复合材料在舰船上的应用
摘 要：复合材料由于具有质轻、优良的力学性能、无磁性、耐蚀性好及材料的可设计性等一系优良特性，在理论研究和实际应用上引起了人们极大的关注。近年来，各国纷纷致力于复合材料的研究开发。本文综述了复合材料的性能特点、复合材料在舰船船体、上层建筑、桅杆、推进器等几方面上的应用，分析了我国船用复合材料的现状和发展前景。
随着科学技术的不断发展，对材料性能要求也越来越高，原来的金属、高分子或陶瓷等单一材料已不能满足对强度、韧性、刚度、质量、耐磨及耐蚀性等方面的要求。材料的复合化是材料发展的必然趋势之一。复合材料就是用两种或两种以上不同性能、不同形态的组分材料通过复合材料手段组合而成的一种多相材料，它可发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。
纤维增强树脂基复合材料，也称纤维增强塑料(Fiber Reinforced Plastics)，是目前技术比较成熟且应用为广泛的一类复合材料，这种材料是用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体经复合而成，根据增强体的种类，可分为玻璃纤维增强树脂基复合材料、碳纤维增强树脂基复合材料、硼纤维增强树脂基复合材料、碳化硅纤维增强树脂基复合材料等类型。玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)在我国称为玻璃钢。先进树脂基复合材料是指用碳纤维、陶瓷纤维、芳纶纤维等增强的聚合物复合材料。
1 复合材料作为造船材料的性能特点
复合材料作为造船材料具有如下特点。
(1)质轻、优良的机械性能。几种复合材料和常用材料性能对比见表1。
(2)复合材料的抗疲劳性好。复合材料疲劳破坏是比较薄弱的纤维处开始作用，逐渐扩展到结合面上。而基体和增强纤维的界面能够有效地阻止疲劳裂纹的扩展，故抗疲劳性能好。一般金属材料的疲劳极限为抗拉强度的40%~50%，而碳纤维增强塑料是70%~80%。
(3)无磁性。复合材料无磁性，在很大的磁场中也不会被磁化，因此复合材料舰船不易被对方磁探仪发现，可使装磁引信的水雷或鱼雷失效，可以避免磁性雷的攻击，具有很好的反监护作用，这点在军事上特别重要。[-page-]
(4)耐蚀性好。复合材料只要配方设计合理，在酸性、碱性及众多恶劣环境中具有良好的耐腐蚀性。用复合材料制造军舰、轮船、不用涂漆，在海水中航行几年也举生锈，能减少涂油漆等维修费用，使用年限长。
(5)可根据性能需求进行材料的设计和制造。因复合材料的可设计性，可以选择不同聚合物和增强材料以及不同的配方、成型工艺等达到不同的性能。以纤维增强塑为例，通过对纤维的种类和含量，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。因此，可根据舰船不同部位的结构要求，进行材料、铺层和结构的优化设计。
(6)可制成所需的任意形状的产品，避免多次加工工序。常规材料的抽象材料定义是：可以直接制造制品的物料。但是，复合材料制品不是用“复合材料”直接做出来的。“复合材料”是在做复合材料制品时，才和其制品一起制造出来的，即在复合材料的成型过程中，同时形成了制品的结构，正是由于这一点不同，给复合材料带来很大的优势，可大大减少车、铣、刨、磨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，提高了舰船的性能。
此外，复合材料还具有优良的声、介电性能、耐高温、减振性等一系列优点，使一种材料具有多种性能。如玻璃钢既具有类似钢材的强度，又具有塑料的介电性能和耐蚀性能。复合材料的上述性能是船用其他材料难以比拟的，因此，在舰船上有着广阔的应用前景。
2 复合材料在舰船上的应用
2.1 复合材料舰船
