高性能纤维复合材料在海洋中应用.ppt

高性能纤维复合材料在高速船艇上的应用,,1、船舰用高性能纤维及其织物结构,高性能纤维目前主要用于高速船艇上，如军舰，揖私船、赛艇和一些高级游艇上。,,1．1常用纤维,1．1．1 玻璃纤维 E-玻璃纤维:良好的强度，耐水降解。 S-玻璃纤维：高强度，抗疲劳。 1．1．2 玄武岩纤维：火山熔融岩浆，使用温度高，为－269℃～900℃。 并具有高力学强度、低导热系数、良好的热振稳定性、抑制共鸣和隔音、防火性、耐腐蚀性、耐用性和环保洁净性。 1．1．3 碳纤维：高强，高模，高价。,,1．1常用纤维,1．1．4 芳纶纤维：轻质、高拉伸强度、高模、高冲击、耐疲劳和可编织性优良。怕水，怕光。 1．1．5 高强高模聚乙烯纤维：Spectra® ，比水轻。其室温力学性能、耐水和耐化学腐蚀性能优于芳纶。 1．1．6 热塑性纤维：COMPET®，聚酯和尼龙热塑性纤维。Treveria®,的热处理聚酯织物。可作为首层材料。高强（刚度低于玻纤），轻质、价廉、耐冲击和疲劳性能好，并有可能作为阻尼材料和隔舱材料。硬化时不放热，适合于高厚度产品，提高了抗损伤容限和工艺性能，但目前主要用于小船和休闲船。,,表1 各种纤维的典型力学性能,,,各种纤维在船舶上的应用,,2 常用织物结构,1.2.1 机织物 无捻粗紗布，也称方格布（Woven roving）。 通常为800g/cm2, 平面机织物一般面密度为200-350g/cm2, 平纹织物、有最高的交织点， 方平织物、（basket weave）有打结的经纱和纬纱。 缎纹织物、交织点最少，材料力学性能较好。,,各种机织物结构示意图,针织物 针织物中常用的是经编织物，最早引入是1975年，比同厚度方格布提供更高的强度和刚度。它在针织物中引入单向纤维，以合成纱聚酯纤维缝合在一起，还可以结合一层毡。图3 是常规机织物和经编织物在结构上的差别示意图。,,,,全向结构（Omnidirectional） 预制毡，短切毡（粉剂和乳剂），连续长丝毡。各向同性，层间强度好，力学性能低。 单向织物（Unidirectional） 大多用于碳纤维，高强高模，难于处理和浸润，价格高。最近一种锚合材料（Anchor Reinforcements）引入单向织物，用能与热固性树脂相适配的热塑性网粘合，材料容易处理和切割。用于加固和船 体制造，得到极高的产品性能。,,各种织物结构在船舶制造上的应用,,,立体织物 还未见正式使用，但有以正交织物做游艇和炮座。防分层。 芯材织物（Core Fabrics）， 提高船体刚度，最直接的是采用夹芯结构，但也可通过低成本，低密度材料，快速增加层材厚度，如”COREMAT”（纺织型聚酯）,”TREVIRA”（连续聚酯长丝）和“COMPOZITEX TM”（玻纤，机械连接）。以及“Bulking”.材料。,,夹芯结构材料和层材的强度，刚度和重量比较,,2、高性能纤维复合材料在舰艇上应用的优势,（1）质轻、优良的力学性能 轻质，高的比强度和比刚度，但船体会厚一些，对同强度的船体，整船刚度稍差，船体弯曲挠度大一点，这使大船的整体刚度受限制，超过90米的船体，保证主推进系统和主轴的直线度有困难。小船如比赛帆船可用碳纤维大梁保证刚度。,,2、高性能纤维复合材料在舰艇上应用的优势,（2）更好的安全性。 复合材料的破坏模式和钢有很大的不同，金属材料是裂纹扩展，从弹性行为到塑性行为，到突然破坏。复合材料是逐层地破坏，引起材料强度和刚度的变化，最后全部破坏。