芬蘭Baltic公司采用碳纖維打造超級游艇

芬蘭北部地區(qū)是游艇建造商的發(fā)源地，長期為游艇所有者津津樂道。Baltic游艇公司采用高性能的復合材料制造高強度且輕質的船艇，以滿足船艇所有者的期望。George Marsh對此進行了報道。

Baltic游艇公司認為，一艘設計并建造良好的適當重量的游艇不僅具有優(yōu)異的性能，而且不會喪失傳統(tǒng)優(yōu)勢。為證實這一觀點，Baltic公司已成為碳纖維復合材料船艇制造商的主要代表。

目前，Baltic公司正在位于Jakobstad的船廠內建造最令人稱奇的超級游艇項目：一艘巨大的67米長的雙桅船。該船被稱為“巴拿馬”超級雙桅船，雖然船身長達60米，主桅桿高62.5米，但該船的總重僅為210噸。

如此低的重量是因為船身和甲板采用了以碳纖維/環(huán)氧樹脂為蒙皮、Nomexǚ湮巡牧蝦虲orecelltm結構泡沫為芯材的夾層結構。瑞士固瑞特（Gurit）公司設在英國懷特島上的船艇業(yè)務部門SP公司與該船的設計者——船艇設計師Gerard Djikstra和Reichel Pugh緊密合作，負責結構的設計。參與合作的英國Rhoades Young提出了復合材料內飾概念，不僅重量極輕，而且采用了是非常舒適和漂亮的懷舊風格。

Baltic制造的長46米的Pink Gin 2的船身、甲板、船艙壁總重只有35噸左右。
（圖片致謝：Pertti Puranen）

巴拿馬號的船尾底部又長又平，一個厚厚的圓形龍骨與碳纖維船身相連。龍骨可以收起，將吃水深度從9.5米降至3.5米。這艘船具有經(jīng)典的外形和許多創(chuàng)新的特性，預計將于2011年建成并下水。

雖然Baltic游艇公司出于保密原則不能討論巴拿馬號雙桅船的技術細節(jié)，但我們了解到，該船的主體結構船身和甲板總重能夠保持在45噸以下，要歸功于先進的材料和制造工藝。該公司采用夾層結構作為船的內艙壁，夾層結構由碳纖維預浸料蒙皮和Nomex和Corecell芯材組成，利用真空袋技術成型并于85℃下固化而成。碳纖維預浸料、芯材、膠粘劑和環(huán)氧層壓樹脂都是由SP提供的。船身在Baltic位于內陸的Bosund工廠制造完成后，才被運到位于Jakobstad海岸的新工廠內。甲板也是在Bosund工廠分兩部分層壓而成的。船最終在占地5000平米的新工廠內建造完成。

主桅桿和后桅桿分別高62.5米和57.5米，均采用碳纖維復合材料制成，可以支撐起2400平米的帆。碳纖維制成的船首斜桅可以在船靠岸時取下。固定索具采用Future Fibres公司的PBO纖維制成，據(jù)說相比不銹鋼索具可以減重5噸。這將是迄今為止最大的復合材料固定索具。

在主要的船身和甲板結構中，對于應力集中區(qū)的設計給予了特別的關注，例如甲板縫隙周圍和龍骨區(qū)域的應力特別高。

與主結構一樣，內部的船艙壁也是碳纖維夾層結構。其他板材和家具同樣為輕質夾心結構。機艙對防火安全的要求非常嚴格，采用的是特殊的防火預浸料。

工藝的演變

創(chuàng)新是Baltic公司的一大特點，巴拿馬號超級雙桅船的制造技術就是一種不斷改進而來的工藝。7年前該公司推出了一艘44米長的豪華單桅船Visione號，采用的是當時最先進的碳纖維帆船結構。

Visione的船身、甲板和船艙壁所采用的夾層結構是以碳纖維-芳綸纖維預浸料為蒙皮，Nomex蜂窩材料為主要芯材的，但在船身容易遭到撞擊的位置采用了部分Corecell芯材。

分析表明，船身可以承受大型單桅船索具和活動龍骨結構在船頭和船尾所造成的巨大彎曲載荷。裝有活動龍骨的碳纖維增強塑料船體可以承受2000噸的擱淺載荷，因此現(xiàn)在的巴拿馬號才能承受高于此50%的載荷。

為進一步加固船頭和船尾結構，制造商采用了延展性最高的碳纖維增強材料，并有選擇的使用了中等模量的碳纖維。船身和甲板采用陽模一體成型，單向纖維可以很好地鋪放在陽模上，這一點在凹面的陰模內很難做到。

Baltic公司是較早采用預浸工藝提高比強度的公司之一。長46米的Pink Gin 2的碳纖維船身、甲板、船艙壁和增強結構總重只有35噸左右；180噸的排水量相當于一艘傳統(tǒng)材料制成的220噸重的船的排水量。 123456

Baltic的生產(chǎn)團隊過去幾年一直致力于工藝的改進，例如加大預浸料中纖維/樹脂的比例，提高真空度，以及精確的溫度控制。2001年該公司購買了一臺40噸的層壓機，從而可以生產(chǎn)出比真空袋工藝更平滑、更輕的結構艙壁和其他內飾板。

Pink Gin 2上的創(chuàng)新之處包括Kevlar纖維桅桿、兩個駕駛艙和為減輕噪音而大量使用的乙烯基屏蔽層。碳纖維船艇由于材料硬度很高，船身和甲板結構就像管弦樂隊的音箱一樣可以將最微弱的聲音放大。柚木裝飾的碳纖維夾層結構用于制造餐桌和其他家具，甚至內部的扶手也采用了柚木裝飾的碳纖維復合材料管。


