前 言

碳纖維復(fù)合材料(CFRP)具有良好的聲、磁、電性能：透波、透聲性好，無磁性，因此可以用于提高軍艦的隱身性能。在艦船的上層建筑中使用復(fù)合材料不僅可以減輕船體的重量，而且通過在夾層中嵌入有濾波功能的頻率選擇層，就可以在預(yù)定的頻率下發(fā)射和接受電磁波，從而屏蔽敵方的雷達(dá)電磁波。目前碳纖維復(fù)合材料在船體的應(yīng)用尚在嘗試階段，但在艦船關(guān)鍵部件已經(jīng)得到應(yīng)用。

碳纖維復(fù)合材料可應(yīng)用于船舶上層建筑，可減輕上層建筑的質(zhì)量，提高安全性能；用于艦船推進(jìn)器，可減輕推進(jìn)器質(zhì)量，降低油耗、延長使用壽命；用于桅桿、船體結(jié)構(gòu)，可增加整體強(qiáng)度；CFRP葉片不僅更輕、更薄，還可改善空泡性能、降低振動、減少燃油消耗；在推進(jìn)系統(tǒng)上可用作螺旋槳和推進(jìn)軸系，減輕船體的振動效應(yīng)和噪聲，多用于偵察艦和快速巡航艦；在機(jī)械和裝備上可用作方向舵，某些特殊的機(jī)械裝置和管道系統(tǒng)等。此外，高強(qiáng)度的碳纖維繩索在海軍軍艦的纜繩和其他軍用物品上也有較為廣泛的應(yīng)用。未來隨著碳纖維復(fù)合材料科學(xué)的發(fā)展和制造工藝的改進(jìn)，在船舶軍艦上的應(yīng)用將得到更加蓬勃的發(fā)展。

由于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的輕質(zhì)、高強(qiáng)等優(yōu)異性能，在裝甲防護(hù)領(lǐng)域如防護(hù)服、裝甲艦艇、裝甲車輛等均有應(yīng)用。CFRP用于制造裝甲車輛、艦艇，除裝甲防護(hù)外，還能提高速度、節(jié)省燃料。

“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(chǎn)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(fā)水雷。即使被魚雷和導(dǎo)彈擊中后，碳纖維船體很難完全解體，可避免毀滅性后果。“短劍”高速隱形快艇允許空氣和水從下面流過采用隱形材料制造船殼，不易被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)。從而減小風(fēng)的阻力并產(chǎn)生上升力，最快速度可以達(dá)到51節(jié)。

"短劍”高速隱形快艇的設(shè)計不但使其獲得了高速，也使其行駛過程中的穩(wěn)定性更高，高速行駛中的顛簸現(xiàn)象大大減輕，這使得乘坐的舒適度和安全性大大提高。駕駛“短劍”高速隱形快艇只需要3名船員，它一次能夠運(yùn)載12名全副武裝的"海豹”突擊隊員和1艘長11米的特種作戰(zhàn)剛性充氣艇，還能夠搭載1架小型無人機(jī)。碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、可設(shè)計性高、抗腐蝕性強(qiáng)，是未來追求更大有效負(fù)載、更強(qiáng)綜合隱身能力、更低全壽期費(fèi)用艦船裝備的最佳材料選擇之一，可有效提高艦船的穩(wěn)定性、航速及運(yùn)載能力。

由于復(fù)合材料具有的以下特性，所以成為理想的船用材料：

• 易于制成流線型及其它復(fù)雜形狀;

• 耐腐蝕性能優(yōu)于傳統(tǒng)金屬材料;

• 能通過增強(qiáng)內(nèi)部構(gòu)件在阻尼振動下的穩(wěn)定性而減少噪音的產(chǎn)生;

