復(fù)合材料的特點及在船舶中的應(yīng)用

1、復(fù)合材料的特點及在船舶中的應(yīng)用近數(shù)十年復(fù)合材料在船舶制造中的應(yīng)用越來越普遍。隨著材料、施工方法以及應(yīng)用上的改進(jìn)，船只的安全性和可靠性都得到了增強(qiáng)，從而保證了乘客和機(jī)組人員的安全。 層合板是通過擠壓或加熱把多層的復(fù)合材料與單個的薄板黏合在一起制成的。夾芯復(fù)合材料（或三明治復(fù)合材料）被定義為夾在兩塊層壓復(fù)合面層中的夾芯材料。夾芯復(fù)合材料的兩個層面提供了所需的彎曲度和平面剪切剛度并承載了軸向、彎曲和剪切載荷，類似于I型梁的翼緣，被夾芯材料隔開，用來抵抗彎曲載荷。夾芯材料更像I型梁的腹板用來抵抗彎曲載荷，通過把面層分開的方式幫助增強(qiáng)整個結(jié)構(gòu)的剛度。 對于船舶產(chǎn)業(yè)，復(fù)合材料是比較新的應(yīng)用材料，僅在過去的

2、50年中開始投入使用。傳統(tǒng)的造船材料是木材、鋼鐵和鋁。雖然大型船艇主要是由鋼材制成，但復(fù)合材料有時也會用在船舶上層建筑和內(nèi)部組件上。玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GRP），纖維增強(qiáng)塑料（FRP）的一種，首次于20世紀(jì)50年代應(yīng)用于海軍人員的船只。從那時起，玻璃鋼材料在快艇、游艇、表演船艇（如賽艇）以及諸如拖網(wǎng)漁船的小型商業(yè)船只上的使用得到了普遍的認(rèn)可。玻璃鋼的好處包括改善了比強(qiáng)度、比剛度以及耐腐蝕性。近年來復(fù)合材料在較大船只上的使用不斷增加，主要用于高速客船。然而，玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GRP）在大型船只建造上的使用受到了限制，部分是因為船體變形的問題，可能導(dǎo)致螺旋槳軸系和管道安排的問題。 關(guān)于復(fù)合材料一個嚴(yán)

3、重的問題是它們支持燃燒。絕緣可以幫助減少伴有復(fù)合材料引爆的火災(zāi)的危害，但事實是我們對復(fù)合材料進(jìn)行改善之前，必須對其可燃燒行為有更多的理解。就著點火和火焰?zhèn)鞑ヅc木材相比，一些復(fù)合材料的安全性也是相當(dāng)不錯的。性能的好壞主要是看用在復(fù)合材料中樹脂的類型。伴有煙霧的危害，以及燃燒塑料時所釋放出的有毒物質(zhì)的危害，是關(guān)系乘客安全和腐蝕電子元件的一個主要方面。就煙霧的產(chǎn)生而言，玻璃鋼船體系統(tǒng)通常比同樣的木制船體系統(tǒng)能產(chǎn)生更多的煙霧。 樹脂 樹脂被劃分為熱固性的和熱塑性的。熱固性樹脂暴露在高溫下時不會被軟化而熱塑性樹脂可以。熱固性樹脂幾乎只用在船舶中，比如聚酯樹脂和環(huán)氧樹脂。其優(yōu)勢是有廣泛的配方、抗高溫、有良

4、好的耐溶劑性和耐腐蝕性（在海洋環(huán)境中一個明確的優(yōu)勢）和良好的機(jī)械和電性能。缺點包括在固化（液體到固體）、收縮階段發(fā)生放熱反應(yīng)。 決定使用某種類型的樹脂基于幾個因素。就正常操作環(huán)境中的防潮性和強(qiáng)度而言，環(huán)氧樹脂有著優(yōu)越的性能，但相對較高的成本和差的耐熱性都妨礙了它們在大型應(yīng)用中的廣泛使用。相對而言，聚酯樹脂要便宜一些，有著良好的耐化學(xué)性，很容易使用?？偟膩碚f，較小的船只經(jīng)常使用環(huán)氧樹脂，尤其是木材船，經(jīng)常是由浸透在環(huán)氧樹脂中的薄木板經(jīng)過冷成型（層壓）后形成的。 由傳統(tǒng)的加襯方式制成的木頭船經(jīng)常涂有一層環(huán)氧樹脂或是被在環(huán)氧樹脂中浸濕了的船布覆蓋起來。聚酯樹脂在其他方面也是很常用的，比如GRP船體和

