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加强复合材料研究应用 推动船舶轻量化
(2013-12-05)    来源:中国船舶报   

    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。与国外相比,我国在复合材料研究和应用方面相对落后,今后我国船舶行业内部以及与复合材料行业同仁之间应该加强交流合作,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。在近日举办的2013(第二届)国际交通运输装备轻量化峰会上,专家们发出了上述呼吁。

    “绿色”材质  独具优势
    在峰会上,中国船舶工业行业协会船艇分会秘书长黄振纲表示,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。上海船舶工艺研究所研究员徐学光也表示,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”。
    黄振纲说,长期以来,与日本、韩国建造的同吨位船舶相比,我国建造的船舶空船重量较大。造成这一现象的一个重要原因,就是日、韩在船舶上较多地应用了高性能复合材料,而我国这方面的应用相对较少。“空船重量主要由船体结构重量、舾装产品重量、轮机电气设备重量构成,其中,船体结构和舾装产品是占比最大也是船舶轻量化可以取得重要突破的专业领域,也是复合材料可以大量使用的领域。”
    具体来说,高性能复合材料主要包括玻璃纤维、碳纤维等纤维和纤维制品,以及基体树脂等。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。比如玻璃钢复合材料的比重只有钢材的1/5~1/6,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,而且无磁性,具有介电性和微波穿透性好,耐腐蚀、抗海生物附着,能吸取高能量、冲击韧性好,导热系数低、隔热性好等优点。
    哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所所长边文凤表示,船体结构轻量化的实现途径主要有三种,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。与传统的钢质材料相比,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;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;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;无锈蚀,即使破损也可简单修补,维修保养方便,全寿命期的经济性能好。
    近年来,在美国、英国、法国、意大利、日本等造船强国,玻璃钢等复合材料在船舶上的应用取得了长足进展,被广泛用于船舶结构制造。目前从数量上看,应用最多的是游艇、渔船、救生艇、高速艇、工作艇以及反水雷舰艇等。国外还将复合材料用于船舶上很多部件的制造,包括上层建筑、桅杆、螺旋桨和推进轴系等推进系统、烟囱、舰舱壁、甲板、舱门、设备底座、管道系统等。
    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、船检和有关当局的普遍接受,此后玻璃钢船管得到越来越广泛的应用,装船量快速增长。目前,玻璃钢主要被用于制造救生艇、渔船、巡逻艇、帆船等小型船舶,还被用于雷达天线罩、上层建筑等船舶舾装部分领域。

    更新观念  协同研发
    随着复合材料设计和制造技术的迅速发展,复合材料的功能将更好、造价将更低,未来复合材料在军民用舰船中的应用还将更加广泛。与此同时,随着国际社会对于节能环保的越发重视和一系列IMO环保新规的生效,高性能复合材料作为船舶减重的最佳选择,必将更加受到国际海事界的青睐。
    根据中国玻璃钢工业行业协会年报数据,近几年玻璃钢在我国船舶工业年均使用量为40万~50万吨,替代钢材约200万~250万吨,相当减轻船舶自重160万~200万吨。然而,与国外相比,目前我国在复合材料的船舶研究和应用方面还存在相当大的差距。
    仅以渔船为例,美国的近海渔船全部为玻璃钢制造,日、俄、英、法、德等国的玻璃钢渔船也占到其渔船总数的约90%,而在我国大陆,玻璃钢渔船仅占渔船总量的1%。而且,目前我国在船舶复合材料研究方面基础比较薄弱,相关的经验和数据十分匮乏,能够进行复合材料船艇“选材、选型、设计、制造”一体化的专业人才严重缺乏,在复合材料船艇的建造工艺和复杂构件的一次成型技术等方面也相对落后。
    “当前的船舶减重需求给高性能复合材料在船舶工业上的进一步应用提供了机遇,也带来了变革创新的挑战。” 黄振纲认为,玻璃钢复合材料在我国船舶上的应用已经走过了观望期、认知期和试用期,开始进入成熟推广期。目前,国内复合材料工业界需要不断创新,才能为追求“轻量化”的船舶工业提供更多更好的技术服务和材料保障。
    黄振纲建议,我国应不断研制新型高性能、多品种、多规格的纤维增强材料和基体树脂,提高树脂的防火性能,研究创新大型玻璃钢结构件的成型工艺技术和装备,研究苯类、酮类等挥发物对大气的污染问题对策,开发不含或少含苯乙烯的基体树脂,着力降低复合材料成本。“复合材料的研发和应用对于建设节能环保的低碳社会有积极的推动作用,相关政府部门还应该出台相关的扶持政策。”
    黄振纲指出,我国船舶工业在复合材料研究和应用方面的观念、技术也需要进一步更新。船企应树立创新观念,研发复合材料舾装产品;突破船舶大型结构件应用复合材料制造的难题;加强船舶配套企业和造船厂的互动合作,提高复合材料管材装船率;组织培养具备复合材料工艺及安装技术的复合型造船工人队伍;加强船舶减重宣传,与船东紧密合作,最大限度提高复合材料产品的装船率。
    边文凤也建议,我国复合材料界和船舶界应该携起手来,加大复合材料在舰船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,促进复合材料船艇基础研究和应用技术开发之间的有机衔接,同时,加强复合材料船艇的材料、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。她特别提到,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。

 

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