美国海军用复合材料的应用和研发

　　水面舰艇

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　　美国海军水面舰艇使用复合材料的时间比较短，但是海岸探雷船MHC - 51号是个例外。由于复合材料能减轻舰艇的重量、减少建造、维护和整个生命周期的成本，近美国海军对复合材料的兴趣正日渐浓厚。海军正在考虑在主要和次要受荷载结构上使月复合材料，如船体、上层建筑和机座、机械部件：管道、阀门、泵和热交换系统；附属部件：格栅、楼梯、立柱、通风管道和垃圾处理系统。这些应用已经推动相关研究和原型的发展以验证其可生产性、成本效益、损伤容限、防潮性、失效行为、设计标准和火灾中的性能。在某些领域，特殊战争的需要也推动了复合材料船舶的使用。

　　巡逻艇

　　海军拥有大量近岸特战艇，主要是海军预备役部队使用。在1965—1973年间，美国海军建造了超过500艘内河巡逻艇。这些32 ft长的玻璃钢船体上具有陶瓷装甲和采用能够在浅水中航行的喷水推进系统。

　　不是所有的美国海军玻璃钢巡逻船都取得了很好的经济效益。20世纪80年代早期，为了支持美国海陆空军( SEAL)，Uniflite建造了36艘使用玻璃钢／凯夫拉的特战巡逻艇，以后这些艇退出了市场。The Sea Viking是一种长为35ft的、装备了导弹的多任务巡逻船。该项目遭受到了很大的设计和资金问题，包括艘船的重量增加到了不可接受的地步，导致它的建造商SanDiego的RMI船厂都退出了市场。

　　瑞典的Smuggler船厂从1971年起建造了类似船。该船的船东包括瑞典海军和印度海岸警卫队。

　　Willard Marine力美国海军和美国海岸警卫队建造船舶已经有超过30年的历史了。从1980年起，该厂按照70多份政府规格书建造了大约700艘船。根据规格书，Willard船厂使用的是传统的建造方法：几乎都是采用手工的方法制作固态或者夹层层合材料，有时使用浸渍机。他们有效使用50 000 ft2的场地，采用封闭的生产管理方法，每年生产100艘，使公司保持长期稳定的经营。该公司主要生产私人机动游艇和帆船，包括125ft长的科研船舶和现在市场上商业销售的18,22和24ft长充气船。

　　1988年，美国海军与伊朗在波斯湾的冲突中，其军舰受到了伊朗革命卫队炮艇的威胁。在捕获一艘这样的船后，美国海军使用这艘船在San Diego沿海训练。当充分认识到这种尺寸船的能力后，美国海军感到吃惊，认为为这种船舶花钱是值得的。而美国海军认识到其执行任务的能力后，开始为特种船舶单位采购这种船舶。在探索这种船舶对海军的支持方面，美国海军稍微走在欧洲同行的后面。许多不选择发展具有近海作战能力的海军，而是选择快速重装甲巡逻船。100 ft左右的快速巡逻船提供比小“雪茄”型船舶有更强的功能和续航力。

　　为了支持海陆空三军，美国近为Mark V特种用途船舶主导了一次设计竞赛。Halter Marine提供了一艘具有表面螺旋桨的复合材料船体的船舶和一艘具有喷水推进的铝制船体的船舶。Peterson建造了一艘铝制双体船。经过来自美国Tarnpa，FL的McDill空军基地的特战团队在墨西哥湾的测试后，铝制喷水推进船被选中。虽然对复合材料船体未来的修理有一砦担忧，该测试评估可能考虑得更多的是性能，对船体材料考虑得比较少。有一个有趣的现象，那就是由该团队测试的绝大多数船舶是用玻璃钢建造的。

　　反水雷舰艇

　　在1984年财政年度，美国海军和贝尔航空( Bell Aerospace) Textron公司(现在的TextronMarine)签订合同，设计并建造14艘扫雷艇中的艘。这些船体是使用表面效应技术的玻璃钢单体船。测试显示，这些船舶不能抵御爆炸冲击，并且重新设计也失败了。

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　　1986年，Intermarine USA公司获得一份合同，研究对Lerici级船舶作出适当的改变以便其搭载美国的战斗系统。Lerici级船舶长为50 m，采用厚度从1 in到9 in的单层艇壳，并采用无骨架设计。Savannah USA公司的Intermarine和Avondale船厂被选中为美国海军建造这个级别的船舶。目前的计划要求生产12艘鹗级扫雷艇（Savannah生产4艘，Avondale生产8艘）。

