碳纤维复合材料在军舰制造中的应用新方向
摘要
碳纤维复合材料因其高强度、轻量化和优良抗冲击性能，在海军舰艇制造中受到广泛关注。该材料已广泛应用于小型舰艇的非关键部件，但近年来在军舰的关键部位如舱壁、甲板、武器外罩等的应用取得进展。碳纤维复合材料的基体树脂选择多样，需考虑不同部位的环境和使用需求。随着技术成熟，碳纤维复合材料将推动舰船装备进一步轻量化，提升海军装备性能。
正文
当年，在“维斯比”级（VisbyClass）隐形护卫舰作为世界上第一个按照全隐形规范制造的战舰服役于瑞典皇家海军时，除了出色的隐形设计和强大的反舰、反潜和水雷作战能力之外，其舰体超轻化的制作材料也引起了世界各国海军国防部门的广泛关注。据悉，该舰船没有采用常规钢材和常用的玻璃钢材料，而是采用了碳纤维夹芯材料，由聚氯乙烯夹芯和碳纤维乙烯基酯层压板构成，不但具有很高的强度和经久耐用性，还具有优良的抗冲击性能。
事实上，利用碳纤维复合材料的轻量化效果提升军舰的装载力、航行速度和续航能力的历史已长达半个多世纪了，虽然碳纤维复合材料在海军舰艇上的应用已经非常广泛，但是，大部分已经成熟的技术仅应用于相对较小的海军舰艇，如巡逻艇、MCMV、护卫舰等的非结构、非关键性部件。
不过随着科学的发展和技术的进步，碳纤维复合材料在海军舰艇上的应用也在逐步深入，据国内资深的碳纤维制品企业军工产品部杨工介绍，为进一步提升舰体的综合性能，目前，碳纤维复合材料在军舰上的以下几个部位中的应用有较大进展：
舰舱壁、甲板、舱门
舰舱壁、甲板、舱门
使用碳纤维复合材料代替钢材料制造舰舱壁、甲板和舱门，至少可以在质量上减轻40％以上，而且碳纤维复合材料具有更低的磁特性，火灾时热传导低、阻声性能更好。不过，在CFRP和周围钢结构的连接处需要有足够的抗内部冲击损坏的能力，因此在制造和安装的成本上有一定的增加。
武器外罩、甲板防护板、遮护板
武器外罩、甲板防护板、遮护板
将碳纤维复合材料应用在武器外罩、甲板防护板以及导弹冲击遮护板上，也是目前的发展方向之一。日本军事技术专家对于如何提升军舰的生存能力已做了具体研究论证，证明碳纤维复合材料作为外壳材料能有效降低高速射弹和榴散弹等对舰体造成的冲击。
设备底座
设备底座
碳纤维复合材料的底座比同尺寸的钢制底座要轻50％左右，且可以提供足够的保护，使舰船内部的机械和设备免受水下冲击载荷，抵抗冲击损坏。由于材料本身的低阻尼性和无磁性，复合材料底座能够有效降低舰船的声音和磁特性。
在碳纤维复合材料的实际应用中，复合材料的基体选择涉及到多方面的因素，在纤维树脂基复合材料中，树脂在产品中的作用是传递应力，用于舰船制造的基体树脂，必须具有良好的耐候性、耐水性、耐腐蚀性、抗冲击性。
目前已经应用于舰船制造的基体树脂主要有：聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基酯树脂、酚醛树脂等，其中，聚酯树脂成本较低，是船舶和海洋工程结构中最常用到的基体树脂；环氧树脂是船艇的雷达天线罩、液氧罐支撑结构的特定部件中常用的基体树脂；乙烯基酯树脂在美国已用于小型高性能船体制造，我国也有用其制造大型复合材料声呐导流装置的案例；酚醛树脂则多用于防火以及隔热要求较高的船艇结构部件
至于在舰船的应用中，具体该选择哪一种树脂作为碳纤维复合材料的基体，杨工建议应根据产品的应用部位来决定，不同的部位所受的冲击力、温度以及遭受到的破坏性因素是不同的，例如，有些用于发动机或者武器附近部位的结构件需要在耐高温以及耐烧蚀方面有很高的性能，这就需要使用酚醛类树脂强化碳纤维复合材料在该方面的性能要求。
在此基础上，他也强调：“舰船用的碳纤维复合材料无论选择何种树脂都必须考虑到树脂的刚性、剪切强度、耐温情况、收缩率，另外树脂黏度、化学反应活性、有效周期等问题需要考虑到，只有粘度低、浸润性好、韧性好的树脂，对于船艇的轻量化和高强度才能发挥出最大化的积极作用。”
在国防科技领域，先进材料技术一直都在发挥着十分重要的先导和基础作用。随着科学技术的进步和海军装备需求的不断提高，碳纤维复合材料的应用技术也将越来越完善和成熟，这将推动舰船装备进一步向轻量化方向发展。
来源：碳纤维生产技术
