復(fù)合材料的特點(diǎn)及在船舶中的應(yīng)用

1、復(fù)合材料的特點(diǎn)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(gè)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(gè)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(gè)結(jié)構(gòu)的剛度。 對(duì)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(shí)也會(huì)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(shí)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?yàn)榇w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(gè)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(shí)是我們對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行改善之前，必須對(duì)其可燃燒行為有更多的理解。就著點(diǎn)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(cuò)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(shí)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(gè)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(shí)不會(huì)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(shì)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(gè)明確的優(yōu)勢(shì)）和良好的機(jī)械和電性能。缺點(diǎn)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(gè)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(duì)較高的成本和差的耐熱性都妨礙了它們?cè)诖笮蛻?yīng)用中的廣泛使用。相對(duì)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(duì)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(gè)增強(qiáng)塑料行業(yè)所使用纖維的90以上。玻璃纖維相對(duì)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(jià)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(huì)因?yàn)榫酆衔锢w維的優(yōu)點(diǎn)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(cuò)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(duì)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(zhǎng)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(xiàng)的和多軸向的，但它們?cè)诖爸械氖褂檬怯邢薜摹?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(gè)方面。船只建造計(jì)劃通常包括層壓板流程詳細(xì)說明和每個(gè)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?yàn)樵趶?fù)雜幾何形狀焊接上有很大的困難，也因?yàn)榉涓C芯材具

8、有吸水性。然而，它可以使面板變得非常輕便、堅(jiān)硬，這可能對(duì)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(gè)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(shí)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(shí)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(gè)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(chǎng)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。基本區(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(shí)候