1.引言

隨著現(xiàn)代技術(shù)的進步，船舶制造業(yè)越來越傾向于使用復合材料。船舶不僅是關(guān)鍵的交通工具，也在港口經(jīng)濟和國際貿(mào)易中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，這就使得在制造和運營船舶時對材料的選擇和性能提出了高要求。雖然傳統(tǒng)的金屬材料能夠在海洋環(huán)境下提供一定的強度和韌性，但它們重且容易腐蝕的特性限制了它們的使用。因此，更輕、更堅固、耐腐蝕性更強的復合材料逐漸成為船舶制造的首選材料。使用復合材料制造的船只不僅航行更高效，還能降低燃料消耗和碳排放。此外，復合材料的優(yōu)良成型性質(zhì)允許制造出流線型的船體設計，減少水阻，這與當前追求綠色、低碳和節(jié)能的發(fā)展趨勢相符，預示著它們將在未來的船舶制造業(yè)中扮演更加重要的角色。

2.發(fā)展歷程

隨著科技和工業(yè)進步，船用復合材料技術(shù)不斷演進。自1970年代碳纖維的推出，復合材料開始在全球船舶制造中廣泛應用，見諸于美國和日本的高端游艇，例如，美國的 Lancer Yachts、Pelle Petterson 和 Swan Yachts 及日本的高端 Motor Yacht。到了1990年代HOPKINS提出了一種新的概念，即熱塑聚合物材料的快速定型加熱( ＲFPT) 工藝，。，新技術(shù)如快速定型加熱工藝進一步推動了其發(fā)展。中國在1980年代開始引入復合材料至船舶制造，起初主要使用玻璃纖維增強塑料。1994年，中國制造出首艘復合材料快艇，標志技術(shù)突破。2004年及2008年，中國分別建造了采用復合材料的大型船只，有代表性的是“舷梯號”船采用GFＲP 材料建造，展現(xiàn)了復合材料在船舶制造領域的快速發(fā)展和應用拓展。

3.復材在船舶中的應用場景及分類

目前，船用復合材料，尤其是應用于船體結(jié)構(gòu)的復合材料，以聚合物基復合材料為主，按結(jié)構(gòu)可分為層合板( 纖維增強復合材料) 和夾層結(jié)構(gòu)復合材料 2 大類型，其中包含 3 個方面的重要復合物: 增強材料、樹脂( 即基體)和芯層材料。船用復合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( 包括吸聲、隔聲、透聲) 、隱身( 包括吸波、透波、反射、頻選) 、防護等 5 大系列材料，船用復合材料的分類及應用部位如圖。

4.發(fā)展現(xiàn)狀

4.1國外發(fā)展現(xiàn)狀

在全球船舶制造領域，多種復合材料得到了應用，主要類型包括石膏復合材料、碳復合材料和玻璃纖維復合材料等。碳纖維復合材料因其出色的高強度、輕質(zhì)、優(yōu)異的機械性能、耐腐蝕能力和抗疲勞性，在船舶制造中尤為受到青睞，其性能在重量、速度、結(jié)構(gòu)強度等方面明顯超過傳統(tǒng)鋼材。例如，“超級雅典娜”號、長50英尺的Pogo 40S2帆船和瑞士的Alinghi AC-33美洲杯賽艇均采用了碳復合材料。瑞典Volvo Ocean Race的船隊和英國的Princess 70 Mega Yacht的外殼及部分結(jié)構(gòu)也采用此材料，顯著提升了船只的減重效果和性能。沃爾沃汽車制造的27.4米商用船MSV Explorer使用碳纖維復合材料，實現(xiàn)了輕盈且強度高的船體設計，優(yōu)化了效能和燃油效率。美國Gulfstream公司同樣采用復合材料制造其衛(wèi)星通信船，利用材料的輕質(zhì)和高強度特性，保證船只能夠應對海洋環(huán)境的挑戰(zhàn)。

