原文來(lái)自雜志《Reinforced Plastics（增強(qiáng)塑料）》，由上海船舶工藝研究所劉子茗翻譯并刪改

在造船方面，尤其在軍艦上，復(fù)合材料相比金屬有明顯的優(yōu)勢(shì)。然而，世界各國(guó)海軍還沒(méi)有大規(guī)模地轉(zhuǎn)向復(fù)合材料。不過(guò)，尤其是在荷蘭和斯堪的納維亞的造船商，有一種現(xiàn)在是時(shí)候?qū)崿F(xiàn)這種改變的緊迫感。我們與來(lái)自荷蘭弗利辛根達(dá)門(mén)舍爾德海軍造船公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)達(dá)門(mén)）的專(zhuān)家進(jìn)行了交談，了解了復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)，以及必須克服的挑戰(zhàn)。

達(dá)門(mén)集團(tuán)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始就開(kāi)始生產(chǎn)復(fù)合材料船?！暗髞?lái)鋁使生產(chǎn)成本更低，所以達(dá)門(mén)完全轉(zhuǎn)向鋁，”達(dá)門(mén)公司的研發(fā)總監(jiān)Joep Broekhuijsen說(shuō)。

圖1：達(dá)門(mén)生產(chǎn)的攔截艇，因使用復(fù)合材料的原因又輕又快

21世紀(jì)以來(lái)，達(dá)門(mén)集團(tuán)再次大舉投資復(fù)合材料。幾年之后，他們?cè)谕炼浣⒘艘患覐?fù)合材料造船廠，生產(chǎn)長(zhǎng)度可達(dá)25米的船舶。

達(dá)門(mén)公司的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)專(zhuān)家Laurent Morel說(shuō):“這些大多是攜帶在母船上進(jìn)行追擊的攔截艇。我們正在以大約每周一艘的速度生產(chǎn)一系列共70艘船。我們還在那里生產(chǎn)了兩輛用于客運(yùn)的雙體船。我們所有的船員供給船和海上供應(yīng)船的上層建筑都是由復(fù)合材料制成的?！?br />
達(dá)門(mén)制造了各種各樣的船，他們有雄心將復(fù)合材料船做得更大?！拔覀?cè)趫D紙上有一個(gè)45米船的設(shè)計(jì)，我們希望在5年內(nèi)達(dá)到75米，”Morel說(shuō)。

圖2：復(fù)合材料船體的成型

達(dá)門(mén)公司使用熱固性樹(shù)脂，并盡可能多地使用玻璃纖維。大多數(shù)復(fù)合材料船不是為了強(qiáng)度而設(shè)計(jì)的，而是為了頻率。根據(jù)船的類(lèi)型，有時(shí)必須使用不同的材料來(lái)達(dá)到需求的頻率以避開(kāi)螺旋槳的激勵(lì)。

軍用復(fù)合材料的額外優(yōu)勢(shì)

當(dāng)然，從鋼到纖維增強(qiáng)塑料最明顯的優(yōu)勢(shì)是減重，這可以用來(lái)減少燃料消耗或攜帶更多的有效載荷。復(fù)合材料上層結(jié)構(gòu)的重量更輕，也可以降低船舶的重心，增加其穩(wěn)定性。但根據(jù)Morel的說(shuō)法，這些長(zhǎng)度低于25米的船之所以重新使用復(fù)合材料，主要原因是它們現(xiàn)在的生產(chǎn)成本比鋁制船要低。

在軍事應(yīng)用中，由復(fù)合材料制成的船舶或上層建筑具有一些額外優(yōu)勢(shì)，比如與輕金屬結(jié)構(gòu)相比較低的雷達(dá)散射截面。由復(fù)合材料制造的船舶水下磁性特征較低，這對(duì)獵掃雷艇(MCMV)尤其有價(jià)值。MCMV長(zhǎng)度大于25m，荷蘭海軍應(yīng)該很快就會(huì)更換他們的MCMV?！斑@是我們目前的主要關(guān)注點(diǎn)，”Broekhuijsen說(shuō)。




圖三：阿爾克馬爾級(jí)的MCMV，從1983年開(kāi)始在荷蘭海軍服役，它的52米長(zhǎng)的玻璃纖維增強(qiáng)聚酯船體在當(dāng)時(shí)是相當(dāng)革命性的。

