碳纤维增强复合材料在军用舰船方面的应用及展望

2015-03-11  来源:复材在线  作者:复材在线  浏览次数:857 收藏  |  分享

目前,CFRP在海军舰艇上的应用非常广泛。但是,大部分已经成熟的技术仅应用于相对较小的海军舰艇(巡逻艇,MCMV、护卫舰)或大型舰艇的非结构、非关键性部件。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。

碳纤维增强复合材料(CFRP)自问世以来就一直在军事领域特别是航空航天领域中发挥着重要作用。近年来随着应用研究的发展,国内外对其在海军舰艇上的应用越来越重视。CFRP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;容易维护,维护费用远低于钢制舰艇。

早期CFRP仅仅应用在小型巡逻艇和登陆舰上。相对差的制造质量和船体刚度限制了其长度不能超过15m,排水量不超过20t。近年来随着低成本复合材料制造技术的提高,CFRP才开始应用在大型巡逻艇、气垫船、猎雷艇和护卫舰上。

近几年国外制造的新型舰艇中不乏大量使用CFRP的亮点之作。

美国制造的短剑号隐身快艇

“短剑”高速快艇长24.4米,宽12.2米,吃水0.9米;排水量67吨;动力装置为4台“毛虫”柴油机,每台功率1650马力,由4具6叶螺旋桨推进,在载重37吨下航速可达50节。艇体采用了比传统的钢材更结实、更轻巧的CFRP。一次能够运载12名全副武装的“海豹”突击队员和1艘长11米的特种作战刚性充气艇。同时,可搭载1架小型无人机。

目前,“短剑”是美国使用CFRP一次成型制造的最大船体,在整体制造成形过程中不用焊接,更无需铆接,因此船体外表十分光滑,重量也大为降低。尽管目前的成本相对于普通的钢和铝合金偏高,但在这—技术成熟后,进行批量生产的成本将有较大的下降空间。作为试验艇,“短剑”的单艘造价约为600万美元,试验总成本在1250万美元之内。

综合“短剑”艇体的这种设计,以及CFRP的使用,不但使其获得了高速,也使其行驶过程中的稳定性更高,高速行驶中的沉浮现象大大减轻,即使在高速回转时,依然可以保持平稳行驶,从而增加了艇员的舒适度,提高了艇的适航安全陛,扩大了在内河和地形复杂的浅海使用范围。与此同时,由于其阻力的降低也使得“短剑”比普通快艇更加节省燃料。

瑞典制造的维斯比级轻型护卫舰

维斯比级轻型护卫舰(Visby-class corvette)是瑞典皇家海军最新锐的舰艇之一,由于奇特的外形设计,很好的隐身性能,并采用喷水推进装置使该级舰具有很高的机动性,同时又可减少舰的吃水,使该舰能在浅水海区使用等优点,使其受到国际社会的广泛关注。

该级舰的最大特点是采用全新的隐身设计技术。舰壳材料并非采用常规钢材,也不是普通玻璃钢,而是CFRP,采用特殊真空注入技术建造而成。为了达到关键性能要求,壳体必须尽可能轻,因而壳体采用夹心结构,由聚氯乙烯夹心和碳纤维乙烯基酯层压板构成,它不但具有很高的强度和经久耐用性,还具有优良的抗冲击性能。

“维斯比”舰的舰体、甲板、上层建筑基本都是CFRP夹层板制成的。与传统材料相比,这种材料不仅结构坚实,强度可与钢铁相媲美,而且无磁性,有利于降低舰艇产生的磁场,并有良好的抗震性能,因而可执行反水雷任务。此外,CFRP夹层板光滑平糙,有助于取得良好的隐身效果。同时还可以绝热,对舰内各种机械设备产生的红外辐射有较好的屏蔽作用。另外,这种复合材料比重轻,可减轻舰体重量,且不象铜那样容易腐蚀,从而大幅度减少全寿命费用。

为了用CFRP建造如此大的舰船,瑞典海军花费了大量的时间进行了试验,研究出了真空辅助夹层灌输法生产工艺。CFRP夹层板的芯是PVC材料制成的板材,厚度不等,从纸张一样薄到9厘米厚都有,上面有细小的格槽,然后将乙烯薄层和碳纤维覆盖在PVC主芯上。这种方法的优点是纤维含量比手工铺设的要高,结构重量更低。

印尼制造的全碳纤维导弹巡逻艇

印尼PT Lindun公司在2012年推出一款全碳纤维导弹巡逻艇,该导弹巡逻艇艇长63米,采用先进的三体船身设计,将成为东南亚地区最先进的海军舰船。该舰采用激进的穿浪船体设计以改进适航性和稳定性,并且完全由CFRP制成,采用了真空导入工艺和乙烯酯树脂。用这些材料构建船身结构增强了该舰的隐身性,同时降低了使用期运行、维护的成本。

