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干貨 | 船舶材料的研究進展

2016-12-29 10:14:23 作者：本網整理來源：材料+ 分享至：

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所謂海洋新材料，宏觀上是指能從海洋中提取的材料和專屬用于海洋開發的各類特殊材料。海洋新材料的主要分類：海洋用鋼（鋼筋和各類不銹鋼）、海洋用有色金屬（鈦、鎂、鋁、銅等）、防護材料（防腐、防污涂料、犧牲陽極材料）、混凝土、復合材料與功能材料等。海洋新材料的主要應用：造船、港口碼頭及跨海大橋、海底隧道、海洋平臺、海水淡化、沿海風力發電、海洋軍事等。

開發深海資源，維護主權權益，提高我國海洋技術支撐和保障能力，必須要發展重大技術裝備。而海洋工程材料則將在其中發揮關鍵性作用。本文將從研究進展，工藝詳解，應用分析，測試原理與方法等多角度深度為大家解讀海洋新材料。

從石器時代開始，人類為了探索江河湖海，從筏子開始，一步步的發展船舶，最早的是筏子和獨木舟，后來發展到用木板和梁材組合的結構。18世紀隨著冶金工業、機械制造業的發展，開始出現鐵質和鐵木混合結構的船舶。19世紀后半葉，進一步開始采用低碳鋼來造船，鋼材便成為造船的主要材料，20世紀后半葉隨著科技的進一步發展，越來越多的新材料使用在船體制造上，可以想象隨著科技的不斷進步，可以用來制作船體的材料將會越來越多，性能也不斷提升。

目前常用的船體材料包括金屬材料和非金屬材料。金屬材料有鋼材、鋁合金、鈦合金等等；非金屬材料有木材、水泥、復合材料等等。

木材

木材是最古老的船體材料之一，具有重量輕，力學性能好等特點，但是容易腐朽、蟲蛀、著火。在冶金工業不發達的時期、木船是海上運輸的主要工具，也見證了各個海上強國的興起與衰落。

“古觀落葉以為舟”，就反映了我們祖先早期對一些物體能浮在水面上的認識。也許正是因為這種自然現象，才引起人們航行的念頭。人騎坐在一根圓木上，就可以順水漂浮；如果他還握著一塊木片，就可以向前劃行。如果把那根圓木掏空，人就可以舒適地坐在里面，并能隨身攜帶上自己的物品。這就是人們創造的最早的船——獨木舟。以后人們又逐步學會了就地取材，制造了簡單、平穩、裝載面積較大的筏。筏的種類較多，有木筏、竹筏、皮筏等。

原始社會出現的獨木舟和筏，使人類在征服江河的斗爭中邁出了重要的一步。到了大約三千多年前，中國就開始出現了木板船。木板船出現以后，顯示了它強大的生命力，也為船舶的進一步發展和改造奠定了基礎。

隨后人們又在長期航行的實踐中，創造了利用風力行駛的船——帆船。初期的帆不能轉動，只有風順時才能使用，風不順就只有落帆劃槳。后來人們在航行的實踐中逐步發現，即使不順風，只要使帆與風向成一定的角度，帆上還是能受到推船前進的風力，于是人們又創造了轉動帆，在逆風的情況下，船也能前進。

自從人類創造了帆船以后，帆船運載著人們在世界的海洋上來往，直到十九世紀，世界上一些大型的船還是帆船，有的帆船，桅桿高達30米，掛帆30多面。但是無論是獨木舟、木筏船還是后來的帆船，船體的主要材料都是木材。

直到19世紀末水泥、鐵和鋼的大量生產和應用，使得木材的使用減少。到20世紀隨著人們環保意識增強和各種新材料的應用，使木材僅限于建造船模型和小型船舶。

水泥

以水泥與鋼絲（鋼筋）為主要材質的船舶。包括鋼絲網水泥船和鋼筋混凝土船。水泥船具有抗腐蝕性和耐久性。中國有許多鋼絲網水泥船使用20年以上。水泥船造價低廉，材料容易獲得，建造設備和施工工藝簡單，維修保養費用低，且能節約木材和鋼材。主要缺點是自重大，抗沖擊性能差，只能在一定范圍內使用。鋼絲網水泥船可作農船、漁船和運輸船舶。鋼筋混凝土船可作對自重要求不高，泊位固定或較少移動的工程船舶和躉船。

