高分子材料是新材料领域的重要组成部分,由于其具有优良的物理、化学性能和优异的加工特性,被广泛应用于信息产业、航空航天、生物医药、交通运输、机械仪表、建筑和能源等国民经济重要领域。随着高分子材料加工技术的日趋成熟,船用高分子材料被广泛运用于各种船艇的制造上。同时,随着中国造船业的发展,船用高分子材料,尤其是船用高分子复合材料的发展将会十分迅速。就用量而言,传统结构材料在未来的船艇建造中仍占绝对的多数,但就发挥的功能而言,随着新型高分子合成、改性与加工等高技术的发展,高分子材料则占有更重要的位置。

1 船用高分子复合材料

复合材料是由两种或两种以上不同性能、不同形态的材料通过物理或化学复合手段组合而成的一种多相材料,它可以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。目前船用高分子复合材料主要是指纤维增强树脂基复合材料,也称为纤维增强塑料 (Fiber Reinforced Plastics),如玻璃纤维增强树脂基复合材料 (在我国称为玻璃钢,GFRP),碳纤维增强树脂基复合材料,芳纶增强树脂基复合材料等。

在亚洲,船用复合材料产量只占复合材料总产量的 1%,约为 2.7万吨。但随着亚洲尤其是中国造船业的发展,船用高分子复合材料以其优异的性能(质轻、机械性能好,耐腐蚀等优点)及多种特殊的功能替代部分传统材料应用于船舶建造,市场将有着巨大的发展潜力。船用高分子复合材料目前种类繁多,而且被广泛应用于各类船艇的建造上,比如船体制造中所用的复合板,船舶内饰中用到的玻璃纤维及木质复合材料,渔船、游艇、双体船等一般采用玻璃纤维增强材料制造,船内厨房、卫生间等设施采用一体化复合板,一些高科技的复合材料被应用在海岸巡逻艇建造上。此外,越来越多的船用复合材料被应用在海港设备、码头、桩柱、格栏以及海上工厂等海岸线装备制造中。

1.1 树脂基复合材料在船体结构上的应用

在对强度和刚度都有要求的船体结构应用中,使用的主要材料是纤维增强热固性塑料,主要有玻璃纤维增强热固性树脂,其比强度大约是钢的二到三倍,同时又具有塑料的介电性能和耐蚀性。而对于更多采用了先进的高性能纤维,如芳纶(Kevlar)纤维、碳纤维和超高分子量聚乙烯(Dyneema)等纤维及其织物的复合材料,可以有更高的比强度和比模量。至于基体树脂,目前常用的为不饱和聚酯 (邻苯型、间苯型和双酚型三种)、乙烯基酯、环氧树脂和酚醛树脂等,可以满足各种船艇的不同需求。

纤维增强树脂基复合材料在船体上的使用主要限于游艇、快艇、高性能赛艇、救生艇、巡逻艇(海关,海岸警卫队等)、渔船、客船、货船(主要是高度约为 40米的货船)及海军船只。另外,在造船业中纤维增强树脂基复合材料也被用于上层建筑和二级结构中。

美国是复合材料科学技术发展最先进、复合材料应用最广、用量最大的国家,利用树脂基复合材料建造了 GFRP游艇、帆船、扫雷艇、巡逻舰、渔船等。自上世纪 90年代以来,世界各国的舰船大量采用先进的复合材料制造,尤其是各类小型舰船。如2009年美国建造的最新型高速隐身试验船“短剑”,采用碳纤维增强树脂基材料,是目前一次成型的最大船体,船体无需焊接,质量非常轻,强度非常高。英国建造的“亚宾吉 -21”号摩托艇,“施培正”号巡逻艇分别采用了碳纤维及凯芙拉纤维增强树脂基复合材料。瑞典建造的“维斯比”号,舰体、甲板、上层建筑基本都是采用复合材料夹层结构 (由碳纤维和乙烯层压材料组成的一个 PVC核心构成);德国巴斯夫及英国的智能公司也在研究夹层结构,推出了钢/塑复合材料,芯体材料采用一种特殊的聚氨酯(PUR)弹性体混合物[1]。

我国早在 1958年于上海建成第一艘玻璃钢工作艇,经过 50多年的发展,期间研制了 40～100客位复合材料高速客船、建造了一百多种型号的复合材料舰艇、与法国合作开发了双体机动帆艇、将复合材料大量用在工作艇和全封闭式耐火救生艇,取得了一定的成果。

1.2 树脂基复合材料在船舶其它方面的应用

树脂基复合材料不仅有优异的力学性能,而且还有耐腐蚀、吸收电磁波等特性,近年来在世界范围内获得了迅速发展,并在舰船军、民用领域中得到了越来越广泛的应用。

碳纤维增强树脂基复合材料可用于舰船推进器。德国开发出碳纤维环氧树脂螺旋桨,具有质轻、桨叶片强度高且薄的特点,有利于各类舰艇加速,使用寿命长且有减振效果[2];英国经过 3年研制,已成功完成世界最大复合材料螺旋桨的海上性能测试,结果表明该桨能大幅降低震动,运转平稳。自上世纪九十年代瑞典的 Applied Composite AB公司开始研制树脂基复合材料推进轴,该推进轴重量轻、有弹性、适应性强,不导电,目前很多商船、军舰及游艇等使用其研制生产的复合推进轴。美国及欧洲海军研制的由先进树脂基复合材料建造的新型封闭式综合传感器桅杆,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。美、英、法等国大量采用了芳纶纤维增强树脂基复合材料用于舰船装甲。如,布什号航母、里根号航母、宙斯盾驱逐舰等。俄罗斯利用碳纤维增强树脂基复合材料摩擦系数低、水中不发软的特点,制造舰船活塞、轴承等部件[3]。此外,树脂基复合材料还可用于制造机械装置、舵、装备、管道系统等。