 

如果将舰船上可以使用碳纤维来提高性能的结构部分归类,大致可分为如下几方面。

CFRP上层建筑

60年代中期以来巡逻炮艇上的炮艇甲板室就开始采用复合材料,70年代早期,猎雷艇的上层建筑也开始采用复合材料。芬兰皇家海军的快速巡逻艇劳马(Rauma)的上层建筑也采用复合材料夹层结构,船体采用铝合金。复合材料甲板室要克服两个主要问题:即采用钢时出现的腐蚀和水上重量过大。对于小型海军舰艇(长度小于20m)来说,采用复合材料代替钢可以减轻约65%的重量。

与钢和铝相比,CFRP上层建筑存在很多缺点,例如制造成本高,因为其和钢甲板的连接处花费昂贵,对于中型护卫舰来说,上层建筑采用CFRP代替钢会给建筑成本增加40%~140%,尽管如此,许多舰船制造者和海军已开始接受更高的制造成本,因为可以节省使用周期成本,从而降低总体成本。

CFRP桅杆

20世纪60年代复合材料首次应用在桅杆上。传统的钢桅杆采用开放式结构,突出在外,会干扰本舰的雷达和通讯系统且易于腐蚀。美国海军于1995年着手研制先进全封闭式桅杆/传感器系统(AEM/S),整个结构高28m,直径达10.7m,是美国海军舰艇上最大的CFRP水上结构。试验设计制作的AEM/S由两个外表面向内倾斜10°的上下两个六角锥形体结构组成,上半部覆盖FSS可让本身特定的周波数穿过,下半部能反射雷达波或由雷达吸波材料所吸收。各种天线和有关设备都统一组合装备在该结构内,结构内部传感器的电波能以极低的损耗穿过结构物,结构的外部由能反射电波的CFRP板材构成。由于所有设备都在结构内部,可以防止风雨和盐份的侵害,对设备的维修保养十分有利。这种AEM/S系统完全脱离了传统的桅杆概念,并装备在斯普鲁恩斯(Spru-ance)级驱逐舰——USS Arthur W.Radford上,取代原来钢桅杆的主要部分(即接近船尾的部分)。AEM/S系统的成功极大地促进了先进CFRP桅杆技术与下一代美国海军海面作战的水上设计部分的结合。

CFRP螺旋桨

海军舰艇的螺旋桨材料一直以来都是镍铝铜合金,存在很多问题例如加工复杂叶片时花费高,叶片容易疲劳产生裂纹,声学阻尼性相对较差,振动时会带来噪音等等。因此海军设计者们不得不考虑其它材料,最引人注目的材料是不锈钢、钛合金以及CFRP。

CFRP螺旋桨系统的设计和性能高度机密,近年来的研究进展未见公开发表。不过众所周知,CFRP叶片中的纤维可以承受主要的水动力和离心力。CFRP叶片的好处是承载的纤维可以沿叶片的不同方向敷设从而使应变最小。因此可以通过设计纤维排列和堆积的顺序来优化叶片性能。纤维排列的方向影响叶片的推力、有效螺距和翘曲。因此叶片的设计和制造需要精确以确保获得最优性能。目前大批海军舰艇安装了CFRP螺旋桨,如登陆舰和扫雷艇。CFRP螺旋桨也用在鱼雷和小型船只上。

CFRP推进轴系

在减轻船体重量的趋势中,推进系统的动力传输部件的减重也提到了议事日程。典型的是在2或4台高速柴油机通过减速齿轮箱驱动喷水推进器的高速船上,无论柴油机与齿轮箱之间,还是齿轮箱和喷水推进装置之间的距离都缩短了。尤其是在双体船狭小的空间里要求错落布置4台柴油机,前部柴油机中发出的功率必须通过后部的柴油机传输出去。因此,这就要求配备重量最轻、部件最少的传动装置。而采用由碳纤维管材料的驱动轴,能够轻而易举地达到减轻传动部件重量的目的。

CFRP驱动轴的主要优点包括:明显地减轻了驱动轴的重量,轴越长,减重的量越大,复合轴减重的效果越明显;临界速度高,长轴系上通常不需要布置轴承,减少了轴承的数量,降低了成本,减轻了轴系,减少了部件,节省了轴承支撑件的成本以及减轻了重量;长寿命、低噪声、无腐蚀、无磨擦、免维修、不导电、无磁性。

