船用复合材料的应用(碳纤维/玻璃钢/芳纶)

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两大类型，其中含三个方面重要复合物：增强材料、树脂（即基体）和芯层材料。

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）、防护等五大系列材料。

性能的优越性主要体现在：轻质高强，能有效提高船体的储备浮力；结构功能一体化，在满足结构承载的情况下性能可设计，通常具有声学、雷达、减振、防护、低磁等其他性能，一般的材料成型过程同样是结构成型过程；耐腐蚀，可满足高盐、高湿、紫外线等苛刻海洋环境要求；耐老化，可满足船舶的长寿命要求。

目前碳纤维复合材料已经广泛应用于航空航天、体育休闲、汽车工业、环境能源、土木工程等领域，其应用范围几乎是无处不在，其中，在小船、游艇、大型舰艇以及其他船舶领域，碳纤维的应用正在取得进展。碳纤维是用于船舶领域的理想材料，因为它可以减少船体振动，保持船舶之间良好的无线通信环境等。

此外，使用碳纤维的重要原因是这种材料可以通过减轻重量，提高船舶的速度和燃油经济性。例如，通过采用碳纤维增强复合材料（CFRP）替代玻璃纤维复合材料（GFRP），可使船体的重量降低。

碳纤维及其复合材料在游艇中的应用，通过在上层结构与甲板装置中使用CFRP，可进一步减轻重量、提高船舶的稳定性；碳纤维传动轴也可以实现减轻重量、减少震动；碳纤维在螺旋桨叶片中也有潜在的广泛应用。

早在上世纪40年代，美国海军就运用复合材料来建造小型舰艇，从此掀开了船舶建造新的篇章，其在上世纪50年代中期就规定16m以下的船艇须用复合材料制造。随着材料科学的发展、施工方法和应用形式的改进，1994年美国利用复合材料建成长达68.3米的“复仇者”级扫雷艇。1996年建造的深潜探海艇，其外壳采用的就是石墨纤维增强的复合材料，艇的下潜深度可达6096m。2006年制造的代号M80的“短剑”（Stiletto）是新型高速隐形试验快艇，是碳纤维一次成型的大船体，由于工艺无焊接、无铆接，大幅度实现了船只的整体轻量化，在艇长24.4m，宽12.2m的情况下，吃水仅0.9m，排水为67t，使快艇能够轻易获得较高航速。美国洛杉矶级核潜艇也采用新型的复合材料制造声纳导流罩，其长7.6m，大直径8.1m，且性能优良。美国海军还将军事装备舰船向传统的气垫船发展。常规气垫船采用类似飞机上的铝质硬式壳体为基础材料，而美国全地形海陆两栖气垫船公司（ATLAS气垫船）开发出一种名为AH-100-P的全复合材料的气垫船，设计可容纳150名乘员。作为亚洲复合材料舰船制造大国，早在1953年日本就开始建造玻璃钢船，到了上世纪70年代日本的渔船开始广泛的使用玻璃钢，自此之后，日本每年都会制造上万艘玻璃钢渔船并且技术越来越完善。如今日本的玻璃钢产量居世界前列，仅海洋机动渔船的玻璃钢用量就占76.3%。同时在碳纤维等高性能复合材料的研制以及生产中，日本在国际上也占据着重要的地位，其高性能船舶、比赛用艇及豪华游艇现以广泛的采用高性能碳纤维复合材料。

碳纤维有高强度和高模量两类，具有高刚度、高屈服强度、高弯曲强度的特性，一般用于高性能、高速度船舶的制造。日本碳纤维销售世界各地，主要用于高速快艇、高性能赛艇、豪华游艇等船艇制造。

芳纶纤维高比强、高韧性、抗冲击、可防弹的特性，用于对受拉、受动载荷、防弹要求高的船艇构件。由于压缩弯曲强度低，不适用于高压缩、高弯曲的船壳制造，只适用于严格限重的舰船。

船艇制造中考虑成本时，在满足设计要求的前提下，出现了使用混杂纤维复合材料的设计方法。多种纤维增强材料的混杂使用，克服了单一纤维复合材料的某些缺点，改善物理力学性能，进一步提高材料的可设计性。通过增强材料形成的二维、三维织物，可根据设计需要进行制造，满足舰船的强度、层内、层间性能，进一步实现舰船轻质高强要求

因复合材料重量轻，美国海军计划在动力舱中采用玻璃增强酚醛复合材料，包括船用柴油机的气缸、缸盖、油底壳、凸轮罩、支承滚轴、调速链轮以及水泵、油泵、滑车等。

水面舰艇的一些机械元件也可采用复合材料制造，在减轻船体重量的趋势中，推进系统的动力传输部件的减重也提到了议事日程。典型的是在2或4台高速柴油机通过减速齿轮箱驱动喷水推进器的高速船上，无论柴油机与齿轮箱之间，还是齿轮箱和喷水推进装置之间的距离都缩短了。尤其是在双体船狭小的空间里要求错落布置4台柴油机，前部柴油机中发出的功率必须通过后部的柴油机传输出去。因此，这就要求配备重量轻、部件少的传动装置。而采用由碳纤维管材料的驱动轴，能够轻而易举地达到减轻传动部件重量的目的。

CFRP驱动轴的主要优点包括：明显地减轻了驱动轴的重量；临界速度高，长轴系上通常不需要布置轴承，减少了轴承的数量，降低了成本，减轻了轴系，减少了部件，节省了轴承支撑件的成本以及减轻了重量；耐腐蚀、低磁信号、电信号、抗磨损，可降低结构和空气中的噪声达520dB。