纤维增强塑料、铝合金在中小型船艇上的应用现状及发展-version2

纤维增强塑料、铝合金在中小型船艇上的应用现状及发展（珠海市质量计量监督检测所，广东省质量监督游艇材料检验站，广东珠海 519000）

摘要：分别介绍了纤维增强塑料和铝合金的性能特点及在中小型船艇上的应用现状，并对其发展前景作了展望。

关键词：纤维增强材料；铝合金；中小型船艇

Application and development of fiber reinforced plastics and aluminum alloy in middle and small

ships

LI Hao

(Guangdong Province Quality Supervision and Test Station for Yacht Material, Zhuhai Supervision Testing Institute of

Quality and Metrology, Zhuhai 519000, China)

Abstract: The mechanical properties and application of fiber reinforced plastics and aluminum alloy in middle and small ships were introduced respectively. And the prospects of development of fiber reinforced plastics and aluminum alloy was outlooked.

Keywords: Fiber reinforced plastics; Aluminum alloy; Middle and small ships

船艇材料是船艇设计、制造的基础，对船舶技术的发展起着重要的基础和先导作用。中小型船艇结构材料主要有木材、钢材、铝合金、纤维增强塑料（简称FRP）和钛合金[1]等。其中木材、钢材属于传统材料，在中小型船艇上的应用将逐渐减少，而纤维增强塑料和铝合金将是主要的中小型船艇用材料，钛合金属于一种新兴的船用材料，在船艇上的应用将越来越多。本文对FRP材料、铝合金等材料的性能及在中小型船艇上的应用作了评述，并对其发展趋势做了展望。

1 FRP材料

1.1 船用FRP的特点[2-4]

FRP是一种复合材料，其基体可以是热固性塑料或热塑性塑料，增强纤维有玻璃纤维、碳纤维、有机纤维等。若增强纤维为玻璃纤维，则在我国又被称为玻璃钢（简称GRP）。与其他材料相比，FRP材料具有以下优点：

（1）FRP材料密度小、强度高。对一般GRP材料而言，其密度约为钢的1/4~1/5，铝的2/3，其抗拉强度却接近于碳钢，比强度高，作为结构材料可大大减轻船舶重量。

（2）耐腐蚀，抗海洋生物附着，提高了船体的使用寿命。

（3）FRP材料透波、透声性好，无磁性，介电性能好，可应用于猎扫雷艇、船艇雷达罩上。

（4）导热系数低，隔热性好，适合制造救生艇、渔船和冷藏船等。

（5）船体表面能达到镜面光滑，并可具有多种色彩，特别适合建造形式多样、外形美观的游艇。

（6）有优良的设计、施工性能。与金属材料不同，FRP材料与结构与是一体的，材料与结构在建造过程中同时形成，因此可以制造结构复杂的船型，增加了船体的整体性，同时也大大减少了机加工过程和装配过程。

同时，FRP材料也存在着一些缺点：FRP材料报废后处理困难，污染环境；FRP材料弹性模量偏低，层间剪切强度较低，限制了其在大型、高性能船艇上的应用；船体建造方面，手糊成型效率低下难以保证船体质量，且使用的挥发性有机物容易污染环境。但是随着一系列新型的纤维增强复合材料的研发以及成型工艺的不断进步，FRP材料的应用范围将不断扩展。

1.2 国内外船用FRP材料的应用现状及发展趋势[3-10]

目前FRP材料主要应用在中小型船艇上，从数量上来看，应用较多的是游艇、渔船、救生艇、工作艇以及反水雷艇等。

美国是世界上生产FRP最早和最多的国家，且FRP船舶的制造技术也最为发达。上世纪50年代，美国就相继制造了多艘GRP船艇。1954年，美国海军就规定16m以下的船艇必须用GRP建造。1991年建成的“Osprey”号猎扫雷艇，是美国迄今最大的GRP舰船。美国还建造了许多GRP游艇，最大的长达44m。目前，美国近海捕捞的渔船几乎全部为玻璃钢制造，木质渔船已全部被淘汰，每

年用于造船的玻璃钢有20万吨以上。

英国的GRP猎扫雷艇制造技术比较先进。1962年英国劳氏船级社颁布了36m以下GRP船的入级规范。1973年建成了当时世界上最大的全GRP扫雷艇“HMS wilton”号。意大利的GRP游艇工业技术先进，是欧洲制造35m豪华游艇的中心之一，除采用玻璃纤维外，还采用Kevlar和碳纤维增强，以提高游艇的性能。