1848年法國人J·L·蘭波特用鋼絲為筋和水泥砂漿制造出世界上第一條小型水泥船，后來發展出用鋼筋取代鋼絲的鋼筋混凝土船。早期的水泥船工藝簡陋，船舶噸位較小，自重大。在兩次世界大戰期間，因鋼材匱乏，兩度出現建造鋼筋混凝土船的高潮。歐美各國建成大批鋼筋混凝土船，有的船排水量超過一萬噸。

1945年意大利人P·涅爾維教授建造了一艘165噸的鋼絲網水泥機帆船“愛倫”號。船殼厚3.6厘米，與同類型木船比，重量輕5％，造價低40％，性能符合航海要求，引起各國造船界的注意。

中國自1958年起建造了大批鋼筋混凝土躉船和鋼絲網水泥農船、內河駁船、內河拖船、沿海漁船和沿海中小型貨船。其保有量達數百萬噸，居世界第一位。

鋼

19世紀末出現了鐵船，很快被性能更加優異的鋼船所代替。低碳鋼和高強度鋼至今一直是大型船舶結構材料的常用材料。

鋼是對含碳量質量百分比介于0.02%至2.11%之間的鐵碳合金的統稱，鋼材是目前使用最為廣泛的的船體材料，1787年，約翰·威金遜用鐵板造成長21米的駁船“試驗”在塞文河上放下，并在倫敦泰晤士河上航行。1892年，英國人建造出世界上第一艘采用中軸線縱列方式布置主炮炮塔的全鋼質戰列艦“君主”號（HMS Royal Sovereign，也譯成“君權”號或“皇權”號）。

對于民用船舶，船體結構鋼按強度可分為一般強度船體結構鋼和高強度船體結構鋼。

一般強度船體結構鋼按其不同溫度下的沖擊韌性分A、B、D、E四個等級。

A級鋼主要用于船體內部構架和承受一般應力的外板等區域。B、D、E各級鋼材可用于船體外板、主甲板等高應力區的重要結構。E級鋼具有較好的低溫性能適用于在冰區航行的船體外板、甲板等。

高強度船體結構鋼按其最小屈服強度劃分強度級別，每一強度級別又按其沖擊韌性不同分為A、D、E、F四級。常用的高強度鋼有AH32、DH32、EH32等等。

艦船用鋼是指軍用的水面艦船（如驅逐艦、巡洋艦）和水下潛艇（如常規動力潛艇、核動力潛艇）以及掃雷艇等船體結構用鋼，是現代艦船建造最主要、最重要和最關鍵的結構材料，其性能優劣直接關系到艦船的戰術性能。艦船用鋼必須具有足夠的強度和韌性、良好的工藝性和耐海水腐蝕性。艦船用鋼的特點是批量小、規格多、要求高、更新慢。

二戰之后，世界各個海軍強國為了滿足軍艦的發展需求，研究開發了系列高強度軍用艦艇結構鋼。為了不斷滿足艦船對船體鋼的更高要求，世界各國都在對現有成熟鋼種不斷改進，進行深化完善的研究工作。

美國的船體結構鋼從50年代就開始建立HY系列高強度結構鋼的體系平臺。發展了綜合性能好的屈服點達到55MP a級HY280鋼，該鋼用于美國海軍第二代的彈道導彈核潛艇——“伊桑·艾倫”級核潛艇的全部耐壓殼體。一直到80年代， HY系列鋼仍然是美國艦船的主要結構用鋼。美國用HY2130鋼建造的“海狼”號最新式攻擊型核潛艇，下潛深度可達560 m。進入20世紀80年代后，隨著超低碳、超純凈鋼冶煉、微合金化及控軋控冷等冶金技術的發展，開始研制不需預熱或者只需較低溫度預熱就能焊接的HSLA系列鋼。開發的HSLA280鋼其強韌性已達到HY280鋼的水平，而焊接性更好。HSLA280鋼因具有優良的焊接工藝性能，且合金元素含量低，從而簡化了艦船的建造工藝，大大降低了艦船成本，使船體結構鋼的開發進入了一個新時代。

除美國外，近年來，俄羅斯、日本、法國、英國等國家也開發了系列高強度艦船用鋼。日本艦艇用鋼研制開發水平是很高的。列入防衛廳規格的就有NS30、NS46、NS63、NS80、NS90、NS110 等各級艦艇用鋼。

俄羅斯60年代所形成的比較完整的AK系列鋼，目前已逐漸被AB系列鋼所取代。法國在第二次世界大戰后開發了60HLES、80HLES、100HLES三代潛艇耐壓殼體用鋼。

