复合材料甲板原型，并通过了冲击和最大载荷测试。Compocean公司现已将这一开发扩展到船东Masterbulk Pte Ltd. （新加坡），并建造了一个全尺寸的27 × 12米的原型复合材料夹层甲板，此甲板将在2021年之前完成安装和测试。

复合材料船舵也正在开发中。作为RAMSSES第12工作包一部分，Becker Marine Systems公司（BMS，德国汉堡）正在展示一种用于钢舵的轻型复合材料襟翼。BMS公司的研发主管Jörg Mehldau表示，此类舵的重量通常超过200吨，通过添加铰链式尾部襟翼，可以大大减少船舵面积。BMS率先推出这种襟翼舵，改善了航向保持性和机动性，无需拖船协助即可靠泊。复合材料襟翼减轻了船舵重量，并使其形状和设计更加有效。RAMSSES已开发出长11.8米、宽0.9米、弦长2.9米的襟翼，作为最大集装箱船之一（约400米长）的全尺寸测试案例。该襟翼将采用树脂真空灌注和InfraCore公司的设计来生产，从1：6比例的展示件开始，使用已经通过DNV GL认证的玻璃纤维和聚酯树脂来保障低成本。2米高的展示件的测试工作计划于2021年完成。

生物基材料和回收

海洋体育用品和船只已经越来越多通过采用生物基材料制作提高其可持续性。其中一个案例就是Rush 39（见开场图片），这是Rush Yachts（英国康沃尔郡）12米/39英尺超级游艇。据报道，该船采用最先进的绿色材料和工艺设计制作而成。这艘动力艇还被设计成可以减少燃料消耗的箔板船。

2021年10月，Sicomin公司报告其InfuGreen 810生物基环氧灌注树脂正被用于新型Couach（法国波尔多）Fly 86/2600机动游艇——据说是迄今为止使用树脂灌注和生物树脂制造的最大游艇船体。这艘26米、52吨重的超级游艇船体、甲板和上层结构使用了Sicomin公司的InfuGreen 810，使游艇更轻、更快，同时还降低了整体油耗。作为Sicomin公司GreenPoxy系列生物基树脂的一部分，InfuseGreen 810的38%的碳含量据说来自于植物基。

新型Couach Fly 86/2600机动游艇，长26米，据说是迄今为止注入生物树脂的最大船体。其船体、甲板和上层结构使用InfuGreen 810，这是Sicomin公司GreenPoxy系列生物基树脂的一部分

GreenLight项目在弗劳恩霍夫IFAM（德国不来梅）的领导下，与合作伙伴Meye Werft GmbH & Co. KG (Niedersachsen)和INVENT GmbH (Braunschweig)一起，旨在开发具有内在防火安全性的生物基复合材料，用于船舶的承重结构。该项目还将探索制造和回收概念，相关合作伙伴包括Huntsman先进材料公司（美国德克萨斯州的伍德兰兹）、SAERTEX GmbH & Co. KG（德国Saerbeck）、Lloyd’s Register劳埃德船级社（英国伦敦）和nova-Institut（德国Hürth）。重点将放在用于FRP材料的可获取的生物基聚合物和苯并噁嗪上。与传统的石油基材料相比，这些材料在整个产品生命周期中提供较低的二氧化碳足迹。尽管苯并噁嗪通常是由石油基酚类成分、胺和甲醛合成，但它们也可以从玉米芯或芝麻等可再生原料中提取。GreenLight 将重点关注此类可持续的苯并噁嗪基复合材料。

开发用于船舶结构轻量化设计的耐火和生物基纤维复合材料的起始材料

要使复合材料在任何市场领域继续增长，就必须更加关注可持续回收。The Rhode Island Marine Trades Association罗德岛海洋贸易协会（RIMTA，美国罗得岛州布里斯托尔）自2018年1月以来一直在领导罗德岛玻璃纤维船回收计划。该计划已经测试并验证了可行的回收流程，并组织了一个合作伙伴网络以负责任和可持续的方式处理报废（EOL）船只。得益于美国国家海洋和大气管理局（NOAA）海洋垃圾计划提供的105,452美元拨款，该试点现在正在扩大到另外四个州——康涅狄格州、马萨诸塞州、缅因州和华盛顿州。在过去两年中，RIMTA开展的罗德岛玻璃纤维船回收计划已使用新工艺回收了60多吨玻璃纤维材料，成功地将旧船从垃圾填埋场转移。RIMTA基金会正在为玻璃纤维船回收开发一个可持续的财务模型，它将利用NOAA的资金协助华盛顿和新英格兰地区的各州改进和复制罗德岛玻璃纤维船回收计划。