　　无论是结构方面还是建造方面，意大利的设计都被美国海军广泛研究。考虑到美国的战斗系统、破舱与完整稳性、振动与噪声的要求，Lerici级的设计作了极大的改变。

　　建造细节：所有的玻璃增强主要结构采用的是E-玻璃。船体、横舱壁和甲板用的是密度为1.4 kg/m2的机织粗纱布。纺成的机织粗纱布是采用粗纱沿纬线方向增强的，并且粗纱是成簇状的。与传统的机织粗纱布相比，这种处理具有纤维绒毛般的外表，提高了屡间的抗剪强度。上部建筑是由一种叫“Rovimat”的材料建造的，这种材料是由中断的线垫缝合到机织粗纱布而组成的，并采用半白动化的浸渍机（在层合过程中使用）缝台这两层织物以提高其性能。Rovimat的密度是1200 g/m2（400 g/m2的毡片重量，800 g/m2的机织粗纱布重量）。树脂采用高等级增韧间苯二（甲）酸船用聚酯树脂。该材料被特别配制出具有高的韧性，以抵御一定程度的冲击荷载，并能满足建造要求。该合成材脂不会像别的聚酯合成树脂一样具有脆性断裂的特征，这使得其在承受水下爆炸冲击时具有优秀的性能。层合材料和纺战机织粗纱布相结合后，其具有良好的抗振动和抗冲击能力。树脂的配制被优化以改进可生产性。重要的是长的、低放热量的凝胶时间（长达4h）和大幅度延长的时间用来产生主要的黏结性能。

　　多年来，瑞典和意大利海军一直用复合材料建造扫雷艇。在瑞典研究复合材料扫雷艇期间，瑞典海军联合澳大利亚皇家海军、美国海军研究冲击载荷。模拟鱼雷爆炸的冲击载荷作用在板格上，以研究待用的纤维增强塑料材料和船舶结构。例如：

　　●不同形状和不同的高度／宽度比的骨架；

　　●环氧树脂框架；

　　●喷附成形材料；

　　●起皱褶的层合材料；

　　●不同的夹层密度和厚度的夹心材料；

　　●不同类型的修补；

　　●板格上的重量支架和熔深；

　　●在冲击中防火层的黏附力；

　　●双曲表面的效果；

　　●栓住框架和没栓住骨架的缩尺板。

　　大量的测试证明无骨架的刚性泡沫夹心材料的玻璃钢夹层结构具有良好的抗冲击荷载能力，能建造出良好的船舶并提高船员的生存能力力。瑞典的冲击测试研究证明当设计合理时，复合材料可以承受和减弱大的冲击荷载。虽然扫雷艇夹层结构的设计和性能问题已经解决了，但是绝大多数新订制的扫雷艇采用单层厚壳结构。

　　位于Morgan，LA的飞船公司主要是建造铝和钢结构的船厂。一份和埃及海军的合同创造了该船厂建造复合材料船的机会。3艘I00ft的这种船已经交付。由于这个项目的工程师为美国海军在资源和研究工作方面提供了许多帮助，使得美国海军在中等规模的船厂中建造复合材料结构成为可能。

　　构件

　　复合材料制造船舶烟囱也在美国海军水面舰队所作的研究范围内，非结构性的船舶构件也正在被考虑采用复合材料来替换。两种类型的先进非结构性舱壁正在美国海军舰船上使用：一种是具有铝制面薄板的铝制蜂窝结构所构成；一种E玻璃玻璃钢外壳加芳纶夹层所构成。

　　美国海军水面作战中心和Carderock承包一艘船舷侧的复合材料基础的建造项目。开放的设计竞赛吸引了手工铺设、树脂传递模塑、拉挤成形和纤维缠绕等为亮点的建议书。由Brunswick Defence公司提交的纤维缠绕建造的原型被选中，从某种程度上来看，此方案被选中的原因是其制造工艺似乎更适合长期生产。该基础已经成功地通过了冲击测试。

　　舰船上复合材料推进轴正在被研发，以替代占到船舶总重量2%的大而沉重的钢制推进轴。玻璃和碳纤维增强环氧树脂复合材料的轴和传统的钢制轴相比预计可以减轻75%的重量，且具有耐腐蚀、有较低的轴承荷载、降低磁性特征、更能抗疲劳、较大的柔韧性、良好的振动阻尼和在全生命周期内有较小的使用成本等优点。

　　1966年，美国海军研究了水翼艇的优势。美国海军的实验性水翼艇(PCH -1)Highpoint被用来作为减轻重量方面的研究。与HY80钢相比，使用玻璃钢能减小44%的总重量，使用钛合金能减小36%的总重量，使用HY130钢能减小24蟛的总重量。在20世纪70年代中期，美国海军对水翼艇上应用先进的石墨一环氧树脂复合材料的控制襟翼和箱型梁单元进行了评估。

