复合材料在船舶领域的应用与思考——访哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所边文凤教授

来源:荣格

发布时间:2018年8月27日下午 02:08:35

当前,随着国际社会对于节能减排的提倡,以及国际海事组织(IMO)不断出台环保海事新规,全球船舶行业都在努力实现船舶的低燃油消耗、低排放、低污染,其中,高性能复合材料以其优异性能在国外得到了广泛应用。与钢质材料建造的比强度低的重型船舶相比,由复合材料等高性能新材料建造的比强度高的轻型船舶在节能环保方面明显更具优势,更“绿色”。为了提高船舶的节能环保性能,减轻船舶本身的重量、实现船舶轻量化已经成为国际海事界的共识。

哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所边文凤教授

哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所边文凤教授

当前,随着国际社会对于节能减排的提倡,以及国际海事组织(IMO)不断出台环保海事新规,全球船舶行业都在努力实现船舶的低燃油消耗、低排放、低污染,其中,高性能复合材料以其优异性能在国外得到了广泛应用。与钢质材料建造的比强度低的重型船舶相比,由复合材料等高性能新材料建造的比强度高的轻型船舶在节能环保方面明显更具优势,更“绿色”。为了提高船舶的节能环保性能,减轻船舶本身的重量、实现船舶轻量化已经成为国际海事界的共识。

但在我国,与其他应用领域相比——例如航空航天领域,去年国产大飞机C919的一飞冲天;以及汽车轻量化对造车工业带来的巨大影响力——我国在船舶复合材料研究和应用方面明显相对落后。为此,本刊采访了哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所边文凤教授(以下简称边教授),请她谈一谈复合材料在船舶应用中应用现状及存在的问题。希望借此加强我国船舶行业内部以及与复合材料行业同仁之间的交流合作,进一步推动复合材料在船舶上的应用,打造更轻、更高质的绿色船舶。

本刊:首先,请您谈一谈纤维增强复合材料(FRP)用于船舶应用的优势在哪里?

边教授:从航行性能上讲,船舶在运行过程中的快速性、运动性、操纵性均与重量及重量的分布密切相关。实现船体结构轻量化的途径主要有三种,包括设计科学的构造形式,采用更轻、强度更高的材料,以及使用先进的制造技术,而复合材料无论是在材料本身还是在其设计和建造应用方面都具有突出的优势,是船体结构材料的最佳选择。



具体来说,船舶用复合材料主要是玻璃纤维、碳纤维等纤维及纤维制品增强的树脂基复合材料。复合材料以其独特的高性能,在国外很受造船界的重视,经过多年的开发应用,已成为一种重要的船用材料。

与传统的钢质材料相比,玻璃纤维增强复合材料(简称:玻璃钢)的比重只有钢材的1/4左右,机械强度为200兆~400兆帕,质轻、比强度高,能显著降低船舶自身重量、有效提高船体的储备浮力;复合材料不仅可设计各种形状和尺寸,还可整体设计或分体组装,可设计性好;能够实现结构功能一体化,在满足结构承载的情况下性能可设计,通常具有减振、降噪、透波、无磁等隐身性能;复合材料成型过程既是结构成型过程,可以实现“材料、结构、成型”的一体化设计;在模具中采用树脂真空吸附整体成型,成型简便,可实现批量生产;建造的船体无接缝和缝隙,使得产品外形规整、光顺美观,整体性好;无锈蚀,可满足高盐、高湿、紫外等苛刻海洋环境要求;即使破损也可简单修补,耐老化,维修保养方便,全寿命期的经济性能好。

而更为先进的碳纤维复合材料,重量更轻(密度为刚才的1/5),强度更高,刚度的设计范围更大,碳纤维复合材料一方面应用在海军舰艇上;另一方面则主要应用于螺旋桨、推进器和推进轴系上,可以有效减轻船体的振动和噪声,通过船体重量的减轻,加快航行速度。



从小型快艇开始,复合材料在船舶上的应用大概经历三个阶段。第一阶段,主要在扫雷艇等小型船舶上使用,性能要求低,可整体成型。第二阶段,在大、中型船舶上得到部分使用,但使用理念仍局限于传统的船体设计,复合材料在船上只是起到减轻质量、提高部件耐腐蚀能力等辅助作用。第三阶段,船舶在设计之初充分考虑使用中所面临的多种复杂情况,使用复合材料作为主船体材料,实现其他材料无法实现或难以实现的功效。目前,船用复合材料已经突破了第二阶段,向第三阶段发展。

本刊:目前FRP 在船舶上的应用现状如何?哪些种类船舶应用最为广泛?