美国是复合材料科学技术发展先进，复合材料应用广、用量大的，在复合材料舰船方面，其规模和技术都走在前列。美国海军于1946年建成了长8.53m的的艘聚酯GFRP交通艇，就此拉开了复合材料造船的序幕。这之后，为了加快玻璃钢船艇的发展，美国海军在上世纪50年代中期就规定16m以下的舰艇必须用复合材料制造。1954年前后，美国的手糊成型工艺日趋成熟，开始开发GFRP游艇，并于次年大量生产游艇、帆船等船艇。1956年美国建造了2艘不同结构形式的小型扫雷艇，开始了GFRP在扫雷艇中的应用研究。20世纪60年代早期，美国海军制造了艘全GFRP巡逻，越战期间在内河上应用。1966年美国开始批量生8产大型复合材料渔船，1979年就建造了390艘。80年代末美国建造的MHC-1级猎/扫雷艇，90年代初建成的GFRP沿海猎雷艇“Osprey”号，艇体均采用高级间苯聚酯树脂，并以半自动浸胶作业制造。同时期建造的长14.3m，船速达60kn的巡逻艇，采用了凯芙拉增强的聚酯树脂单壳结构。1996年建造的深潜探海艇，用了石墨纤维增强环氧树脂单壳结构，艇的下潜深度可达6096m。由美国国防部部队转型办公室设计并建造的，2006年2月初下水的美国海军新型高速隐形试验快艇代号M80的“短剑”(Stiletto)，如图1(a)，是美国使用碳纤维复合材料一次成型制造的大船体，在整体制造成型过程中不用焊接，更无需铆接，因此船体外表十分光滑，重量也大为降低。该艇长为24.4m，宽为12.2m，吃水为0.9m，排水量为67t。它独特的双“M”船体设计以及碳纤维材料的使用，不但使其获得了高速，也使其行驶过程中的稳定性更高，高速行驶中的沉浮现象大大减轻，即使在高速回转时，依然可以保持平衡行驶，从而增加了艇员的舒适度，提高了艇的适航安全性，扩大了在内河和地形复杂的浅海使用范围。与此同时，由于其阻力的降低也使得“短剑”比普通快艇更加节省燃料。由此可见，自上世纪90年代以来，美国的船舰已大量采用先进复合材料来制造，先进复合材料在船艇工业中将得到日益增多的应用。[-page-]
二十世纪六七十年代，英美同时进行猎雷艇的设计开发。于1973年采用复合材料制造了全长为46.6m，满载排水量达450t，当时大的全玻璃钢舰船，也是艘反水雷舰艇-HMS Wilton。HMS Wilton的巨大成功带来复合材料应用的迅速扩张。上世纪八十年代早期就制造了200多艘全复合材料反水雷舰艇。英国国防部舰艇处发表了推荐采用玻璃钢作为舰艇结构材料的文件，1962年英国船舶登记局颁布了劳氏船级社关于6~36m长GFRP船的技术规范。英国不仅是大型GFRP反水雷舰艇的先驱，在复合材料高速艇的研制技术方面也属一流水平，建造了不少军用高速艇，它还研制了航速很高的轻型气垫船和横渡英吉利海峡的HM-2型气垫渡船。
瑞典的夹层结构复合材料技术堪称一流，用之建造了不少高速军用艇和巡逻艇，如TV171、TV172和CG27型海岸巡逻艇。值得一提的是，瑞典于1991年研制成功了上艘复合材料隐形试验艇“斯米格”(Smyge)号，该艇采用碳纤维与玻璃纤维混杂复合材料技术和PVC泡沫夹心结构建造，提高了速度和隐形性，集先进复合材料技术、夹层结构技术、隐身技术及双体气垫技术于一身，堪称当代高科技舰船。1993年，瑞典军备局和海军推出“水面战斗舰2000”计划(YS2000)。YS2000计划项目建造的艘护卫舰命名为“维斯比”号(Visby)，该级军舰就此成为维斯比级护卫舰，如图1(b)，该舰于2000年6月8日下水，全长为73m，舰宽为10.4m，吃水深度为2.4m，排水量为600t(全部)。船体采用复合材料夹层结构，主要由一个碳纤维和乙烯层压材料组成的一个PVC核心构成。船体复合材料提供很高的强度和硬度，低重量和很好的冲击强度，低雷达和磁场信号特征，还能吸收电磁 波，是艘在舰体结构中有效利用碳纤维复合材料的海军舰艇。为了用CFRP建造如此大的舰船，瑞典花费大量时间进行试验，研究出真空辅助夹层灌输法生产工艺。采用CFRP材料建造的维斯比级护了舰较同级钢质舰艇轻一半，这意味着舰上可以装设更多的装备，航速与续航力也可提高。
其他对复合材料舰船的发展也十分重视。如1999年4月下水的由挪威皇家海军制造的大的全复合材料挪威Skjold(盾牌星座“Shield”)级气垫双体导弹快速巡逻艇，如图1(c)。艇体内外使用了由玻璃纤维和石墨多层粘合布组成的多层纤维增强塑料，边缘则使用了乙烯树脂和聚酯树脂；艇体和表面还大量安装计雷达波吸收材料和涂敷复合材料，横梁、桅杆和支承结构选用高抗拉强度的碳纤维和石墨填充材料。采用复合材料夹层结构，简单化了主船体和上层建筑，具有较高的比强度、好的冲击性能和低的红外、磁和雷达特性。意大利20世纪80年代后采用先进复合材料开发了Lerici I型、Lerici II型和Lerici MK II型硬壳式猎雷艇。俄罗斯也一直注重复合材料在舰船上的应用。前苏联1959年建成了长32.5m的玻璃钢内河油轮，1970年建成24.6m长的小型玻璃钢反水雷艇“Yevgenya”号，1989年起批量建造Lida级玻璃钢沿海猎雷艇。[-page-]
2.2 复合材料上层建筑