反水雷艦艇

達(dá)門(mén)正在考慮建造75米長(zhǎng)的下一代復(fù)合材料MCMV。“這是一個(gè)相當(dāng)大的復(fù)合平臺(tái)，”Broekhuijsen說(shuō)。但國(guó)防組織因?yàn)樵谔幚硭讍?wèn)題上有兩種不同的策略，還沒(méi)有確定一個(gè)明確的偏好，因此還沒(méi)有訂購(gòu)新的MCMV。

第一種策略是使用一艘具有低磁特征的MCMV，能夠在水雷被發(fā)現(xiàn)之前探測(cè)到它。此外，船上的儀器必須由非磁性材料制成，或者配備消磁系統(tǒng)。另一種策略是使用普通的鋼鐵母艦，始終停留在雷區(qū)之外，并派出小型無(wú)人船追蹤水雷。這些無(wú)人船計(jì)劃長(zhǎng)10-20米，由復(fù)合材料制成。

Morel表示：“國(guó)防界正在等著看這些無(wú)人系統(tǒng)的發(fā)展會(huì)有多快，因此，目前很難進(jìn)行性價(jià)比比較，我們努力對(duì)兩種策略都做好準(zhǔn)備。但對(duì)我來(lái)說(shuō)，挑戰(zhàn)很明顯:復(fù)合材料船的購(gòu)買(mǎi)成本必須至少低于鋼船體版本?！?br />
海軍艦艇所能承受的載荷與商業(yè)艦艇不同。以MCMV為例，它必須能夠承受地雷的意外爆炸。荷蘭甚至要求他們的MCMV在回到港口之前能經(jīng)受住多次爆炸。Broekhuijsen表示：“撕裂對(duì)船體有害，訣竅是防止形成真正的撕裂，造成防水完整性失效。使用復(fù)合材料，會(huì)看到分層形式的損傷，也會(huì)吸收大量的能量。但你也希望一艘船能夠承受多次爆炸，而不會(huì)受到傷害。因此，你必須能夠在不分層的情況下承受幾次沖擊載荷，并保持鋼和復(fù)合材料的彈性參數(shù)。”

鉚釘、螺栓還是膠粘劑?

對(duì)于連接部位，達(dá)門(mén)更喜歡使用膠粘劑，Broekhuijsen解釋道:“焊接是不可能連接復(fù)合材料與鋼的，鉚釘是一種過(guò)時(shí)的技術(shù)，我們很少使用螺栓。在復(fù)合材料的上層結(jié)構(gòu)中使用螺栓不利于減重。螺栓的重量約為復(fù)合材料上部結(jié)構(gòu)重量的20%?！?br />
美國(guó)最近嘗試加固了一種復(fù)合材料的上層建筑:美國(guó)軍艦朱姆沃爾特DDG-1000是一艘外觀前衛(wèi)、180米長(zhǎng)的導(dǎo)彈驅(qū)逐艦，專(zhuān)為擁有超低雷達(dá)散射截面而設(shè)計(jì)。但將螺栓用于上層建筑增加了重量和成本。32艘朱姆沃爾特級(jí)驅(qū)逐艦的建造計(jì)劃擱淺，生產(chǎn)計(jì)劃限制在3艘。

Morel指出:“對(duì)于操作荷載，如波浪荷載，一個(gè)連接節(jié)點(diǎn)是足夠強(qiáng)的。然而，軍事負(fù)載則是另一回事，尤其是內(nèi)部爆炸場(chǎng)景。這可能就是為什么美國(guó)人使用螺栓而不是膠粘劑的原因:他們的設(shè)計(jì)要求中可能有武器爆炸載荷。在爆炸中，我們討論的應(yīng)變率是實(shí)際載荷的一千倍。這需要一種不同的方法:你必須把結(jié)構(gòu)置于膜態(tài)，而不是彎曲態(tài)。將其與肥皂泡相比較：肥皂泡在張力中均勻地加載，使輕量級(jí)結(jié)構(gòu)能夠承受較重的負(fù)載。我們已經(jīng)做了一個(gè)可以應(yīng)對(duì)反艦導(dǎo)彈的復(fù)合材料防爆艙壁。從幾何上看，它只是一個(gè)扁平的夾層板，但你必須修補(bǔ)纖維的方向和接頭，以推動(dòng)荷載進(jìn)入正確的方向。爆炸后，你可以看到里面有肥皂泡的形狀?！?br />



