原文来自杂志《Reinforced Plastics（增强塑料）》，由上海船舶工艺研究所刘子茗翻译并删改
在造船方面，尤其在军舰上，复合材料相比金属有明显的优势。然而，世界各国海军还没有大规模地转向复合材料。不过，尤其是在荷兰和斯堪的纳维亚的造船商，有一种现在是时候实现这种改变的紧迫感。我们与来自荷兰弗利辛根达门舍尔德海军造船公司（以下简称达门）的专家进行了交谈，了解了复合材料的优势，以及必须克服的挑战。
达门集团从20世纪60年代开始就开始生产复合材料船。“但后来铝使生产成本更低，所以达门完全转向铝，”达门公司的研发总监Joep Broekhuijsen说。
图1：达门生产的拦截艇，因使用复合材料的原因又轻又快
21世纪以来，达门集团再次大举投资复合材料。几年之后，他们在土耳其建立了一家复合材料造船厂，生产长度可达25米的船舶。
达门公司的复合材料结构技术专家Laurent Morel说:“这些大多是携带在母船上进行追击的拦截艇。我们正在以大约每周一艘的速度生产一系列共70艘船。我们还在那里生产了两辆用于客运的双体船。我们所有的船员供给船和海上供应船的上层建筑都是由复合材料制成的。”
达门制造了各种各样的船，他们有雄心将复合材料船做得更大。“我们在图纸上有一个45米船的设计，我们希望在5年内达到75米，”Morel说。
图2：复合材料船体的成型
达门公司使用热固性树脂，并尽可能多地使用玻璃纤维。大多数复合材料船不是为了强度而设计的，而是为了频率。根据船的类型，有时必须使用不同的材料来达到需求的频率以避开螺旋桨的激励。
军用复合材料的额外优势
当然，从钢到纤维增强塑料最明显的优势是减重，这可以用来减少燃料消耗或携带更多的有效载荷。复合材料上层结构的重量更轻，也可以降低船舶的重心，增加其稳定性。但根据Morel的说法，这些长度低于25米的船之所以重新使用复合材料，主要原因是它们现在的生产成本比铝制船要低。
在军事应用中，由复合材料制成的船舶或上层建筑具有一些额外优势，比如与轻金属结构相比较低的雷达散射截面。由复合材料制造的船舶水下磁性特征较低，这对猎扫雷艇(MCMV)尤其有价值。MCMV长度大于25m，荷兰海军应该很快就会更换他们的MCMV。“这是我们目前的主要关注点，”Broekhuijsen说。
图三：阿尔克马尔级的MCMV，从1983年开始在荷兰海军服役，它的52米长的玻璃纤维增强聚酯船体在当时是相当革命性的。
反水雷舰艇
达门正在考虑建造75米长的下一代复合材料MCMV。“这是一个相当大的复合平台，”Broekhuijsen说。但国防组织因为在处理水雷问题上有两种不同的策略，还没有确定一个明确的偏好，因此还没有订购新的MCMV。
第一种策略是使用一艘具有低磁特征的MCMV，能够在水雷被发现之前探测到它。此外，船上的仪器必须由非磁性材料制成，或者配备消磁系统。另一种策略是使用普通的钢铁母舰，始终停留在雷区之外，并派出小型无人船追踪水雷。这些无人船计划长10-20米，由复合材料制成。
Morel表示：“国防界正在等着看这些无人系统的发展会有多快，因此，目前很难进行性价比比较，我们努力对两种策略都做好准备。但对我来说，挑战很明显:复合材料船的购买成本必须至少低于钢船体版本。”
海军舰艇所能承受的载荷与商业舰艇不同。以MCMV为例，它必须能够承受地雷的意外爆炸。荷兰甚至要求他们的MCMV在回到港口之前能经受住多次爆炸。Broekhuijsen表示：“撕裂对船体有害，诀窍是防止形成真正的撕裂，造成防水完整性失效。使用复合材料，会看到分层形式的损伤，也会吸收大量的能量。但你也希望一艘船能够承受多次爆炸，而不会受到伤害。因此，你必须能够在不分层的情况下承受几次冲击载荷，并保持钢和复合材料的弹性参数。”
铆钉、螺栓还是胶粘剂?