舰船上层建筑容纳了各种电子信息装备及其天线、武器装备、机电设备等，承担着绝大部分的电磁手段运用、武器装备发射、航行控制、作占指挥、补给以及其他与外部环境相互作用的作占功能，对舰船的整体作占性能起着决定性的影响。轻型复合材料的采用，不仅减轻了上层建筑的重量，而且通过在轻型复合材料夹层里嵌入有滤波功能的频率选择层(FFS)，允许发射和接收预定的频率，从而滤除敌方雷达电磁波。
近年来，许多海军对采用复合材料建造大型舰船上层建筑的可行性进行了评估。由于玻璃钢的屈服应力约为钢的10倍，因此在钢结构与复合材料上层建筑连接处产生疲劳断裂的可能性大大减小。同时复合材料上层建筑代替钢质上层建筑还可减轻重量，对于小型海军舰艇(长度小于20m)来说，采用复合材料代替钢可以减轻约65%的重量。
法国海军于1992年开始在舰船上层建筑采用复合材料，2002年交付的5艘“拉斐特”级舰的上层建筑均采用复合材料GRP夹层板建造。芬兰皇家海军的快速巡逻艇劳马(Rauma)的上层建筑也采用复合材料夹层结构，船体采用铝合金。美国海军“阿利・伯克”级驱逐舰的上层建筑是由夹层复合材料与钢结构组合而成，包括武器系统的外罩(CT-WS)、前指挥室、直升机库、烟囱等。目前，其他一些海军也正在考虑将复合材料应用于上层建筑。
2.3 复合材料推进器
目前，在舰船推进器方面应用较多的是碳纤维增强的复合材料。复合材料螺旋桨的优点是：批量生产、成本低、质量轻、使用寿命长、降低变速箱/轴磨损等。安静是当今舰船的主攻方向之一，低嗓已成为衡量舰船(特别是潜艇)总体性能的重要指标之一。当螺旋桨高速运转时其桨叶片上产生时灭的空泡，导致桨叶剥蚀，并伴有强烈的振动和噪声。更轻的复合材料可在不显著增加螺旋桨重量的情况下使叶片更薄，薄叶片具有改善空泡性能的潜力，从而降低振动和水下特征。前苏联早将复合材料螺旋桨用于实船。20世纪60年代就在一艘渔船上安装了一个直径2m的复合材料螺旋桨，70年代又在一艘大型商业船上采用了一个直径达6m的复合材料螺旋桨。德国AIR公司研制出一种碳纤维环氧的螺旋桨，比金属桨推进效率提高3%~10%，减轻重量25%~35%，有利于快艇加速；另外，该螺旋桨阻尼性好，可降低噪声约5dB。英国QinetiQ公司经过3年研制，已成功完成大复合材料桨叶在镍铝铜合金桨轴上，安装在“海神”号三体试验舰进行了性能测度。海试表明该桨为大幅降低震动，运转平衡。在推进轴方面，复合材料推进轴的优点是重量轻、有弹性、适应性强、不导电、无腐蚀等。瑞曲的Applied Composits AB公司于1989年开始研制复合材料推进轴，已经试验和评估了几千种不同材料的复合材料以及表面处理方法以获得轴的佳性能，相当多的商船、军舰、游艇和大型双体船等使用其生产的复合推进轴，传输功率达12MW，可承载的转矩达220kN・m。
2.4 复合材料桅杆
为了减少占舰的雷达反射截面和光学特征，达到隐身的目的，未来水面舰艇将装备封闭式综合传感器桅杆，取代挂满各种鞭状、条状天线和各式彩施的传统式桅杆，而将各种雷达、通信天线设计成平面式或球形阵列天线，组成一体化的封闭式综合传感器桅杆。美国海军以下一代舰船的桅杆为目标，从1995年开始研究先进的全封闭的桅杆(Advanced Enclosed Mast/Sensor)系统，设计制造的，AEM/S是由上、下两个外表面向内倾斜10度的六角锥形体结构组成，各种天线和有关设备都统一组合装备在该结构内，结构内部传感器的电波能以极低损耗穿过结构物，结构外部由能反射电波的复合材料板材构成，而且由于所有设备都装备在结构的内部，可以防止风雨和盐份的侵害，对设备的维修保养十分有利。该系统脱离了传统的桅杆概念，用于装备驱逐舰(SC-21)、航空母舰(CVX)和“圣・安东尼奥”(LPD-17)两栖战舰等。[-page-]
欧洲海军也正在研制封闭综合传感器桅杆。该桅杆为一金字塔形封闭式桅杆，塔顶为一个较小的圆球，欧洲人将这种全新的桅杆，形象地称之为“乌鸦窝”。“乌鸦窝”将容纳相控阵雷达天线以及各式无线电通信、数据传输、电子对抗天线和红外、雷达、激光告警接收天线，而且同一种天线将4个一组或3个一组地成群出现，能够360度全向探测与接收，不留死角。各种雷达波束、通信数据都能在同一个时间内通过计算机自动处理后实时显示在指挥控制中心。新型封闭式桅杆必须由先进的复合材料建造。欧洲海军的“乌鸦窝”由纳米技术制造的玻璃纤维、碳纤维等复合而成。它可以让各种不同的雷达波束和通信信号，相互之间不受干扰地通过，而且信号损耗极低，又能抵抗外来干扰，这在21世纪的海上信息化战争中将具有明显的优势。奎奈蒂克(Qinetiq)公司研制的先进技术桅杆(ATM)于2006年投入使用，装备英国海军“皇家方舟”号航母。
