碳纤维复合材料在船舶市场的应用

陈理钦

陈理钦

青岛北海船舶重工有限责任公司山东青岛266520

摘要：随着我国科学技术的飞速发展，碳纤维复合材料在海洋船舶中的应用非常广泛，这主要得益于它所特有的优异性能，尤其是在海水环境中所表现出来的优异性能。采用复合材料设计制造船舶可以实现高航速、低排放、远续航、长寿命、优异舒适性的设计理念，已经成为现代造船的理想材料。基于此，本文首先对碳纤维复合材料的性能进行了概述，详细探讨了碳纤维复合材料在船舶市场的应用现状，旨在促进船舶业的快速发展。

关键词：碳纤维复合材料；船舶市场；应用

碳纤维（Carbonfiber）是一种纤维状碳材料。它具有强度比钢的还大、密度比铝的还小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、热膨胀系数小、导电性像金属、可吸收冲击能量等很多宝贵的电学、热学以及力学性能，是一种高科技的新型材料。近年来，在船舶市场得到了广泛的应用。

1碳纤维复合材料的性能

碳纤维复合材料因具有如下的优异性能而成为船艇工业不可缺少的重要材料。

1.1耐腐蚀

船艇长年航行在江河湖泊、大洋深海之中，日晒雨淋，水泡盐蚀，工作环境十分恶劣，因此要求建造船艇的材料耐水、耐盐雾、耐腐蚀、耐环境老化、抗水生物附生。木材长期浸泡在水中会腐烂，钢铁经海水腐蚀要生锈，而复合材料只要配方设计合理，工艺优化，可耐酸、耐碱、耐海水浸蚀，水生物也难以附生，是船艇建造的理想材料。用碳纤维复合材料制造的渔船不但降低自重，提高船速，节约能耗，而且因耐海水性好，大大提高了使用寿命，经济效益明显。

1.2优良的声、磁、电性能

碳纤维复合材料透波、透声性好，无磁性，介电性能优良，适宜作舰艇的功能结构材料。船艇依靠声纳在海上定位、测距、发现目标，作为声纳设备保护装置的声纳导流罩，其材料要求透声波性好，声波的失真畸变小。特性阻抗是表征透声性能的重要参数，材料的特性阻抗与海水越接近，越适宜作舰艇的声纳导流罩。传统不锈钢声纳导流罩的特性阻抗大，已遭淘汰。复合材料以其优良的透声性能而成为声纳导流罩的首选材料。我国已普遍采用玻璃钢声纳导流罩。目前国外先进国家已研制成最先进的超高分子量聚乙烯纤维复合材料声纳导流罩。我国也已研制成功性能优良的碳纤维混杂复合材料声纳导流罩，在超高分子量聚乙烯纤维复合材料声纳导流罩方面也取得进展，以不断赶超国际先进水平。碳纤维复合材料无磁性，是猎扫雷艇的上佳结构材料；碳纤维复合材料的透波性好，可作为船艇的雷达罩材料；碳纤维复合材料的导热系数低，隔热性好，适合制造救生艇、冷藏船和潜艇液氧罐的支承结构材料。可见，碳纤维复合材料的独特性能使其成为船艇的优良功能性材料。

1.3优良的设计、施工性能

碳纤维复合材料具有材料的可设计性。就纤维增强塑料而言，材料的可设计因素有纤维的种类和含量，纤维的长短，纤维铺设的方向，基体的种类等，通过精心设计，即使用相同的基体和纤维，也能设计出不同性能的材料和各向异性的材料。因此，可根据船艇不同部位的结构要求，进行材料、铺层和结构的优化设计。碳纤维复合材料的另一特点是材料和结构的一体性，在复合材料成型的过程中，同时形成了制品的结构。用于制造船艇，可大大减少车、钳、刨等机械加工过程和装配过程，使船壳和构件的整体性好，无接缝或少接缝，无渗漏，提高了船艇的性能。碳纤维复合材料还具有易成型、易修补的特点，适宜制造结构复杂的船型，可缩短建造周期，复合材料船艇的维护费用也低于钢船和木船。碳纤维复合材料的上述性能是船用钢材和木材难以比拟的，这就使得复合材料在船艇工业中大有用武之地，成为当今其他材料难以替代的重要的造船材料。但是碳纤维复合材料也有其缺点，如玻璃钢的弹性模量不足，复合材料的层间剪切强度低，手工成型较多等。然而高性能增强纤维的发展可得到高强度、高模量的先进复合材料，三维编织技术的兴起和复合材料表界面科学的进步将不断地提高复合材料的界面性能。片状模塑料（SMC）、树脂传递成型（RTM）等。复合材料成型新工艺和机械化铺层技术的发展将使复合材料成型向着机械化和自动化的方向迈步前进。可以预料，碳纤维复合材料在船艇工业中必将发挥越来越大的作用。