英國在20世紀40年代以前制造艦船殼體主要采用U、X、W鋼。50年代采用了屈服強度不低于431MPa的QT28鋼，1958年至1965年又廣泛地采用了屈服強度不低于549MPa的QT35鋼，1965年由于該鋼在冶金中出現層狀撕裂問題，于是改用從美國進口HY-80代替QT35鋼。1968年仿造HY-80鋼獲得成功，并制訂了Q1（N）規范，其化學成分與HY-80相當，但雜質控制更嚴。1969年1月用Q1（N）鋼建造潛艇，70年代以后還仿制了美國的HY-100和HY-130鋼，即英國的Q2（N）和Q3（N）鋼。此外，在制造水面艦船上還大量使用A級鋼（屈服強度不低于245MPa）、B級鋼（屈服強度不低于314MPa）。為了降低軍艦造價，充分發揮材料性能，常常在同一條艦艇上根據設計要求大量使用不同強度級別的材料。

我國海軍艦船鋼的發展可劃分幾個歷史階段：

20世紀50年代~60年代，主要是依賴蘇聯進口和仿制；相繼研仿試制成功了921、922、923、907、917等鋼；

20世紀70年代~80年代，開始立足于無鎳合金鋼，自行研制了我國第一代艦船用鋼———錳系無鎳鉻鋼和低鎳鉻鋼，如901、902、903、904系列鋼種；

20世紀80年代后，海軍裝備有了很大發展，對艦船用鋼也提出了更高的要求，第一代艦艇用鋼滿足不了現代海軍的的需求，在對第一代艦船用鋼改進提高的基礎上，開始研制綜合性能更好的第二代艦船用鋼及其配套材料，如440MPa級的945鋼、590MPa級的921A系列鋼、785MPa級的980鋼等；20世紀90年代后，艦船用鋼的研究以改進提高和自主研發并舉，特別是2000年以后，進入快速發展階段，許多具有世界先進水平的鋼種研發成功并得到實船應用。目前已經形成了較為完整的耐蝕可焊艦艇用鋼系列，主要代表有：390MPa的907A鋼、440MPa的945鋼（945鋼采用Ni、Cr、Mo、V合金系，碳當量較高，焊接難度大，建造成本高）、590MPa的921A鋼、510MPa的922A、923A鋼、785MPa的980鋼等。我國艦船用鋼40年來的研制與發展基本滿足了不同時期艦船發展的需要，但與國外先進國家艦船用鋼有一定差距。

鋁合金

近年來，由于能源短缺的加劇以及全球環保運動的日益高漲，艦船的輕量化及合金材料再生利用的要求，使鋁合金在實際應用中得到進一步的發展。鋁合金由于具有密度小、比強度大以及無磁性、高導電性和導熱性等特點，目前鋁合金已經大量用于中小型客船、游艇、快艇、高速導彈艇、巡邏艇、驅護艦（例如部分軍艦的上層建筑）等船上。

1891年瑞士的EcherWyss首次建造了一艘8人乘坐的湖上全鋁汽艇，隨后其他國家也開始建造，只是當時的鋁合金強度不大，耐腐蝕性能差，使用受限制；20世紀30年代隨著冶金專業的發展，出現了機械性能較好的鋁鎂合金1931年，英國制造了鋁鎂合金的“Diana 2”游艇，長16.75m，寬3.66m，吃水1.74m，1940年，美國建造了全鋁快艇；1945年日本建造了“阿拉卡塞”號全鋁巡視艇。20世紀50-60年代，鋁焊技術開始出現，美國又開發出5086和5456的鋁合金板材與型材，此時鋁合金船取大量發展，1966-1971年美國建成14艘鋁制“阿西維爾”級高速快艇，這是第一批全鋁軍艦，使用5086鋁合金。

1958年，我國建造了第一艘全鋁鉚接水翼艇。60年代以后形成艦船及裝甲板用的鋁合金系列，如LF系、LD30、LD31、919鋁合金、147、4201和180鋁合金（也稱2103合金）等。目前，我國船體結構上主要使用180合金。 60年代初，我國用LY12CZ鋁合金做船體，也成批建造了水翼快艇。80年代，我國用180合金，采用焊接工藝建成了一艘全鋁結構的海港工作艇“龍門”號。

