复合材料在船舶上的应用及发展趋势探讨.pdf

信息记录材料 年 月 第 卷第 期复合材料在船舶上的应用及发展趋势探讨朱 昊(池州学院材料与环境工程学院 安徽 池州)【摘摘要要】本文从复合材料的性能特点、分类和应用出发探讨了其在船舶领域的应用及发展趋势 首先阐述了复合材料在船舶制造和应用中的性能特点然后从国内和国外两个角度介绍了复合材料在船舶领域的应用现状与主要问题最后对未来复合材料在船舶领域的发展趋势进行了预测希望复合材料的应用能为船舶及航海事业发展带来更加优质、可靠的解决方案【关关键键词词】复复合合材材料料 船船舶舶 碳碳纤纤维维【中中图图分分类类号号】【文文献献标标识识码码】【文文章章编编号号】()【】.【】作者简介:朱昊()男安徽芜湖本科研究方向:材料化学 引言随着现代技术的不断发展复合材料在船舶制造领域的应用也越来越广泛 船舶作为一种重要的交通工具在港口经济以及国际贸易中扮演着重要的角色因此在船舶制造和运营过程中材料的选择和性能显得尤为重要 而传统的金属材料虽然在一定程度上能够满足海洋环境下的强韧要求但由于自身重量大、容易腐蚀等限制使得更轻、更强、更耐腐蚀的复合材料逐渐成为船舶制造领域的重要选择成为船舶制造中应用广泛的材料 当前实践结果表明采用复合材料建造的船体可以提高航行效率降低燃油耗用降低碳排放量并且由于复合材料拥有良好的成型性可以生产出更具有流线型外形的船型从而减小船体阻力符合当前绿色、低碳、节能化的发展趋势成为未来船舶制造领域的重要趋势和发展方向本文主要对复合材料在船舶上的应用及发展趋势进行探讨 船舶复合材料性能特点分析 应用优势分析与传统的金属材料相比其在船舶上应用具有多重优势 首先复合材料具有轻量化的优势这对于船舶来说非常重要因为船体过重会导致燃油消耗增加运营成本增加 其次复合材料具有良好的耐腐蚀特性海洋环境下有海水、潮湿空气、环境污染物等船舶容易被腐蚀采用复合材料的船舶可以有效地降低腐蚀问题从而延长使用寿命 此外复合材料具有高强度、高模量等高性能特点在满足船体强度需求的同时能够实现局部应力调整提高了设计自由度 复合材料还具有可塑性的优势可以灵活地控制尺寸、形状和流线外形为船体设计带来更大的空间创造更多的外形和特性有效提高制造效率和船体质量 并且复合材料在船体表面涂装处理后还能使船体更美观整洁、光亮、平滑 发展历程分析船用复合材料的发展历程也是船舶工业技术发展的一个缩影 伴随着时代发展和科学技术以及工业的深入推进船用复合材料的技术应用也在不断发展 年代碳纤维材料的亮相使得复合材料在船舶制造领域得以更 广 泛 地 应 用 例 如:美 国 的 、和 及日本的高端 年代 等提出了一种新的概念即热塑聚合物材料的快速定型加热()工艺从而在复合材料的制造和应用中迈出了更加稳健的步伐 而在我国复合材料应用于船舶制造领域的时间相对较晚 年代我国开始在船舶工业中推广复合材料的应用主要是玻璃纤维增强塑料()年经过 年时间的推广发展我国出现了第一艘复合材料制造的快艇标志着我国船用复合材料技术取得了重要的突破并进入了快速发展的阶段 年“舷梯号”船采用 材料建造成为了我国船用复合材料加大型船艇建造的开端 年日照造船公司建造的 泥头车也采用复合材料船体成为我国的先驱之信息记录材料 年 月 第 卷第 期一 总的来说复合材料应用于船舶制造领域的历程是一个不断探索、积极开创的过程 船用复合材料分类目前船用复合材料尤其是应用于船体结构的复合材料以聚合物基复合材料为主按结构可分为层合板(纤维增强复合材料)和夹层结构复合材料 