玻璃钢复合材料船舶材料设计与制造技术的最新.docx
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玻璃钢复合材料船舶材料设计与制造技术的最新
玻璃钢/复合材料船舶材料、设计与制造技术的最新进展
1.概述
2.FRP/CM船体原材料及其进展
3.FRP/CM船体设计理念及其技术进展
4.FRP/CM船体的制造和质量控制及其最新进展
5.FRP/CM在舰船中的应用现状
6.结语
1.概述
1.1FRP/CM的定义
（1）复合材料（CompositeMaterials）
（2）纤维增强塑料（FiberReinforcedPlastics）
（3）玻璃钢（Glass-fiberReinforcedPlastics）
1.2CM的分类
表1按基体材料分类的复合材料体系
复
合
材
料
（CM）
树脂基CM
（RMC或FRP）
热固性树脂基
不饱和聚酯树脂基CM
GRP
环氧树指基CM
CRP
酚醛树脂基CM
FRP:
KRP
乙烯基酯基CM
BRP
……（共9类）
……
热塑性树脂基
聚苯硫醚基CM
聚甲醛基CM
聚丙烯基CM
聚碳酸酯基CM
……（共13类）
金属基CM
（MMC）
铝基CM
钛基CM
镁基CM
银基CM
……（共7类）
无机非金属基CM
（CMC）
陶瓷基
碳化物基CM
氮化物基CM
氧化物基CM
ZTA陶瓷基CM
Sialon陶瓷基CM
玻璃陶瓷基
石英玻璃基CM
LAS玻璃陶瓷基CM
MAS基CM
Basialon基CM
水泥基
硅酸盐水泥基CM
氯氧镁水泥基CM
碳基CM
纳米陶瓷基CM
2.FRP/CM船体原材料及其进展
2.1纤维增强材料
（1）增强纤维
1）玻璃纤维
2）碳纤维
3）芳纶纤维
4）超高分子量聚乙烯纤维
5）连续玄武岩纤维
（2）船用增强纤维制品
1）表面毡
2）短切纤维毡
3）单向布
4）各种平面织物
5）各种三向织物
表2四大高科技纤维与E-玻纤的主要性能
纤维
性能
碳纤维
（CFCF）
芳纶纤维
（KFKF）
超高分子量聚乙烯
纤维（UHMWPE）
玄武岩纤维
（CBFCBF）
E-玻纤
（GFGF）
密度（g/cm3）
1.78
1.45
0.97
2.87
2.55~2.62
拉伸强度（MPa）
3500~6000
2900~3400
2700~3200
3800~4840
3100~3800
弹性模量（GPa）
230~600
70~140
89~100
79.3~93.1
76~78
断裂伸长率（%）
1.5~2.0
2.8~3.6
3.5~3.7
3.1~3.2
4.7
最高使用温度（℃）
500
250
100
650
350
2.2树脂基体
（1）不饱和聚酯树脂
（2）环氧树脂
（3）乙烯基酯树脂
（4）酚醛树脂
2.3结构芯材
（1）各种泡沫芯材
（2）Balsa轻木
（3）各种蜂窝材
表3各种泡沫芯材的主要性能和适用场合
泡沫名称
性能特点
适用场合
PVC
聚氯乙烯
较好的防水渗透、隔热和绝缘体及有效的减振和阻尼特性，但高温中强度和刚度下降很多，其中交联PVC强度刚度较高，但很脆，而线性PVC韧性高
交联型适用甲板、舱壁和上层建筑，线性型用于受冲击载荷较大的船底和舭舷部
PET
聚乙二醇对酞酸酯
高温下的压缩强度较高，更适于真空灌注、预浸料工艺，比PVC性价比更高，但在同等重量下强度和硬度比PVC低
适用于一般船艇的船体、甲板、舱壁、上层建筑等部件
PS
聚苯乙烯
力学性能差、重量轻且成本低
主要用作浮力材料
PU
聚氨酯
隔热、吸声性良好，但力学性能不如PVC，但高温条件下能保持较好的强度和刚度
用作骨架的芯材及受载较小，起隔热、隔音作用的夹层板中
SAN
丙烯腈—苯乙烯
热稳定性优于线性PVC，力学性能与其相当
在舰艇结构中可代替线性PVC
PEI
聚醚酰亚胺
有很高的使用温度和良好的放火性能，但价格较贵
用于兼有结构和防火要求的部位
PMI
聚甲基丙烯酰亚胺
为强度和刚度最高的泡沫，能满足190度高温固化工艺对泡沫尺寸稳定性的要求
用于环氧或BMI共同化的夹层结构
3.FRP/CM船舶船体设计理念及其技术进展
3.1FRP/CM的优缺点（与传统造船材料相比较）
（1）FRP/CM的优点
1）质轻、高强，对船艇减重有较大潜力
2）耐腐蚀，抗海生物附着；
3）无磁性，因而是猎扫雷舰艇的最佳结构功能材料；
4）介电性和微波穿透性好；
5）冲击韧性好，能吸收高能量；
6）导热系数低，隔热性好；
7）船体表面可到达镜光滑；
8）可设计性好，能按船体各部件的不同要求实现优化设计；
9）整体性好，船体无接缝和缝隙，可防渗漏；
10）成型简便，比钢制，木质船省工，且批产性好；
11）维修保养方便，全寿命期的经济性能好。
（2）FRP/CM的缺点
1）弹性模量低，其剪切模量则更低；
2）层间剪切强度低；
3）长期耐温性差；
4）有老化现象；
5）有室温蠕变现象；
6）安全防护问题。
3.2FRP/CM舰船设计理念
（1）FRP/CM材料与结构的可设计性
