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[摘 要]在船舶制造过程中，对材料的要求程度较高。复合材料作为一种新型材料在当前船舶制造中应用广泛。本文将进行分析，以供参考。
[关键词]复合材料；船舶制造；优势；应用；发展
中图分类号：U668.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）38-0090-01
1.前言
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。
2.复合材料的优势
2.1 通过不同的纤维和树脂结合方式以及沿着特定方向铺设纤维，可以对复合材料进行设计，从而提高比强度（强度/质量）。
2.2 复合材料部件之间的整合，可以减少部件、连接件和紧固件的数量，以及生产步骤。
2.3 通过降低重心，可以显著减轻质量，提高稳定性。
2.4 复合材料可简单地制成形状和空间曲率复杂的部件———复合材料在很大程度上是“弯曲的”的———因此，船身、甲板、潜艇导流罩都非常适合采用复合材料来制造。过去15年，复合材料部件的设计方法论和软件工具的开发有了重大的进展。特别是用于复合材料层压板设计和制造的软件的开发，这已将成为复合材料设计工艺中的主要工具。有几家主要的商用、娱乐和军用船艇制造商也采用了这种方法，但从整体来看，却还没有被船舶行业接受。
3.复合材料在船舶制造的具体应用
3.1 纤维增强材料
军、民用船艇通常大量采用E玻璃纤维及其制品。近年来国外开发了一种先进的多轴向缝（经）编织物，具有比传统的无捻粗纱布高得多的力学性能和浸润性等优点。它代表着低成本玻纤织物向高科技发展的一个方向，并已获得国际FRP/CM船艇界的首肯，打破了几十年来一直沿用普通方格布的一统天下。
除了常规的E玻璃纤维外，高科技纤维也是国防武器装备和高科技产业发展的重要基础材料，主要有碳纤维（CF）、芳纶（Kevlar）纤维、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维和连续玄武岩纤维（CBF）。前3种大家比较熟悉的高科技纤维已在各种舰艇、高性能船艇和赛艇中获得了实际应用，后一种由前苏联开发成功。
3.2 树脂基体
FRP/CM是以各种纤维及其制品为增强材料，以合成树脂为粘接剂，经一定的成型工艺制成。作为粘接剂用的基体树脂是FRP/CM的主要原材料之一。
迄今船艇中最常用的基体树脂仍然是不饱和聚酯树脂，有邻苯型、间苯型和双酚型3种。国内一般的船艇从经济性考虑较多采用邻苯型聚酯树脂，高性能船艇则应采用价格稍贵、而抗冲击性能和防水性能较好的间苯型聚酯树脂。现已开发了几种船用高性能树脂，诸如防水和耐化学腐蚀性强，具有高温强度和刚度以及更大韧性的乙烯基酯树脂；耐火性好，特别是在燃烧状态下烟密度小，且具有良好力学性能的酚醛树脂等，以满足各种舰船的不同需求。另一种是主要用于FRP/CM舰船外表面的胶衣树脂，它使船壳表面光泽美观和提高耐水性。目前还开发了具有耐老化、耐腐蚀和耐磨等作用的优质胶衣树脂。
3.3 结构芯材
为适应采用夹层结构的高速舰船发展的需要，近年来已开发了多种轻质高性能结构芯材。船用芯材主要有3类，即各种泡沫塑料（如PVC、PS、PU、SAN、PFI和PMI等）、轻木（Balsa）以及各种蜂窝材（包括铝蜂窝、FRP蜂窝、Nomex蜂窝和Nide-Core等）。这几类轻质芯材目前都较易获得，它们为国内发展FRP/CM夹层结构船艇提供了优化选材的物质保证。以下主要介绍泡沫塑料结构芯材。
（1）泡沫芯材
泡沫芯材是FRP/CM夹层结构船艇中最常用的芯材。
（2）泡沫、Balsa及蜂窝等芯材的对比
多年来，船舶制造中使用的芯村是泡沫塑料和Balsa轻木，有的情况下也采用普通的木胶合板。Bal-sa和胶合板相对成本较低，具有很高的压缩强度，但是比泡沫要重（一般密度都大于100kg/m3），而且容易吸水腐烂。与Balsa相比，泡沫芯材轻，吸水少，耐腐蚀，疲劳性能和耐久性也比Balsa好。但是有些情况下，例如局部荷载很高或交叉接头的位置（例如：机器安装处或楔子周围），Balsa要优于泡沫材料。如果使用高密度泡沫，价格相对Balsa要高很多。蜂窝芯材例如Nomex（芳纶纸/酚醛树脂）和铝蜂窝等，常用在航空领域，因为它们具有高强度、高温稳定性和轻质的特点。
4.复合材料的局限性