圖4：達(dá)門(mén)在卡雷爾·多門(mén)號(hào)的上層建筑上制造了用于空調(diào)和供暖的GFRP空氣導(dǎo)管，卡雷爾·多門(mén)號(hào)是荷蘭海軍的一艘205米長(zhǎng)的支援船。

金屬和塑料粘合

達(dá)門(mén)在25米長(zhǎng)的船上使用膠粘劑將上層建筑連接到船體底部。但在像MCMV這樣的大型船只上是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。定義要求的船級(jí)社必須仔細(xì)檢查整個(gè)結(jié)構(gòu)。對(duì)于小型船，我們可以在沒(méi)有船級(jí)社批準(zhǔn)的情況下連接上層建筑。但對(duì)于大型船，我們必須讓機(jī)構(gòu)相信這種粘合是持久的，必須在火災(zāi)時(shí)證明它的安全。我們必須對(duì)可能發(fā)生的情況以及減少這些風(fēng)險(xiǎn)的選項(xiàng)進(jìn)行評(píng)估并研究應(yīng)對(duì)方案。

Broekhuijsen說(shuō):“對(duì)于粘接在海洋環(huán)境中的老化行為，我們還不太清楚。在航空航天領(lǐng)域，粘接也同樣適用，但我們?cè)谑褂煤吞幚砟z粘劑時(shí)面臨完全不同的情況。在粘接過(guò)程中，我們的環(huán)境不能像在航空航天生產(chǎn)中那樣得到很好的控制。車(chē)間通常不供暖，且遍布世界各地。印尼的濕度比荷蘭高。環(huán)境每一季都在變化，所以它們更難控制；更重要的是，出于成本的考慮，我們不想過(guò)多地控制。所以我們?cè)趯ふ夷褪苄愿鼜?qiáng)的膠粘劑并研究如何監(jiān)控膠粘劑的使用情況，為了在粘合失效前發(fā)現(xiàn)異常情況并進(jìn)行干預(yù)。”

他們?cè)鵀榇伺c一家膠粘劑制造商密切合作，但Broekhuijsen解釋說(shuō)，他們發(fā)現(xiàn)這太嚴(yán)格了:“它過(guò)多地限制了我們對(duì)膠粘劑的選擇。市場(chǎng)上有許多類(lèi)型的膠粘劑。其中許多已經(jīng)獲得了海事申請(qǐng)的批準(zhǔn)。我們希望有從所有可能的選擇中作出選擇的自由。所以現(xiàn)在我們采取了一個(gè)不同的策略:我們?cè)谔囟ǖ膽?yīng)用中定義膠粘劑的基本參數(shù)。我們也在確定所需的測(cè)試，得到一個(gè)測(cè)試矩陣，可以提供給不同的供應(yīng)商，他們的任務(wù)是用結(jié)果填充測(cè)試矩陣并報(bào)價(jià)，然后我們就可以選擇最適合我們的應(yīng)用。我們剛剛開(kāi)始了與代爾夫特理工大學(xué)的耐久性研究項(xiàng)目，預(yù)計(jì)需要三到四年時(shí)間才能完成整個(gè)矩陣?！?br />
Morel補(bǔ)充道:“瑞典造船廠已經(jīng)將其應(yīng)用于海軍艦艇上，因?yàn)楹＼娕炌Р恍枰燃?jí)批準(zhǔn)。但達(dá)門(mén)更希望獲得商業(yè)批準(zhǔn)，即使是軍用船只。最大的挑戰(zhàn)是使仿真模型得到認(rèn)可，特別是膠粘劑的有限元模型必須在-65至+80℃的溫度范圍內(nèi)工作。船只必須能夠航行世界各地，從北極到熱帶地區(qū)。我們知道它的效果很好，它已經(jīng)經(jīng)過(guò)了嘗試和測(cè)試，但我們還不能證明。我們現(xiàn)在和十幾個(gè)合作伙伴在一個(gè)由TNO領(lǐng)導(dǎo)的項(xiàng)目中進(jìn)行嘗試，這將花費(fèi)兩年的時(shí)間，應(yīng)該會(huì)為我們獲得分類(lèi)批準(zhǔn)?！?

