船用碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)缺點(diǎn)

倫敦皇家造船工程師學(xué)會(huì)(the Royal Institute of Naval Architects)最近召開(kāi)了一次關(guān)于船用復(fù)合材料的國(guó)際性研討會(huì)，George Marsh對(duì)此進(jìn)行了報(bào)道。

碳纖維增強(qiáng)塑料在制造高質(zhì)量的船體結(jié)構(gòu)方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)。但是，在這些材料的應(yīng)用之路上有許多的“路障”，妨礙了它們充分發(fā)揮自身的潛力。本次研討會(huì)一個(gè)重要主題就是，這些障礙已經(jīng)逐步掃除，同時(shí)越來(lái)越多的成功應(yīng)用案例將鼓勵(lì)設(shè)計(jì)師和制造商更多地采用復(fù)合材料。

碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的一個(gè)缺點(diǎn)就是變化性，甚至是在不同造船廠生產(chǎn)具有相同基本結(jié)構(gòu)的部件時(shí)也是如此。質(zhì)量、性能和成本上的差異都是由設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中的變化引起的。英國(guó)南安普敦大學(xué)的研究者簡(jiǎn)要介紹了一種減小這種變化的方法，同時(shí)也表明這些結(jié)構(gòu)能夠以較低的成本進(jìn)行生產(chǎn)，且不會(huì)犧牲結(jié)構(gòu)的整體性。

本文來(lái)自123

Messrs Sobey、Blake和Shenoi強(qiáng)調(diào)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師和生產(chǎn)者之間非常普遍的斷層問(wèn)題。設(shè)計(jì)者首先進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后就交給制造部門，制造部門接著生產(chǎn)出最終的結(jié)構(gòu)。雖然“為生產(chǎn)而設(shè)計(jì)”是我們?cè)缫咽煜さ挠^念，但這導(dǎo)致了部門主義的盛行，而最需要解決爭(zhēng)端的部門之間的交流卻很少。

結(jié)果是，最終結(jié)構(gòu)的質(zhì)量反復(fù)無(wú)常，而由于制造困難，也導(dǎo)致成本高昂。因此比較好的解決方案是協(xié)同工作，設(shè)計(jì)師和制造者緊密合作，從一開(kāi)始就確立產(chǎn)品的可生產(chǎn)性。

要在專家之間實(shí)現(xiàn)富有意義的交流可能比較困難，需要一個(gè)協(xié)同工作的環(huán)境。同時(shí)，為防止“無(wú)休止的會(huì)議”綜合癥，必須圍繞特定的項(xiàng)目需求，確定并組織好這樣的相互交流。南安普敦的研究小組進(jìn)一步闡述說(shuō)，許多不可避免的例行交流可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，將直接的面對(duì)面的會(huì)談留給真正需要高水平的協(xié)同決策的事項(xiàng)。 123,123

自動(dòng)化包含一個(gè)中央數(shù)據(jù)庫(kù)，各部門輸入的信息將在數(shù)據(jù)庫(kù)中被整合在一起，此外還包含大量針對(duì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程的模擬。一個(gè)理想模型所包含的因素有：材料的性能、船級(jí)社規(guī)范、客戶的要求和以前成功和失敗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。而失敗的經(jīng)驗(yàn)可以將一家公司積累起來(lái)的設(shè)計(jì)智慧融入一個(gè)模型之中，減少了對(duì)設(shè)計(jì)權(quán)威的依賴。這些人跳槽或者被其他公司挖走的可能性越來(lái)越大。通過(guò)模型，工程師可以快速了解以前所犯的錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤可能是增加了成本或者導(dǎo)致了非優(yōu)化機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

這些研究者們介紹了一種自動(dòng)化工具的開(kāi)發(fā)情況，該工具使用了優(yōu)化和可靠性技術(shù)，輔以遺傳算法、蒙特卡羅（Monte Carlo）模擬算法和其他軟件元素。這一工具可以實(shí)現(xiàn)一種可重復(fù)的更加完整的設(shè)計(jì)和制造工藝，每個(gè)階段都可以進(jìn)行優(yōu)化。因此，設(shè)計(jì)將從產(chǎn)量、性能和成本方面得以優(yōu)化。 123,123

開(kāi)發(fā)這樣一種工具并非易事。為保證工具的有用性，它必須易于學(xué)習(xí)和使用，能夠與不同制造商所采用的互不相同的IT系統(tǒng)相連接，能夠順利接入現(xiàn)有的軟件。對(duì)于不同的行業(yè)，它要滿足各個(gè)公司的獨(dú)特要求。能夠滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的軟件包有助于復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)得以最大程度的發(fā)揮，并在花費(fèi)最低成本的同時(shí)，滿足結(jié)構(gòu)需求。

