【专业讲堂】碳纤维在船舶领域的应用及国内外市场对比分析

 

1、复合材料特性及其船舶应用优势
由于复合材料具有质量轻、耐腐蚀、设计性高等特点,因此成为未来舰船装备追求更大有效负载、更强综合隐身能力、更低全寿期费用的最佳材料之一。
尤其是碳纤维复合材料与常用船体金属如钢、铝合金相比,具有轻质、高比强度的特点,因此,可有效提高舰船的稳定性、航速及运载能力;而且通过工艺设计,可以加工成具有流线型及其它复杂形状。此外,在碳纤维复合材料结构设计中通过增强内部构件在阻尼振动下的稳定性可以有效减少噪音的产生。
碳纤维复合材料在船舶上层建筑中应用可减轻质量、提高安全性能,用于舰船推进器时,可减轻推进器质量、降低油耗、 延长寿命,用于桅杆、船体结构时,可增加整体强度。目前碳纤维复合材料已经广泛应用于竞赛类船舶、超豪华游艇、高速客船以及军事用途的船舶等。

 

2、复合材料特性在船舶领域应用发展
1960s,国外海军船舶上层建筑结构中开始采用复合材料,如巡逻炮艇上的炮艇甲板室。70 年代,一些猎雷艇的上层建筑也开始采用复合材料,如芬兰皇家海军的快速巡逻艇“劳马”号。90 年代,复合材料开始应用于船舶的全封闭式桅杆/传感器系统。
碳纤维复合材料实现在船舶领域的全面应用始于2000年,当年 6 月下水的瑞典海军维斯比号护卫舰(Stealth Visby) 成为了全球首艘在舰体结构中采用碳纤维复合材料的海军舰艇(图1),舰体通过采用碳纤维复合材料夹层结构,具有高强度、低质量、耐冲击、低雷达和磁场信号等优异性能。

图1 维斯比号护卫舰(Stealth Visby) 

2016年服役的朱姆沃尔特级驱逐舰(图2)是美国海军新一代多用途对地打击宙斯盾舰,其核心部件——复合船艛结构(舰上唯一一个单一全封闭式结构,重达 900 吨),充分利用了碳纤维材料和轻木芯的性能特点,并采用空心复合结构,具有坚固、质量轻、耐海水腐蚀等特点。

图2 朱姆沃尔特级驱逐舰

在军用舰艇方面,目前国外新型驱逐舰如美国 DDG 51 驱逐舰、DDG 1000 驱逐舰,英国 45 型驱逐舰等都是先进树脂基复合材料应用的典型平台;在民用船舶领域,复合材料已经在游艇、渔船、救生艇、交通艇和高性能船艇等中获得了广泛的应用。
复合材料在船舶结构中的典型应用包括船体、船上层建筑、舱壁、螺旋桨、推进轴和舵、内部设备和零件(如热交换器、设备基座、阀、泵、管路、护栏)、非耐压壳体、声纳导流罩、舵、水平翼、推进系统、基座、潜望镜、鱼雷发射管等等。

 

3、国内外船舶用碳纤维市场对比
根据4月23日广州赛奥碳纤维技术有限公司发布的2019年全球碳纤维需求情况,目前全球碳纤维在船舶领域领域需求为1.1千吨,占全球碳纤维总需求的1%(图3)。同样是根据赛奥碳纤维前两年统计,2017年、2018年全球船舶用碳纤维需求分别为0.9千吨、1.0千吨。

图3 2019年全球碳纤维需求(来源:赛奥碳纤维) 

与之相比,目前国内碳纤维在船舶领域领域需求仅为100吨,占国内碳纤维总需求的0.3%(图4)。而在赛奥碳纤维之前统计中,2017年、2018年国内碳纤维在船舶领域需求分别为100吨、300吨。

图4 2019年国内碳纤维需求(来源:赛奥碳纤维) 

通过上述图3、图4以及国内外碳纤维需求对比(图5),可以看出目前国外在船舶用碳纤维市场比较稳定,每年占比均为1%,随着全球碳纤维需求量增加,而小幅度稳步提升;相比之下,国内在船舶用碳纤维领域总体规模较小,而且国内船舶用碳纤维市场发展相对缓慢。

图5 2019国内外碳纤维需求对比(来源:赛奥碳纤维) 

综上所述,目前国外一些船舶尤其是军用舰艇开始越来越多采用碳纤维复合材料,相比之下,国内碳纤维复合材料在船舶的应用尚在尝试阶段,因此总体规模相对发展缓慢。由于碳纤维复合材料在船舶领域的应用优势相比传统金属材料比较明显,因此未来势必会成为船舶工业用关键材料之一,也存在广阔的发展空间。
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