• 可減少雷達(dá)反射截面達(dá)到隱身效果，非磁性，不容易被魚雷和水雷探測到；

• 能很大程度上降低艦艇的熱學(xué)特征；

• 能根據(jù)需要改變基體和增強(qiáng)體來達(dá)到特定的目標(biāo)。

瑞典皇家海軍“維斯比”級（VisbyClass）隱形護(hù)衛(wèi)艦是世界上第一個按照全隱形規(guī) 范由碳纖維制造的戰(zhàn)艦

2碳纖維上層建筑

60年代中期以來巡邏炮艇上的炮艇甲板室就開始采用復(fù)合材料，70年代早期，獵雷艇的上層建筑也開始采用復(fù)合材料。芬蘭皇家海軍的快速巡邏艇Rauma的上層建筑也采用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，船體采用鋁合金。

與鋼和鋁相比，碳纖維上層建筑存在很多缺點，如制造成本高，因為其和鋼甲板的連接處花費(fèi)昂貴，對于中型護(hù)衛(wèi)艦來說，上層建筑采用碳纖維復(fù)合材料代替鋼會給建筑成本增加50%—150%，盡管如此，許多艦船制造者和海軍已開始接受更高的制造成本，因為可以節(jié)省使用周期成本，從而降低總體成本。

美國“避風(fēng)港”海事公司近日推出一種名為“梭魚”的隱身高速攔截艇，這種采用深V船形的高速艇在海上的最大航速超過40節(jié)（約合時速74千米），最大續(xù)航距離達(dá)370千米（大致相當(dāng)于從天津到煙臺的海上里程），而且即使遭遇5級海況（浪高達(dá)4米）時也能正常航行。

除采用高速流線型設(shè)計外，“梭魚”的艇身還大量采用了碳纖維復(fù)合材料，降低自重的同時，還進(jìn)一步提升了航速。

3碳纖維螺旋槳

海軍艦艇的螺旋槳材料一直以來都是鎳鋁銅合金，存在很多問題例如加工復(fù)雜葉片時花費(fèi)高，葉片容易疲勞產(chǎn)生裂紋，聲學(xué)阻尼性相對較差，振動時會帶來噪音等等。因此海軍設(shè)計者們不得不考慮其它材料，最引人注目的材料是不銹鋼、鈦合金以及碳纖維。

碳纖維螺旋槳系統(tǒng)的設(shè)計和性能高度機(jī)密，近年來的研究進(jìn)展未見公開發(fā)表。不過眾所周知，碳纖維葉片中的纖維可以承受主要的水動力和離心力。目前大批海軍艦艇安裝了碳纖維螺旋槳，如登陸艦和掃雷艇，此外碳纖維螺旋槳也用在魚雷和小型船只上。

歐盟國家在20世紀(jì)90年代末期發(fā)起了船用復(fù)合材料螺旋槳計劃，推進(jìn)復(fù)合材料在船舶螺旋槳中的應(yīng)用。據(jù)粗略統(tǒng)計，德國A.I.R公司已有400多套復(fù)合材料螺旋槳在游艇上使用，獲得了比金屬材料輕25%~35%的輕量化效果和良好的阻尼性能，有利于游艇的加速、降噪等。另據(jù)報道，德國研究人員已針對某常規(guī)潛艇開展了碳纖維復(fù)合材料實槳方案性能測試研究。2003年，英國奎奈蒂克公司成功設(shè)計制造了1套直徑2.9m的碳纖維復(fù)合材料螺旋槳，并完成了海試。經(jīng)測試，其重量遠(yuǎn)輕于傳統(tǒng)的NAB螺旋槳，在不增加槳重的情況下增加了葉片厚度，改善了螺旋槳的空泡性能，降低了振動和水下噪聲。挪威已經(jīng)在其Rauma2000級快速巡邏艇上裝配了碳纖維復(fù)合材料推進(jìn)軸。歐洲某些登陸艦和掃雷艇也安裝了碳纖維復(fù)合材料螺旋槳，如瑞典皇家海軍的Viksten掃雷艇上就安裝了套碳纖維復(fù)合材料三葉螺旋槳。

來源：材料委天津院

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