鈦合金

鈦化學活潑性很高，易與氧、氫、氮、碳等元素形成穩定化合物。鈦具有耐熱性。鈦可與氧或氮彤成化學穩定性很高的氧化物或氮化物保護膜，因此鈦在低溫或高溫氣體中具有極高的抗腐蝕性能。鈦在淡水或海水中也具有極高的抗腐蝕性能，鈦在海水中的抗腐蝕性比鋁合金、不銹鋼、鎳基合金的抗腐蝕性能好。工業純鈦具有極高的冷加工硬化效應。

金屬鈦作為工程材料僅有50 多年的歷史，但因為其具有無與倫比的特殊性能迅速在各行各業得到了應用。鈦合金之所以被稱為“海洋金屬”，是因為其具有艦船材料所要求的耐蝕性、耐久性、牢固性、可靠性、穩定性及各種特殊性能。

國外早在20世紀50年代就開展了鈦合金的應用研究，70年代以后，鈦合金廣泛應用于潛艇和深潛器的耐壓殼體。俄羅斯在建造鈦合金核潛艇研究和制造技術上，處于國際領先地位，也是用鈦合金建造耐壓殼體的唯一國家。到目前為止俄羅斯研制的核潛艇已有四代。從第一代 661 型（P 級）試驗性核潛艇開始就采用鈦合金作耐壓殼體，如在 20 世紀 70 年代初開始研制并引起世界廣泛關注的 A 級攻擊型核潛艇，該艇是采用鐵合金作為船體材料，是核潛艇中最先進的一型核潛艇。俄羅斯目前在建造鈦合金核潛艇上處于世界領先地位，擁有專門的船用鈦合金系列，形成了490，585，686，785 MPa 等強度級別的船用鈦合金產品。其“阿庫拉”級核潛艇的鈦合金耐壓殼能保證“阿庫拉”級在深達650米左右的海底安然無恙。美國也對船用鈦合金也進行了大量的工程研究，主要應用的鈦合金有純鈦、Ti-0.3Mo-0.8Ni ， Ti-3AL-2.5V ，Ti-6AL-4V ，Ti-6AL-4VELI ， Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo和Ti-3AL-8V-6Cr-4Mo-4Zr 等等。

各國的深潛器大都采用鈦合金建造，例如美國“阿爾文”號深潛器，在1973年使用鈦合金，潛深3600m；法國的“鸚鵡螺”號潛水器使用鈦合金，潛深6000m；我國的“蛟龍”號載人潛水器也使用的是鈦合金。

我國艦船鈦合金的研究始于1962 年。經過40多年的發展，其研究制造水平有了很大提高，現已形成了我國專用的船用鈦合金體系，已能批量生產板、管、鍛件、中厚板、各種環材、絲、鑄件等多種形式的產品，可滿足不同強度級別和不同部位的要求。

復合材料

上世紀40年代中，美國海軍首次將復合材料用于船舶建造，從此掀起了船舶建造新的篇章，全世界各國相繼開始研制各種各樣的復合材料船舶。復合材料在快艇、游艇、賽艇以及諸如拖網漁船等小型商業漁船上的使用逐漸得到了普遍認可。

復合材料作為新型功能結構材料，具有重量輕、比強度和比剛度高、阻尼性能好、耐疲勞、耐蠕變性能、耐化學腐蝕、耐磨性能好、熱膨脹系數低、以及X射線透過性好等特點，備受造船界的重視，尤其是在制造高質量的船體結構方面有著巨大的優勢。隨著社會發展，無論是用于軍事，還是救援、執法方面的船只，都對船速提出了新的要求，特別是在武裝攻擊中，必須降低船艇的重量，以便在相同動力獲得更高的有效載荷，并節約燃料、降低成本，在提高航速的同時，也提高了船只的機動靈活性。近年來，先進復合材料和輕量化結構技術已發展成為減輕船體重量的關鍵技術。

美國是最早的復合材料艦船制造者，目前其復合材料造船量穩居世界首位。1996年美國制造的探海艇，是石墨纖維增強環氧樹脂單殼結構，可下潛6096m的深度。美國建造大型復合材料艦船方面的能力在80年代后期開始批量化生產沿海獵雷艦的MHC 工程中得到了顯示。2006年制造的代號M80的“短劍”（ Stiletto）是最新型高速隱形試驗快艇，是碳纖維一次成型的最大船體，由于工藝無焊接、無鉚接，大幅度實現了船只的整體輕量化，使快艇能夠輕易獲得較高航速。

日本在60年代初成為美國游艇承包建造基地，為后來建造復合材料漁船和大型艇奠定了基礎。到了1993年，日本復合材料漁船的數量就已經超過32萬艘，復合材料游艇則超過了20萬艘。