复合材料在船舶建造中的应用也具有一定的局限性。目前，大部分复合材料技术已经成熟地应用于相对较小的舰艇或大型舰艇的非结构、非关键性部件。应用复合材料制造大型舰艇的主要问题是船体梁的刚度太低。可见，用于建造超大型舰船目前尚受到一定限制。船用复合材料制造技术正向自动化、低成本、整体化、数字化的方向发展，舰船轻量化满足先进复合材料低成本、整体化的发展方向，成为现代复合材料研究的关键技术之一，未来随着先进复合材料技术的发展将渗透至更专业的应用领域。在舰船的制造中，采用先进的复合材料轻量化制造技术，满足舰船轻量化需求，提高军事水平，展现综合国力，有着重要的社会和经济意义。
5.复合材料的应用与发展
生产制造过程中的科技进步使得复合材料部件的成本实现了整体降低，也达到了更高的生产量。现在开模成型技术正逐渐向闭模成型工艺转变，例如从利用较多手工劳动、消耗较多时间的手糊、喷射等开模工艺转向一系列闭模成型技术，如树脂传递成型（RTM）、真空辅助RTM成型（VARTM）、轻型真空树脂灌注成型（RTMLight）、真空树脂浸渍成型（VIP）、闭腔真空袋成型（CCBM）、Seemann复合材料树脂浸渍成型工艺（SCRIMP）。这些闭模成型工艺具有更大的灵活性，可以生产出各种尺寸和复杂程度的零件；能够以更快的速率进行生产（得益于自动化和更少的手工劳动）；还可以得到较高的部件质量，因为孔隙含量降到了最低的程度。复合材料的价格将处于上行轨道，因为玻璃纤维、热固性和热塑性树脂的价格将随着原油价格的增长和其他投入成本的增加而上升。不过，碳纤维的价格由于产能的增加和备用前驱体的发展，预计在不久的将来将会有所下降。但是其对船用复合材料价格的总体影响将不会很大，因为碳纤维增强塑料只占船用复合材料需求的一小部分。另一方面，玻璃纤维依然是船用复合材料的主要纤维材料，不饱和聚酯和乙烯基酯则是主要的聚合物材料。聚氯乙烯（PVC）将继续在泡沫芯材市场占据主要份额。
6.复合材料船舶的发展趋势
展望未來，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。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展。
7.结束语
综上所述，船舶复合材料的应用有效提高了船舶的性能，随着复合材料技术的不断发展，也将推动船舶制造行业的更快进步。
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，2016，（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.
[关键词]复合材料；船舶制造；优势；应用；发展
中图分类号：U668.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）38-0090-01
1.前言
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。
2.复合材料的优势
2.1 通过不同的纤维和树脂结合方式以及沿着特定方向铺设纤维，可以对复合材料进行设计，从而提高比强度（强度/质量）。
2.2 复合材料部件之间的整合，可以减少部件、连接件和紧固件的数量，以及生产步骤。
2.3 通过降低重心，可以显著减轻质量，提高稳定性。
2.4 复合材料可简单地制成形状和空间曲率复杂的部件———复合材料在很大程度上是“弯曲的”的———因此，船身、甲板、潜艇导流罩都非常适合采用复合材料来制造。过去15年，复合材料部件的设计方法论和软件工具的开发有了重大的进展。特别是用于复合材料层压板设计和制造的软件的开发，这已将成为复合材料设计工艺中的主要工具。有几家主要的商用、娱乐和军用船艇制造商也采用了这种方法，但从整体来看，却还没有被船舶行业接受。
3.复合材料在船舶制造的具体应用
3.1 纤维增强材料
军、民用船艇通常大量采用E玻璃纤维及其制品。近年来国外开发了一种先进的多轴向缝（经）编织物，具有比传统的无捻粗纱布高得多的力学性能和浸润性等优点。它代表着低成本玻纤织物向高科技发展的一个方向，并已获得国际FRP/CM船艇界的首肯，打破了几十年来一直沿用普通方格布的一统天下。
除了常规的E玻璃纤维外，高科技纤维也是国防武器装备和高科技产业发展的重要基础材料，主要有碳纤维（CF）、芳纶（Kevlar）纤维、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维和连续玄武岩纤维（CBF）。前3种大家比较熟悉的高科技纤维已在各种舰艇、高性能船艇和赛艇中获得了实际应用，后一种由前苏联开发成功。
3.2 树脂基体
FRP/CM是以各种纤维及其制品为增强材料，以合成树脂为粘接剂，经一定的成型工艺制成。作为粘接剂用的基体树脂是FRP/CM的主要原材料之一。