2.5 复合材料在舰船其他方面上的应用
复合材料除应用于以上几方面外，还可用于制造机械装置、舵、装备、管道系统等。如2007年4月份，在一年一度的欧洲大也是大的复合材料展览会JEC上，法国DJP等展出了用于大型船舶发动机的复合材料水压控制装置，它由一个阀体及一个可分成两部分的导管所组成。该装置的重量仅为传统的钢或铸铁的1/7~1/8且具有更高的机械性能及抗震性能。采用一次成型工艺，无需再次组装或粘结，使用寿命长，耐腐蚀、成本低廉。近法国法拉利公司(FERRARI)推出专为船上应用而设计的船用复合材料织物Stamoid船用系列产品，这种复合材料织物经过综合处理，具有耐久性好、抗紫外线、柔软、密封防水、保养容易、防霉、尺寸稳定、体积小等特点。适用于在大型船只或高速运行的船上用作防雨篷、驾驶舱顶篷、风雨罩、天顶遮篷、遮阳罩或防护罩，也可以用来制造风挡，防护栏、挡风玻璃遮盖以及蹦床等。
3 国内的情况与前景
我的国复合材料起始于1958年，艘玻璃钢工作艇于当年在上海诞生。这之后通过不断的研制和开发，已建造了大小不一的百余种型号玻璃钢船艇，如982型边防巡逻艇及其改进艇型，已造了200多艘；1992年在蛇口召开第二届国际高性能船舶会议，此后，广东地区掀起研制复合材料高速客船的热潮，先后研制了40~100客位单体高速船，1995年还建成160客和225客高速双体气垫船，并与法国合作开发了双体机动帆艇，目前正在研制航速高达80km/h的复合材料水翼艇。表2列出了我国研制建造的部分复合材料船艇。纤维复合材料船体结构有单壳加筋结构、夹层结构、硬壳式结构、波型结构及其混杂结构。目前我国用得多的是单壳加筋结构，近几年也采用了一些夹层结构，硬壳结构抗爆性能好，是建造纤维复合材料猎/扫雷艇艇体的理想结构。
表2
在复合材料原料方面，我国目前已能生产国际市场上大多数品种的玻璃钢用增强材料，品种基本配套。我国玻璃纤维工业近年取得了很大的发展，从1995年的16万t增长到2001年的27万t，形成了“泰山”、“巨石”、“重庆国际”3个年产量分别超过3万t的大型池窑拉丝企业，其产品已有50%左右进入国际市场。但与工业发达相比，我国玻璃纤维的生产仍有较大差距。主要表现为企业布局不合理，生产规模小、技术水平低、在玻璃纤维品种、规格、质量方面与国外相比仍然有一定的差距。对于碳纤维、芳纶纤维等高性能纤维，我国主要依赖进口，西方本家在某些品种上对我国实行禁运，这在很大程度上限制了我国高性能复合材料的发展及应用。作为原材料的树脂，国内不饱和聚酯树脂生产厂大小总共逾200家，但年前能力多数在500t以下。2002年，美国道化学公司在我国张家港市投资建设年产4.1万t的环氧树脂生产厂，已正式建成投产。目前我国酚醛树脂年产量约20万t，约1/10用于纤维增强塑料。国内具备生产乙烯基酯树脂的厂家颇多，但全年产销量仅为1500t左右。
在成型加工工艺方面，就目前的整体状况来看，我国的复合材料行业手糊工艺制品占有相当大的比重。随着复合材料工业对成型工艺产品的品质要求的不断提升，特别是对成型工艺的环保及成本方面的要求越来越高，这就促使要求生产工艺、产品质量的不断改进和升级。近年来，树脂转移成型(Resin Transfer Molding,RTM)及真空辅助树脂转移成型(Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding,VARTM)工艺以其产品质量好，闭模生产等特点在国内外得到了迅速的发展。RTM工艺在我国起步较晚，大规模发展是从1993开始的。据不完全统计，到1997年，在短短不到4年的时间里，购买的RTM设备不少于300台。我国引进该技术的时间虽短，但目前已取得了长足的进步，绝大多数的原、辅材料都已实现了国产化。VARTM技术目前在国内仍处于发展的初级阶段，但已被一些厂家采用如上海的红双喜造船厂，由某公司制造的国产玻璃钢超高速水翼船，大量采用高性能复俣材料和先进的真空辅助成型法，从而使船体结构具有极好的强度和刚性。
我国复合材料事业经历了40多年的发展，取得了一定的成绩，打下了一定基础。但总的来说我们的发展速度还不够快，与发达还有一定的差距。我们应抓住树脂基体发展创新、增强材料发展创新、生产工艺发展创新和产品应用发展创新，以开发高刚度、高强度、高湿热环境下使用的复合材料为重点，构筑材料、成型加工、设计、检查一体化的材料系统。充分利用各方面的资源(技术资源，物质资源)，紧密联系各方面的优势，以推动复合材料在舰船工业的进一步发展。
