船用複合材料的優缺點
作者：George Marsh 來源：Ringer
倫敦皇家造船工程師學會(the Royal Institute of Naval Architects)最近召開了一次關於船用複合材料的國際性研討會，George Marsh對此進行了報導。
增強塑膠在製造高品質的船體結構方面具有巨大的優勢。但是，在這些材料的應用之路上有許多的“路障”，妨礙了它們充分發揮自身的潛力。本次研討會一個重要主題就是，這些障礙已經逐步掃除，同時越來越多的成功應用案例將鼓勵設計師和製造商更多地採用複合材料。 複合材料結構的一個缺點就是變化性，甚至是在不同造船廠生產具有相同基本結構的部件時也是如此。品質、性能和成本上的差異都是由設計和生產過程中的變化引起的。英國南安普敦大學的研究者簡要介紹了一種減小這種變化的方法，同時也表明這些結構能夠以較低的成本進行生產，且不會犧牲結構的整體性。
Messrs Sobey、Blake和Shenoi強調了結構設計師和生產者之間非常普遍的斷層問題。設計者首先進行設計，設計完成後就交給製造部門，製造部門接著生產出最終的結構。雖然“為生產而設計”是我們早已熟悉的觀念，但這導緻了部門主義的盛行，而最需要解決爭端的部門之間的交流卻很少。 結果是，最終結構的品質反復無常，而由於製造困難，也導緻成本高昂。因此比較好的解決方案是協同工作，設計師和製造者緊密合作，從一開始就確立產品的可生產性。 要在專家之間實現富有意義的交流可能比較困難，需要一個協同工作的環境。同時，為防止“無休止的會議”綜合症，必須圍繞特定的專案需求，確定並組織好這樣的相互交流。南安普敦的研究小組進一步闡述說，許多不可避免的例行交流可以實現自動化，將直接的面對面的會談留給真正需要高水準的協同決策的事項。 自動化包含一個中央資料庫，各部門輸入的資訊將在資料庫中被整合在一起，此外還包含大量針對設計和生產過程的模擬。一個理想模型所包含的因素有：材料的性能、船級社規範、客戶的要求和以前成功和失敗的結構設計經驗。而失敗的經驗可以將一家公司積累起來的設計智慧融入一個模型之中，減少了對設計權威的依賴。這些人跳槽或者被其他公司挖走的可能性越來越大。通過模型，工程師可以快速瞭解以前所犯的錯誤，這些錯誤可能是增加了成本或者導緻了非優化機構的設計。
這些研究者們介紹了一種自動化工具的開發情況，該工具使用了優化和可靠性技術，輔以遺傳演算法、蒙特卡羅（Monte Carlo）類比演算法和其他軟體元素。這一工具可以實現一種可重複的更加完整的設計和製造工藝，每個階段都可以進行優化。因此，設計將從產量、性能和成本方面得以優化。
開發這樣一種工具並非易事。為保證工具的有用性，它必須易於學習和使用，能夠與不同製造商所採用的互不相同的IT系統相連接，能夠順利接入現有的軟體。對於不同的行業，它要滿足各個公司的獨特要求。能夠滿足這些標準的套裝軟體有助於複合材料的優勢得以最大程度的發揮，並在花費最低成本的同時，滿足結構需求。
品質問題
複合材料具有像變色龍一樣的性質，這既是它的優點也是缺點，一方面它在許多行業具有適應性，另一方面則是其反復無常。看起來，幾乎每個結構在產品工藝上都是不同的，因此很難形成行業標準和品質規範。
挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）的Messrs Weitzenboeck、Hayman、Hersvik、McGeorge、Noury和Hill以及挪威科技大學（Norwegian University of Science and Technology）的Echtermeyer在一篇文論中指出，標準是至關重要的，這些作者在制定標準方面的聯合經驗啟發了他們對大量案例的討論。
風機葉片是最熱門的一個話題。挪威船級社的“風機葉片設計和製造的海上標準（DNV-OS-J102）”為承包商和他們的客戶提供了合同性的參考，也為設計師和生產者提供了指南。挪威船級社擁有20年的風機葉片認證經驗，這一標準為工程師們提供了一個堅實的基礎，儘管還有很多工作需要做。現有的標準必須擴展到目前已有預期的非常大型的葉片上，因為其過度偏斜、翹曲失效和疲勞退化的風險更大了。在其他行業和領域所獲取的知識也可以加以參考，例如，飛機行業已有的概念有助於提高葉片的耐損傷性能。