迄今船艇中最常用的基体树脂仍然是不饱和聚酯树脂，有邻苯型、间苯型和双酚型3种。国内一般的船艇从经济性考虑较多采用邻苯型聚酯树脂，高性能船艇则应采用价格稍贵、而抗冲击性能和防水性能较好的间苯型聚酯树脂。现已开发了几种船用高性能树脂，诸如防水和耐化学腐蚀性强，具有高温强度和刚度以及更大韧性的乙烯基酯树脂；耐火性好，特别是在燃烧状态下烟密度小，且具有良好力学性能的酚醛树脂等，以满足各种舰船的不同需求。另一种是主要用于FRP/CM舰船外表面的胶衣树脂，它使船壳表面光泽美观和提高耐水性。目前还开发了具有耐老化、耐腐蚀和耐磨等作用的优质胶衣树脂。
3.3 结构芯材
为适应采用夹层结构的高速舰船发展的需要，近年来已开发了多种轻质高性能结构芯材。船用芯材主要有3类，即各种泡沫塑料（如PVC、PS、PU、SAN、PFI和PMI等）、轻木（Balsa）以及各种蜂窝材（包括铝蜂窝、FRP蜂窝、Nomex蜂窝和Nide-Core等）。这几类轻质芯材目前都较易获得，它们为国内发展FRP/CM夹层结构船艇提供了优化选材的物质保证。以下主要介绍泡沫塑料结构芯材。
（1）泡沫芯材
泡沫芯材是FRP/CM夹层结构船艇中最常用的芯材。
（2）泡沫、Balsa及蜂窝等芯材的对比
多年来，船舶制造中使用的芯村是泡沫塑料和Balsa轻木，有的情况下也采用普通的木胶合板。Bal-sa和胶合板相对成本较低，具有很高的压缩强度，但是比泡沫要重（一般密度都大于100kg/m3），而且容易吸水腐烂。与Balsa相比，泡沫芯材轻，吸水少，耐腐蚀，疲劳性能和耐久性也比Balsa好。但是有些情况下，例如局部荷载很高或交叉接头的位置（例如：机器安装处或楔子周围），Balsa要优于泡沫材料。如果使用高密度泡沫，价格相对Balsa要高很多。蜂窝芯材例如Nomex（芳纶纸/酚醛树脂）和铝蜂窝等，常用在航空领域，因为它们具有高强度、高温稳定性和轻质的特点。
4.复合材料的局限性
复合材料在船舶建造中的应用也具有一定的局限性。目前，大部分复合材料技术已经成熟地应用于相对较小的舰艇或大型舰艇的非结构、非关键性部件。应用复合材料制造大型舰艇的主要问题是船体梁的刚度太低。可见，用于建造超大型舰船目前尚受到一定限制。船用复合材料制造技术正向自动化、低成本、整体化、数字化的方向发展，舰船轻量化满足先进复合材料低成本、整体化的发展方向，成为现代复合材料研究的关键技术之一，未来随着先进复合材料技术的发展将渗透至更专业的应用领域。在舰船的制造中，采用先进的复合材料轻量化制造技术，满足舰船轻量化需求，提高军事水平，展现综合国力，有着重要的社会和经济意义。
5.复合材料的应用与发展
生产制造过程中的科技进步使得复合材料部件的成本实现了整体降低，也达到了更高的生产量。现在开模成型技术正逐渐向闭模成型工艺转变，例如从利用较多手工劳动、消耗较多时间的手糊、喷射等开模工艺转向一系列闭模成型技术，如树脂传递成型（RTM）、真空辅助RTM成型（VARTM）、轻型真空树脂灌注成型（RTMLight）、真空树脂浸渍成型（VIP）、闭腔真空袋成型（CCBM）、Seemann复合材料树脂浸渍成型工艺（SCRIMP）。这些闭模成型工艺具有更大的灵活性，可以生产出各种尺寸和复杂程度的零件；能够以更快的速率进行生产（得益于自动化和更少的手工劳动）；还可以得到较高的部件质量，因为孔隙含量降到了最低的程度。复合材料的价格将处于上行轨道，因为玻璃纤维、热固性和热塑性树脂的价格将随着原油价格的增长和其他投入成本的增加而上升。不过，碳纤维的价格由于产能的增加和备用前驱体的发展，预计在不久的将来将会有所下降。但是其对船用复合材料价格的总体影响将不会很大，因为碳纤维增强塑料只占船用复合材料需求的一小部分。另一方面，玻璃纤维依然是船用复合材料的主要纤维材料，不饱和聚酯和乙烯基酯则是主要的聚合物材料。聚氯乙烯（PVC）将继续在泡沫芯材市场占据主要份额。
6.复合材料船舶的发展趋势
展望未來，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。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展。
7.结束语
综上所述，船舶复合材料的应用有效提高了船舶的性能，随着复合材料技术的不断发展，也将推动船舶制造行业的更快进步。
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，2016，（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.