边教授:由于FRP具有优良性能,近20年,在英、美、法、意、日等造船强国在FRP(主要是玻璃钢复合材料)船舶上取得了长足进展,FRP复合材料在船舶和海洋结构建造中越来越广泛。船用复合材料,尤其是应用于船体结构的复合材料,按结构形式可分为硬壳结构、板加筋结构和夹层结构。按照应用部位不同可分为:船壳、上层建筑、桅杆、推进系统(螺旋桨和推进轴系)、烟囱、舱壁、甲板、舱门、设备底座、管道系统等等,业已成为独具特色的船舶材料。

目前从数量上来看,最多是游艇、渔船、救生艇、高速艇、工作艇以及反水雷舰艇等。美国、日本在复合材料的制备和应用领域处于领先地位,纤维自动铺设、液态复合成型等技术都十分先进。与此同时,我国在FRP舰船领域的基础技术研究却投入甚少,FRP舰船之材料、结构及设计人员极其缺少,研究设计能力差。这与航空航天领域相比明显落后,与国外海军强国的差距就更大了,与作为世界第三造船大国的地位极不相称。

以数字来说明,美国2015年以后近海渔船全为玻璃钢制造;日、俄、英、法、德等国,玻璃钢渔船占渔船总数约90%;我国台湾,40米以下渔船90%采用复合材料建造;而在我国大陆,2016年末全国渔船总数101.11万艘、总吨位1098.48万吨。但玻璃钢渔船占渔船总量仅为2%!渔船船体材质方面,国内海洋渔船近63%为木质渔船。

本刊:那么,我国FRP 在船舶应用上面临的主要问题是什么?您认为这些问题将如何解决?

边教授:在我国,从1979年起,玻璃钢等复合材料就被用来制造压舱水管、排水管系、输油管系等船舶管路,得到船东、船检和相关部门的普遍接受,此后玻璃钢船管得到越来越广泛的应用,装船量快速增长。近年来,我国舰船材料虽然已取得明显进步,但与国际先进水平相比,仍然存在诸多方面的不足。大高度、大厚度复合材料船舶的液体成型技术还不甚成熟,有待进一步研究和提高。

另外,设计与制造过程中也存在一些问题:缺乏与复合材料对应的船体设计规则和设计方法标准;碳纤维/乙烯基体系、碳纤维/环氧体系及其夹心结构的基础研究不足,长期海洋环境性能数据积累不足;模块化建造、无模成型、大尺寸大厚度精确制造等技术不足;大型连接结构等安全性评价方法、结构阻燃防火工程评价方法、适合船舶的大型、大厚度复杂结构的无损检测和评价方法等方面不足。这些问题也是导致我国复合材料在海洋工程领域中缺乏应用的原因。

世界渔船发展经验以及我国玻璃钢渔船发展缓慢的原因表明,玻璃钢渔船产业化的形成必须有一系列相应的政策做保证。世界各国为扶持玻璃钢渔船的发展,都制订了一系列扶持政策并付诸实施。如日本重点在融资上采取了扶持措施,采取政府三分之二、地方三分之一的融资方式促成资金,同时还可使用无息、低息或贴息等多种贷款形式。近年来,我国随着玻璃钢渔船宣传工作的不断开展,玻璃钢渔船的开发与推广工作已逐步得到各级有关部门的重视与支持。陆续出台了一些包括“优先发放捕捞证、在船检费及资源增值保护费等费用的收取上优惠50%”等优惠政策,但总的来讲力度还显不够。不过,既然现在已经意识到了,相信不久的将来,复合材料在海洋工程领域的应用能够达到航空航天或汽车领域的应用状态。

