船用復(fù)合材料的應(yīng)用 復(fù)材云集|復(fù)合材料
船用復(fù)合材料,尤其是應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料,以聚合物基復(fù)合材料為主,按結(jié)構(gòu)可分為層合板(纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)和夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料兩大類型,其中包含三個(gè)方面的重要復(fù)合物:增強(qiáng)材料、樹脂(即基體)和芯層材料。
按照承載部位不同可分為:主承力結(jié)構(gòu)、次承力結(jié)構(gòu)、非承力結(jié)構(gòu)等。按照功能可分為:結(jié)構(gòu)、阻尼、聲學(xué)(包括吸聲、隔聲、透聲)、隱身(包括吸波、透波、反射、頻選)、防護(hù)等五大系列材料。
性能的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在:輕質(zhì)高強(qiáng),能有效提高船體的儲(chǔ)備浮力;結(jié)構(gòu)功能一體化,在滿足結(jié)構(gòu)承載的情況下性能可設(shè)計(jì),通常具有聲學(xué)、雷達(dá)、減振、防護(hù)、低磁等其他性能,一般的材料成型過程同樣是結(jié)構(gòu)成型過程;耐腐蝕,可滿足高鹽、高濕、紫外等苛刻海洋環(huán)境要求;耐老化,可滿足船舶的長(zhǎng)壽命要求。
目前碳纖維復(fù)合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、體育休閑、汽車工業(yè)、環(huán)境能源、土木工程等領(lǐng)域,其應(yīng)用范圍幾乎是無處不在,其中,在小船、游艇、大型艦艇以及其他船舶領(lǐng)域,碳纖維的應(yīng)用正在取得進(jìn)展。碳纖維是用于船舶領(lǐng)域的理想材料,因?yàn)樗梢詼p少船體振動(dòng),保持船舶之間良好的無線通信環(huán)境等。

此外,使用碳纖維的最重要原因是這種材料可以通過減輕重量,提高船舶的速度和燃油經(jīng)濟(jì)性。例如,通過采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)完全替代玻璃纖維復(fù)合材料(GFRP),可使船體的重量減少至原來30%。
碳纖維及其復(fù)合材料在游艇中的應(yīng)用,通過在上層結(jié)構(gòu)與甲板裝置中使用CFRP,可進(jìn)一步減輕重量、提高船舶的穩(wěn)定性;碳纖維傳動(dòng)軸也可以實(shí)現(xiàn)減輕重量、減少震動(dòng);碳纖維在螺旋槳葉片中也有潛在的廣泛應(yīng)用。早在上世紀(jì)40年代,美國(guó)海軍就運(yùn)用復(fù)合材料來建造小型艦艇,從此掀開了船舶建造新的篇章,其在上世紀(jì)50年代中期就規(guī)定16m以下的船艇須用復(fù)合材料制造。隨著材料科學(xué)的發(fā)展、施工方法和應(yīng)用形式的改進(jìn),1994年美國(guó)利用復(fù)合材料建成長(zhǎng)達(dá)68.3米的“復(fù)仇者”級(jí)掃雷艇。1996年建造的深潛探海艇,其外殼采用的就是石墨纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料,艇的下潛深度可達(dá)6096m。2006年制造的代號(hào)M80的“短劍”(Stiletto)是最新型高速隱形試驗(yàn)快艇,是碳纖維一次成型的最大船體,由于工藝無焊接、無鉚接,大幅度實(shí)現(xiàn)了船只的整體輕量化,在艇長(zhǎng)24.4m,寬12.2m的情況下,吃水僅0.9m,排水為67t,使快艇能夠輕易獲得較高航速。美國(guó)洛杉磯級(jí)核潛艇也采用新型的復(fù)合材料制造聲納導(dǎo)流罩,其長(zhǎng)7.6m,最大直徑8.1m,且性能優(yōu)良。美國(guó)海軍還將軍事裝備艦船向傳統(tǒng)的氣墊船發(fā)展。常規(guī)氣墊船采用類似飛機(jī)上的鋁質(zhì)硬式殼體為基礎(chǔ)材料,而美國(guó)全地形海陸兩棲氣墊船公司(ATLAS氣墊船)開發(fā)出一種名為AH-100-P的全復(fù)合材料的氣墊船,設(shè)計(jì)可容納150名乘員。

