【技术干货】综述几种海洋船舶领域用高性能纤维
摘 要
在海洋工业领域，高性能纤维的应用提升了结构强度并有效降低了重量，本文简要介绍了目前几种海洋船舶用复合材料增强纤维，包括玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维，并结合其应用实例进行了综述。
《缆绳结构用碳纤维1：材料的发展与分类》
《缆绳结构用碳纤维2：结构应用实例》
《用于建筑物修加固的纤维复合材料钢筋材料》
《碳纤维在体育休闲领域应用实例》
《碳纤维在医疗领域应用实例》
《简述碳纤维在建筑补强中的应用》
《碳纤维复合材料在海洋领域中的应用》
《碳纤维在舰艇潜艇用螺旋桨中的应用》《碳纤维加固补强及其在建筑工程领域应用》
在过去五十年中，海洋船舶用复合材料结构的大部分改进都是通过性能更优的树脂实现的。然而，纤维在海洋船舶用先进复合材料层合板的开发方面也发挥了重要作用。具体地说，使用性能优异的玻璃纤维可以提高重量，并实现材料强度和刚度的优化。然而，后来发现，通过使用高强度/高模量纤维材料如碳纤维、芳纶纤维等与玻璃纤维相结合，可以产生更加高效、经济的复合材料结构。
1、玻璃纤维在海洋船舶中应用
由于具有成本、相对较好的强度重量比特性等（见图1），玻璃纤维占塑料用增强纤维的90%以上；此外，玻璃纤维具有良好的耐化学性和加工性。然而，当长时间施加荷载时，玻璃纤维的优异拉伸强度可能会下降。
由于其良好的强度特性和抗水降解性能，E-玻璃（石灰铝硼硅酸盐）纤维是海洋复合材料最常用的增强材料。S-玻璃（二氧化硅、铝和镁氧化物）纤维的拉伸强度提高了约三分之一，可表现出更好的抗疲劳性能。因为S-玻璃纤维的成本大约是E-玻璃纤维的三到四倍，因此使得它在海洋工业中使用受限。表2显示了一些高性能纤维性能对比。
2、碳纤维在海洋船舶中应用
2.1 碳纤维特性及其在海洋工业中应用概述
碳纤维包括了高强中模碳纤维和高模量碳纤维（又称石墨纤维），高模量碳纤维中碳元素含量在99%以上，而高强中模碳纤维中碳含量在93-95%。迄今为止所有连续碳纤维都是利用有机前驱体制成的，除了PAN（聚丙烯腈）外，还包括黏胶和沥青。
碳纤维是所有常用增强纤维中强度和刚度最高的，而且纤维不会像玻璃纤维和芳纶纤维那样受到应力断裂或应力腐蚀，此外，碳纤维的耐高温性能尤为突出。PAN基碳纤维的主要缺点是相对成本高，这是原丝成本高和高能耗制造工艺的结果。
碳纤维在海洋船舶用复合材料结构的应用最适宜于受刚度限制的设计，如长而细的主体、截面模量不大的结构。这就是为什么双体船和三体船经常使用碳纤维的原因。一些具有很大面积的船舶，如气垫船或M-Ship概念船，也可以从碳纤维夹层结构中受益。
除此之外，碳纤维还专门用于复合材料桅杆、舵柱和其他帆船硬件，以及在桁条高度有限时用于桁条盖。
目前用于高端帆船中的纤维均是碳纤维，如竞争激烈的TP52级世界帆船比赛中帆船几乎100%采用了碳纤维。
2.2 碳纤维在海洋船舶中应用实例
M-Ship建造了碳纤维Stiletto，这是一艘双M船体的船，长80英尺，横梁40英尺。该船满载吃水深度为3英尺，设计速度为50-60 kts。它卓越的性能是基于M Ship Co.的全球专利技术，它可以重新捕获船首波浪，从而为更有效的计划创造了气垫。
M80 Stiletto也很引人注目，因为它是美国最大的海军舰艇，采用碳纤维复合材料和环氧树脂建造，可产生非常轻但坚固的船体。图2显示了正在行驶中的M80，雷达交叉信号非常低。