高强度碳纤维绳索

文献检索表明日本已有相关碳纤维缆绳的报道,但技术保密非常严格,主要用途是海军军舰的缆绳和其他军用物品。

碳纤维突出的特点是强度和模量高,密度小,耐腐蚀性能好,膨胀系数低,耐高温蠕变性能好,摩擦系数小,自润滑,导电性高等特点。由于碳纤维既具有高于钢铁的拉伸模量和几倍乃至数十倍的拉伸强度,又具有纤维的可编织性能,以此作为基体材料制作碳纤维绳索,恰好可弥补钢丝绳和有机高分子绳索的不足,得到高性能的碳纤维绳索。

碳纤维绳具有一系列优异的使用性能。与结构和直径相差不多的钢丝绳相比较,碳纤维绳具有巨大的优越性。碳纤维绳的重量还不到钢丝绳的四分之一,前者比后者轻得多,使用时省力;前者的弯曲刚性仅为后者的四分之一,前者易于弯曲便于作业,后者僵硬操作困难。此外,碳纤维绳的断裂伸长比钢丝绳小得多,应力-应变曲线为一直线,直至断裂,中间没有屈服点,因此,在多次重复使用时,不会有残余应变现象的发生。碳纤维复合材料绳索还具有良好的拉伸疲劳性能,在应力振幅小的条件下几乎没有疲劳现象发生,当应力振幅较大时也同样显示出优良的疲劳特性。碳纤维复合材料绳索耐腐蚀、不生锈和优良的耐候性也是钢丝绳无法与其相比的。

总之,碳纤维复合材料绳索,不仅重量轻,比强度、比模量高,而且耐腐蚀,在高温和低温环境中线膨胀系数小,性能稳定而柔软。具有传统绳索(天然纤维、有机纤维、无机纤维和钢丝绳等)无可比拟的优越性,将是传统绳索的更新换代产品。碳纤维绳索可以用于以下几个方面:支持(撑)性缆绳,如大跨度斜拉桥缆绳;增强混凝土,如海洋工程混凝土;舰船、海上作业船用缆绳;游艇支索;登山用绳索等。

CFRP烟囱

复合材料烟囱具有质轻、成本低的优点,以及优良的热绝缘性能,而且能够削弱雷达信号从而提高舰船的隐身性,已在MCMV上成功应用多年。Vis-by级和La Fayette级护卫舰的烟囱都采用复合材料夹层结构。当前目标是在大型军舰上使用复合材料烟囱。

 

以下还有一些正在研发之中,准备使用碳纤维的部位及部件。

舰舱壁、甲板、舱门

此方面的应用正处于研究之中,优点是质轻20%~40%,更低的磁特性,火灾时热传导低,阻声性能更好;缺点是制造和安装的成本比钢制的高20%~90%。CFRP和周围钢结构的联结处需要足够的抗内部冲击损坏的能力,此即为成本大幅增加的主要原因。

附件

许多海军正考虑将CFRP应用在武器外罩和甲板防护板上,及作为导弹冲击遮护板,以免受高速射弹和榴散弹的冲击。日本专家对于如何提升军舰的生存能力已做了具体研究论证,使用低成本成型法制造的CFRP为主题的上层船体构造在耐爆炸以及耐燃烧性能方面已经可以达到了军用舰船的使用标准。

方向舵

舰艇用CFRP方向舵正处于研发之中,预计其比现有的金属舵轻50%,成本低20%。

设备底座

一个复合材料的底座比同尺寸的钢底座轻58%,且可以提供足够的保护,使机械和设备免受水下冲击载荷、抵抗冲击损坏。此外由于它的阻尼性和无磁性,复合材料底座能够降低舰艇的声音和磁特性。

热交换器

海军舰艇上的热交换器要经受严酷的海水腐蚀和侵蚀,因此维护费用高。由此还降低了使用寿命。美国海军正在考虑使用CFRP的热交换器。

管道系统

复合材料在海军舰艇上的最早应用就是管道。1951,美国海军在一艘护航驱逐舰上安装了复合材料管道,望其比传统的黄铜管道便宜、质轻和更耐腐蚀,果复合材料管道在运输热水时迅速降解并开始渗漏。60年代,提高了复合材料管道的质量和耐久性后,国皇家海军将其安装在突击艇的压舱系统中。70年代早期,国海军在其巡逻护卫舰上也安装了复合材料管道。据估计,合材料管道的生产安装成本比黄铜或不锈钢管低15%50%。美英海军正继续挖掘复合材料管道的潜在应用价值。

 

目前,CFRP在海军舰艇上的应用非常广泛。但是,大部分已经成熟的技术仅应用于相对较小的海军舰艇(巡逻艇,MCMV、护卫舰)或大型舰艇的非结构、非关键性部件。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。
 

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