这情况可以用在层间产生警告性裂纹来预示。这有利于保持船体的整体水密性。设计合理的复合材料船体使用应力低，在极端负荷时，有很好的安全性。,,几种复合材料和常用材料性能对比,,,（3）耐蚀性好。 复合材料可耐酸、碱、海水侵蚀,水生物也难以附生。用复合材料制造军舰、轮船，不用涂漆，在海水中航行几年也不会生锈，能减少涂油漆等维修费用，使用年限长。 （4）优良的声、磁、电性能(透波、透声性好,无磁性,介电性能优良)。 如舰艇通过声纳在海上定位，测距和发现目标。作为声纳设备保护装置的声纳导流罩要求材料的透声波性好，声波的失真畸变小，材料的特性阻抗是表征透声性能的重要参数，材料的特性阻抗和海水越接近越好,,各种材料的特性阻抗,,（5）优良的设计、施工性能。 复合材料的可设计性，可以选择不同聚合物和增强材料以及不同的配方、成型工艺等达到不同的性能。可根据产品不同部位的结构要求，进行优化设计。其次，复合材料避免了多次加工工序，可一次成型，给产品生产带来很大的优势，大大减少车、铣、刨、磨等机械加工过程和装配过程，使船壳和构件的整体性好，无接缝或少接缝，无渗漏，提高了舰船的性能。,3 、高性能纤维复合材料在水面舰艇上的应用,水面舰艇包括：航空母舰、战列舰、巡洋舰、驱逐舰、护卫舰、护卫艇、鱼雷艇、导弹艇、猎潜艇、布雷舰、扫雷舰、登陆舰、两栖攻击舰等；潜艇则有攻击型潜艇和战略潜艇等。辅助战斗舰艇又称勤务舰艇，主要用于战斗保障、技术保障和后勤保障，它包括：军事运输舰船、航行补给舰船、维修供应舰船、医院船、防险救生船、试验船、通信船、训练船、侦察船等。,,3.1 复合材料在高速船舰船体上的应用--巡逻艇,,20世纪60年代,单击此处添加段落文字内容 单击此处添加段落文字内容 单击此处添加段落文字内容,20世纪90年代初,建造了长14. 3m，船速达60kn的巡逻艇，其采用了凯芙拉增强的聚酯树脂单壳结构。,2006年,由美国国防部部队转型办公室设计并建造的，2006年2月初下水的美国海军最新型高速隐形试验快艇代号M80的“短剑”( Stiletto )，,第一艘全玻璃纤维增强聚合物(GRP)的巡逻艇诞生，由美国海军制造,越战期间在内河上应用。,美国海军“短剑”,使用碳纤维复合材料一次整体成型制造的最大船体，无焊接，无铆接，重量大为降低。艇长24. 4m，宽12. 2m，吃水0. 9m，排水量为67t。双“M”船体设计，即使在高速回转时，依然可以保持平稳行驶，从而增加了艇员的舒适度，提高了安全性，扩大了在内河和地形复杂的浅海使用范围。由于其阻力的降低也使得“短剑”比普通快艇更加节省燃料。,挪威盾牌星座导弹巡逻艇（碳玻混杂夹芯结构，隐身）,,优缺点比较,GRP夹层结构巡逻艇的重量比铝船轻10%,比钢船轻36%。采用SCRIMP或碳纤维可进一步减重。同时增加有效负荷,提高行驰距离和降低油耗和维护成本。操作成本比钢船低7%。 GRP巡逻艇船体梁的刚度较低。据估计,对于50 m长、采用复合材料夹层结构制造的巡逻艇,其船体梁的偏转比钢艇的高300%。,船体梁的挠度比钢艇高240%。船体梁挠度增加会带来很多问题,如铰接处和连结处的疲劳裂缝,从而导致螺旋桨轴线的错位 。,,反水雷舰艇(MCMV),英国于1973年制造了全长为46. 6m，排水量450t，当时世界最大的，也是第一艘玻璃钢反水雷舰艇-HMS Wilton 。上世纪八十年代早期英国就制造了200多艘全复合材料反水雷舰艇。