2碳复合材料在船舶市场中的应用现状

以碳纤维（CFRP）、芳纶纤维增强材料（KFRP）等为代表的先进复合材料，近年来更是呈现飞速发展的趋势，并且已经被广泛用于高性能游艇的主承力构件和功能结构上。先进复合材料（ACM）在游艇领域的应用包括：赛艇、帆船、双体船等高速艇。在许多新建的游艇中，碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）、芳纶纤维增强材料（KFRP）等先进复合材料被广泛用来制造船体、龙骨、甲板、横架、钻机、舱壁、纵桁、风帆桅杆和船舵等。如，世界最大的私人帆船“马耳他猎鹰”号，2006年由KPCB创始人珀金斯斥资1.5亿美元购买。利用风帆转向的设计而赢得了众多的创新设计奖项。每根桅杆高58.5米，重25吨，均由碳纤维制成。由约翰-沙特尔沃思游艇设计公司设计，并由珠海佳航游艇公司制造，2013年10月10日在中国下水的“阿达斯特拉”号，被香港航运巨头亿万富翁安托·马登斥资1500万美元购买。这艘游艇采用三体式结构，主船体修长，为了在高速航行时减轻重量和减少阻力，让这艘船航行起来的速度更快，该艇船体采用大量凯夫拉（Kevlar）纤维、蜂窝状碳纤维以及聚氨酯泡沫夹芯等复合材料以减轻重量。目前，先进复合材料（ACM）在游艇中的应用比例越来越大，有的已接近100%。例如，由上海联亚游艇投资管理有限公司、中科院上海高等研究院和汕头扬帆海天游艇制造有限公司共同研发打造的“中科·联亚”号游艇，是中国第一艘全碳纤维游艇。其艇身几乎全部使用了100%碳纤维复合材料，比传统的游艇减轻30%，航速增加20%，节省燃料20%以上，而且强度更高。同时，在实弹测试中，“中科·联亚”号的碳纤维复合艇体材料挡住了步枪子弹的射击，可见其防弹功能毋庸置疑。2014年7月，由PalmerJohnson发布的PJ265超级运动游艇全长48米，是目前世界上最大的全部采用碳纤维复合材料制造的超级运动游艇。该艇不但造型炫酷时尚，还拥有宽敞的内部空间，兼顾舒适性和美观。配备的MTU2000发动机驱动穿浪型全排船体，能够轻松达到32节航速，而且相比同尺度其他游艇可节省一半的燃油。

3碳纤维复合材料船艇的发展趋势

展望未来，碳纤维复合材料船艇材料将向高性能化、工艺机械化的方向发展。复合材料基体树脂的高性能化：用间苯型聚酯取代邻苯型聚酯，关键部位采用乙烯基树脂。对于有特殊要求的构件，则采用多官能团环氧树脂，烯丙基树脂、聚酰亚胺树脂等耐高温、低介电损耗、防辐射、透波性能好的树脂。增强纤维的高性能化：将在船艇中采用更多的碳纤维、凯芙拉纤维、超高分子量聚乙烯纤维等高性能纤维及混杂纤维，以进一步提高材料的强度和模量，减轻构件的质量，提高船舰航速。碳纤维复合材料船艇制造工艺机械化：浸渍、辊平、铺层等工艺的机械化不仅使产品质量获得进一步提高，而且大大缩短生产周期。可以预见，随着碳纤维复合材料科学的发展和制造工艺的改进，复合材料船艇将得到愈益蓬勃地发展。

3结束语

综上所述，碳纤维复合材料代替金属有很多好处，现阶段在海洋船舶中的应用之中还只是触碰到复合材料应用的表面。随着时间的推移，在科技发展、工艺提升、严格测试的技术引领之下，其应用技术必然向着深度和广度不断发展。

参考文献：

［1］张国腾等．复合材料轻量化技术在舰船制造领域的应用［J］．纤维复合材料，2010，（1）：31-35．

［2］唐红艳等．复合材料在海军舰艇上的国外应用现状及进展［J］．船舶，2016，（2）：6-11．