向氢能转变

世界各国政府和行业正在从化石燃料转向绿色能源，目的是到2050年实现碳零排放，并将全球温度上升控制在2℃以下。为了满足对零排放推进的这种日益增长的需求，已经处于增长趋势的电动船有了新的选择：氢燃料电池。100英尺长的Energy Observer双体帆船和Hynova 40生产型动力艇（40英尺长）都使用丰田的Rex H2燃料电池。丰田还在一艘40英尺长的Yanmar 洋马EX38A渔船上安装了两个燃料电池和八个700巴的IV型复合氢气罐。丰田和洋马（日本大阪）宣布了到2025年在更大的船舶上扩大和部署这种氢气推进器的目标。

在商业海运领域，世界上第一艘氢动力河船预计将于2021年在法国下水，其系统由ABB和Ballard Fuel Cell Systems巴拉德燃料电池系统公司（美国俄勒冈州本德市）开发，这两家公司还在为皇家加勒比开发燃料电池游船。同时，挪威渡轮运营商Norled已经接收了82米长的MF Hydra，据报道这是世界上第一艘液态氢动力渡轮，能够搭载300名乘客和80辆汽车。SWITCH Maritime将在美国推出第一艘氢动力渡轮。Sea Change号能够搭载75名乘客，将在旧金山湾运营。欧盟HySeas III项目正在推进建造一艘氢气渡轮，可在苏格兰北部Kirkwall和Shapinsay之间运送120名乘客和16辆汽车或两辆卡车，丹麦和挪威的一个项目计划建造世界上最大的氢气渡轮Europa Seaways，能够在哥本哈根和奥斯陆之间运送1800名乘客。该渡轮还将能够运载380辆汽车或120辆卡车，计划于2027年开始服务。随着氢能经济的迅速发展，还有许多其他项目正在开发中，更多的项目也正在推出。

由Norled运营、LMG Marin（挪威卑尔根）设计的MF Hydra是世界上第一艘液态氢动力渡轮

Hexagon Composites海克斯康复合材料公司（挪威阿勒松）是用于储存压缩天然气（CNG）和氢气（H2）的Ⅳ型储罐生产的领导者，该公司于1月将Hexagon Purus剥离出来，专注于零排放H2和电池电动系统及储存项目。据估计从2025年到2030年，储罐收入将增加630%。2021年6月，Hexagon Purus宣布它将成立一个新的子公司Hexagon Purus Maritime。虽然Hexagon 参与海上氢气项目已有一些年头，但 "我们现在看到对氢气的海上要求和活动正在迅速增加，"Hexagon Purus的销售和市场总监Jørn Helge Dahl解释道。"Hexagon Purus Maritime公司将开发船上储存系统，从船边燃料管道输送到储存器，再从储存器向下到燃料电池。由于包括腐蚀在内的恶劣环境，我们认为复合材料是海上应用的理想存储解决方案。"

Dahl认为，海事事业将在20年中发生快速变化，随着2030年的临近，越来越多的项目将投入使用。他解释说，这是由国际海事组织（IMO，英国伦敦）制定的目标所驱动，即与2008年基线相比，所有新建和现有船舶必须在2030年和2050年将二氧化碳排放量减少40%和70%。此外，我们看到来自当地司法管辖区的行动越来越多，例如，挪威的一些世界遗产峡湾要求在2026年前实现零排放。这将不包括大型游轮；因此，他们将不得不开发更小的船只来带人们进入峡湾。在欧洲密集的河流运输区，我们将看到更多此类限制。尤其是随着联合国气候报告的出炉（最近），我认为我们才刚刚开始，更多的法规将会出现。

本文由中国复合材料工业协会综编，文章不用于商业目的，仅供行业人士交流。转载请注明来自中国复合材料工业协会。