原文來自雜志《Reinforced Plastics（增強塑料）》，由上海船舶工藝研究所劉子茗翻譯并刪改
在造船方面，尤其在軍艦上，復合材料相比金屬有明顯的優勢。然而，世界各國海軍還沒有大規模地轉向復合材料。不過，尤其是在荷蘭和斯堪的納維亞的造船商，有一種現在是時候實現這種改變的緊迫感。我們與來自荷蘭弗利辛根達門舍爾德海軍造船公司（以下簡稱達門）的專家進行了交談，了解了復合材料的優勢，以及必須克服的挑戰。
達門集團從20世紀60年代開始就開始生產復合材料船。“但后來鋁使生產成本更低，所以達門完全轉向鋁，”達門公司的研發總監Joep Broekhuijsen說。
圖1：達門生產的攔截艇，因使用復合材料的原因又輕又快
21世紀以來，達門集團再次大舉投資復合材料。幾年之后，他們在土耳其建立了一家復合材料造船廠，生產長度可達25米的船舶。
達門公司的復合材料結構技術專家Laurent Morel說:“這些大多是攜帶在母船上進行追擊的攔截艇。我們正在以大約每周一艘的速度生產一系列共70艘船。我們還在那里生產了兩輛用于客運的雙體船。我們所有的船員供給船和海上供應船的上層建筑都是由復合材料制成的。”
達門制造了各種各樣的船，他們有雄心將復合材料船做得更大。“我們在圖紙上有一個45米船的設計，我們希望在5年內達到75米，”Morel說。
圖2：復合材料船體的成型
達門公司使用熱固性樹脂，并盡可能多地使用玻璃纖維。大多數復合材料船不是為了強度而設計的，而是為了頻率。根據船的類型，有時必須使用不同的材料來達到需求的頻率以避開螺旋槳的激勵。
軍用復合材料的額外優勢
當然，從鋼到纖維增強塑料最明顯的優勢是減重，這可以用來減少燃料消耗或攜帶更多的有效載荷。復合材料上層結構的重量更輕，也可以降低船舶的重心，增加其穩定性。但根據Morel的說法，這些長度低于25米的船之所以重新使用復合材料，主要原因是它們現在的生產成本比鋁制船要低。
在軍事應用中，由復合材料制成的船舶或上層建筑具有一些額外優勢，比如與輕金屬結構相比較低的雷達散射截面。由復合材料制造的船舶水下磁性特征較低，這對獵掃雷艇(MCMV)尤其有價值。MCMV長度大于25m，荷蘭海軍應該很快就會更換他們的MCMV。“這是我們目前的主要關注點，”Broekhuijsen說。
圖三：阿爾克馬爾級的MCMV，從1983年開始在荷蘭海軍服役，它的52米長的玻璃纖維增強聚酯船體在當時是相當革命性的。
反水雷艦艇
達門正在考慮建造75米長的下一代復合材料MCMV。“這是一個相當大的復合平臺，”Broekhuijsen說。但國防組織因為在處理水雷問題上有兩種不同的策略，還沒有確定一個明確的偏好，因此還沒有訂購新的MCMV。
第一種策略是使用一艘具有低磁特征的MCMV，能夠在水雷被發現之前探測到它。此外，船上的儀器必須由非磁性材料制成，或者配備消磁系統。另一種策略是使用普通的鋼鐵母艦，始終停留在雷區之外，并派出小型無人船追蹤水雷。這些無人船計劃長10-20米，由復合材料制成。
Morel表示：“國防界正在等著看這些無人系統的發展會有多快，因此，目前很難進行性價比比較，我們努力對兩種策略都做好準備。但對我來說，挑戰很明顯:復合材料船的購買成本必須至少低于鋼船體版本。”
海軍艦艇所能承受的載荷與商業艦艇不同。以MCMV為例，它必須能夠承受地雷的意外爆炸。荷蘭甚至要求他們的MCMV在回到港口之前能經受住多次爆炸。Broekhuijsen表示：“撕裂對船體有害，訣竅是防止形成真正的撕裂，造成防水完整性失效。使用復合材料，會看到分層形式的損傷，也會吸收大量的能量。但你也希望一艘船能夠承受多次爆炸，而不會受到傷害。因此，你必須能夠在不分層的情況下承受幾次沖擊載荷，并保持鋼和復合材料的彈性參數。”
鉚釘、螺栓還是膠粘劑?