随着科学技术的不断发展，对材料性能要求也越来越高，原来的金属、高分子或陶瓷等单一材料已不能满足对强度、韧性、刚度、质量、耐磨及耐蚀性等方面的要求。材料的复合化是材料发展的必然趋势之一。复合材料就是用两种或两种以上不同性能、不同形态的组分材料通过复合材料手段组合而成的一种多相材料，它可发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。
纤维增强树脂基复合材料，也称纤维增强塑料(Fiber Reinforced Plastics)，是目前技术比较成熟且应用为广泛的一类复合材料，这种材料是用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体经复合而成，根据增强体的种类，可分为玻璃纤维增强树脂基复合材料、碳纤维增强树脂基复合材料、硼纤维增强树脂基复合材料、碳化硅纤维增强树脂基复合材料等类型。玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)在我国称为玻璃钢。先进树脂基复合材料是指用碳纤维、陶瓷纤维、芳纶纤维等增强的聚合物复合材料。
1 复合材料作为造船材料的性能特点
复合材料作为造船材料具有如下特点。
(1)质轻、优良的机械性能。几种复合材料和常用材料性能对比见表1。
(2)复合材料的抗疲劳性好。复合材料疲劳破坏是比较薄弱的纤维处开始作用，逐渐扩展到结合面上。而基体和增强纤维的界面能够有效地阻止疲劳裂纹的扩展，故抗疲劳性能好。一般金属材料的疲劳极限为抗拉强度的40%~50%，而碳纤维增强塑料是70%~80%。
(3)无磁性。复合材料无磁性，在很大的磁场中也不会被磁化，因此复合材料舰船不易被对方磁探仪发现，可使装磁引信的水雷或鱼雷失效，可以避免磁性雷的攻击，具有很好的反监护作用，这点在军事上特别重要。[-page-]
(4)耐蚀性好。复合材料只要配方设计合理，在酸性、碱性及众多恶劣环境中具有良好的耐腐蚀性。用复合材料制造军舰、轮船、不用涂漆，在海水中航行几年也举生锈，能减少涂油漆等维修费用，使用年限长。
(5)可根据性能需求进行材料的设计和制造。因复合材料的可设计性，可以选择不同聚合物和增强材料以及不同的配方、成型工艺等达到不同的性能。以纤维增强塑为例，通过对纤维的种类和含量，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。因此，可根据舰船不同部位的结构要求，进行材料、铺层和结构的优化设计。
(6)可制成所需的任意形状的产品，避免多次加工工序。常规材料的抽象材料定义是：可以直接制造制品的物料。但是，复合材料制品不是用“复合材料”直接做出来的。“复合材料”是在做复合材料制品时，才和其制品一起制造出来的，即在复合材料的成型过程中，同时形成了制品的结构，正是由于这一点不同，给复合材料带来很大的优势，可大大减少车、铣、刨、磨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，提高了舰船的性能。
此外，复合材料还具有优良的声、介电性能、耐高温、减振性等一系列优点，使一种材料具有多种性能。如玻璃钢既具有类似钢材的强度，又具有塑料的介电性能和耐蚀性能。复合材料的上述性能是船用其他材料难以比拟的，因此，在舰船上有着广阔的应用前景。
2 复合材料在舰船上的应用
2.1 复合材料舰船
美国是复合材料科学技术发展先进，复合材料应用广、用量大的，在复合材料舰船方面，其规模和技术都走在前列。美国海军于1946年建成了长8.53m的的艘聚酯GFRP交通艇，就此拉开了复合材料造船的序幕。这之后，为了加快玻璃钢船艇的发展，美国海军在上世纪50年代中期就规定16m以下的舰艇必须用复合材料制造。1954年前后，美国的手糊成型工艺日趋成熟，开始开发GFRP游艇，并于次年大量生产游艇、帆船等船艇。1956年美国建造了2艘不同结构形式的小型扫雷艇，开始了GFRP在扫雷艇中的应用研究。20世纪60年代早期，美国海军制造了艘全GFRP巡逻，越战期间在内河上应用。1966年美国开始批量生8产大型复合材料渔船，1979年就建造了390艘。80年代末美国建造的MHC-1级猎/扫雷艇，90年代初建成的GFRP沿海猎雷艇“Osprey”号，艇体均采用高级间苯聚酯树脂，并以半自动浸胶作业制造。