英國不僅是大型復合材料反水雷艦艇的先驅國家，它在復合材料高速艇的研制技術方面也屬世界一流水平，建造過不少軍用高速艇。在上世紀90年代，英國開始利用一流的復合材料輕量化技術，研制高速輕型氣墊船和HM-2型氣摯渡船。制造的“施培正”號凱芙拉巡邏艇，艇殼比玻璃鋼減重20%，比鋁合金減重近5t。目前英國20m以下的船舶有80%都是復合材料制造的。熱塑性復合材料堅韌、可回收，并可縮短生產周期的優點，使熱塑性復合材料成為船用復合材料輕量化的發展方向之一。近年英國羅斯柴爾德的Plastiki 塑料瓶船，符合材料可生物降解和可循環利用的發展方向，就引起了不小的轟動。英國VT Halmatic 艦船制造商利用真空袋固化工藝制造了簡單的熱塑性塑料底船DUC也證明了這一點。采用玻纖/聚丙烯材料制造，完美實現了輕量化。此船已被英國軍隊采用，作為Mk6軍事突擊艇，試驗登陸沙灘時非常堅韌。

意大利的復合材料游艇工業不僅發展較早，而且技術非常先進，是歐洲制造35m以上大型豪華游艇的中心之一。意海軍對復合材料反水雷艦艇的開發研究非常重視，1967年就開始研究新穎的硬殼式獵雷艦，并成功研制出多型Lerici獵雷艦。瑞典也非常重視復合材料在艦船中的應用。應該指出的是，瑞典的夾層結構復合材料技術堪稱世界一流，用于建造了不少高速軍用艇和巡邏艇，如TV171 和CG27型海岸巡邏艇。值得一提的是，瑞典在1991年研制成世界第一艘復合材料隱形試驗艇“Smyge”號，該艇集先進復合材料技術、夾層結構技術、隱身技術及雙體氣墊技術于一體，實屬艦船中的高科技產品。

中國自1958 年開始試制，拉開了復合材料造船的序幕，迄今也已經制造了數以萬計的各種復合材料船艇。有總長近39m的掃雷艇；漁船則是以80年代中后期批量建造的長度接近20m 的遠洋捕撈漁船為代表； 92年以來，廣東地區還掀起了研制復合材料高速客船的熱潮，先后研制出各種單體高速船、高速雙體氣墊船、機動帆艇等。2008年，深圳海斯比設計建造的SD1388全復合材料高速艇成功下水，這艘具備完整自主知識產權的船艇最高時速達70節，將碳纖、芳綸等航天理念成功詮釋到了船艇上，打破了歐美極少數幾家公司的技術壟斷，被媒體觀眾形象地譽為“海上奔馳”。海斯比開發的HP1500超高速巡邏艇，已經成為我國邊防、海關等海上執法單位的定型裝備，為打擊走私、保護國家海域邊防安全，安保國家盛事做出了卓越貢獻，堪稱國內高速高性能復合材料船艇批量建造的典范。

用于船體的復合材料主要有碳纖維，芳綸纖維和玻璃纖維。復合材料船體的典型結構形式主要有五種：單板加肋結構、夾層結構、硬殼式結構、波形結構及其混雜結構。

結語

經過三千年的發展，目前因海洋探測的需要加之環境的惡化，對船舶船體材料的要求更加的苛刻。船艦正向著輕量化、低成本化、整體化、數字化的方向發展。著眼于當前船舶材料技術的發展狀況，立足于 21 世紀前期（2035 年前）的高新技術發展，可以預見，21 世紀前期船舶材料技術的發展趨勢將呈現出以下“高” 、“復” 、 “鈦” 、 “隱” 、 “防” 、“有”、“無”、“前”、“用”、“低”等十大特征。

“高”：船舶船體鋼材仍向高性能化發展；

“復”：研發高性能多功能復合材料的趨勢方興未艾；

“鈦”：高性能鈦合金的研發與推廣應用勢在必行；

“隱”：仍將研發高性能隱身材料列為重要發展方向；

“防”：船舶防護材料以環保高壽命為重點正蓄勢待發；

“有”：船舶用有色金屬材料仍需加強推廣應用；

“無”：開辟無機材料在船舶裝備上應用的新領域；

“前”：船舶材料前沿技術呈現百花齊放的發展趨勢；

“用”：加強材料應用技術的研究不可或缺；

“低”：船舶材料技術一如既往向低成本化的方向發展。

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責任編輯：王元