【復材資訊】船用複合材料的應用(碳纖維玻璃鋼芳綸)

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船用複合材料，尤其是應用於船體結構的複合材料，以聚合物基複合材料為主，按結構可分為層合板（纖維增強複合材料）和夾層結構複合材料兩大型別，其中含三個方面重要複合物：增強材料、樹脂（即基體）和芯層材料。

按照承載部位不同可分為：主承力結構、次承力結構、非承力結構等。按照功能可分為：結構、阻尼、聲學（包括吸聲、隔聲、透聲）、隱身（包括吸波、透波、反射、頻選）、防護等五大系列材料。

效能的優越性主要體現在：輕質高強，能有效提高船體的儲備浮力；結構功能一體化，在滿足結構承載的情況下效能可設計，通常具有聲學、雷達、減振、防護、低磁等其他效能，一般的材料成型過程同樣是結構成型過程；耐腐蝕，可滿足高鹽、高溼、紫外線等苛刻海洋環境要求；耐老化，可滿足船舶的長壽命要求。

目前碳纖維複合材料已經廣泛應用於航空航天、體育休閒、汽車工業、環境能源、土木工程等領域，其應用範圍幾乎是無處不在，其中，在小船、遊艇、大型艦艇以及其他船舶領域，碳纖維的應用正在取得進展。碳纖維是用於船舶領域的理想材料，因為它可以減少船體振動，保持船舶之間良好的無線通訊環境等。

此外，使用碳纖維的最重要原因是這種材料可以透過減輕重量，提高船舶的速度和燃油經濟性。例如，透過採用碳纖維增強複合材料（CFRP）替代玻璃纖維複合材料（GFRP），可使船體的重量降低。

碳纖維及其複合材料在遊艇中的應用，透過在上層結構與甲板裝置中使用CFRP，可進一步減輕重量、提高船舶的穩定性；碳纖維傳動軸也可以實現減輕重量、減少震動；碳纖維在螺旋槳葉片中也有潛在的廣泛應用。

早在上世紀40年代，美國海軍就運用複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50年代中期就規定16m以下的船艇須用複合材料製造。隨著材料科學的發展、施工方法和應用形式的改進，1994年美國利用複合材料建成長達68。3米的“復仇者”級掃雷艇。1996年建造的深潛探海艇，其外殼採用的就是石墨纖維增強的複合材料，艇的下潛深度可達6096m。2006年製造的代號M80的“短劍”（Stiletto）是最新型高速隱形試驗快艇，是碳纖維一次成型的最大船體，由於工藝無焊接、無鉚接，大幅度實現了船隻的整體輕量化，在艇長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。美國洛杉磯級核潛艇也採用新型的複合材料製造聲納導流罩，其長7。6m，最大直徑8。1m，且效能優良。美國海軍還將軍事裝備艦船向傳統的氣墊船發展。常規氣墊船採用類似飛機上的鋁質硬式殼體為基礎材料，而美國全地形海陸兩棲氣墊船公司（ATLAS氣墊船）開發出一種名為AH-100-P的全複合材料的氣墊船，設計可容納150名乘員。作為亞洲複合材料艦船製造大國，早在1953年日本就開始建造玻璃鋼船，到了上世紀70年代日本的漁船開始廣泛的使用玻璃鋼，自此之後，日本每年都會製造上萬艘玻璃鋼漁船並且技術越來越完善。如今日本的玻璃鋼產量居世界前列，僅海洋機動漁船的玻璃鋼用量就佔76。3%。同時在碳纖維等高效能複合材料的研製以及生產中，日本在國際上也佔據著重要的地位，其高效能船舶、比賽用艇及豪華遊艇現以廣泛的採用高效能碳纖維複合材料。

碳纖維有高強度和高模量兩類，具有高剛度、高屈服強度、高彎曲強度的特性，一般用於高效能、高速度船舶的製造。日本碳纖維銷售世界各地，主要用於高速快艇、高效能賽艇、豪華遊艇等船艇製造。

芳綸纖維高比強、高韌性、抗衝擊、可防彈的特性，用於對受拉、受動載荷、防彈要求高的船艇構件。由於壓縮彎曲強度低，不適用於高壓縮、高彎曲的船殼製造，只適用於嚴格限重的艦船。

船艇製造中考慮成本時，在滿足設計要求的前提下，出現了使用混雜纖維複合材料的設計方法。多種纖維增強材料的混雜使用，克服了單一纖維複合材料的某些缺點，改善物理力學效能，進一步提高材料的可設計性。透過增強材料形成的二維、三維織物，可根據設計需要進行製造，滿足艦船的強度、層內、層間效能，進一步實現艦船輕質高強要求

因複合材料重量輕，美國海軍計劃在動力艙中採用玻璃增強酚醛複合材料，包括船用柴油機的氣缸、缸蓋、油底殼、凸輪罩、支承滾軸、調速鏈輪以及水泵、油泵、滑車等。

水面艦艇的一些機械元件也可採用複合材料製造，在減輕船體重量的趨勢中，推進系統的動力傳輸部件的減重也提到了議事日程。典型的是在2或4臺高速柴油機透過減速齒輪箱驅動噴水推進器的高速船上，無論柴油機與齒輪箱之間，還是齒輪箱和噴水推進裝置之間的距離都縮短了。尤其是在雙體船狹小的空間裡要求錯落佈置4臺柴油機，前部柴油機中發出的功率必須通過後部的柴油機傳輸出去。因此，這就要求配備重量最輕、部件最少的傳動裝置。而採用由碳纖維管材料的驅動軸，能夠輕而易舉地達到減輕傳動部件重量的目的。

CFRP驅動軸的主要優點包括：明顯地減輕了驅動軸的重量；臨界速度高，長軸系上通常不需要佈置軸承，減少了軸承的數量，降低了成本，減輕了軸系，減少了部件，節省了軸承支撐件的成本以及減輕了重量；耐腐蝕、低磁訊號、電訊號、抗磨損，可降低結構和空氣中的噪聲達520dB。文章來源：復材網、易復材、復材新天地

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