同时期建造的长14.3m，船速达60kn的巡逻艇，采用了凯芙拉增强的聚酯树脂单壳结构。1996年建造的深潜探海艇，用了石墨纤维增强环氧树脂单壳结构，艇的下潜深度可达6096m。由美国国防部部队转型办公室设计并建造的，2006年2月初下水的美国海军新型高速隐形试验快艇代号M80的“短剑”(Stiletto)，如图1(a)，是美国使用碳纤维复合材料一次成型制造的大船体，在整体制造成型过程中不用焊接，更无需铆接，因此船体外表十分光滑，重量也大为降低。该艇长为24.4m，宽为12.2m，吃水为0.9m，排水量为67t。它独特的双“M”船体设计以及碳纤维材料的使用，不但使其获得了高速，也使其行驶过程中的稳定性更高，高速行驶中的沉浮现象大大减轻，即使在高速回转时，依然可以保持平衡行驶，从而增加了艇员的舒适度，提高了艇的适航安全性，扩大了在内河和地形复杂的浅海使用范围。与此同时，由于其阻力的降低也使得“短剑”比普通快艇更加节省燃料。由此可见，自上世纪90年代以来，美国的船舰已大量采用先进复合材料来制造，先进复合材料在船艇工业中将得到日益增多的应用。[-page-]
二十世纪六七十年代，英美同时进行猎雷艇的设计开发。于1973年采用复合材料制造了全长为46.6m，满载排水量达450t，当时大的全玻璃钢舰船，也是艘反水雷舰艇-HMS Wilton。HMS Wilton的巨大成功带来复合材料应用的迅速扩张。上世纪八十年代早期就制造了200多艘全复合材料反水雷舰艇。英国国防部舰艇处发表了推荐采用玻璃钢作为舰艇结构材料的文件，1962年英国船舶登记局颁布了劳氏船级社关于6~36m长GFRP船的技术规范。英国不仅是大型GFRP反水雷舰艇的先驱，在复合材料高速艇的研制技术方面也属一流水平，建造了不少军用高速艇，它还研制了航速很高的轻型气垫船和横渡英吉利海峡的HM-2型气垫渡船。
瑞典的夹层结构复合材料技术堪称一流，用之建造了不少高速军用艇和巡逻艇，如TV171、TV172和CG27型海岸巡逻艇。值得一提的是，瑞典于1991年研制成功了上艘复合材料隐形试验艇“斯米格”(Smyge)号，该艇采用碳纤维与玻璃纤维混杂复合材料技术和PVC泡沫夹心结构建造，提高了速度和隐形性，集先进复合材料技术、夹层结构技术、隐身技术及双体气垫技术于一身，堪称当代高科技舰船。1993年，瑞典军备局和海军推出“水面战斗舰2000”计划(YS2000)。YS2000计划项目建造的艘护卫舰命名为“维斯比”号(Visby)，该级军舰就此成为维斯比级护卫舰，如图1(b)，该舰于2000年6月8日下水，全长为73m，舰宽为10.4m，吃水深度为2.4m，排水量为600t(全部)。船体采用复合材料夹层结构，主要由一个碳纤维和乙烯层压材料组成的一个PVC核心构成。船体复合材料提供很高的强度和硬度，低重量和很好的冲击强度，低雷达和磁场信号特征，还能吸收电磁 波，是艘在舰体结构中有效利用碳纤维复合材料的海军舰艇。为了用CFRP建造如此大的舰船，瑞典花费大量时间进行试验，研究出真空辅助夹层灌输法生产工艺。采用CFRP材料建造的维斯比级护了舰较同级钢质舰艇轻一半，这意味着舰上可以装设更多的装备，航速与续航力也可提高。
其他对复合材料舰船的发展也十分重视。如1999年4月下水的由挪威皇家海军制造的大的全复合材料挪威Skjold(盾牌星座“Shield”)级气垫双体导弹快速巡逻艇，如图1(c)。艇体内外使用了由玻璃纤维和石墨多层粘合布组成的多层纤维增强塑料，边缘则使用了乙烯树脂和聚酯树脂；艇体和表面还大量安装计雷达波吸收材料和涂敷复合材料，横梁、桅杆和支承结构选用高抗拉强度的碳纤维和石墨填充材料。采用复合材料夹层结构，简单化了主船体和上层建筑，具有较高的比强度、好的冲击性能和低的红外、磁和雷达特性。意大利20世纪80年代后采用先进复合材料开发了Lerici I型、Lerici II型和Lerici MK II型硬壳式猎雷艇。俄罗斯也一直注重复合材料在舰船上的应用。前苏联1959年建成了长32.5m的玻璃钢内河油轮，1970年建成24.6m长的小型玻璃钢反水雷艇“Yevgenya”号，1989年起批量建造Lida级玻璃钢沿海猎雷艇。[-page-]
2.2 复合材料上层建筑
舰船上层建筑容纳了各种电子信息装备及其天线、武器装备、机电设备等，承担着绝大部分的电磁手段运用、武器装备发射、航行控制、作占指挥、补给以及其他与外部环境相互作用的作占功能，对舰船的整体作占性能起着决定性的影响。轻型复合材料的采用，不仅减轻了上层建筑的重量，而且通过在轻型复合材料夹层里嵌入有滤波功能的频率选择层(FFS)，允许发射和接收预定的频率，从而滤除敌方雷达电磁波。