英国皇家海军的狩猎级(Hunt)和桑道级、法国、荷兰和比利时海军的三伙伴级(Tripartite)舰艇采用的舰体结构类型是单板加筋结构。整个设计包括横向的框架和纵向的复合材料梁,纵横胶结成GRP预成型的层压结构。无加强筋硬壳式的舰体没有框架,代之以厚达0.15~0.20 m GRP外壳来提供刚度和水下抗冲击性能。而且甲板和主要的舰舱壁都能为舰体提供刚度。,,护卫舰,2000年6月8日瑞典皇家海军制造了维斯比级(Visby)护卫舰,它是当时世界最长也几乎是最重的全复合材料舰艇。全长73 m，宽10. 4m，吃水2. 4m，排水量600t。船体采用复合材料夹层结构，主要由碳纤维和乙烯基树脂层压材料蒙皮和PVC泡沫塑料芯材构成。船体复合材料提供很高的强度和硬度，轻质（舰体重量减轻30%左右）和很好的冲击强度，低雷达和磁场信号特征，还能吸收电磁波，是第一艘在舰体结构中有效利用碳纤维复合材料海军舰艇。,,瑞典“维斯比”级全隐形护卫舰,,东华大学早期船体制作,,用WARI技术，制造6米小艇,,碳纤维芳纶纤维混编高速艇,,12m船艇制作（SCRIMP）,,服役中45节揖私艇,,3.2 复合材料在高速船舰上层建筑上的应用,上层建筑采用复合材料有更多的优点, 上层建筑容纳各种电子信息装备、武器装备、机电设备等，承担着绝大部分的作战功能。复合材料的采用，减轻了上层建筑的重量，而且通过在复合材料夹层里嵌人有滤波功能的频率选择层，允许发射和接收预定的频率，从而滤除敌方雷达电磁波。但由于上层建筑结构复杂,技术上更困难.,,玄武岩纤维艇上层建筑,,3.2.1复合材料桅杆,60年代复合材料首次应用在桅杆上。为了减少战舰的雷达反射截面和光学特征，达到隐身的目的，未来水面舰艇将装备封闭式综合传感器桅杆，取代挂满各种鞭状、条状天线和各式彩旗的传统式桅杆，而将各种雷达、通信天线设计成平面式或球形阵列天线，组成一体化的封闭式综合传感器桅杆。,,,美国海军从95年着手研制先进全封闭式桅杆/传感器系统(AEM/S),整个结构高28 m,直径达10.7 m,是美国海军舰艇上最大的复合材料水上结构。AEM/S上半部覆盖FSS，可让本身特定的周波数穿过,下半部能反射雷达波或由雷达吸波材料所吸收。各种天线和有关设备都统一组合装备在该结构内,结构的外部由能反射电波的复合材料板材构成。由于所有设备都在结构内部,可以防止风雨和盐份的侵害,对设备的维修保养十分有利。,USS Arthur W.Radford驱逐舰上的复合材料桅杆,,3.2.2 复合材料螺旋桨,海军舰艇的螺旋桨材料一直以来都是镍铝铜合金(NAB),存在很多问题:加工复杂叶片时花费高,叶片容易疲劳产生裂纹,声学阻尼性相对较差,振动时会带来噪音等等。因此,海军设计者们不得不考虑其它材料,最引人注目的材料是不锈钢、钛合金及复合材料。,,复合材料螺旋桨的优点:,(1) 可设计性，复合材料叶片中的纤维可以承受主要的水动力和离心力。,承载的纤维可以沿叶片的不同方向敷设从而使应变最小。因此,可以通过设计纤维排列和堆积的顺序来优化叶片性能。纤维排列的方向影响叶片的推力、有效螺距和翘曲。 (2)全寿命周期的维修费用低; (3)降低变速箱/轴的磨损; (4) 制造成本低(仅仅是批量生产时);,,复合材料螺旋桨的优缺点,(5) 质量轻; (6)抗疲劳性能强; (7)抗腐蚀性能强; (8)使用厚而具有弹性的叶片,改善螺旋桨的空泡性能; (9)电/磁特性弱; (10)噪声低。 (11) 减振性能好; 缺点:制造费用高、叶片梢部变形大、耐冲击损 坏能力低,,“俄亥俄”级战略导弹核潜艇螺旋桨,,3.2.3 碳纤维传动轴,碳纤维轴的优点（1）重量轻；C/E复合材料轴比同尺寸的钢轴轻25~80%。而大型舰船如护卫舰、驱逐舰上各钢轴约占整船重量的2%(约100~200 t)。 （2）强度和刚度高。 （3)低热膨胀系数，尺寸稳定，适合经历高加速度和得到最小运动惯量的产品。 (4)幅宽大，长跨距，减低轴承数量及重量，节省船体轴承座结构，每段长度可达10米无支撑。,,碳纤维轴的优点,(5)使用寿命长，把使用周期成本至少减小25%。 （6)临界转速高，线速度高。扭力达1000KNm （7)有效和安全的速度改变 (8)不导电，无磁性 (9)不锈蚀，无损耗，免维护。 (10)减少机械振动，噪音小。 (11)减少由于皱折，伸长和刮擦引进的幅损（web damage），减少幅卷（web wrap-ups）。,,Jumbo Cat船上用碳纤维轴,,Flying Cat 渡船,,Flying Cat船上用碳纤维轴,Flying Cat船上用碳纤维轴,在小型船舶上的应用 连接齿轮箱及尾轴或喷水器/弦外机等。，并且能传送螺旋桨的推力。特点：容许对中偏差，减低由轴系传送的声音及震动，扭力可达14KNm,,3.2.4 复合材料在海军舰艇的二级结构、机械和装备上的应用,（1）烟囱 复合材料烟囱具有质轻、成本低的优点,以及优良的热绝缘性能,而且能够削弱雷达信号从而提高舰船的隐身性,已在MCMV上成功应用多年。Visby级和La Fayette级护卫舰的烟囱都采用复合材料夹层结构。当前目标是在大型军舰上使用复合材料烟囱。Horsman报道说,在两艘意大利旅游客轮上安装复合材料烟囱来代替铝和不锈钢烟囱,可以减轻50%重量,节约20%成本。,,（2） 舰舱壁、甲板、舱门,此方面的应用正处于研究之中,优点是质轻20~40%,更低的磁特性,火灾时热传导低,阻声性能更好;缺点是制造和安装的成本比钢制的高20~90%。复合材料和周围钢结构的联结处需要足够的抗内部冲击损坏的能力,此即为成本大幅增加的主要原因。,,,（3） 附件 将复合材料应用在武器外罩和甲板防护板上,及作为导弹冲击遮护板,以免受高速射弹和榴散弹的冲击。美国海军已经在其Kidd级导弹驱逐舰上使用凯芙拉复合材料盔甲,以保护船员免受小型武器炮火的袭击。 （4） 方向舵 舰艇用复合材料方向舵正处于研发之中,预计其比现有的金属舵轻50%,成本低20%。美国海军的复仇者(Avenger)级反水雷舰艇上正在使用复合材料方向舵。,,美国圣路易斯,,（5） 机械装置和引擎部件 玻璃纤维增强酚醛复合材料已经应用在柴油机的滑轮组、油盘、凸轮罩、水泵、油泵、滑轮、舵轮和调速链轮齿中。由此重量可以减轻40~70%,购置成本可以节省10~40%。据预测,还可以降低结构和空气噪声5~20 dB,降低电磁特性,提高耐腐蚀/侵蚀、耐磨和耐疲劳性能。不过,实际应用可能要等到不久的将来。,,,（6） 设备底座 GRP的底座(1.2 m×0.97 m)比同尺寸的钢底座轻58%,且可以提供足够的保护,使机械和设备免受水下冲击载荷、抵抗冲击损坏。此外,由于它的阻尼性和无磁性,复合材料底座能够降低舰艇的声音和磁特性。 （7） 热交换器 海军舰艇上的热交换器要经受严酷的海水腐蚀/侵蚀,因此维护费用高,由此还降低了使用寿命。美国海军正在考虑使用碳纤维复合材料的热交换器。,,（8） 管道系统 复合材料在海军舰艇上的最早应用就是管道。60年代,在提高了复合材料管道的质量和耐久性后,英国皇家海军将其安装在突击艇的压舱系统中。