4.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

中國，船舶制造業(yè)對復合材料的制造工藝已逐漸精熟，包括成型和固化等步驟。特別是碳纖維等高性能復合材料的應用正變得日益普及，企業(yè)如橙船科技通過替換鋼材以提升環(huán)保性和效率。在船舶維護領域，復合材料的使用也大幅提高了修復效率和降低了成本，如使用特非凝膠修補船體，提升了抗壓和防水性能。盡管如此，國內(nèi)在復合材料的配方和改性技術(shù)上仍未達到國際水平。

復合材料的應用范圍廣泛，覆蓋船體、船舶部件等多個方面。國內(nèi)復合材料主要應用于船殼、餐廳、安全艙等，如華能集團的船舶發(fā)動機柜和中船重工生產(chǎn)的魚鷹級船舶等都采用復合材料，使船體更輕、更有彈性。

對于復合材料的質(zhì)量標準和檢測流程已逐步規(guī)范，必須符合國家標準和船級社標準。國家相關(guān)部門也制定了一系列行業(yè)標準，如《聲吶導流罩用玻璃纖維增強塑料規(guī)范》等，以指導和規(guī)范復合材料的使用。

盡管國際上復合材料在船舶制造中已有廣泛應用，中國在這一領域的進展相對緩慢，主要應用于快艇等。面臨的挑戰(zhàn)包括高成本、復雜的工藝、缺乏成熟規(guī)范和長周期的設計評估，這些問題限制了復合材料在國內(nèi)船舶制造領域的進一步推廣和應用。

5.前沿應用

浪速泵制造所，一家日本公司，最近推出了一款創(chuàng)新的超輕型船用泵，這款泵由碳纖維增強復合材料（CFRP）制成，標志著全球首款碳纖維船用泵的問世。該泵將被安裝在川崎重工生產(chǎn)的水翼噴射船“SEVEN ISLANDS YUI”上。這一突破性產(chǎn)品采用了新開發(fā)的CFRP技術(shù)，以取代傳統(tǒng)的鋁質(zhì)泵。經(jīng)過廣泛的測試，這款泵證明能夠承受極端的工作環(huán)境，展現(xiàn)出卓越的耐壓和耐久性能。通過與川崎重工及東海汽船的兩年緊密合作，于2020年6月30日，這款船用泵成功交付并投入使用。與傳統(tǒng)的海用青銅鑄造泵相比，采用CFRP材料的泵重量大大減輕，僅為后者的四分之一。

6.展望

展望未來，復合材料在船舶制造中的應用預計將繼續(xù)擴大，主要得益于它們在提高船只性能、降低維護成本以及提升環(huán)境可持續(xù)性方面的顯著優(yōu)勢。隨著材料科學的進步和制造技術(shù)的創(chuàng)新，如3D打印等新興技術(shù)的應用，將使得復合材料的使用更加廣泛和高效。此外，對于減少全球碳排放和實現(xiàn)綠色航運的日益迫切需求將進一步推動復合材料技術(shù)的發(fā)展。我們可以預見，未來的船舶將更加依賴于輕質(zhì)、高強度、耐腐蝕的復合材料，以實現(xiàn)更高的能效和環(huán)境友好性。

進一步地，智能化和數(shù)字化技術(shù)的融合將使得復合材料的設計和應用更加精準和有效。通過大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的幫助，可以優(yōu)化材料組合和結(jié)構(gòu)設計，實現(xiàn)個性化和定制化的船舶解決方案。同時，隨著全球?qū)Νh(huán)境保護標準的提升，復合材料的回收利用和生命周期管理也將成為研究和發(fā)展的重點，以確保船舶制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

綜上所述，復合材料將在未來的船舶制造業(yè)中扮演更加重要的角色，不僅因為它們能夠提升船只的性能和效率，還因為它們符合當前的環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展趨勢。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進步和創(chuàng)新，我們有理由相信，船舶制造業(yè)將迎來一個更加綠色、高效和智能化的新時代。

參考文獻：

[1]朱昊.復合材料在船舶上的應用及發(fā)展趨勢探討[J].信息記錄材料,2023,24(09):27-29+33.

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