近年来，许多海军对采用复合材料建造大型舰船上层建筑的可行性进行了评估。由于玻璃钢的屈服应力约为钢的10倍，因此在钢结构与复合材料上层建筑连接处产生疲劳断裂的可能性大大减小。同时复合材料上层建筑代替钢质上层建筑还可减轻重量，对于小型海军舰艇(长度小于20m)来说，采用复合材料代替钢可以减轻约65%的重量。
法国海军于1992年开始在舰船上层建筑采用复合材料，2002年交付的5艘“拉斐特”级舰的上层建筑均采用复合材料GRP夹层板建造。芬兰皇家海军的快速巡逻艇劳马(Rauma)的上层建筑也采用复合材料夹层结构，船体采用铝合金。美国海军“阿利・伯克”级驱逐舰的上层建筑是由夹层复合材料与钢结构组合而成，包括武器系统的外罩(CT-WS)、前指挥室、直升机库、烟囱等。目前，其他一些海军也正在考虑将复合材料应用于上层建筑。
2.3 复合材料推进器
目前，在舰船推进器方面应用较多的是碳纤维增强的复合材料。复合材料螺旋桨的优点是：批量生产、成本低、质量轻、使用寿命长、降低变速箱/轴磨损等。安静是当今舰船的主攻方向之一，低嗓已成为衡量舰船(特别是潜艇)总体性能的重要指标之一。当螺旋桨高速运转时其桨叶片上产生时灭的空泡，导致桨叶剥蚀，并伴有强烈的振动和噪声。更轻的复合材料可在不显著增加螺旋桨重量的情况下使叶片更薄，薄叶片具有改善空泡性能的潜力，从而降低振动和水下特征。前苏联早将复合材料螺旋桨用于实船。20世纪60年代就在一艘渔船上安装了一个直径2m的复合材料螺旋桨，70年代又在一艘大型商业船上采用了一个直径达6m的复合材料螺旋桨。德国AIR公司研制出一种碳纤维环氧的螺旋桨，比金属桨推进效率提高3%~10%，减轻重量25%~35%，有利于快艇加速；另外，该螺旋桨阻尼性好，可降低噪声约5dB。英国QinetiQ公司经过3年研制，已成功完成大复合材料桨叶在镍铝铜合金桨轴上，安装在“海神”号三体试验舰进行了性能测度。海试表明该桨为大幅降低震动，运转平衡。在推进轴方面，复合材料推进轴的优点是重量轻、有弹性、适应性强、不导电、无腐蚀等。瑞曲的Applied Composits AB公司于1989年开始研制复合材料推进轴，已经试验和评估了几千种不同材料的复合材料以及表面处理方法以获得轴的佳性能，相当多的商船、军舰、游艇和大型双体船等使用其生产的复合推进轴，传输功率达12MW，可承载的转矩达220kN・m。
2.4 复合材料桅杆
为了减少占舰的雷达反射截面和光学特征，达到隐身的目的，未来水面舰艇将装备封闭式综合传感器桅杆，取代挂满各种鞭状、条状天线和各式彩施的传统式桅杆，而将各种雷达、通信天线设计成平面式或球形阵列天线，组成一体化的封闭式综合传感器桅杆。美国海军以下一代舰船的桅杆为目标，从1995年开始研究先进的全封闭的桅杆(Advanced Enclosed Mast/Sensor)系统，设计制造的，AEM/S是由上、下两个外表面向内倾斜10度的六角锥形体结构组成，各种天线和有关设备都统一组合装备在该结构内，结构内部传感器的电波能以极低损耗穿过结构物，结构外部由能反射电波的复合材料板材构成，而且由于所有设备都装备在结构的内部，可以防止风雨和盐份的侵害，对设备的维修保养十分有利。该系统脱离了传统的桅杆概念，用于装备驱逐舰(SC-21)、航空母舰(CVX)和“圣・安东尼奥”(LPD-17)两栖战舰等。[-page-]
欧洲海军也正在研制封闭综合传感器桅杆。该桅杆为一金字塔形封闭式桅杆，塔顶为一个较小的圆球，欧洲人将这种全新的桅杆，形象地称之为“乌鸦窝”。“乌鸦窝”将容纳相控阵雷达天线以及各式无线电通信、数据传输、电子对抗天线和红外、雷达、激光告警接收天线，而且同一种天线将4个一组或3个一组地成群出现，能够360度全向探测与接收，不留死角。各种雷达波束、通信数据都能在同一个时间内通过计算机自动处理后实时显示在指挥控制中心。新型封闭式桅杆必须由先进的复合材料建造。欧洲海军的“乌鸦窝”由纳米技术制造的玻璃纤维、碳纤维等复合而成。它可以让各种不同的雷达波束和通信信号，相互之间不受干扰地通过，而且信号损耗极低，又能抵抗外来干扰，这在21世纪的海上信息化战争中将具有明显的优势。奎奈蒂克(Qinetiq)公司研制的先进技术桅杆(ATM)于2006年投入使用，装备英国海军“皇家方舟”号航母。