質(zhì)量問(wèn)題

復(fù)合材料具有像變色龍一樣的性質(zhì)，這既是它的優(yōu)點(diǎn)也是缺點(diǎn)，一方面它在許多行業(yè)具有適應(yīng)性，另一方面則是其反復(fù)無(wú)常。看起來(lái)，幾乎每個(gè)結(jié)構(gòu)在產(chǎn)品工藝上都是不同的，因此很難形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量規(guī)范。

挪威船級(jí)社（Det Norske Veritas，DNV）的Messrs Weitzenboeck、Hayman、Hersvik、McGeorge、Noury和Hill以及挪威科技大學(xué)（Norwegian University of Science and Technology）的Echtermeyer在一篇文論中指出，標(biāo)準(zhǔn)是至關(guān)重要的，這些作者在制定標(biāo)準(zhǔn)方面的聯(lián)合經(jīng)驗(yàn)啟發(fā)了他們對(duì)大量案例的討論。

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風(fēng)機(jī)葉片是最熱門的一個(gè)話題。挪威船級(jí)社的“風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)和制造的海上標(biāo)準(zhǔn)（DNV-OS-J102）”為承包商和他們的客戶提供了合同性的參考，也為設(shè)計(jì)師和生產(chǎn)者提供了指南。挪威船級(jí)社擁有20年的風(fēng)機(jī)葉片認(rèn)證經(jīng)驗(yàn)，這一標(biāo)準(zhǔn)為工程師們提供了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，盡管還有很多工作需要做?，F(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)必須擴(kuò)展到目前已有預(yù)期的非常大型的葉片上，因?yàn)槠溥^(guò)度偏斜、翹曲失效和疲勞退化的風(fēng)險(xiǎn)更大了。在其他行業(yè)和領(lǐng)域所獲取的知識(shí)也可以加以參考，例如，飛機(jī)行業(yè)已有的概念有助于提高葉片的耐損傷性能。

這些工作也會(huì)影響潮汐渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量規(guī)范的發(fā)展。但是，就發(fā)展時(shí)間來(lái)看，這些能量轉(zhuǎn)換器至少落后風(fēng)機(jī)10年，還沒(méi)有確立相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。因此挪威船級(jí)社只能以其用于新技術(shù)的推薦做法（Recommended Practices），以及文件工作階段的進(jìn)展作為工藝評(píng)定的依據(jù)，其中包括可行性評(píng)估書(shū)、原型證書(shū)、條件類型證書(shū)、類型證書(shū)和最終的項(xiàng)目證書(shū)。挪威船級(jí)社“復(fù)合材料部件的海上標(biāo)準(zhǔn)（Offshore Standard for Composite Components）”也將為其提供資料參考。 123456

挪威船級(jí)社的“混凝土結(jié)構(gòu)的海上標(biāo)準(zhǔn)(Offshore Standard for Concrete Structures)”被用于新型纖維增強(qiáng)塑料加強(qiáng)筋的質(zhì)量認(rèn)證。這種創(chuàng)新產(chǎn)品采用了一種新的制造工藝，將輕木纖維作為主要的增強(qiáng)材料。

另一個(gè)迫切需要制定標(biāo)準(zhǔn)的領(lǐng)域是船艇復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)，該結(jié)構(gòu)可能是復(fù)合材料，也可能是其他材料。由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的多樣性，很難制定同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。但是，在實(shí)驗(yàn)和大規(guī)模演示的基礎(chǔ)上，船級(jí)社制訂了一套推薦做法，并且特別關(guān)注了耐粘結(jié)斷裂性能——粘結(jié)復(fù)合材料的修復(fù)很容易發(fā)生粘結(jié)斷裂。

一個(gè)研究項(xiàng)目展示了這種修復(fù)的可行性，甚至是對(duì)于處在石油天然氣行業(yè)等惡劣環(huán)境中的結(jié)構(gòu)。采用復(fù)合材料進(jìn)行修復(fù)具有很大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@避免了焊接操作中的高溫和危險(xiǎn)。

掃描聲學(xué)無(wú)損檢測(cè)是一種相當(dāng)成熟的技術(shù)，但是Tangent公司與PE Composites有限公司合作，將該技術(shù)進(jìn)行了內(nèi)部改造，即將小型的聲學(xué)傳感器嵌入到復(fù)合材料之中。

這些傳感器能夠在復(fù)合材料的制造過(guò)程中保存下來(lái)，并可以定位于層壓板中的關(guān)鍵層，實(shí)現(xiàn)聲學(xué)耦合。兩家公司堅(jiān)信，在整個(gè)使用周期內(nèi)，用這種方法連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的完整性可以為以狀態(tài)為基礎(chǔ)的維護(hù)提供依據(jù)，而且可以帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