对于连接部位，达门更喜欢使用胶粘剂，Broekhuijsen解释道:“焊接是不可能连接复合材料与钢的，铆钉是一种过时的技术，我们很少使用螺栓。在复合材料的上层结构中使用螺栓不利于减重。螺栓的重量约为复合材料上部结构重量的20%。”
美国最近尝试加固了一种复合材料的上层建筑:美国军舰朱姆沃尔特DDG-1000是一艘外观前卫、180米长的导弹驱逐舰，专为拥有超低雷达散射截面而设计。但将螺栓用于上层建筑增加了重量和成本。32艘朱姆沃尔特级驱逐舰的建造计划搁浅，生产计划限制在3艘。
Morel指出:“对于操作荷载，如波浪荷载，一个连接节点是足够强的。然而，军事负载则是另一回事，尤其是内部爆炸场景。这可能就是为什么美国人使用螺栓而不是胶粘剂的原因:他们的设计要求中可能有武器爆炸载荷。在爆炸中，我们讨论的应变率是实际载荷的一千倍。这需要一种不同的方法:你必须把结构置于膜态，而不是弯曲态。将其与肥皂泡相比较：肥皂泡在张力中均匀地加载，使轻量级结构能够承受较重的负载。我们已经做了一个可以应对反舰导弹的复合材料防爆舱壁。从几何上看，它只是一个扁平的夹层板，但你必须修补纤维的方向和接头，以推动荷载进入正确的方向。爆炸后，你可以看到里面有肥皂泡的形状。”
图4：达门在卡雷尔·多门号的上层建筑上制造了用于空调和供暖的GFRP空气导管，卡雷尔·多门号是荷兰海军的一艘205米长的支援船。
金属和塑料粘合
达门在25米长的船上使用胶粘剂将上层建筑连接到船体底部。但在像MCMV这样的大型船只上是一个巨大的挑战。定义要求的船级社必须仔细检查整个结构。对于小型船，我们可以在没有船级社批准的情况下连接上层建筑。但对于大型船，我们必须让机构相信这种粘合是持久的，必须在火灾时证明它的安全。我们必须对可能发生的情况以及减少这些风险的选项进行评估并研究应对方案。
Broekhuijsen说:“对于粘接在海洋环境中的老化行为，我们还不太清楚。在航空航天领域，粘接也同样适用，但我们在使用和处理胶粘剂时面临完全不同的情况。在粘接过程中，我们的环境不能像在航空航天生产中那样得到很好的控制。车间通常不供暖，且遍布世界各地。印尼的湿度比荷兰高。环境每一季都在变化，所以它们更难控制；更重要的是，出于成本的考虑，我们不想过多地控制。所以我们在寻找耐受性更强的胶粘剂并研究如何监控胶粘剂的使用情况，为了在粘合失效前发现异常情况并进行干预。”
他们曾为此与一家胶粘剂制造商密切合作，但Broekhuijsen解释说，他们发现这太严格了:“它过多地限制了我们对胶粘剂的选择。市场上有许多类型的胶粘剂。其中许多已经获得了海事申请的批准。我们希望有从所有可能的选择中作出选择的自由。所以现在我们采取了一个不同的策略:我们在特定的应用中定义胶粘剂的基本参数。我们也在确定所需的测试，得到一个测试矩阵，可以提供给不同的供应商，他们的任务是用结果填充测试矩阵并报价，然后我们就可以选择最适合我们的应用。我们刚刚开始了与代尔夫特理工大学的耐久性研究项目，预计需要三到四年时间才能完成整个矩阵。”
Morel补充道:“瑞典造船厂已经将其应用于海军舰艇上，因为海军舰艇不需要等级批准。但达门更希望获得商业批准，即使是军用船只。最大的挑战是使仿真模型得到认可，特别是胶粘剂的有限元模型必须在-65至+80℃的温度范围内工作。船只必须能够航行世界各地，从北极到热带地区。我们知道它的效果很好，它已经经过了尝试和测试，但我们还不能证明。我们现在和十几个合作伙伴在一个由TNO领导的项目中进行尝试，这将花费两年的时间，应该会为我们获得分类批准。”
全复合材料MCMV最大的挑战
Morel解释说，开发大型复合材料船(如新一代MCMV)面临的最大挑战是获得船旗国对等效防火安全的批准:“法规将钢视为不可燃材料，而复合材料则是可燃材料。尽管在多数情况下，复合材料船在火灾中比钢船更安全。复合材料结构导热不良，使其在小型火灾中本质上更安全。”
在海上，船只到达最近的港口需要很长时间。军舰的情况更糟。商船在危险情况下可以撤离。“在军队里，这不是一个选择，”Morel说，“士兵必须留在船上继续战斗。根据受损程度，必须保留一定数量的功能。子弹击中后，船必须正常运转。在最严重的情况下，仍要保证有足够的疏散时间。但在某些情况下，一艘船会燃烧数天，而船员会留在船上继续战斗。而在军队中，我们会面对更严重的火灾:碳氢化合物火灾，例如直升机坠毁或未爆炸的导弹。所以海军舰艇上的温度会更高。”
实施消防安全的方法中防火绝缘最简单，但会带来重量和成本增加。一艘没有隔热的钢船上发生火灾，整个钢结构很快就会变得炙热，复合材料没有这个问题。也可以涂上膨胀漆，当它暴露在高温下会膨胀，在层压板上形成保护屏障。
达门应用了一种平衡的解决方案，并将消防系统的体系结构应用到风险评估中。目前还没有人能够通过对复合材料船的风险评估，这种船的防火安全相当于钢铁船。但达门已经在这些火灾分析方面与国际合作了六年。“我们现在已经完成了风险评估，应该能够在今年或明年获得船旗国的首张批准印章，”Morel说。
同等采购成本
Morel说:“达门正在寻找自动化技术以降低生产成本。我们有信心将大型复合材料船的成本降至钢铁船的水平，同时，还可以利用复合材料固有的功能集成优势，复合材料不会被腐蚀，这可以减少油漆数量。你可以使用更多的隔热层来减少供暖和通风系统。所以，完全有可能以与钢船相同的价格生产出一艘复合材料船。我们正在评估复合材料与钢材的所有结构性能，这些都是非常基本的材料，但在将其用于系统设计之前，必须进行细致的工作。”
图5：舰船复合材料的一个重要突破:玻璃纤维增强聚合物防爆隔板
Morel对复合材料将在造船领域取得突破充满信心:“我们现在拥有的复合材料结构可以像钢结构一样控制反舰导弹的内部爆炸。这花了20年的时间发展，是一个巨大的进步。这是发展复合材料的最后机会之一。三十年前，我们都认为复合材料会爆炸。十年前，我们是为数不多的大量投资于此的造船厂之一。但我们觉得我们快到了，所以我们要继续努力。”