這些工作也會影響潮汐渦輪機轉子葉片的標準和品質規範的發展。但是，就發展時間來看，這些能量轉換器至少落後風機10年，還沒有確立相關的標準。因此挪威船級社隻能以其用於新技術的推薦做法（Recommended Practices），以及檔工作階段的進展作為工藝評定的依據，其中包括可行性評估書、原型證書、條件類型證書、類型證書和最終的專案證書。挪威船級社“複合材料部件的海上標準（Offshore Standard for Composite Components）”也將為其提供資料參考。
挪威船級社的“混凝土結構的海上標準(Offshore Standard for Concrete Structures)”被用於新型纖維增強塑膠加強筋的品質認證。這種創新產品採用了一種新的製造工藝，將輕木纖維作為主要的增強材料。
另一個迫切需要制定標準的領域是船艇複合材料結構的修補，該結構可能是複合材料，也可能是其他材料。由於複合材料結構的多樣性，很難制定同一個標準。但是，在實驗和大規模演示的基礎上，船級社制訂了一套推薦做法，並且特別關注了耐粘結斷裂性能——粘結複合材料的修復很容易發生粘結斷裂。
一個研究項目展示了這種修復的可行性，甚至是對於處在石油天然氣行業等惡劣環境中的結構。採用複合材料進行修復具有很大優勢，因為這避免了焊接操作中的高溫和危險。
掃描聲學無損檢測是一種相當成熟的技術，但是Tangent公司與PE Composites有限公司合作，將該技術進行了內部改造，即將小型的聲學感測器嵌入到複合材料之中。
這些感測器能夠在複合材料的製造過程中保存下來，並可以定位於層壓闆中的關鍵層，實現聲學耦合。兩家公司堅信，在整個使用週期內，用這種方法連續監測結構的完整性可以為以狀態為基礎的維護提供依據，而且可以帶來巨大的經濟效益。
研究人員在一艘9米長的快速近岸巡邏艇上進行了概念驗證型的海試。據說結果非常鼓舞人心，促使演講者得出這樣的結論：線上監測可以應用於各種類型和尺寸的船艇上，從而説明我們認識該領域內各種複合材料的多種性能。
可迴圈性
近年來隨著環保意識的增強，出現了另一種反對傳統增強塑膠的觀點，那就是廢棄複合材料回收困難。垃圾掩埋和焚燒不是處理廢棄物的理想方法，尤其是它們還對健康有潛在的危害。
熱塑性樹脂與現在佔據主導地位的熱固性樹脂不同，是可以迴圈再用的，例如可以用作注塑材料，但是它們的樹脂/纖維介面粘結力比較弱，二次粘結時的粘附力比較差。後面一條缺點不難解決，可以採用各種局部加熱方法將部件“焊接”在一起。在粘結線附近局部加熱部件，可以熔融熱塑性樹脂基材，使其在分子水準上進行內部擴散，從而實現高品質的粘結。
迄今為止，不同的加熱方法都被嘗試過了，包括使用電阻元件、熱氣、摩擦、電熔和超聲波。英國紐卡斯爾大學進行的一項實驗性研究表明，採用整體加熱熔融粘結技術可以實現良好的粘結，而且不會增加重量，也不會在粘結層引入外來物質。Otheguy、Gibson和Robinson在一篇論文中描述了這種用於玻纖增強聚丙烯材料的T型接頭和搭接技術，並指出，該方法非常適用於小型的船艇建造商。
這種方法通過在粘結層放置的柔性加熱器進行真空輔助的整體局部加熱。這些商業化的矽膠絕緣電子加熱器可以定制成任何尺寸。加熱器放置在粘結層的一側或者兩側後，由真空袋抽真空，真空袋有一層透氣層和釋出薄膜，因此在加熱迴圈中，這些位置會被施加輕微的真空。
研究人員發現，使用編織材料得到的結果最好，添加一層PP夾層可以將搭接剪切強度提高80%。總的來說，他們認為，整體加熱熔融粘結技術是一種有效的粘結方法，適用於小型的熱塑性複合材料船艇，接頭處的強度可以與傳統的熱固性複合材料相比擬。
膠衣
英國普利茅斯大學、PERA Innovation公司、Magnum Venus Plastech公司, W Ball and Sons公司以及Scott Bader公司的作者們在一篇論文中提到了膠衣在船艇船身和其他船艇結構中的應用，這些船艇都需要高品質的表面。噴塗膠衣的常規方法會導緻揮發性有機物（VOC）的排放，該論文討論了一種適用於RTM和其他閉模工藝的經過改進的噴塗方法。
