复合材料在船舶中的应用回顾及展望

1.引言

随着现代技术的进步，船舶制造业越来越倾向于使用复合材料。船舶不仅是关键的交通工具，也在港口经济和国际贸易中发挥着至关重要的作用，这就使得在制造和运营船舶时对材料的选择和性能提出了高要求。虽然传统的金属材料能够在海洋环境下提供一定的强度和韧性，但它们重且容易腐蚀的特性限制了它们的使用。因此，更轻、更坚固、耐腐蚀性更强的复合材料逐渐成为船舶制造的首选材料。使用复合材料制造的船只不仅航行更高效，还能降低燃料消耗和碳排放。此外，复合材料的优良成型性质允许制造出流线型的船体设计，减少水阻，这与当前追求绿色、低碳和节能的发展趋势相符，预示着它们将在未来的船舶制造业中扮演更加重要的角色。

2.发展历程

随着科技和工业进步，船用复合材料技术不断演进。自1970年代碳纤维的推出，复合材料开始在全球船舶制造中广泛应用，见诸于美国和日本的高端游艇，例如，美国的 Lancer Yachts、Pelle Petterson 和 Swan Yachts 及日本的高端 Motor Yacht。到了1990年代HOPKINS提出了一种新的概念，即热塑聚合物材料的快速定型加热( ＲFPT) 工艺，。，新技术如快速定型加热工艺进一步推动了其发展。中国在1980年代开始引入复合材料至船舶制造，起初主要使用玻璃纤维增强塑料。1994年，中国制造出首艘复合材料快艇，标志技术突破。2004年及2008年，中国分别建造了采用复合材料的大型船只，有代表性的是“舷梯号”船采用GFＲP 材料建造，展现了复合材料在船舶制造领域的快速发展和应用拓展。

3.复材在船舶中的应用场景及分类

目前，船用复合材料，尤其是应用于船体结构的复合材料，以聚合物基复合材料为主，按结构可分为层合板( 纤维增强复合材料) 和夹层结构复合材料 2 大类型，其中包含 3 个方面的重要复合物: 增强材料、树脂( 即基体)和芯层材料。船用复合材料按照承载部位不同可分为: 主承力结构、次承力结构、非承力结构等。按照功能可分为:结构、阻尼、声学( 包括吸声、隔声、透声) 、隐身( 包括吸波、透波、反射、频选) 、防护等 5 大系列材料，船用复合材料的分类及应用部位如图。

4.发展现状

4.1国外发展现状

在全球船舶制造领域，多种复合材料得到了应用，主要类型包括石膏复合材料、碳复合材料和玻璃纤维复合材料等。碳纤维复合材料因其出色的高强度、轻质、优异的机械性能、耐腐蚀能力和抗疲劳性，在船舶制造中尤为受到青睐，其性能在重量、速度、结构强度等方面明显超过传统钢材。例如，“超级雅典娜”号、长50英尺的Pogo 40S2帆船和瑞士的Alinghi AC-33美洲杯赛艇均采用了碳复合材料。瑞典Volvo Ocean Race的船队和英国的Princess 70 Mega Yacht的外壳及部分结构也采用此材料，显著提升了船只的减重效果和性能。沃尔沃汽车制造的27.4米商用船MSV Explorer使用碳纤维复合材料，实现了轻盈且强度高的船体设计，优化了效能和燃油效率。美国Gulfstream公司同样采用复合材料制造其卫星通信船，利用材料的轻质和高强度特性，保证船只能够应对海洋环境的挑战。

4.2国内发展现状

中国，船舶制造业对复合材料的制造工艺已逐渐精熟，包括成型和固化等步骤。特别是碳纤维等高性能复合材料的应用正变得日益普及，企业如橙船科技通过替换钢材以提升环保性和效率。在船舶维护领域，复合材料的使用也大幅提高了修复效率和降低了成本，如使用特非凝胶修补船体，提升了抗压和防水性能。尽管如此，国内在复合材料的配方和改性技术上仍未达到国际水平。

复合材料的应用范围广泛，覆盖船体、船舶部件等多个方面。国内复合材料主要应用于船壳、餐厅、安全舱等，如华能集团的船舶发动机柜和中船重工生产的鱼鹰级船舶等都采用复合材料，使船体更轻、更有弹性。

对于复合材料的质量标准和检测流程已逐步规范，必须符合国家标准和船级社标准。国家相关部门也制定了一系列行业标准，如《声呐导流罩用玻璃纤维增强塑料规范》等，以指导和规范复合材料的使用。

尽管国际上复合材料在船舶制造中已有广泛应用，中国在这一领域的进展相对缓慢，主要应用于快艇等。面临的挑战包括高成本、复杂的工艺、缺乏成熟规范和长周期的设计评估，这些问题限制了复合材料在国内船舶制造领域的进一步推广和应用。

5.前沿应用

浪速泵制造所，一家日本公司，最近推出了一款创新的超轻型船用泵，这款泵由碳纤维增强复合材料（CFRP）制成，标志着全球首款碳纤维船用泵的问世。该泵将被安装在川崎重工生产的水翼喷射船“SEVEN ISLANDS YUI”上。这一突破性产品采用了新开发的CFRP技术，以取代传统的铝质泵。经过广泛的测试，这款泵证明能够承受极端的工作环境，展现出卓越的耐压和耐久性能。通过与川崎重工及东海汽船的两年紧密合作，于2020年6月30日，这款船用泵成功交付并投入使用。与传统的海用青铜铸造泵相比，采用CFRP材料的泵重量大大减轻，仅为后者的四分之一。

6.展望

展望未来，复合材料在船舶制造中的应用预计将继续扩大，主要得益于它们在提高船只性能、降低维护成本以及提升环境可持续性方面的显著优势。随着材料科学的进步和制造技术的创新，如3D打印等新兴技术的应用，将使得复合材料的使用更加广泛和高效。此外，对于减少全球碳排放和实现绿色航运的日益迫切需求将进一步推动复合材料技术的发展。我们可以预见，未来的船舶将更加依赖于轻质、高强度、耐腐蚀的复合材料，以实现更高的能效和环境友好性。

进一步地，智能化和数字化技术的融合将使得复合材料的设计和应用更加精准和有效。通过大数据、人工智能等技术的帮助，可以优化材料组合和结构设计，实现个性化和定制化的船舶解决方案。同时，随着全球对环境保护标准的提升，复合材料的回收利用和生命周期管理也将成为研究和发展的重点，以确保船舶制造业的可持续发展。

综上所述，复合材料将在未来的船舶制造业中扮演更加重要的角色，不仅因为它们能够提升船只的性能和效率，还因为它们符合当前的环保和可持续发展趋势。随着相关技术的不断进步和创新，我们有理由相信，船舶制造业将迎来一个更加绿色、高效和智能化的新时代。

参考文献：

[1]朱昊.复合材料在船舶上的应用及发展趋势探讨[J].信息记录材料,2023,24(09):27-29+33.

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