2.5 复合材料在舰船其他方面上的应用
复合材料除应用于以上几方面外，还可用于制造机械装置、舵、装备、管道系统等。如2007年4月份，在一年一度的欧洲大也是大的复合材料展览会JEC上，法国DJP等展出了用于大型船舶发动机的复合材料水压控制装置，它由一个阀体及一个可分成两部分的导管所组成。该装置的重量仅为传统的钢或铸铁的1/7~1/8且具有更高的机械性能及抗震性能。采用一次成型工艺，无需再次组装或粘结，使用寿命长，耐腐蚀、成本低廉。近法国法拉利公司(FERRARI)推出专为船上应用而设计的船用复合材料织物Stamoid船用系列产品，这种复合材料织物经过综合处理，具有耐久性好、抗紫外线、柔软、密封防水、保养容易、防霉、尺寸稳定、体积小等特点。适用于在大型船只或高速运行的船上用作防雨篷、驾驶舱顶篷、风雨罩、天顶遮篷、遮阳罩或防护罩，也可以用来制造风挡，防护栏、挡风玻璃遮盖以及蹦床等。
3 国内的情况与前景
我的国复合材料起始于1958年，艘玻璃钢工作艇于当年在上海诞生。这之后通过不断的研制和开发，已建造了大小不一的百余种型号玻璃钢船艇，如982型边防巡逻艇及其改进艇型，已造了200多艘；1992年在蛇口召开第二届国际高性能船舶会议，此后，广东地区掀起研制复合材料高速客船的热潮，先后研制了40~100客位单体高速船，1995年还建成160客和225客高速双体气垫船，并与法国合作开发了双体机动帆艇，目前正在研制航速高达80km/h的复合材料水翼艇。表2列出了我国研制建造的部分复合材料船艇。纤维复合材料船体结构有单壳加筋结构、夹层结构、硬壳式结构、波型结构及其混杂结构。目前我国用得多的是单壳加筋结构，近几年也采用了一些夹层结构，硬壳结构抗爆性能好，是建造纤维复合材料猎/扫雷艇艇体的理想结构。
表2
在复合材料原料方面，我国目前已能生产国际市场上大多数品种的玻璃钢用增强材料，品种基本配套。我国玻璃纤维工业近年取得了很大的发展，从1995年的16万t增长到2001年的27万t，形成了“泰山”、“巨石”、“重庆国际”3个年产量分别超过3万t的大型池窑拉丝企业，其产品已有50%左右进入国际市场。但与工业发达相比，我国玻璃纤维的生产仍有较大差距。主要表现为企业布局不合理，生产规模小、技术水平低、在玻璃纤维品种、规格、质量方面与国外相比仍然有一定的差距。对于碳纤维、芳纶纤维等高性能纤维，我国主要依赖进口，西方本家在某些品种上对我国实行禁运，这在很大程度上限制了我国高性能复合材料的发展及应用。作为原材料的树脂，国内不饱和聚酯树脂生产厂大小总共逾200家，但年前能力多数在500t以下。2002年，美国道化学公司在我国张家港市投资建设年产4.1万t的环氧树脂生产厂，已正式建成投产。目前我国酚醛树脂年产量约20万t，约1/10用于纤维增强塑料。国内具备生产乙烯基酯树脂的厂家颇多，但全年产销量仅为1500t左右。
在成型加工工艺方面，就目前的整体状况来看，我国的复合材料行业手糊工艺制品占有相当大的比重。随着复合材料工业对成型工艺产品的品质要求的不断提升，特别是对成型工艺的环保及成本方面的要求越来越高，这就促使要求生产工艺、产品质量的不断改进和升级。近年来，树脂转移成型(Resin Transfer Molding,RTM)及真空辅助树脂转移成型(Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding,VARTM)工艺以其产品质量好，闭模生产等特点在国内外得到了迅速的发展。RTM工艺在我国起步较晚，大规模发展是从1993开始的。据不完全统计，到1997年，在短短不到4年的时间里，购买的RTM设备不少于300台。我国引进该技术的时间虽短，但目前已取得了长足的进步，绝大多数的原、辅材料都已实现了国产化。VARTM技术目前在国内仍处于发展的初级阶段，但已被一些厂家采用如上海的红双喜造船厂，由某公司制造的国产玻璃钢超高速水翼船，大量采用高性能复俣材料和先进的真空辅助成型法，从而使船体结构具有极好的强度和刚性。
我国复合材料事业经历了40多年的发展，取得了一定的成绩，打下了一定基础。但总的来说我们的发展速度还不够快，与发达还有一定的差距。我们应抓住树脂基体发展创新、增强材料发展创新、生产工艺发展创新和产品应用发展创新，以开发高刚度、高强度、高湿热环境下使用的复合材料为重点，构筑材料、成型加工、设计、检查一体化的材料系统。充分利用各方面的资源(技术资源，物质资源)，紧密联系各方面的优势，以推动复合材料在舰船工业的进一步发展。