图2 正在行驶中的美国海军M80 Stiletto舰船，采用碳纤维/环氧树脂制造
2.3 高模量碳纤维在海洋船舶中应用
新西兰高模量High Modulus公司是世界领先的复合材料技术和海洋结构工程服务供应商。近期公司正在开发三个项目中均采用了高模量碳纤维。
第一个是37m长60节真空灌注碳纤维/环氧树脂/泡沫摩托游艇。设计师是英国的Rob Humphreys游艇设计公司，建造商是新西兰的McMullen和Wing，该项目使用了相当多的超高模量纤维，主要用于甲板面板等的非常轻的内部皮层结构。
第二个是一个40米长的豪华日间航行者船，采用了碳纤维预浸料、泡沫和蜂窝芯等结构。设计师是阿根廷的Javier Soto Acebal，建筑商是意大利的沃利。该项目在船体和甲板中使用了相当多的高强中模碳纤维来获得整体刚度，而在舵杆中则含有标准模量、高强中模和高模量碳纤维。
第三个是与阿姆斯特丹Rhebergen Composites公司进行大量合作，主要是围绕大型（80-120米）摩托游艇的桅杆结构展开。这些结构主要取决于它们的振动行为，因此在结构中使用了越来越多的高模量碳纤维（主要是日本东丽M46J和东邦HS40）来提高刚度但不增加重量，以便调整结构的固有频率。
3、芳纶纤维在海洋船舶中应用
3.1 芳纶纤维特性及其在海洋工业应用概述
目前市场上最常见的芳纶纤维是由杜邦公司开发的Kevlar®，它是一种有机增强纤维。芳纶纤维的使用可追溯到1970年代初，作为轮胎钢带的替代品。芳纶纤维的突出特点是重量轻、强度和模量高、耐冲击和耐疲劳以及可编织。
芳纶纤维的压缩性能不如玻璃纤维，因为它们在低应变值下表现出非线性塑性。未浸渍的Kevlar®49的吸水率比其他增强材料大，尽管超高模量的Kevlar®149的吸水率比Kevlar®49少近三分之二。如果采用适当的编织方式和处理技术，可以充分利用芳纶的独特特性。
3.2 芳纶纤维在海洋工业应用实例
图3是中国台湾第七和平维持警察总队的Tawainese塔瓦尼斯巡逻艇，这艘由龙腾造船公司建造的巡逻艇长度92英尺。这家总部位于中国台湾的造船厂迄今已建造了6艘巡逻艇，所有巡逻艇都在主要结构中使用了Kevlar/E-glass。
在这些船上通过混合使用Kevlar®纤维/玻璃纤维，可提高船体和其他结构强度，并减少速度损耗重量；而且使用玻璃纤维和Kevlar混合后，成功解决吸湿性问题。通过采用混合编织的低成本玻璃纤维，也降低了总体材料成本。图4显示了一艘由Kevlar®制造的西班牙快速海关船。
图4 Kevlar®纤维制造的西班牙快速海关船
4、其他海洋船舶复合材料用高性能纤维
其他高科技纤维如玄武岩尚未在海洋市场站稳脚跟。虽然玄武岩纤维具有高模量特性，但在实际应用中发现玄武岩单向材料并没有比玻璃纤维单向材料强或硬得多。但由于具有潜在的超高强度、超高耐热性和阻燃性，玄武岩纤维在海洋工业中也很有发展潜力。
Nova Craft Canoe开发了一种层压板，它结合了Kevlar®纤维和碳纤维，并通过灌注工艺进行了涂覆，其结果是造就了一艘坚硬的独木舟，重量轻得出奇且易于操作。
5、结束语
虽然目前高性能碳纤维和Kevlar®纤维在海洋复合材料领域取得了重大进展，但玻璃纤维仍然是该行业的主力军。当然，当重量较高时，往往采用Kevlar®或碳纤维层压板是合理的；而对于刚度有限的设计，碳纤维单向材料可以帮助优化层压板。