70年代早期,美国海军在其巡逻护卫舰上也安装了复合材料管道。据估计,复合材料管道的生产安装成本比黄铜或不锈钢管低15~50%。,,4、高性能复合材料在水下舰艇上的应用,法、德两国潜艇中应用的主要是声学复合材料，其中法国海军“凯旋”级潜艇上60%的非耐压结构都采用了结构功能一体化的声学复合材料。复合材料在美国海军潜艇中的应用更为广泛，不仅应用在潜艇指挥台围壳、声纳导流罩、泵喷导管、消声瓦等结构上，而且还在泵、通风管道系统等中得到了应用。另外，还对夹芯复合材料作为钢质压力壳体外壁加衬的可行性进行了系统研究。,,4.1 指挥台围壳,早在1953年，美国海军就在“食蚊鱼”级潜艇上安装了全玻璃纤维增强复合材料指挥台围壳，以验证该型围壳的性能是否比传统铝合金围壳更好。铝合金围壳在服役过程中会出现腐蚀，需要持续的维护及维修。结果显示，复合材料围壳的耐用性更好，而且几乎不需要维护。随后，美国海军在20世纪50年代和60年代初期为25艘“食蚊鱼”级潜艇安装了复合材料指挥台围壳，并延用至今。,,弗吉尼亚”级攻击型核潜艇,,4.2 潜艇艇艏声纳导流罩,目前水面舰艇和潜艇的艇艏声纳导流罩选择了用复合材料建造。该罩给环绕声纳换能器提供平滑的水流并保护换能器避免损伤。潜艇上的导流罩真正是庞大的结构,它差不多有34英尺的跨度和43000磅重量,但与壳体横截面匹配时,导流罩充满着水,所以不会受到像耐压壳体那样巨大的压缩载荷的作用。虽然如此,仍然对潜艇艇艏声纳导流罩结构提出必要的性能要求。,,美国实验潜艇Albacore(AGSS 569),Albacore(AGSS 569)安装了大的没有加强筋的导流罩,4.4 桅杆,复合材料在潜艇桅杆上的应用已经取得了很好的效果。与钢材相比，重量更轻，无腐蚀。而且，复合材料可采用铸模成型制成复杂的形状而无需二次加工，还能在整个桅杆中嵌入雷达吸波材料。英国海军出售给加拿大的“支持者”级常规潜艇的通信桅杆就是采用复合材料制造的，澳大利亚也在“柯林斯”级潜艇上采用了复合材料桅杆，德国出口的部分209型潜艇也装有类似的复合材料桅杆。,,4.5 耐压壳体,20世纪60年代,美国海军船舶局(现改名NAVSEA)开展工作深度达20000英尺的探索深潜器玻璃钢耐压壳体的研究。用环氧树脂加入缠绕E玻璃丝制成圆柱和球形壳体并进行检验。HITCO对制造的缠绕玻璃丝模型进行过压力破坏试验、测试了静态和动态疲劳性能、有环形加强筋和没有加强筋及夹层圆柱体的设计,并研究了密封、渗透和连接等。另外,美国海军洛杉矶级潜艇“孟斐斯”号是1989年重新设计实验潜艇以检验复合材料壳体结构。,,深海营救艇DSRV,HITCO建造美国海军第1艘深海营救艇DSRV的外壳分段,1970年下水。该艇耐压壳由2个HY-140钢球形组成,外面包围着纤维玻璃外壳。,4.6 潜艇结构上的其他应用,拖曳声纳整流罩、高频声纳透声窗 潜艇推进装置、操纵面 、基座 舱壁、舱口、管道、通风系统、高压氧气瓶及热交换装置等。,,5 结 论,目前,复合材料在海军舰艇上的应用非常广泛。但是,大部分技术已经成熟的仅应用于相对较小的海军舰艇(巡逻艇,MCMV、护卫舰)或大型舰艇的非结构、非关键性部件。而其在潜艇中的应用，能够实现减重和提高潜艇作战性能的双重效果。作为高性能纤维复合材料在海军军舰上更有广泛的应用，国外在这方面的研究及应用均已取得了很大成就，并且研究的步伐还在逐渐加大。并将成为未来大型舰艇和潜艇技术和性能发展产生革命性影响的关键材料。,,