對于連接部位，達門更喜歡使用膠粘劑，Broekhuijsen解釋道:“焊接是不可能連接復合材料與鋼的，鉚釘是一種過時的技術，我們很少使用螺栓。在復合材料的上層結構中使用螺栓不利于減重。螺栓的重量約為復合材料上部結構重量的20%。”
美國最近嘗試加固了一種復合材料的上層建筑:美國軍艦朱姆沃爾特DDG-1000是一艘外觀前衛、180米長的導彈驅逐艦，專為擁有超低雷達散射截面而設計。但將螺栓用于上層建筑增加了重量和成本。32艘朱姆沃爾特級驅逐艦的建造計劃擱淺，生產計劃限制在3艘。
Morel指出:“對于操作荷載，如波浪荷載，一個連接節點是足夠強的。然而，軍事負載則是另一回事，尤其是內部爆炸場景。這可能就是為什么美國人使用螺栓而不是膠粘劑的原因:他們的設計要求中可能有武器爆炸載荷。在爆炸中，我們討論的應變率是實際載荷的一千倍。這需要一種不同的方法:你必須把結構置于膜態，而不是彎曲態。將其與肥皂泡相比較：肥皂泡在張力中均勻地加載，使輕量級結構能夠承受較重的負載。我們已經做了一個可以應對反艦導彈的復合材料防爆艙壁。從幾何上看，它只是一個扁平的夾層板，但你必須修補纖維的方向和接頭，以推動荷載進入正確的方向。爆炸后，你可以看到里面有肥皂泡的形狀。”
圖4：達門在卡雷爾·多門號的上層建筑上制造了用于空調和供暖的GFRP空氣導管，卡雷爾·多門號是荷蘭海軍的一艘205米長的支援船。
金屬和塑料粘合
達門在25米長的船上使用膠粘劑將上層建筑連接到船體底部。但在像MCMV這樣的大型船只上是一個巨大的挑戰。定義要求的船級社必須仔細檢查整個結構。對于小型船，我們可以在沒有船級社批準的情況下連接上層建筑。但對于大型船，我們必須讓機構相信這種粘合是持久的，必須在火災時證明它的安全。我們必須對可能發生的情況以及減少這些風險的選項進行評估并研究應對方案。
Broekhuijsen說:“對于粘接在海洋環境中的老化行為，我們還不太清楚。在航空航天領域，粘接也同樣適用，但我們在使用和處理膠粘劑時面臨完全不同的情況。在粘接過程中，我們的環境不能像在航空航天生產中那樣得到很好的控制。車間通常不供暖，且遍布世界各地。印尼的濕度比荷蘭高。環境每一季都在變化，所以它們更難控制；更重要的是，出于成本的考慮，我們不想過多地控制。所以我們在尋找耐受性更強的膠粘劑并研究如何監控膠粘劑的使用情況，為了在粘合失效前發現異常情況并進行干預。”
他們曾為此與一家膠粘劑制造商密切合作，但Broekhuijsen解釋說，他們發現這太嚴格了:“它過多地限制了我們對膠粘劑的選擇。市場上有許多類型的膠粘劑。其中許多已經獲得了海事申請的批準。我們希望有從所有可能的選擇中作出選擇的自由。所以現在我們采取了一個不同的策略:我們在特定的應用中定義膠粘劑的基本參數。我們也在確定所需的測試，得到一個測試矩陣，可以提供給不同的供應商，他們的任務是用結果填充測試矩陣并報價，然后我們就可以選擇最適合我們的應用。我們剛剛開始了與代爾夫特理工大學的耐久性研究項目，預計需要三到四年時間才能完成整個矩陣。”
Morel補充道:“瑞典造船廠已經將其應用于海軍艦艇上，因為海軍艦艇不需要等級批準。但達門更希望獲得商業批準，即使是軍用船只。最大的挑戰是使仿真模型得到認可，特別是膠粘劑的有限元模型必須在-65至+80℃的溫度范圍內工作。船只必須能夠航行世界各地，從北極到熱帶地區。我們知道它的效果很好，它已經經過了嘗試和測試，但我們還不能證明。我們現在和十幾個合作伙伴在一個由TNO領導的項目中進行嘗試，這將花費兩年的時間，應該會為我們獲得分類批準。”
全復合材料MCMV最大的挑戰
Morel解釋說，開發大型復合材料船(如新一代MCMV)面臨的最大挑戰是獲得船旗國對等效防火安全的批準:“法規將鋼視為不可燃材料，而復合材料則是可燃材料。盡管在多數情況下，復合材料船在火災中比鋼船更安全。復合材料結構導熱不良，使其在小型火災中本質上更安全。”
在海上，船只到達最近的港口需要很長時間。軍艦的情況更糟。商船在危險情況下可以撤離。“在軍隊里，這不是一個選擇，”Morel說，“士兵必須留在船上繼續戰斗。根據受損程度，必須保留一定數量的功能。子彈擊中后，船必須正常運轉。在最嚴重的情況下，仍要保證有足夠的疏散時間。但在某些情況下，一艘船會燃燒數天，而船員會留在船上繼續戰斗。而在軍隊中，我們會面對更嚴重的火災:碳氫化合物火災，例如直升機墜毀或未爆炸的導彈。所以海軍艦艇上的溫度會更高。”
實施消防安全的方法中防火絕緣最簡單，但會帶來重量和成本增加。一艘沒有隔熱的鋼船上發生火災，整個鋼結構很快就會變得炙熱，復合材料沒有這個問題。也可以涂上膨脹漆，當它暴露在高溫下會膨脹，在層壓板上形成保護屏障。
達門應用了一種平衡的解決方案，并將消防系統的體系結構應用到風險評估中。目前還沒有人能夠通過對復合材料船的風險評估，這種船的防火安全相當于鋼鐵船。但達門已經在這些火災分析方面與國際合作了六年。“我們現在已經完成了風險評估，應該能夠在今年或明年獲得船旗國的首張批準印章，”Morel說。
同等采購成本
Morel說:“達門正在尋找自動化技術以降低生產成本。我們有信心將大型復合材料船的成本降至鋼鐵船的水平，同時，還可以利用復合材料固有的功能集成優勢，復合材料不會被腐蝕，這可以減少油漆數量。你可以使用更多的隔熱層來減少供暖和通風系統。所以，完全有可能以與鋼船相同的價格生產出一艘復合材料船。我們正在評估復合材料與鋼材的所有結構性能，這些都是非常基本的材料，但在將其用于系統設計之前，必須進行細致的工作。”
圖5：艦船復合材料的一個重要突破:玻璃纖維增強聚合物防爆隔板
Morel對復合材料將在造船領域取得突破充滿信心:“我們現在擁有的復合材料結構可以像鋼結構一樣控制反艦導彈的內部爆炸。這花了20年的時間發展，是一個巨大的進步。這是發展復合材料的最后機會之一。三十年前，我們都認為復合材料會爆炸。十年前，我們是為數不多的大量投資于此的造船廠之一。但我們覺得我們快到了，所以我們要繼續努力。”