　　近美国海军在机械上使用复合材料的项目
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项目	目标	现状
标准系列离心水泵	适应海军标准设计的可购性；可交换的泵部件；提高性能和提高浸湿复合材料部件的可靠性。	根据与IDP的合同，原型已经在1992年3月开始生产。
玻璃钢管道系统	发展技术基础和设计规范以在150Fo和200psi的情况下，在非重要系统中大程度的利用MIL-P-24608A玻璃钢管道材料；减少全生命周期中铜-镍和钢在海水中腐蚀而产生的费用。	完成了设计实践说明书，统一的工艺过程说明和指导。正在进行防火隔离材料优化。
复合材料球状阀	发展适合在150Fo和200psi下金属和非金属管道系统中，且维护工作少，成本可以接受的球状阀和流量阀。	商业阀门的实验室中的评估已完成；船上评估正在进行中；已经完成其海洋用途的策略分析。
复合材料空气流通管道	研发不会被腐蚀的、防火的、重量轻的复合材料管道，以代替受到日益严重腐蚀危害的镀锌钢管和铝管。	于1993年2月在水面船舶上次使用，尝试在CG-47级FY95上安装；GLCC现阶段正在优化加工过程和防火硬化性能。
复合材料弹性机器支撑架	发展重量轻、耐腐蚀、减震的复合材料弹性机械支座。	复合材料原型通过了高冲击性能测试，接近完成，要求在轻载荷和中等载荷情况下的伸长测试。
复合材料柴油引擎	发展使用金属、聚合物、陶瓷模型复合材料的具有重量轻、低磁特征的柴油机。	ONR，GLCC和私人柴油机制造商组成团队加速研发。
复合材料推进轴	发展重量轻、耐腐蚀、可以进行声学和磁性特征优化的推进轴。	大外径、短轴、50000马力AOE复合材料部分已经通过实验室测试，结果令人鼓舞。
复合材料螺母、螺栓、梯子、炉格、屏幕、水泵叶轮	为美国化学处理工业开发复合材料以解决污物箱和飞机甲板上的钢和铜-镍长期的腐蚀问题。	根据2-5年的经验，绝大多数船上的部件获得了成功。

造船业接单量连续三年第二，七年，规模宏大、前途广阔的市场有着更高的复合材料与产品需求；造船业的复合材料应用处于起步阶段，复合材料产品供不应求，更多的前沿科技成果亟待产业化。为了全面贯彻落实十四五规划，推动船舶与海洋工程复合材料产业链优化升级，学习交流国内外船舶与海洋工程复合材料及制品的先进技术、前沿工艺与市场趋势，船舶工业行业协会船艇分会与复材网定于2022年3月27-29日在广东?珠海共同主办“2021船舶与海洋工程复合材料应用高峰论坛 暨工厂现场演示培训会”邀请船舶与海洋工程领域的专家学者深度探讨交流，重点学习交流该领域复合材料技术现状、应用现状与市场发展趋势。

　　
本次论坛主题是"船舶与海洋工程轻量化"。论坛将由船舶工业行业协会船艇分会秘书长做行业报告，并邀请知名船企技术专家、科研院所专家学者做专业报告，使与会代表客观深入了解该领域复合材料应用现状，讲技术，谈应用，析市场，构建一个“材料—制品—装备—终端市场”无缝对接的全产业链优化平台。论坛还计划展示国内科研院校的部分复合材料制品科研成果，搭建起研产对接平台，有利于企业顶层设计及调整规划，在国内大循环市场竞争中占据领先优势。

　　
同时，论坛期间还将安排参观江龙船舶、太阳鸟游艇两家船企，现场学习复合材料制品的生产过程。诚邀国内外复合材料领域专家、学者、企业家和行业同仁莅临大会，共谋复材新未来。

　　
主办单位

　　船舶工业行业协会船艇分会

　　复合材料信息网

　　
协办单位

　　征集中

　　
大会议题

　　玻纤复合材料在船舶与海洋工程领域应用现状与趋势

　　碳纤维复合材料在船舶与海洋工程中应用现状与机遇

　　船舶各部件新材料研发进展与国际前沿情报

　　船舶与海洋工程复合材料制品创新设计与产业化研究

　　船舶复合材料低成本高效生产现状与发展趋势

　　船舶复合材料生产模具设计制造研究

　　船舶与海洋工程复合材料市场分析与趋势

　　船舶与海洋工程复合材料制品科研成果展示对接

　　复合材料深海环境试验与腐蚀防护技术

　　复合材料废旧船舶回收研究

　　

时间：2022年3月27日-29日

　　
相关事项

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