复合材料在船舶上的应用及发展趋势探讨.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、()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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
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