大类型其中包含 个方面的重要复合物:增强材料、树脂(即基体)和芯层材料 船用复合材料按照承载部位不同可分为:主承力结构、次承力结构、非承力结构等 按照功能可分为:结构、阻尼、声学(包括吸声、隔声、透声)、隐身(包括吸波、透波、反射、频选)、防护等 大系列材料船用复合材料的分类及应用部位如图 所示 船舶复合材料应用现状 国外发展现状当前国外应用于船舶制造领域的复合材料种类繁多主要包括:石膏复合材料、碳复合材料、玻璃纤维复合材料等 其中碳纤维复合材料在船舶上应用最为广泛这是因为碳纤维复合材料具有高强度、低密度、优异的力学性能、耐腐蚀和抗疲劳等优点在重量、船速、力量结构和速度等方面优于传统的钢铁材料 在超级雅典娜号、英尺(英尺约为 )帆船 以及瑞士 美洲杯赛艇等都运用了碳复合材料 瑞典 的船队也应用了碳纤维复合材料使得船的减重效果更为显著而英国 的外壳和部分构件则由碳纤维复合材料制成大大提高了船的性能 此外汽车生产商沃尔沃也使用碳纤维复合材料制造其 的商用船 令其船体轻盈但又充满强度船的高效性能和燃料经济性因此大为提升 美国 公司也积极使用复合材料来制造自己的卫星通信艇 这种材料的特点是轻巧却具有极高的强度和耐腐蚀性能为船舶从容面对严峻的海洋环境提供了足够的力量支撑图 船舶复合材料典型结构及应用 除了探索新的复合材料和制造技术外国外还在不断研究和应用复合材料在船舶建造领域的新方法和新技术:预制复合材料模块化技术该技术使用模块化组件快速构建不同类型的船舶结构 例如美国海军研究局()利用预制的复合材料组件制造了小型作战舰大幅提高了制造效率和船体质量 复合材料打印技术 复合材料打印技术可以快速制造出复杂形状的船舶部件同时还可以减少材料浪费近年来美国某些船厂已经开始采用 打印技术制造船舶部件 复合材料自修复技术该技术可以通过添加有机胶原料、微囊化聚合物等物质实现材料自修复减少了维护和更换次数提高了材料的耐久性 目前美国船厂的一些船舶应用了自修复复合材料如有磨损或者破损现象可以在船舶维修前自动修复为船舶维护降低了成本 国内发展现状国内大型船舶建造领域主要应用的复合材料为玻璃纤维增强塑料和碳纤维增强塑料()等这两种材料被广泛应用于快艇、游艇、观光船、渔船等小型船只的制造 与国外相比国内的复合材料在船舶建造领域的应用还处于起步阶段但是目前信息记录材料 年 月 第 卷第 期在复合材料的制造工艺、质量标准、设计优化等方面已经有了很大的进步()制造工艺国内复合材料在船舶建造领域的制作工艺已经逐步成熟包括复合材料的成型、固化等生产环节的工艺流程例如近年来国内许多造船企业开始采用复合材料作为新型船体材料特别是碳纤维等高强度材料在船舶制造中的应用越来越广泛 国内某些企业如“橙船科技”就采用复合材料在造船过程中替代了部分钢材在环保和造船效率 个方面有了较大提升 此外在船舶维修领域复合材料得到了广泛应用可以显著提高维修效率和准确性并降低维修成本 例如有些船只使用特非凝胶进行船体修补作为一种高级的弹性复合材料可以降低维修周期和成本也可以增强船体抗压和防水性 但是国内复合材料在配方和改性方面的技术开发还未达到发达国家的水平这使得国内的复合材料在某些性能指标上无法与国外同类产品相比()应用范围国内复合材料在船舶上应用涵盖了船体、船舶零部件和配件等多个领域 目前国内主要的复合材料船舶应用领域包括船舶外壳、船舱餐厅、水下安全舱、船体配件、龙骨、隔热层等 在许多应用案例中复合材料的制作工艺已经实现标准化生产并且可以实现大规模生产 