船舶舰艇载着发泡材料乘风破浪

为纪念1620年“五月花”号航行400周年， MAS自主驾驶船完成了穿越大西洋的壮举。“五月花”号自主船高32.5米，宽16.8米，但拥有轻质的身材，以发泡材料为基材的复合材料中填充到船体和甲板，将最高航行速度提升至约37千米/小时。

和车辆瘦身提高内在气质一样，船舶也需要实现轻量化以保证不失去人类的宠爱。发泡材料常作为复合材料的芯材结构，在船体轻量化上起着越来越重要的作用，促使船舶有更大的有效载荷和更快的速度。随着船舶对船上人员的保障能力提升、对海上环境的应变能力增强，均衡高性能的发泡材料满足了该领域很多严格的规定。其性能包括：物理力学性能、耐环境老化性能、抗气流冲击性能、抗水下振动损坏性能、防火性能（可燃性、明火、烟尘、毒性、结构整体性）、声纳性能、电磁屏蔽，以及可以兼顾成本。

聚氨酯发泡材料（含改性）是在民用船舶中使用最广的发泡材料，具有高强力、高弹性、高附着力和限度的防渗透、耐老化的性能。通常在甲板和舱壁结构中作为复合材料的夹层结构，可以节省大量的燃料，不会变形，也不会吸水，保温效果很好。同时减轻船舶与码头之间的碰撞，在高速船、豪华游船、快艇和液化天然气船上得到广泛应用。实心聚氨酯填充漂浮护舷靠球碰垫又称实心发泡填充护舷（靠球），是一种利用轻质高弹性泡沫作为缓冲介质，可代替一些护舷的耐蚀性、耐磨性差、使用寿命短的塑料材料，广泛使用于港口、近海和船靠船作业。聚氨酯挡泥板具有涂有聚氨酯层的轻质发泡塑料表面，这样可以减轻产品重量，增加飞行高度，降低轮辋反作用力。

ROHACELL发泡材料有夹层结构的制造优势（比如树脂渗透工艺），有高动力载荷下的强度、低烟释放、易于加工和良好的能量吸收性能。ROHACELL发泡材料获得了挪威船级社认证，并符合IMO HSC船舶甲板、发动机舱和客舱等相关标准。

军用船舶和游艇的建造者们一直在努力探索复合材料夹层结构的全新应用领域。这种材料最大的潜力就是在于“轻质结构”，仅需要增加少量的燃料产生推动力，就可以将更大体积的船只加速到同等速度。结构发泡材料满足了建造者们的刚性需求，其作为夹芯材料的作用机理是，将剪切力从表皮层传向内层，使两个表皮层在静态和动态载荷下都能保持稳定，并且吸收冲击能来提供抗破坏性能。作为芯材能够降低单位体积成本、削弱噪音与震动、增加耐热、抗疲劳和防火性能等。

能够作为复合材料夹层结构的结构发泡材料有：闭孔PVC发泡板、高密度闭孔聚氨酯发泡材料、聚醚酰亚胺（PEI）发泡芯材、聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）芯材、发泡聚酯（PET）芯材，并在船舶中广泛应用。目前PVC、PET两种材质的结构发泡材料应用最为广泛，PMI最有市场前景。在船舶工业中，结构发泡材料主要用于船体、甲板和防水壁复合材料结构层的夹心结构，以及船舶室内装饰中的墙板、屋顶板和车箱体等。

经过几十年和多个国家的验证，PMI已成为船舶隔热隔声材料的首选材料。PMI用于降噪层合板、吸声天花板保证了船上公众人员的安全及生活质量。用于耐火分隔，例如船舶的隔热层合板、高温管道、舱室衬板、天花板、甲板、冷库船舶在内装保温材料方面用量非常巨大。纤维保温材料密度一般在100kg/m3，如果PMI替代传统的无机纤维类保温材料，一条船舶可以减重约500-850吨。而此项减重所带来的运载能力增加，再加上发泡材料的可靠性保证将大幅度提升船舶性能并降低运行维持成本。

也有研究者将发泡陶瓷用做船体绝热。发泡陶瓷具有孔隙率高、导热系数低、耐震性、耐高温性、耐腐蚀性、耐候性、抗老化性、不燃性、隔音性等众多优良性能。发泡陶瓷板材可借鉴应用于船内各处所的耐火分隔结构或铺设在钢制围板周围作为耐火分隔结构。由于发泡陶瓷具有不燃性，因此不需要经过不燃性试验即可实船安装。相较于现有的耐火分隔材料（岩棉、玻璃棉、陶瓷棉和各类发泡材料制成品等），发泡陶瓷板材用作耐火分隔材料具有良好的隔热保温性能，抗压强度较高、抗腐蚀，在暴晒和冷热巨变等环境下不易变形、不开裂、性能稳定；用作舱内装材料还具有良好的吸音、隔音、美观等效能。