除了政策层面,在造船技术方面也存在亟待解决的问题。首先是人才缺乏问题。在船舶领域,能够进行“选材、选型、设计、制造”一体化的人才严重缺乏;其次是研究基础及经验缺乏。与船舶相关的研究基础、经验和数据也严重匮乏。产、学、研结合不够紧密,没有明确定位与合理分工,基础研究和技术开发研究的缺乏有机衔接。从设计方面讲,国内没有针对FRP船艇的设计单位,而且至今仍未摆脱金属船舶的设计理念。而国外的设计已逐渐考虑到“材料、结构、建造一体化,结构优化”等问题。设计与建造规范和检验法规也不甚完善,例如,没有适用于FRP军用舰船的设计建造规范。  

我国复合材料界和船舶界应该携起手来,缩小与复合材料船舶先进国家的差距,加大复合材料在船舶应用领域的基础技术研究投入,同时建立产、学、研紧密结合的机制,促进复合材料船舶基础研究和应用技术开发之间的有机衔接。我国在复合材料基础研究及其在航空领域的应用研究水平目前已经到了国际领先的水平,诸多成果船舶界可以借鉴,以实现在这一领域的快速提高。同时,加强复合材料船舶的材料、结构及设计人员队伍的培养,从而全面提高我国复合材料船艇研发、制造能力。

本刊:复合材料在船舶上的应用是否存在弊端或瓶颈?未来复合材料在船舶上的应用前景如何?

边教授:弊端还是存在的。首先,玻璃纤维增强复合材料的模量低,导致其抗变形能力差,这一方面可以从结构设计上使其改善,比如使用夹层结构、增加横断面的整体性、局部使用高模量碳纤维等;其次是剪切强度低,这一方面可以从结构设计和成型工艺上使其改善。虽然复合材料已经广泛应用在飞机制造上,但是船舶和飞机不同的地方是,大型船舶的尺度非常大,如果在几百米这个尺度上,要使复合材料船的抗变形能力与钢船媲美材的话,就要使用高模量碳纤维复合材料,这样造价将是问题。高性能复合材料的费用高于钢材,但是全寿命周期内的总体费用,复合材料船是有优势的。还用一个问题就是复合材料的回收再利用问题,这个问题正在引起全世界的关注,已经形成了一个研究热点。

未来,随着高性能纤维与基体迅速发展,复合材料船艇将功能更好、造价更低。小型船艇仍是整个船用复合材料需求增长的主要推动力。但随着复合材料设计、制备成本的降低,以及力学性能提高,复合材料更多的在大型舰船,如猎雷艇和轻型护卫舰上得到应用。随着技术的发展,复合材料船舶的长度呈稳定的增加趋势,现在已有80~90 m 长的全复合材料海军舰船。去年,欧盟也已经开展一项研究计划,旨在探索在大型船舶的建造中使用玻璃钢复合材料来取代钢材。

随着成本的降低以及技术的发展,高性能碳纤维也在不断拓展空间。近几年国外的新型舰艇中就大量使用到了碳纤维复合材料,比如美国的短剑号隐身快艇,是美国使用碳纤维合成材料一次成型制造的最大船体。随着科学的发展和技术的进步,CFRP在海军舰艇上的应用必将日益成熟,并将慢慢地应用于其他船舶。

从旧船利用讲,欧美日等均已积极行动起来,进行研究解决,并已建起专门的企业着手解决 这一问题。

此外,一些先进技术的应用也推动了造船技术的发展。例如,美国海岸警备队USCG的研究中心目前正在探索3D打印技术在制造船舶配件方面的应用。3D打印机可以制造船上不常备的零件,而且节约成本,尤其是对于难以购买零件的老旧船舶,更是福音。

我们完全有理由相信,通过广大科研技术人员的不断努力攻关,纤维增强复合材料的性能一定会大幅度提高,弊端一定得到克服和消除,成本也将会下降,在不久的将来,纤维增强复合材料将更多地出现在大型船舶上。■

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