日本的GRP工业也很发达，GRP产量已经居世界第二位。至1991年，船艇用GRP的产量已经占总产量的9%，GRP渔船占海洋机动渔船总数的76.3%。1981年，日本游艇的总产量为5776艘，其中5700艘为GRP游艇。日本的高性能碳纤维研制水平及生产能力均居世界前列，主要用于高性能船舶、赛艇及豪华游艇。

中国的GRP船艇工业经过60多年的发展，也有了长足进步。目前已经建造了数以万计的百余种型号的GRP船艇。据统计，至1997年，中国GRP的年产量约为23.5×104t，GRP船艇的年生产能力约为7000~8000艘。近年来已经出现了一批尺寸较大，技术要求高的高性能船舶。

未来的FRP材料将向着高性能化和工艺机械化方向发展。在船艇中将采用更多的碳纤维、凯芙拉纤维、超高分子量聚乙烯纤维等高性能纤维及混杂纤维，以提高材料的强度和弹性模量，减轻构件的质量。在基体材料方面，更多采用间苯型聚酯取代邻苯型聚酯，关键部位采用乙烯基树脂。在结构设计方面，采用夹层结构代替单板结构，可减轻结构重量，提高结构刚度和强度。在建造工艺方面，将更多采用真空辅助成型等机械化方法成型复杂船体构件，以提高构件性能，保证船体质量。可以预计，随着FRP材料性能的不断提高和建造工艺的不断完善，FRP材料在中小型船艇上将得到越来越多的应用。

2 铝合金

铝合金在船艇上的应用始于19世纪末，至今已有一百多年的历史。伴随着能源紧缺和环境污染问题的凸显，铝合金由于在船艇轻量化方面的优势日益受到重视。

2.1 铝合金的优点

铝合金具有以下优点[11,12]：

（1）铝合金的比强度约为钢的2倍，虽然其密度大于GRP材料，但由于其强度较高，所以同一艘船使用的铝材的体积可小于GRP材料，因此铝合金船的重量与GRP船的重量差别不大。

（2）与GRP材料相比，铝合金的弹性模量较大，船体刚性较好。

（3）与钢、GRP材料相比，铝合金的抗腐蚀性能较好，能减少涂油等维修费用，使用年限长。

（4）与GRP材料相比，铝合金的回收利用容易，可以实现循环利用。

（5）与GRP材料相同，铝合金无磁性，适合用于扫雷艇。

2.3 铝合金在中小型船艇上的应用及发展[11-14]

船艇上应用的铝材有工业纯铝、Al-Mn系、Al-Mg系、Al-Mg-Si系和Al-Zn-Mg系合金。其中Al-Mg系和Al-Mg-Si系合金应用最为广泛，而Al-Zn-Mg系合金也日益引起人们的兴趣。

船体构造用的铝合金主要是Al-Mg系的5083、5086和5456三种合金。5083和5086为热处理不可强化合金。5083合金强度低于5456，高于5086，具有良好的焊接性、耐腐蚀性和低温性能，广泛用于船体的主要结构。5086合金强度稍低，但挤压性能有所改善，用于挤压薄壁宽幅挤压型材。5456强度最高，但有应力腐蚀敏感性，用于制造船底和甲板。Al-Mg-Si系合金由于在海水中会发生晶间腐蚀，所以该系合金主要用于船艇的上部结构，主要有6061、6N01和6063。6061合金为热处理可强化的耐蚀合金,强度高,但焊接强度低,主要用于不与海水接触的螺接和铆接结构，用于制造上部结构、隔板结构和框架等。6N01强度比6061低，但耐腐蚀性和焊接性好，用于制造上部结构的薄壁宽幅挤压型材。6063的挤压性能优良,可挤压出截面复杂的薄壁型材,耐腐蚀性和表面处理性能好。

应用铝合金的船艇种类甚多，从军用舰艇到民用船舶，从高速气垫船到潜艇，从渔船到游艇都在使用铝合金作为船壳体、上层结构、各种设施、管道用具。当前使用较多的是在高速船艇（如水