例如华能集团的一款船舶发动机柜采用了复合材料既提高了船舶的燃油效率又减少了船舶重量 此外国内一些船舶制造公司已经开始采用复合材料船体结构如中船重工、江南造船、中国船舶、中海油等其中比较有名的应该是中船重工南通造船有限公司生产的鱼鹰级船舶鱼鹰级船舶采用复合材料船体更加轻盈、更具有弹性稳定性更高()应用标准当前国内对于复合材料的品质标准和检测过程已经逐步明确因此船用复合材料制品必须符合国家标准和各类船级社的检验标准复合材料是否合乎标准不仅取决于原材料的成分和质量也必须满足复杂的性能指标如耐久性、密度、强度和刚度等 国家有关部门也正在指导制定行业标准和严格的检测流程来推动和规范复合材料的应用相继出台了声呐导流罩用玻璃纤维增强塑料规范、潜艇指挥室围壳及上层建筑用玻璃纤维增强塑料规范和舰船用非金属材料毒性评价规程等一系列相关标准来规范复合材料在船舶上的应用 这些标准为船舶制造企业提供了指导助力其在使用复合材料方面达到标准化、规范化的生产过程和效果可以看出国内复合材料在船舶建造领域的应用发展前景广阔同时仍需要加大研究和应用力度向高性能、高品质的方向不断突破以适应不断升级的国际市场需求 存在的主要问题尽管复合材料在国外船舶制造领域已有较长的应用历史但是我国的应用整体进展缓慢应用主要集中在快艇、导流罩等方面 目前复合材料在船舶应用方面存在的问题主要有以下几个方面()成本高、工艺复杂 复合材料在船舶制造领域的应用受到成本高、工艺复杂等问题的限制其中原材料价格较高加工和制造成本较高制造工艺对操作者技术水平和使用自动化设备的要求较高相关零配件的设计和工艺加工较为复杂需要技术工人具备专业技能使得复合材料在船舶制造领域的应用难以得到进一步推广()缺乏成熟的规范和行业标准 当前无论是国内还是国外船用复合材料在设计、建造、工艺、检验等技术标准上都存在缺项现有的船舶复合材料标准覆盖技术领域不全面不能够完全满足我国船舶复合材料研制和应用需要()设计和评估周期长 复合材料结构需要满足一系列严格的规定涉及内容较多而评价复合材料结构和功能是否可靠必须进行相关测试而测试确定复合材料性能又是一项时间长而且费用昂贵的工作因此评估复合材料的安全性和可靠性以及是否满足设计要求是复合材料在船舶上应用面临的一个主要问题 复合材料在船舶上的应用发展趋势 应用场景更加多样化近年来国内外复合材料在船舶领域的应用实现了一系列创新包括:在中国航母的建造中使用了复合材料采用海水的冲击、腐蚀和高压力等重责任经测试相关复合材料在船舶耐久性能方面可以达到先进金属材料的数倍最新设计的风力涡轮机使用了无缝复合材料叶片提高了叶片的刚度更加可靠轮船和快艇的船身改为采用复合材料可以在一定程度上提供与金属相当的耐久性且更轻、更容易维护 由于复合材料制造具有灵活性强和精度高等优点因此未来可以根据不同的需求进行设计和定制例如复合材料制造的无人艇和深海探测器可以广泛应用于极端环境下的科学研究和资源勘探 加上近年来国际社会不断加大环保力度未来复合材料还可以用来提高船舶的适航性减少废气和废水排放从而实现环保和节能 因此可以预见未来复合材料在船舶上的应用也更加多元化 船用复合材料更加标准化当前船用复合材料更加标准化已成为一个不容忽视的趋势最近我国在船用复合材料标准化方面做了一系列重要工作 如颁布船用复合材料结构设计规范制定船用复合材料的重要技术标准等主要原因还是复合材料在船舶生产中的应用越来越普遍并且随着航运产业的不断发展船舶制造正在逐渐向数字化、自动化的方向发展复合材料被视为未来发展的重要方向 通过制定标准相 (下转第 页)信息记录材料 年 月 