5、完全由GRP 材料制成的小型商業(yè)船只。美國對商業(yè)船只的規(guī)定要求使用的阻燃樹脂必須達(dá)到軍用規(guī)格MIL-R-21607。 增強(qiáng)材料 最常用的增強(qiáng)材料是玻璃纖維，占整個增強(qiáng)塑料行業(yè)所使用纖維的90以上。玻璃纖維相對便宜，有良好的比強(qiáng)度。 聚合物纖維，如Kevlar以及其他重量輕、強(qiáng)度大的芳綸纖維，昂貴的價格限制了它們主要用在軍事上。聚酯和尼龍纖維也屬于聚合物纖維。在大多數(shù)船舶應(yīng)用中，都不會因為聚合物纖維的優(yōu)點而不考慮到其成本的高低。 在所有增強(qiáng)纖維中，碳纖維有著最高的強(qiáng)度和剛度，還具有極好的高溫性能。由于成本太高，阻礙了其在各行業(yè)的應(yīng)用，但最專業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域除外。碳纖維常用于剛度和低重量都非常重要的高

6、性能船上。 增強(qiáng)材料的結(jié)構(gòu) 增強(qiáng)纖維有幾種不同的形式，從連續(xù)原絲到錯綜復(fù)雜的織物。形式的選擇取決于接合方法和層壓板的結(jié)構(gòu)要求。某些應(yīng)用方面（比如車身和小船）采用相對粗陋的方法：“切碎噴槍”用來鏈接纖維短切原絲，約以5厘米（2英寸）的長度，樹脂也被當(dāng)做組成部分噴入模具，用這樣的方法很難控制最終樹脂和纖維的比例。其他接合方法包括在模具中用樹脂將織物、薄氈或無捻粗紗織物浸濕。 織物增強(qiáng)材料包括布或方格布。布是典型的輕重量（每平方米200到340克）。方格布是由一束以特殊的編制方式編制而成的連續(xù)纖維原絲組成。（像繩子但不彎曲）。方格布有較重的重量也是可以被使用的（每平方米815克），其中在船舶應(yīng)用中最

7、為普遍。方格布可以有不同方向的強(qiáng)度，它們比普通布或薄氈有更強(qiáng)的抗沖性。 增強(qiáng)氈由非織造短切紗或連續(xù)纖維原絲構(gòu)成。 增強(qiáng)材料的結(jié)構(gòu)類型還有編織的、單項的和多軸向的，但它們在船舶中的使用是有限的。 大多數(shù)船只的構(gòu)建都使用短切原絲氈和方格布相結(jié)合的方式。玻璃鋼層板通常為提供某種服務(wù)的船只而設(shè)。船只的大小和航行的環(huán)境也是其中的兩個方面。船只建造計劃通常包括層壓板流程詳細(xì)說明和每個部件的接合過程。 夾芯材料 蜂窩 蜂窩材料包括鋁、芳綸紙（Nomex）和酚醛樹脂浸漬玻璃纖維。蜂窩芯材廣泛用于飛機(jī)制造業(yè)已經(jīng)有多年的歷史了。蜂窩芯材在船舶上的應(yīng)用卻很有限，因為在復(fù)雜幾何形狀焊接上有很大的困難，也因為蜂窩芯材具

8、有吸水性。然而，它可以使面板變得非常輕便、堅硬，這可能對內(nèi)部結(jié)構(gòu)和橋面板是有用的，雖然在這些應(yīng)用中是罕見的。一個看起來非常成功的使用蜂窩芯材的例子是在賽艇的殼體建造中使用，其中剛度、重量輕都是重要的。 膠合板 膠合板有時用在需要加強(qiáng)作用的地方。貫穿船體的配件或其他硬件安裝領(lǐng)域，有時用膠合板夾材來取代密度較低的芯材。GRP作為膠合板結(jié)構(gòu)的護(hù)套料是較為常見的，例如在一個小船的艙壁上，一層薄薄的玻璃鋼將用于保護(hù)膠合板免受磨損，并應(yīng)用于防潮屏障。 熱固性泡沫材料 熱固性泡沫材料，如蜂窩醋酸纖維素、聚苯乙烯及聚氨酯重量很輕（密度約為32 kg/m3），有著很好的抗水性和抗腐蝕性。由于熱固性泡沫材料具有較低的強(qiáng)度性能，聚苯乙烯與聚酯樹脂是不兼容的，因此他們的使用通常限制在浮力上面，而不是結(jié)構(gòu)上。熱固性泡沫材料經(jīng)常被用來作為現(xiàn)場發(fā)泡材料來填補(bǔ)小船船體空隙。 PVC泡沫材料 PVC泡沫材料有兩種類型：交聯(lián)的和線狀的?；緟^(qū)別是，線狀PVC泡沫材料由于分子結(jié)構(gòu)是非連接的，所以具有特有的材料特性，這使得它比交聯(lián)泡沫材料和其他夾芯材料（如輕木）有更大的沖擊載荷承受力。PVC泡沫材料的密度低至32 kg/m3的時候