Pink Gin 2的堅固的碳纖維復合材料船體要承受非常高的擱淺載荷。
（圖片致謝：Pertti Puranen）

減重

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Baltic自1973年開始推出了定制游艇業(yè)務，制造的船艇長度范圍在11.5-60米之間。客戶對最高標準的建造技術和性能的要求及其經(jīng)濟實力，促使該公司可以進行創(chuàng)新工藝和材料的開發(fā)。

剛剛卸任的市場總監(jiān)Per Goran Johansson（由Kenneth Nyfelt繼任）和輕質技術解決方案的一位主要推動者很清楚，復合材料是重量最小化的關鍵所在，并且不會損失強度和安全性能。此外，高技術的材料和制造工藝也賦予船艇更好的質量和耐久性。

對于Johansson來說，重量幾乎是一個有形的敵人，他認為減輕主要結構的重量有多重好處。例如，在一定的壓載/排水比下，龍骨的重量可以減輕。龍骨重量減輕就可以相應減少帆的面積，從而降低桅桿。這對于索具及其配件來說也就意味著承重更小。因此，高處的重量就減輕了。然后設計師就可以進一步減輕龍骨的重量。

Baltic說，感謝這種迭代效應，主要結構減輕500千克的重量最終可以使船艇的重量減輕2000公斤之多，同時還保持著相同的壓載/排水比和帆面積/排水比。 copyright 123456

所有的Baltic游艇都使用高質量的層壓材料。某些標準型號，例如Baltic 64采用真空袋成型的層壓材料建造，通常采用端面晶粒巴伐木作為芯材，玻纖/芳綸混合纖維作為增強材料。在大型定制游艇中，則轉而使用高標準但昂貴的單向碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料。此時所采用的芯材為Nomex蜂窩材料和高彈性的苯乙烯-丙烯腈（SAN）結構泡沫Corecell。

Baltic從最初就樂于采用夾層結構來達到強度、剛度、輕質和絕緣的目的。由于板材的剛度與其厚度的立方成正比，夾層板材相對于單蒙皮層壓板剛度更高，彎曲也更小。Baltic認為這延長了層壓板的壽命，避免了應力斷裂，因此避免了水的滲入。該公司的經(jīng)驗表明，層壓板的強度會隨著板材的彎曲迅速下降。

作為高技術織物的早期使用者，Baltic通常采用單向纖維織物制造船身和甲板結構。該公司表示，單向纖維可以更接近載荷路徑，比織物強度更高?？椢锘鶎訅喊甯菀讖澢?，會形成很微小的裂縫。Baltic說，在單向纖維層壓板中，纖維承受的載荷更均勻，避免了拉伸，保持了板材的剛度。

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就厚度、比強度和纖維/樹脂比而言，單向纖維層壓板的性能要高于其他形式的板材。Baltic公司表示，他們需要從層壓板制造商那里獲得高水平的制造技術。在層壓板制造過程中，可以根據(jù)載荷路徑在不同方向上鋪設多層單向纖維。

Baltic從前采用的單向纖維是一種特殊的芳綸/玻纖粗紗，但現(xiàn)在已升級為碳纖維。在標準型號的游艇和小型定制/半定制游艇中，他們使用真空袋成型的層壓板，而在大型定制游艇中則采用預浸料。該公司認為在所有的層壓技術中，預浸料可以最好地控制樹脂的比例和使纖維定向。


建造中的巴拿馬號的船身

Baltic的游艇定制部門制造的大多數(shù)游艇主要采用碳纖維，有時也使用芳綸纖維和S玻纖。在應力非常高的大型船船艇中碳纖維仍是主流材料。

樹脂

同樣受到關注的還有樹脂的選擇和優(yōu)化。在聚酯、間苯二甲酸聚酯、乙烯基酯和環(huán)氧樹脂中，最后被指定的可以最好的滿足要求的樹脂會與纖維粘合在一起。Baltic很清楚環(huán)氧樹脂具有最好的粘結性能，而且可以將纖維保持在最長的長度。

樹脂的彈性可以優(yōu)化層壓板的強度，因此也備受重視。理論上，樹脂和纖維應該很好的匹配。例如，E玻纖/鄰苯二甲酸聚酯層壓板在應力僅僅達到玻纖能夠承受的1/3載荷下，就會發(fā)生斷裂。層壓板的斷裂是由樹脂造成的，而不是纖維。如果改用環(huán)氧樹脂，E玻纖的強度會在環(huán)氧樹脂極高的延展性下得到最大的增強。環(huán)氧樹脂還適合制造預浸料，因為它可以部分固化到β階段，用來生產(chǎn)儲存期較長的片狀材料。在以后的使用過程中，它可以在真空和高溫下進行完全固化，船艇建造過程的固化溫度通常為85℃。

未來前景

Baltic公司今后將繼續(xù)在創(chuàng)新上進行投資，例如，他們認為在納米環(huán)氧樹脂中使用碳納米管可以制成強度更高的層壓板，而且已進入早期的應用階段。他們還將繼續(xù)使用預浸料和樹脂灌注工藝，因為這些技術最適合制造高質量的大型游艇。同樣位于Bosund的R&J Design公司與Baltic有緊密的合作，幫助其改進工程設計。

托復合材料的福，Baltic的客戶們可以購買到非常耐久的船艇。正如一位發(fā)言人所說：“我們堅信高技術的層壓板強度會更高，重量會更輕，也更耐久。游艇壽命更長，購買者就會覺得物有所值。”

來源：加工機電網(wǎng)