研究人員在一艘9米長(zhǎng)的快速近岸巡邏艇上進(jìn)行了概念驗(yàn)證型的海試。據(jù)說(shuō)結(jié)果非常鼓舞人心，促使演講者得出這樣的結(jié)論：在線監(jiān)測(cè)可以應(yīng)用于各種類型和尺寸的船艇上，從而幫助我們認(rèn)識(shí)該領(lǐng)域內(nèi)各種復(fù)合材料的多種性能。

可循環(huán)性

近年來(lái)隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，出現(xiàn)了另一種反對(duì)傳統(tǒng)增強(qiáng)塑料的觀點(diǎn)，那就是廢棄復(fù)合材料回收困難。垃圾掩埋和焚燒不是處理廢棄物的理想方法，尤其是它們還對(duì)健康有潛在的危害。

熱塑性樹(shù)脂與現(xiàn)在占據(jù)主導(dǎo)地位的熱固性樹(shù)脂不同，是可以循環(huán)再用的，例如可以用作注塑材料，但是它們的樹(shù)脂/纖維界面粘結(jié)力比較弱，二次粘結(jié)時(shí)的粘附力比較差。后面一條缺點(diǎn)不難解決，可以采用各種局部加熱方法將部件“焊接”在一起。在粘結(jié)線附近局部加熱部件，可以熔融熱塑性樹(shù)脂基材，使其在分子水平上進(jìn)行內(nèi)部擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的粘結(jié)。

內(nèi)容來(lái)自123456

迄今為止，不同的加熱方法都被嘗試過(guò)了，包括使用電阻元件、熱氣、摩擦、電熔和超聲波。英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)性研究表明，采用整體加熱熔融粘結(jié)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)良好的粘結(jié)，而且不會(huì)增加重量，也不會(huì)在粘結(jié)層引入外來(lái)物質(zhì)。Otheguy、Gibson和Robinson在一篇論文中描述了這種用于玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料的T型接頭和搭接技術(shù)，并指出，該方法非常適用于小型的船艇建造商。

這種方法通過(guò)在粘結(jié)層放置的柔性加熱器進(jìn)行真空輔助的整體局部加熱。這些商業(yè)化的硅膠絕緣電子加熱器可以定制成任何尺寸。加熱器放置在粘結(jié)層的一側(cè)或者兩側(cè)后，由真空袋抽真空，真空袋有一層透氣層和釋出薄膜，因此在加熱循環(huán)中，這些位置會(huì)被施加輕微的真空。

研究人員發(fā)現(xiàn)，使用編織材料得到的結(jié)果最好，添加一層PP夾層可以將搭接剪切強(qiáng)度提高80%。總的來(lái)說(shuō)，他們認(rèn)為，整體加熱熔融粘結(jié)技術(shù)是一種有效的粘結(jié)方法，適用于小型的熱塑性復(fù)合材料船艇，接頭處的強(qiáng)度可以與傳統(tǒng)的熱固性復(fù)合材料相比擬。 內(nèi)容來(lái)自123456

膠衣

英國(guó)普利茅斯大學(xué)、PERA Innovation公司、Magnum Venus Plastech公司, W Ball and Sons公司以及Scott Bader公司的作者們?cè)谝黄撐闹刑岬搅四z衣在船艇船身和其他船艇結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，這些船艇都需要高質(zhì)量的表面。噴涂膠衣的常規(guī)方法會(huì)導(dǎo)致?lián)]發(fā)性有機(jī)物（VOC）的排放，該論文討論了一種適用于RTM和其他閉模工藝的經(jīng)過(guò)改進(jìn)的噴涂方法。


一種新的模內(nèi)膠衣涂覆技術(shù)在層板和膠衣之間使用了一層不分隔層

這項(xiàng)專利的模內(nèi)膠衣涂覆技術(shù)在層壓板和膠衣之間使用了一層不會(huì)滲透的分隔層。采用這種方法制成的具有良好表面質(zhì)量的層壓板仍然在不斷開(kāi)發(fā)中。新方法可以減少或避免有害物質(zhì)的排放，提高工作場(chǎng)所的安全性，減小環(huán)境影響。

困惑

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現(xiàn)代復(fù)合材料應(yīng)用中最后一個(gè)比較混亂的特征是普利茅斯大學(xué)的John Summerscales提出來(lái)的，他談到了不同公司在描述樹(shù)脂灌注工藝時(shí)所使用的名字和縮寫(xiě)。雖然他們?cè)噲D與其他公司的區(qū)分來(lái)來(lái)，但基本是相同的。他提出了一種分類方法，在這種分類系統(tǒng)下，所有的灌注工藝被分為四類：

◆在織物平面的樹(shù)脂灌注
◆采用流動(dòng)介質(zhì)或分散網(wǎng)的樹(shù)脂灌注
◆樹(shù)脂薄膜灌注
◆預(yù)浸料技術(shù)