一種新的模內膠衣塗覆技術在層闆和膠衣之間使用了一層不分隔層
這項專利的模內膠衣塗覆技術在層壓闆和膠衣之間使用了一層不會滲透的分隔層。採用這種方法製成的具有良好表面品質的層壓闆仍然在不斷開發中。新方法可以減少或避免有害物質的排放，提高工作場所的安全性，減小環境影響。
困惑
現代複合材料應用中最後一個比較混亂的特徵是普利茅斯大學的John Summerscales提出來的，他談到了不同公司在描述樹脂灌注工藝時所使用的名字和縮寫。雖然他們試圖與其他公司的區分來來，但基本是相同的。他提出了一種分類方法，在這種分類系統下，所有的灌注工藝被分為四類：
◆在織物平面的樹脂灌注
◆採用流動介質或分散網的樹脂灌注
◆樹脂薄膜灌注
◆預浸料技術
這些都是柔性模具樹脂滲透法（resin infusion under flexible tooling，RIFT）工藝，介於RTM和真空袋成型工藝之間。要用這種四級分類法取代現在所用的名稱/縮寫組合（論文中一共列舉了19種），可以讓現在的狀況不那麼令人困惑。
鼓舞人心的消息
有兩個演講都提到了一個鼓舞人心的消息，即斯堪的納維亞半島地區已經建成了全複合材料的船艇，現在已開始服役。運營者對於這些船艇的優勢非常滿意，例如，相對于傳統船艇具有更低的燃油消耗，而且複合材料不會腐蝕，維護也更少。
Kockums 公司的M. Hakansson說，燃油成本的增長趨勢對於輕量設計的需求非常急迫，促進了先進複合材料在船身、甲闆和其他結構中的應用。
Kockums在其新型雙體渡船中採用碳纖維複合材料作為主結構材料，因為碳纖維比玻璃纖維更輕、更硬、更牢固，而且比金屬輕得多，已成為小型船艇結構的主要複合材料。例如，由碳纖維複合材料外殼和聚合物泡沫或輕木芯材組成的夾層結構可能比相同的鋼質結構輕75%。
Kockums看好輕量的先進碳纖維複合材料結構在各種船艇中的應用，包括這艘風機供給船。
碳纖維更廣泛應用的一個障礙就是它的價格。但是Kockums通過對材料組合和結構泡沫的測試和仔細挑選材料，可以保持其承受能力。在所使用的碳纖維/乙烯基酯樹脂層壓闆中，纖維是中等強度的，比那些強度最大的最高等級的纖維便宜很多。真空灌注是最主要的生產工藝。
德哥爾摩的FMV總結的軍用複合材料的發展趨勢
來自瑞典斯德哥爾摩國防材料部（FMV）的Anders Lonno提醒參會代表，碳纖維複合材料對軍用船艇尤其做出了巨大貢獻。最知名就是2000年下水的第一艘Visby級輕巡洋艦，長73米、重650噸、速度達40節。該船在其真空灌注的夾層結構中採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和磁場信號，優化的重量使動力需求和燃油消耗遠遠低於金屬或玻纖增強塑膠製成的船艇。採用了真空灌注的先進複合材料的Visby展示了本世紀內複合材料船艇結構的進步。而更加基礎的濕法手糊玻纖/聚酯樹脂外殼、PVC泡沫芯材夾層結構是於20世紀70年代首次應用於反水雷艇的。
瑞典的Visby級輕巡洋艦為先進碳纖維複合材料結構在軍艦中的使用樹立了示範性的標準。
Visby已不再是軍用複合材料船艇的最高成就。在2010年，Kockums最新設計的巡邏艇和戰鬥艦清楚表明了複合材料藝術的最新演變。在最新的設計中，使用了更多的材料，以獲得更廣泛的混合性能。夾層闆仍然是首選結構形式，因為它們實際上有兩層外殼，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脂和大量芯材都可以在設計時明確指定，然後根據所需的性能進行混合定制。細心的材料和工藝選擇可以使設計者將重量、磁場信號、雷達信號和保養都減至最低，同時還可以賦予船艇結構防彈、阻燃、耐衝擊和耐損傷的性能。
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