全復(fù)合材料MCMV最大的挑戰(zhàn)

Morel解釋說(shuō)，開(kāi)發(fā)大型復(fù)合材料船(如新一代MCMV)面臨的最大挑戰(zhàn)是獲得船旗國(guó)對(duì)等效防火安全的批準(zhǔn):“法規(guī)將鋼視為不可燃材料，而復(fù)合材料則是可燃材料。盡管在多數(shù)情況下，復(fù)合材料船在火災(zāi)中比鋼船更安全。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱不良，使其在小型火災(zāi)中本質(zhì)上更安全?！?br />
在海上，船只到達(dá)最近的港口需要很長(zhǎng)時(shí)間。軍艦的情況更糟。商船在危險(xiǎn)情況下可以撤離。“在軍隊(duì)里，這不是一個(gè)選擇，”Morel說(shuō)，“士兵必須留在船上繼續(xù)戰(zhàn)斗。根據(jù)受損程度，必須保留一定數(shù)量的功能。子彈擊中后，船必須正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在最嚴(yán)重的情況下，仍要保證有足夠的疏散時(shí)間。但在某些情況下，一艘船會(huì)燃燒數(shù)天，而船員會(huì)留在船上繼續(xù)戰(zhàn)斗。而在軍隊(duì)中，我們會(huì)面對(duì)更嚴(yán)重的火災(zāi):碳?xì)浠衔锘馂?zāi)，例如直升機(jī)墜毀或未爆炸的導(dǎo)彈。所以海軍艦艇上的溫度會(huì)更高?！?br />
實(shí)施消防安全的方法中防火絕緣最簡(jiǎn)單，但會(huì)帶來(lái)重量和成本增加。一艘沒(méi)有隔熱的鋼船上發(fā)生火災(zāi)，整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)很快就會(huì)變得炙熱，復(fù)合材料沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題。也可以涂上膨脹漆，當(dāng)它暴露在高溫下會(huì)膨脹，在層壓板上形成保護(hù)屏障。

達(dá)門(mén)應(yīng)用了一種平衡的解決方案，并將消防系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中。目前還沒(méi)有人能夠通過(guò)對(duì)復(fù)合材料船的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，這種船的防火安全相當(dāng)于鋼鐵船。但達(dá)門(mén)已經(jīng)在這些火災(zāi)分析方面與國(guó)際合作了六年。“我們現(xiàn)在已經(jīng)完成了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，應(yīng)該能夠在今年或明年獲得船旗國(guó)的首張批準(zhǔn)印章，”Morel說(shuō)。

同等采購(gòu)成本

Morel說(shuō):“達(dá)門(mén)正在尋找自動(dòng)化技術(shù)以降低生產(chǎn)成本。我們有信心將大型復(fù)合材料船的成本降至鋼鐵船的水平，同時(shí)，還可以利用復(fù)合材料固有的功能集成優(yōu)勢(shì)，復(fù)合材料不會(huì)被腐蝕，這可以減少油漆數(shù)量。你可以使用更多的隔熱層來(lái)減少供暖和通風(fēng)系統(tǒng)。所以，完全有可能以與鋼船相同的價(jià)格生產(chǎn)出一艘復(fù)合材料船。我們正在評(píng)估復(fù)合材料與鋼材的所有結(jié)構(gòu)性能，這些都是非常基本的材料，但在將其用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，必須進(jìn)行細(xì)致的工作。”




圖5：艦船復(fù)合材料的一個(gè)重要突破:玻璃纖維增強(qiáng)聚合物防爆隔板

Morel對(duì)復(fù)合材料將在造船領(lǐng)域取得突破充滿信心:“我們現(xiàn)在擁有的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以像鋼結(jié)構(gòu)一樣控制反艦導(dǎo)彈的內(nèi)部爆炸。這花了20年的時(shí)間發(fā)展，是一個(gè)巨大的進(jìn)步。這是發(fā)展復(fù)合材料的最后機(jī)會(huì)之一。三十年前，我們都認(rèn)為復(fù)合材料會(huì)爆炸。十年前，我們是為數(shù)不多的大量投資于此的造船廠之一。但我們覺(jué)得我們快到了，所以我們要繼續(xù)努力。”