這些都是柔性模具樹(shù)脂滲透法（resin infusion under flexible tooling，RIFT）工藝，介于RTM和真空袋成型工藝之間。要用這種四級(jí)分類法取代現(xiàn)在所用的名稱/縮寫(xiě)組合（論文中一共列舉了19種），可以讓現(xiàn)在的狀況不那么令人困惑。

鼓舞人心的消息

有兩個(gè)演講都提到了一個(gè)鼓舞人心的消息，即斯堪的納維亞半島地區(qū)已經(jīng)建成了全復(fù)合材料的船艇，現(xiàn)在已開(kāi)始服役。運(yùn)營(yíng)者對(duì)于這些船艇的優(yōu)勢(shì)非常滿意，例如，相對(duì)于傳統(tǒng)船艇具有更低的燃油消耗，而且復(fù)合材料不會(huì)腐蝕，維護(hù)也更少。

Kockums 公司的M. Hakansson說(shuō)，燃油成本的增長(zhǎng)趨勢(shì)對(duì)于輕量設(shè)計(jì)的需求非常急迫，促進(jìn)了先進(jìn)復(fù)合材料在船身、甲板和其他結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

Kockums在其新型雙體渡船中采用碳纖維復(fù)合材料作為主結(jié)構(gòu)材料，因?yàn)樘祭w維比玻璃纖維更輕、更硬、更牢固，而且比金屬輕得多，已成為小型船艇結(jié)構(gòu)的主要復(fù)合材料。例如，由碳纖維復(fù)合材料外殼和聚合物泡沫或輕木芯材組成的夾層結(jié)構(gòu)可能比相同的鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)輕75%。


Kockums看好輕量的先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在各種船艇中的應(yīng)用，包括這艘風(fēng)機(jī)供給船

碳纖維更廣泛應(yīng)用的一個(gè)障礙就是它的價(jià)格。但是Kockums通過(guò)對(duì)材料組合和結(jié)構(gòu)泡沫的測(cè)試和仔細(xì)挑選材料，可以保持其承受能力。在所使用的碳纖維/乙烯基酯樹(shù)脂層壓板中，纖維是中等強(qiáng)度的，比那些強(qiáng)度最大的最高等級(jí)的纖維便宜很多。真空灌注是最主要的生產(chǎn)工藝。


斯德哥爾摩的FMV總結(jié)的軍用復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)

來(lái)自瑞典斯德哥爾摩國(guó)防材料部（FMV）的Anders Lonno提醒參會(huì)代表，碳纖維復(fù)合材料對(duì)軍用船艇尤其做出了巨大貢獻(xiàn)。最知名就是2000年下水的第一艘Visby級(jí)輕巡洋艦，長(zhǎng)73米、重650噸、速度達(dá)40節(jié)。該船在其真空灌注的夾層結(jié)構(gòu)中采用了高延展率的碳纖維(Toray T700)和具有延展性的高密度芯材(Divinycell HD)。這使得船具有更低的雷達(dá)和磁場(chǎng)信號(hào)，優(yōu)化的重量使動(dòng)力需求和燃油消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金屬或玻纖增強(qiáng)塑料制成的船艇。采用了真空灌注的先進(jìn)復(fù)合材料的Visby展示了本世紀(jì)內(nèi)復(fù)合材料船艇結(jié)構(gòu)的進(jìn)步。而更加基礎(chǔ)的濕法手糊玻纖/聚酯樹(shù)脂外殼、PVC泡沫芯材夾層結(jié)構(gòu)是于20世紀(jì)70年代首次應(yīng)用于反水雷艇的。

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瑞典的Visby級(jí)輕巡洋艦為先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在軍艦中的使用樹(shù)立了示范性的標(biāo)準(zhǔn)

Visby已不再是軍用復(fù)合材料船艇的最高成就。在2010年，Kockums最新設(shè)計(jì)的巡邏艇和戰(zhàn)斗艦清楚表明了復(fù)合材料藝術(shù)的最新演變。在最新的設(shè)計(jì)中，使用了更多的材料，以獲得更廣泛的混合性能。夾層板仍然是首選結(jié)構(gòu)形式，因?yàn)樗鼈儗?shí)際上有兩層外殼，因此具有高抗彎性能和超常的耐損傷性。

另一方面，碳纖維、芳綸纖維或玻璃纖維外殼的多種基體樹(shù)脂和大量芯材都可以在設(shè)計(jì)時(shí)明確指定，然后根據(jù)所需的性能進(jìn)行混合定制。細(xì)心的材料和工藝選擇可以使設(shè)計(jì)者將重量、磁場(chǎng)信號(hào)、雷達(dá)信號(hào)和保養(yǎng)都減至最低，同時(shí)還可以賦予船艇結(jié)構(gòu)防彈、阻燃、耐沖擊和耐損傷的性能。