复合材料在海军舰艇上的应用

日前，英国皇家海军用玻璃钢巡逻艇替换了两艘直布罗陀中队的钢制巡逻艇。这两艘玻璃钢制19米长巡逻艇由英国默西塞德郡的海洋专业技术集团（MST Group）制造，比之前服役的更轻，速度也快得多，最高航速为40节。这种速度，结合最先进的光学和红外探测系统，为中队在英属直布罗陀领海为高价值船只提供安全和部队保护的工作提供了优势。

玻璃钢建造的最新巡逻艇

MST与英国Norco Composites & GRP签订合同，制造船体、驾驶室和内部结构，如舱壁、大梁和碰撞舱。Norco使用由两部分组成的GFRP工具和输液装置建造船体。铺层计划包括一层凝胶涂层和一层湿铺设的短切毡衬底。该公司使用手压辊将纤维压实到复杂曲率的区域，如船体底部的喷水轨。

然后使用干织物，特别注意需要额外加固的区域，如动力传动系统和龙骨。并安装了CNC切割闭孔PVC芯套件，为面板提供所需的刚度和强度。

干纤维铺层完成后，真空灌注乙烯基酯树脂并固化12小时。同样的制造方法被用于驾驶室。平面构件，包括舱壁、纵向和横向梁、防撞舱室、水密舱室和地板，通过树脂灌注单独生产，然后由Norco或MST公司给粘合到结构上。纵向和横向梁由多轴玻璃纤维织物和单向碳纤维制成。

这也为纵向大梁提供了加固，以应对船体高速在水中滑行时发生的三点弯曲。

通过使用夹具将低密度泡沫芯放置在船体上并将其粘合到位，将大梁过渡层压到船体上。然后将玻璃织物铺在芯上，接下来将干燥的结构真空注入预固化的船体外壳上。使用具有代表性的大梁截面进行一系列灌注测试，确保灌注布局合适，并成功润湿盖板层压板。

将大梁灌注到位减少了制造阶段，因为以后不必粘合到船体上。船壁用结构粘合剂连接到船体上，然后用双轴玻纤织物手工覆盖，以提供船体、舱壁和地板之间的结构连接。

目前MST公司获得英国皇家海军一份价值5076万美元的合同，在未来四年向英国国防部警察和直布罗陀国防部警察交付18艘15米GFRP巡逻船。

在舰艇工业中发挥重要作用

复合材料自问世以来就一直在舰艇工业中发挥着重要作用。国内外对其在海军舰艇上的应用非常重视。复合材料在海军舰艇上应用时具有如下突出的优点：优良的力学性能；耐腐蚀（可耐酸、碱、海水侵蚀，水生物也难以附生）；大幅减重；优良的声、磁、电性能（透波、透声性好，无磁性，介电性能优良）；优良的设计、施工性能，容易维护，维护费用远低于钢制艇和木制艇。

由于复合材料这些独有的优势，在20世纪40年代中期，美国海军首先使用复合材料建造海军船舰。这些舰艇刚度大、强度大、持久耐用而且易于维修，因此，在20世纪40年代中叶到60年代，复合材料在美国海军中的应用迅速增加。在越南战争期间，应用复合材料的客运舰艇、内河巡逻艇、登陆舰和一些在役侦察艇数量达3000艘。美国海军还将复合材料应用在小型舰艇上的舱面船室、通讯舰艇的桅杆、驱逐舰的管道系统、潜艇的流线型指挥台外壳和铸件。

在20世纪50年代，其他海军开始在他们的舰艇和潜艇上应用复合材料结构。英国皇家海军和法国海军开始在潜艇声纳罩上采用复合材料代替钢材，以获得更高的声波穿透率，同样 ，在海面舰艇的天线罩上应用复合材料可保护通讯和监视天线。到20世纪70年代，英国皇家海军、瑞典皇家海军和挪威海军开始采用复合材料来制造猎雷艇，荷兰海军也开始把复合材料应用于领航艇和登陆舰上。

我国自1958年起开始使用复合材料建造船舰，首先应用于军品领域，然后逐步扩展至民用领域。近几年中国的复合材料产业高速发展，我国建造速度明显加快，大型舰艇近几年进入快速发展期。20世纪90年代以来，随着技术发展与工艺引进，我国采用复合材料生产了大量游艇、帆船、救助艇，以及公安、武警、海监、海关等航速较高的巡逻艇、执法艇、缉私艇等准军事艇等。

