复合材料在海洋船舶中的应用
李 健，洪术华，沈金平
（上海船舶设备研究所，上海 200032）
摘 要：首先给出了复合材料的定义，然后分析了船用复合材料的优势，最后阐述了复合材料在海洋船舶中的应用，并探讨我国船用复合材料发展存在的问题及发展趋势。
关键词：复合材料；海洋船舶；树脂基复合材料；玻璃钢；室内装饰
中图分类号：U6.33 文献标志码：A DOI：10.143/j.cnki.31-1420.2019.04.013
Applications of Composite Materials on Marine Ships
LI Jian, HONG Shuhua, SHEN Jinping
(Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200032, China)
Abstract: Firstly, the definition of composite materials is given. Then the advantages of marine
composite materials are analyzed. At last, the applications of composite materials in marine ships are elaborated and the problems and development trends of marine composite materials in China are discussed.
Key words: composite materials; marine ships; resin matrix composites; FRP; Interior decoration
0 引言
由2种或者2种以上具有不同物理特性和化学特性的物质互相组合而成的固体材料被统称为复合材料。复合材料中的各种组成部分在组合后仍然保留其性，但是复合材料的物理和化学性能不是两种或者几种材料性能的简单叠加，而是更优于组成材料的特性。为了确保组成复合材料的物质特性的连续性，通过增强材料将其进行粘合、固定，并使材料保持特定的形状。此外，复合材料存在分散性，具有分散性的物质可以在复合材料机制的支撑下确保材料的强度和刚度，分散性物质在复合材料中是以形态存在的，它可以是纤维或者粒状物。
按组合成分不同，可以将复合材料分为聚合物基体复合材料、金属基复合材料和无机非金属基复合材料。聚合物基复合材料多为高分子聚合物；金属基复
合材料是指基体为金属的复合材料，包含铝基、铁基等复合材料；无机非金属基复合材料多为陶瓷材料。
1 船用复合材料的优势
复合材料较之于传统船舶制造材料的优势是十分突出的，特别是在高质量船体打造领域，复合材料在强度、质量、耐腐蚀性能和耐磨损方面是十分出色的。在船舶制造行业中，复合材料已经开始逐渐替代传统船舶材料而成为主要的船舶制造材料。
在新的时代形势下，为了提升船舶的航速和攻击能力，需要对船体进行减重，这样可以有效提升船舶的灵活性，同时还能节约燃料。运用复合材料打造船舶便能很好地达到这个效果。相关资料表明，同规模的复合材料船舰质量仅为钢质船舰的一半。复合材料的突出优势还表现在它的无磁性干扰上，将这一特性
作者简介：李健（1981—），男，工程师。研究方向：船舶设备的研制。
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A cademic Research
技术交流
应用到扫雷艇和猎雷艇上，往往能取得超乎想象的效果。除此之外，复合材料的冲击韧性和隔热性能也十分优秀，这为船体的无缝连接提供了保障。
在制作加工方面，复合材料更易于成型，使得船舶的制造工序更加简单，有利于成本的控制。复合材料打造的船舶在维修养护上也具有传统船舶无法比拟的优点，即维修保养简单、使用寿命更长。
2 复合材料在海洋船舶中的应用
2.1 树脂基复合材料在船体结构上的应用
有些类型的船舶对船体结构强度和刚度有非常高的要求，而使用纤维增强热固性塑料便能满足这些要求，常见的是玻璃纤维增强热固性树脂，这种材料的强度十分大，其强度大约是钢的2倍~3倍，同时还兼具塑料的特性，即介电性和耐蚀性。另外，很多复合材料都应用了高性能纤维这种原材料，常见的有纶纤维、碳纤维和超高分子量聚乙烯，这些材料的比强度和比模量较高。
目前常用的基体树脂主要有不饱和聚酯（邻苯型、间苯型和双酚型3种）、乙烯基酯、环氧树脂和酚醛树脂这几种，其在各种类型的船艇中有着广泛的应用，例如游艇、快艇、高性能赛艇、救生艇和巡逻艇等。 2.2 玻璃钢/复合材料在船舶中应用
玻璃钢/复合材料（以下简称FRP/CM）是一种理想的新颖结构/功能材料，这种材料的综合性能较为优秀，是钢、铝这些均质材料无法比拟的。FRP/CM的优良性能使其更适合应用在中小型船舶建造上，例如中小型隐身船舶。此外，这种材料不仅可以作为结构隐身材料，还是十分优秀的上层建筑材料。 2.3 复合材料推进系统
1）复合材料螺旋桨