第 卷第 期上的限制拉近了人与人之间的距离、促进了人与人之间的沟通与交流 在信息安全领域无线通信技术不易受到外界因素的干扰和影响传送信息过程具有更高的安全性更有利于各类需保密信息的传输与接收 而无线通信技术的智能化发展使得通信效率大大提高在简便快捷和安全高效的前提下逐渐适应信息爆炸时代的节奏为社会经济的建设发展提供强大的动力综上所述在信息化和数字化不断发展的时代过程中智能化是无线通信技术发展的必然趋势从现实意义上讲智能化无线通信技术也必将成为新的发展趋势和竞争核心 因此站在新时代发展的前沿全面提升国家现代化建设水平需要不懈地发展智能化无线通信技术【参考文献】王敏.面向工业互联网的无线通信技术研究.长江信息通信 ():.赵展慧 王政 葛孟超 等.我国 终端连接数达 亿激发新需求带动新消费.人民日报 ().闫斌.微波通信的发展及应用.数字传媒研究():.梁玮 李云鹏 覃凤谢.无线通信网络中的 技术发展研究.数字技术与应用():.信雪梅 南作用.基于大规模 技术的 无线信道建模及仿真.邮电设计技术():.李庆艳 张文安 张涛.产业分析及应用前景展望.电信技术():.王颖.近场通信在各大领域应用前景的分析与展望.电子世界():.刘磊.移动无线通信技术智能化发展趋势探讨.数字通信世界():.姚钢.技术将经由 平台走向普及.电子设计技术 ():.(上接第 页)关生产可以有依据地执行降低生产过程中非良率和其他问题提高制造效率从而大幅降低重复工作量和制造成本 未来我国将进一步加强与企业的深度合作加快推进复合材料技术的创新和配套设施的建设不断提高复合材料在船舶领域的应用水平以满足船舶市场需求 绿色复合材料逐渐得到应用随着全球环保意识的不断加强越来越多的人们开始重视环保和可持续发展 在这一背景下绿色复合材料因其良好的环保性能和可持续性得到了越来越多的关注和应用 目前绿色复合材料在船舶制造中的应用主要有:碳纤维、玻璃纤维等用于船体半成品制造绿色补强材料如碳或玻璃纤维增强材料和树脂用于船舶维修绿色复合材料用于制造船舶附件如耐海水腐蚀性能的防护层、船体内部装饰层、船舶家具等未来绿色复合材料在船舶制造领域的应用将会呈现以下趋势 首先新型绿色复合材料出现 除了上述常见的复合材料外未来还会涌现出更为环保的新型复合材料如焦油片、纳米纤维和聚酯材料等 这些新型复合材料不仅具备轻重比高、强度高、耐磨损等特点还具备优秀的耐腐蚀和抗氧化性能具有更广阔的应用前景 其次应用范围将会更加广泛从小型轻便船只拓展到大型高速、深水船只项目 未来的经济和环保需求将会催生更高级别、更大型的船只也将为绿色复合材料在船舶制造中的应用提供更广阔的空间 同时复合材料的有效性并不受限于船身结构还可以用于特殊应用如船用电池和发电机的制造 此外生产技术还会不断革新 未来随着绿色复合材料生产技术的提高生产成本将被进一步压缩同时大规模制造技术和设备也将得到不断改进从而使绿色复合材料在船舶制造过程中的应用更加普及 结语目前国内的复合材料在船舶建造领域的应用还处于起步阶段但是随着技术进步和应用前景的扩展相信未来复合材料在船舶建造领域将会有更好的发展 同时国内也需要加大对于复合材料在船舶建造领域的研究投入持续推进技术创新与产业升级才能跟上国际市场发展的步伐【参考文献】肖伟星.船用复合材料的检验与管理.设备管理与维修():.彭芷昕 袁昱超 唐文勇.复合材料与船用钢的耐高温高压特性比较.船舶工程 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