发泡陶瓷可用于以下几种耐火分隔结构形式：

1）是钢质舱壁＋隔热材料＋空气层＋衬板构成的A 级舱壁，这种结构形式适用于走廊和储物间的舱壁等；

2）是衬板＋空气层＋钢质舱壁＋衬板构成的A 级舱壁，这种结构形式其两侧任何一面均可向火，适用于作为主竖区限界面的舱壁等，其两侧为起居处所；

3）是钢质甲板＋空气层＋天花板构成的A 级甲板，适用于甲板下部为起居处所的区域等。

解决了船体安全性能后，降低噪音提升舒适度，成为新型商船的技术指向。比如游艇船主越来越关注他们购买游艇的声学能效，三聚氰胺树脂发泡材料可以为游艇降噪提供优秀的解决方案，用在船舶船体隔间/门、船舶公寓装饰、机舱或驾驶室。由于三聚氰胺树脂发泡材料具有天然的疏水性、吸音性、隔音性，用于发动机舱的侧面板与顶部（这里是马达噪音的主要出口之一）可为游艇乘客营造舒适安静的环境。

图源：蓉裕隆官网

发泡铝是一种新型船用减震降噪材料，应用机舱降噪，比现有的玻璃棉更能长期保持吸声性能，且遇水不会产生吸声性能，可以持久保持性能不变。研究结果表明，发泡铝具有较好的阻尼性能，在室温下的内耗随振幅的增加而增大，随频率的增加而减小。发泡金属铝的内耗是因为其内部存在大量的孔洞，在交变载荷的作用下发生振动时，造成其内部应力应变分布不均匀，产生膨胀能和畸变能，使能量损耗。

表格来源：赐祺泡沫铝官网

发泡材料混合其他耗能材料可制作雷达吸波装备，用于军舰隐身雷达。在各国“隐身对反隐身”的低探测技术持续竞争下，直接导致越来越多的先进隐身舰艇将用于沿海和濒海水域，这些舰艇的操作范围可以从持久智能、监视和侦察（ISR）到对潜艇的远距侦察。在军舰隐身雷达用材上，多种材料都可制成发泡，如有机聚合体、金属和陶瓷。这些发泡材料比其他的材料形式具有更广泛的应用，因为其特性可根据实际应用所需调整其标准特性，如密度、绝缘值、选择性吸收特性等。

聚苯乙烯硬质发泡角锥暗室吸波材 图源：无锡敬仁官网

代表性的一种吸波发泡材料为装填炭黑的防火聚氨酯发泡材料，被切割成长锥体，锥体从基底到顶端的长度可根据期望频率和吸收量进行选择。锥体形的雷达吸波材料通过两种方式削弱信号：散射和吸收。当发生散射时，反射波是同相的，但方向远离接收器，同时接收器接收到的波是杂乱的、异相的，从而产生信号强度降低的效果。

试金石研究实验室有限公司已经开发出了前体材料为煤的炭发泡材料，称为CFOAM，这种材料具备轻质、防火、吸收碰撞的特性，且可以具备热绝缘或热传导特性。这些特性使得它在雷达波吸收和电磁屏敝方面是一种理想的宽波段频率和宽入射角导电体。美国制造商ARC技术生产了用于水面战舰和潜艇的电介质材料、复合材料、雷达天线屏敝器以及雷达吸波结构（RAS）。通过改变厚度和泡沫板材的碳装填等级，泡沫吸收体能变成可调频率的。

俄罗斯20385护卫舰上绿框为S波段探测雷达、红框为X波段雷达、蓝框为被动探测雷达、棕框为电子战等相关设备。

在民用船舶雷达导航和气象应用中，PMI可用作天线罩的芯材。PMI有泡沫孔隙基本一致且均匀的100%闭孔结构，与其他发泡材料比，在相同密度下，PMI刚度和强度最高，耐高温蠕变性能高，作为雷达罩的保护夹芯层，以保护雷达天线系统免受风、沙、雨、雪、雹的侵袭，缓解气温骤变、太阳辐射、潮湿、盐雾等环境条件对天线系统的影响。PMI兼具优良的介电性能，与空气相似，在2～26 GHz的频率范围内，其介电常数和介电损耗的变化很小，表现出很好的宽频稳定性，使之非常适于雷达及天线罩的制造。

参考资料

1、金属泡沫材料：从传统向新兴跨越

http://tech.hexun.com/2017-12-01/191828280.html

2、舰船舱室减震降噪用泡沫金属铝的室温内耗性能研究

https://mall.cnki.net/magazine/Article/CBLX200501016.htm

3、纪念“五月花”号航行400周年，AI船长本月将横跨大西洋！

https://www.sohu.com/a/380017368_473283

5、发泡聚苯乙烯对海洋的危害到底有多大？

5、他家的三聚氰胺吸音泡沫用在豪华游艇上

https://www.gaofenzi.org/archives/6552.html

6、2020船舶复合材料行业发展现状及市场前景规模分析

https://www.chinairn.com/scfx/20200719/170056690.shtml

7、发泡陶瓷——应用于船舶内装的可行性研究

8、赢创工业扩大在美硬质泡沫ROHACELL产能

https://www.sohu.com/a/355445210_281035

9、雷达吸波材料及其在舰艇上的应用

https://ibook.antpedia.com/x/37195.html

10、雷达天线罩行业深度研究

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