舰艇的螺旋桨常使用镍铝铜合金材料，其抗腐蚀性和屈服度都十分优秀，但其缺陷也很明显，例如加工叶片成本过高、声学阻尼性较差、振动噪声大等。而复合材料螺旋桨不仅具有维修保养费用低、强高模、耐腐蚀、耐辐射等特点，还能够推迟螺旋桨的空化起始速度、降低磨损率，极大地了改善螺旋桨的阻尼性能。2）复合材料推进器
使用复合材料（如CF/环氧树脂）代替钢来制造推进轴，能够大大减轻同尺寸推进轴的重量，并可减少
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近1/4的制造成本。复合材料推进轴在抗腐蚀、抗疲劳和降低噪音等方面的表现也十分突出。 2.4 船舶室内装饰材料
当前船舶的室内装饰中也用到大量的复合板材，例如墙板、屋顶板和车箱体等。这极大地扩展了复合材料在海洋船舶中的应用。蜂窝夹心、泡沫夹心复合材料是复合材料中较具代表性的，这些材料具有保温性能良好、质量优良和刚度强等优点，适用于一些对刚度、隔热性能要求较高，但是受力不大的部件。 2.5 复合材料管道系统
船舶管道系统的常用材料是黄铜，但是随着船舶建造业的发展与扩大，黄铜管已经不能满足当前船舶的应用要求，而具备的优良性能的复合材料更适合应用于船舶管道系统。
3 我国船用复合材料发展存在的问题及发展趋势
3.1 我国船用复合材料发展存在的问题
1）高性能、低成本的船舶用复合材料设计与制造 成本问题多年以来一直是船舶复合材料应用的短板。当前，大部分复合材料都是由树脂浸渍增强材料制造的，这项工艺的周期很长，并且属于劳动密集型产业，因此生产成本较高。
随着当前船舶复合材料应用的增加，迫切需要高质量、低成本的复合材料，这需要引进大量的先进生产技术，并且需要一个相对稳定的数据库，如此才能有利于预估和控制复合材料的制作成本。
2）船用复合材料可靠性评价技术和指标体系 当船舶结构受到冲击、振动、碰撞和火灾时，极易失效，然而目前还没有能够确定其是否失效的分析工具。另外，复合材料具有显著的各向异性，缩放规则也不是简单的。基于此，复合材料结构的设计复杂度要远远高于金属材料。
3）船用复合材料性能基础数据积累
复合材料的基础数据积累较为缺乏，这使得其在船舶上的应用受到了一定的阻碍。复合材料的结构性能需要满足很多严格的规定，包括其物理力学性能、环境老化性能、抗气流冲击性能、抗水下振动损坏性能、防火性能（可燃性、明火、烟尘、毒性、结构整体性）、碎片/弹道保护性能和雷达/声纳性能。然而，当前极其缺乏能够准确评价这些性能的数据，如果单
单依靠测试来确定复合材料的性能指标，那么无疑会是一项既漫长又需投入大量资金的工作。因此，如何评价复合材料的安全性和可靠性，这是当前船舶用复合材料发展中的一个十分重要的问题。 3.2 船用复合材料发展趋势
海洋船舶制造中应用复合材料具有非常显著的优势，要想进一步拓展应用，关键是要加快复合材料的设计和研发进程。我国海洋船舶复合材料未来发展的最重要一步是改进设计工艺。复合材料要向着高性能、低成本的方向发展，结构上需要完成从非承力结构向主/次承力结构的转变，这样才能继续拓展复合材料的应用范畴，使其能够在海洋船舶制造中得到大规模的应用。另外，还要注重复合材料与其他金属材料的联合使用，例如与钢结构的联合技术。
此外，需制定关于船用复合材料的统一设计标准和评价标准。在复合材料小样性能基础上，重点研究复合材料的典型结构单元和模型，详细测试并深入研究材料的抗老化性能、抗疲劳性、阻燃性、防爆性和抗冲击性能，形成完整的复合材料试验检测体系，有效推动复合材料在船舶上的规模化应用。需研究船用复合材料制作工艺的评价标准，分析和归纳复合材料应用的典型部位，进行海洋环境条件下的性能试验研究。可通过实验室模拟海洋环境，加速复合材料的性
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本次压缩机润滑油碳化事故中虽无人员伤亡，但由于停产及重新进行油冲洗，造成的间接损失可能会达直接损失的数十倍。千里之堤，溃于蚁穴，在设备制造或工程施工中，要加强质量风险意识，从事故中汲取经验教训，深刻理解该类事故的产生、发展和后果规律，避免事故的重复发生。
在事故调查过程中，要做好案前策划工作，事故调查组成员应合理构成，避免因为专业不熟悉等原因出现分析含糊、得出主观臆断结论的情况，从而可避免影响事故调查分析的正确性和时效性。
目前大型工程或设备的自动化程度越来越高，受专业或对总成方的盲目信任，在设计审图或方案审查时对电气联锁或自动控制等方面关注不足，会造成施工中的重大隐患，项目方应予以关注。
能试验，获取相应的数据参数，建立寿命预测模型，形成完整的复合材料海洋性能评价程序、流程和具体方法，为复合材料的结构设计、应用和维护等提供可靠的数据支持。
4 结束语
综上，复合材料在经过50多年的发展和应用后已经初具规模，当前我国已经建成100多艘复合材料船舶，同时拥有近500多家与复合材料船舶相关的制造商。复合材料在船舶制造业发挥着不可替代的作用，其具备的优点和特性使其应用广泛。复合材料虽然具备良好的性能，但其制造成本较高，因而制约着它的发展。因此，加强对复合材料制造技术的研究，制造出成本低廉且质量优异的复合材料是当前需要重点考虑的问题。
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