作為亞洲復(fù)合材料艦船制造大國(guó),早在1953年日本就開始建造玻璃鋼船,到了上世紀(jì)70年代日本的漁船開始廣泛的使用玻璃鋼,自此之后,日本每年都會(huì)制造上萬艘玻璃鋼漁船并且技術(shù)越來越完善。如今日本的玻璃鋼產(chǎn)量先已躍居世界第2位,僅海洋機(jī)動(dòng)漁船的玻璃鋼用量就占76.3%。同時(shí)在碳纖維等高性能復(fù)合材料的研制以及生產(chǎn)中,日本在國(guó)際上也占據(jù)著重要的地位,其高性能船舶、比賽用艇及豪華游艇現(xiàn)以廣泛的采用高性能碳纖維復(fù)合材料。碳纖維有高強(qiáng)度和高模量?jī)深?,具有高剛度、高屈服?qiáng)度、高彎曲強(qiáng)度的特性,一般用于高性能、高速度船舶的制造。日本碳纖維銷售世界各地,主要用于高速快艇、高性能賽艇、豪華游艇等船艇制造。芳綸纖維高比強(qiáng)、高韌性、抗沖擊、可防彈的特性,用于對(duì)受拉、受動(dòng)載荷、防彈要求高的船艇構(gòu)件。由于壓縮彎曲強(qiáng)度低,不適用于高壓縮、高彎曲的船殼制造,只適用于嚴(yán)格限重的艦船。船艇制造中考慮成本時(shí),在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下,出現(xiàn)了使用混雜纖維復(fù)合材料的設(shè)計(jì)方法。多種纖維增強(qiáng)材料的混雜使用,克服了單一纖維復(fù)合材料的某些缺點(diǎn),改善物理力學(xué)性能,進(jìn)一步提高材料的可設(shè)計(jì)性。通過增強(qiáng)材料形成的二維、三維織物,可根據(jù)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行制造,滿足艦船的強(qiáng)度、層內(nèi)、層間性能,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)艦船輕質(zhì)高強(qiáng)要求

因復(fù)合材料重量輕,美國(guó)海軍計(jì)劃在動(dòng)力艙中采用玻璃增強(qiáng)酚醛復(fù)合材料,包括船用柴油機(jī)的氣缸、缸蓋、油底殼、凸輪罩、支承滾軸、調(diào)速鏈輪以及水泵、油泵、滑車等。
水面艦艇的一些機(jī)械元件也可采用復(fù)合材料制造,在減輕船體重量的趨勢(shì)中,推進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)力傳輸部件的減重也提到了議事日程。典型的是在2或4臺(tái)高速柴油機(jī)通過減速齒輪箱驅(qū)動(dòng)噴水推進(jìn)器的高速船上,無論柴油機(jī)與齒輪箱之間,還是齒輪箱和噴水推進(jìn)裝置之間的距離都縮短了。尤其是在雙體船狹小的空間里要求錯(cuò)落布置4臺(tái)柴油機(jī),前部柴油機(jī)中發(fā)出的功率必須通過后部的柴油機(jī)傳輸出去。因此,這就要求配備重量最輕、部件最少的傳動(dòng)裝置。而采用由碳纖維管材料的驅(qū)動(dòng)軸,能夠輕而易舉地達(dá)到減輕傳動(dòng)部件重量的目的。CFRP驅(qū)動(dòng)軸的主要優(yōu)點(diǎn)包括:明顯地減輕了驅(qū)動(dòng)軸的重量;臨界速度高,長(zhǎng)軸系上通常不需要布置軸承,減少了軸承的數(shù)量,降低了成本,減輕了軸系,減少了部件,節(jié)省了軸承支撐件的成本以及減輕了重量;耐腐蝕、低磁信號(hào)、電信號(hào)、抗磨損,可降低結(jié)構(gòu)和空氣中的噪聲達(dá)520dB。
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