（2）FRP/CM材料与结构的同一性
（3）FRP/CM船体性能对复合工艺及环境的依赖性
（4）FRP/CM船体复合效应的优越性
（5）FRP/CM船体结构型式的多样性
3.3FRP/CM舰船结构优化选型的研究
表4不同结构形式的FRP/CM船体性能之比较
结构形式
性能
单板
加筋
夹层
硬壳式
波形
泡沫
蜂窝
船体重量
较重
轻
轻
重
较轻
艇体挠度
较大
较小
较小
小
较小
抗冲击性能
一般
一般
较好
好
较好
水下噪声辐射
一般
较好
好
较好
一般
耐火性能
一般
差
较好
较好
一般
横向刚度和强度
较好
较好
较好
一般
较差
建造方便性
较差
较好
较好
好
一般
质量控制
一般
较差
较好
好
一般
修理与改装性
较差
较差
较差
较好
较差
生产周期
一般
较短
较短
较短
较短
着火毒气性
较好
较差
一般
较好
较好
3.4FRP/CM单板加筋结构一体化设计的研究
3.5夹层结构是FRP/CM舰船的一个重要发展方向
3.6FRP/CM船体需考虑的问题和设计方法
（1）FRP/CM船体设计所需考虑的几个问题
1）FRP/CM的特点是其强度和弹性模量均可设计的；
2）FRP/CM是各向异性材料；
3）FRP/CM的相对伸长很小，没有明显的屈服极限；
4）FRP/CM的弹性模量很小，特别是剪切模量更低；
5）FRP/CM的层间（剥离）强度较低；
6）FRP/CM结构的性能还取决于其建造方法和工艺条件及纤维的含量；
7）FRP/CM船体结构的安全系数是个很重要的问题。
（2）FRP/CM船体结构设计的方法
1）仿母型船换算的等代设计
2）按船级社规范的规范设计
3）采用直接计算法进行设计
表5/纤维增强塑料船入级与建造规范中国已颁布的玻璃钢
序号
规范名称
颁布年份
施行日期
发布机构
1
内河纤维增强塑料船建造和检验暂行规定
1988
1988.6.1
中华人民共和国船舶检验局
2
玻璃纤维增强塑料海洋渔船建造规范
1989
1990.3.1
中华人民共和国农业部渔船检验局
3
纤维增强塑料船建造规范
1991
1992.2.15
中华人民共和国船舶检验局
4
玻璃纤维增强塑料渔船建造规范
1995
1995.5.1
中华人民共和国农业部渔船检验局
5
6
小艇入级与建造规范
海上高速船入级与建造规范
1996
1996
1996.6.15
1996.10.15
中国船级社（内含玻璃钢船）
中国船级社（内含玻璃钢船）
7
内河高速船建造与检验规范
1997
1997.9.1
中华人民共和国船舶检验局（内含玻璃钢船）
8
沿海小船检验规范
2001
2001.7.1
中国船级社（内含玻璃钢船）
9
内河高速船入级与建造规范
2002
2002.9.1
中国船级社（内含玻璃钢船）
10
沿海小船入级与建造规范
2005
2005.7.1
中国船级社（内含玻璃钢船）
11
海上高速船入级与建造规范
2005
2005.11.1
中国船级社（内含玻璃钢船）
12
内河小型船舶建造规范
2006
2006.3.1
中国船级社（内含玻璃钢船）
13
游艇建造规范
2007
2007.10.1
中国船级社（内含玻璃钢船）
14
玻璃纤维增强塑料渔业船舶建造规范
2008
2008.10.1
中华人民共和国渔业船舶检验局
4.FRP/CM船体制造和质量控制及其最新进展
4.1.FRP/CM船体成型工艺和质量控制概述
4.2真空辅助成型工艺的开发及其基本工作原理
4.3真空辅助成型工艺的优点
4.4真空辅助成型在舰船中的应用实例
SCRIMP（真空导入）工艺流程图
威海中复西港船厂采用真空辅助工艺成型34m玻璃钢渔政船
双层真空袋渗透工艺
5.FRP/CM在舰船中应用的方向和现状
5.1FRP/CM最重要的应用是建造猎扫雷舰艇
5.2FRP/CM是建造中小型船艇最有潜力的结构/隐身材料
5.3FRP/CM是中小型舰船上层建筑材料的最佳选择
5.4FRP/CM是建造中小型高速高性能船艇最合适的材料
6.结语
6.1FRP/CM是一种理想的新颖结构/,功能材料，它具有传统均质材料无法比拟的优良综合性能。
业已形成与木质、钢质和铝质船舶有很大差异，且独具特色的FRP/CM舰船之材料、设计与制造技术。
6.2近年来FRP/CM船体材料、设计与制造工艺技术已取得很大进展，特别是真空辅助成型工艺的突破对于FRP/CM船业的发展具有重大意义。
6.3FRP/CM是中小型船艇最合适的结构材料，故已在民船领域，诸如游艇、渔船、交通艇和高性能船艇等中获得了广泛的应用。
6.4FRP/CM在军船中最重要的应用是建造反水雷舰艇，同时它也是中小型隐身舰艇船体和上层建筑最有潜力的结构。
隐身材料，且已开始在舰艇中获得应用。
6.5与。
FRP/CM船体材料和成型工艺技术的进展相比，其船体的设计技术则尚有待于进一步开发。
中国船舶及海洋工程设计研究院
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