船用高分子材料的应用现状及前景(4)

1.1 树脂基复合材料在船体结构上的应用

在对强度和刚度都有要求的船体结构应用中,使用的主要材料是纤维增强热固性塑料,主要有玻璃纤维增强热固性树脂,其比强度大约是钢的二到三倍,同时又具有塑料的介电性能和耐蚀性。而对于更多采用了先进的高性能纤维,如芳纶(Kevlar)纤维、碳纤维和超高分子量聚乙烯(Dyneema)等纤维及其织物的复合材料,可以有更高的比强度和比模量。至于基体树脂,目前常用的为不饱和聚酯 (邻苯型、间苯型和双酚型三种)、乙烯基酯、环氧树脂和酚醛树脂等,可以满足各种船艇的不同需求。

纤维增强树脂基复合材料在船体上的使用主要限于游艇、快艇、高性能赛艇、救生艇、巡逻艇(海关,海岸警卫队等)、渔船、客船、货船(主要是高度约为 40米的货船)及海军船只。另外,在造船业中纤维增强树脂基复合材料也被用于上层建筑和二级结构中。

美国是复合材料科学技术发展最先进、复合材料应用最广、用量最大的国家,利用树脂基复合材料建造了 GFRP游艇、帆船、扫雷艇、巡逻舰、渔船等。自上世纪 90年代以来,世界各国的舰船大量采用先进的复合材料制造,尤其是各类小型舰船。如2009年美国建造的最新型高速隐身试验船“短剑”,采用碳纤维增强树脂基材料,是目前一次成型的最大船体,船体无需焊接,质量非常轻,强度非常高。英国建造的“亚宾吉 -21”号摩托艇,“施培正”号巡逻艇分别采用了碳纤维及凯芙拉纤维增强树脂基复合材料。瑞典建造的“维斯比”号,舰体、甲板、上层建筑基本都是采用复合材料夹层结构 (由碳纤维和乙烯层压材料组成的一个 PVC核心构成);德国巴斯夫及英国的智能公司也在研究夹层结构,推出了钢/塑复合材料,芯体材料采用一种特殊的聚氨酯(PUR)弹性体混合物[1]。

我国早在 1958年于上海建成第一艘玻璃钢工作艇,经过 50多年的发展,期间研制了 40～100客位复合材料高速客船、建造了一百多种型号的复合材料舰艇、与法国合作开发了双体机动帆艇、将复合材料大量用在工作艇和全封闭式耐火救生艇,取得了一定的成果。

1.2 树脂基复合材料在船舶其它方面的应用

树脂基复合材料不仅有优异的力学性能,而且还有耐腐蚀、吸收电磁波等特性,近年来在世界范围内获得了迅速发展,并在舰船军、民用领域中得到了越来越广泛的应用。

碳纤维增强树脂基复合材料可用于舰船推进器。德国开发出碳纤维环氧树脂螺旋桨,具有质轻、桨叶片强度高且薄的特点,有利于各类舰艇加速,使用寿命长且有减振效果[2];英国经过 3年研制,已成功完成世界最大复合材料螺旋桨的海上性能测试,结果表明该桨能大幅降低震动,运转平稳。自上世纪九十年代瑞典的 Applied Composite AB公司开始研制树脂基复合材料推进轴,该推进轴重量轻、有弹性、适应性强,不导电,目前很多商船、军舰及游艇等使用其研制生产的复合推进轴。美国及欧洲海军研制的由先进树脂基复合材料建造的新型封闭式综合传感器桅杆,它可以让各种不同的雷达波束和通信信号,相互之间不受干扰地通过。美、英、法等国大量采用了芳纶纤维增强树脂基复合材料用于舰船装甲。如,布什号航母、里根号航母、宙斯盾驱逐舰等。俄罗斯利用碳纤维增强树脂基复合材料摩擦系数低、水中不发软的特点,制造舰船活塞、轴承等部件[3]。此外,树脂基复合材料还可用于制造机械装置、舵、装备、管道系统等。

2 船用功能高分子材料

随着高分子材料的合成及加工技术的不断发展,各种特殊功能不断被发现,高分子材料在船舶制造业中的应用更为广阔。

2.1 绝热保温材料

近年来,经发泡工艺的高分子材料由于容重小,热导率低、绝热性能好、且柔弹性好、易加工等特点作为绝热保温材料在各类舰艇、游艇、救生艇中得到广泛应用。尤其是高分子泡沫材料的比重小,能大大减轻船体总重量,起到节省油耗和增加运载量的作用。目前广泛使用的高分子绝热保温材料主要有聚氨酯泡沫材料、聚酰亚胺泡沫材料、酚醛泡沫材料等。聚氨酯应用于船舶可以起到保温,减轻重量的目标;酚醛泡沫塑料产品也可用于民用、军用船舶、船体、舱室等的保温;橡塑海绵保温材料,具有耐寒、耐热、阻燃、防水、减震、吸音等优良机能,用于船舶施工方便。

国外保温隔热材料产品高端,性能较好。美国及其他西方发达国家研制并广泛采用聚酰亚胺绝热保温材料,应用于海军水面战舰和潜艇中,同时该材料在民用船舶,如豪华游轮、快艇、液化天然气船上也得到广泛的应用。此外酚醛泡沫材料除了具有良好的绝热保温性能外,还具有耐温性好、耐燃性强、烟密度低、无毒、原料广、价格低以及工艺成熟等众多特点。但是酚醛树脂的韧性是一直未解决得问题。美国 3M公司正着力研究用于船舶绝热保温的与聚硅氧烷互穿网络的韧性酚醛泡沫材料[4]。

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