巡逻艇

巡逻艇对于复合材料的应用已有几十年的发展。第一艘完全采用玻璃纤维制造的巡逻艇由美国建于60年代早期。在20世纪七八十年代，复合材料逐渐用于小型巡逻艇的建造。大多数的玻璃纤维巡逻艇都不超过l0m，排水量不超过10t，并且其一般在内河和沿海水域使用。由于复合材料的刚度较低，超过25m的巡逻艇外壳一般使用钢或者铝合金建造。

现在许多国家已经有能力建造长55m，排水量达3001的海上巡逻艇。有研究比较了钢、铝合金和复合材料结构的成本、重量以及结构性能，发现使用复合材料如玻璃纤维的舰艇较同等规模的铝合金舰艇减重约10%，较同等大小的钢结构舰艇减重约36%。

现阶段应用复合材料建造船舰的问题是复合材料制船体梁的刚度低，相较钢结构舰船来说，其船体梁的偏转高出300%，挠度比高出240%。从而在连接处和铰接处易产生疲劳裂缝，致使螺旋桨轴线发生错位。全复合材料建造的最大的巡逻艇是挪威海军的“盾牌”（LJD）级巡逻艇。该艇为双体气垫效应船，完全由聚氯乙烯泡沫层与玻璃纤维和碳纤维夹层组成的夹芯复合材料建成。

猎雷艇

猎雷艇传统上采用没有磁性的木材制造以避免磁性水雷爆炸。1951年美国海军尝试采用复合材料蜂窝夹层结构制造了一艘15.5m长的反水雷艇XMSB-23。然而，由于建造质量、力学性能和防水性能的原因，海水进人到船体中而无法执行猎雷任务。二十世纪60年代和70年代，美国和英国继续复合材料猎雷艇的研制，并于1973年成功建成长46.6m，满载排水量450t的HMS Wilton号全玻璃纤维猎雷艇。

英国皇家海军、法国海军、比利时和荷兰皇家海军采用单板加筋结构相继建成了狩猎级、桑道级和伙伴级猎雷艇。

海军护卫舰

迄今为止，海军护卫舰是采用复合材料建造的最长船型。瑞典皇家海军建造的维斯比级护卫舰采用碳纤维和玻璃纤维混合增强的聚合物薄板包覆聚氯乙烯芯层制成的复合材料夹层结构，使用真空灌注技术使舰艇重量降低约30%。提高了船舰的性能，如降低船舰油耗和操作成本。

使用碳纤维结构也使得维斯比级护卫舰拥有了电磁防护功能。新加坡皇家海军计划使用凯芙拉纤维制造复合材料夹层结构的舰体，有效增强对于小型武器火力和榴散弹的抵抗能力。预计长度可达80m排水量达1016t，其长度和规模均超过Vishy级护卫舰。采用复合材料代替钢建造长85m，排水量1200t的军舰可降低重量约30%，排水量降低7-21%，成本节约巧%，从而可增加武器载荷和舰艇的作战范围，提高作战能力。

水冀艇和气垫船

20世纪70年代以来，海军水翼艇和气垫船中对于复合材料的应用较少。最开始也只是用于舰船的非结构部位以减轻重量。最近，复合材料开始应用在气垫船的主要结构如上层建筑和外壳上。斯里兰卡于1998年下水的一M10级气垫船长约18.8m，完全采用凯芙拉纤维制造。其外壳材料将会有复合材料代替传统的铝合金以减轻重量，提高耐疲劳性能，减少维修成本，但其建造费用也将上升约15%。

其他部件的应用

纤维增强型复合材料在造船业，因其具有成型方便、建造工艺简单、建造周期短、无磁性、能透过雷达波和红外线，以及船体易保养、不污染等优点而获得广泛应用。近年来，复合材料在各国海军的应用不断增加，应用部件包括船壳、地板、墙壁板、甲板和舱壁以及管道系统、油箱、废水箱、声呐罩、管道、推进器、桅杆和上层建筑中应用越来越普遍。

来源：荣格-《国际复材技术商情》

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