先进复合材料，让主权更霸气
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【材料+说】：
目前军用新材料技术已开拓上万个品种，并且以每年5%的增速上升。随着技术不断突破，军用新材料市场规模将迎来爆发，未来发展空间可期。《中国制造2025》指出要大力推进新材料产业发展，把特种金属功能材料、高性能结构材料、功能性高分子材料、特种无机非金属材料和先进复合材料为发展重点，积极发展军民共用特种新材料，加快技术双向转移转化，促进新材料产业军民融合发展。
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《福利第五波 | 耐火材料行业报告》
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虽然目前复合材料在海军上的应用多种多样，但是多年来这些应用仅限于一些不太重要的舰艇结构和小型船只上。二战后，复合材料首次应用在美国海军的一些小型客运舰艇上 。 实际应用时，发现这些舰艇刚度大、强度大、持久耐用而且易于维修，因此，在20世纪40年代中叶到60年代，复合材料在美国海军中的应用迅速增加。在越南战争期间，应用复合材料的客运舰艇、内河巡逻艇、登陆舰和一些在役侦察艇数量达3000艘。美国海军还将复合材料应用在小型舰艇上的舱面船室、通讯舰艇的桅杆、驱逐舰的管道系统、潜艇的流线型指挥台外壳和铸件。表1列举了自越南战争以来，复合材料在海军方面的应用。
在20世纪50年代，其他海军开始在他们的舰艇和潜艇上应用复合材料结构。英国皇家海军和法国海军开始在潜艇声纳罩上采用复合材料代替钢材，以获得更高的声波穿透率，同样 ，在海面舰艇的天线罩上应用复合材料可保护通讯和监视天线。到20世纪70年代，英国皇家海军、瑞典皇家海军和挪威海军开始采用复合材料来制造猎雷艇，荷兰海军也开始把复合材料应用于领航艇和登陆舰上。这个时期标志着复合材料在大型海事结构上应用的开始 。
复合材料海军舰艇的新发展
早期复合材料都是应用在小型巡逻艇和登陆舰上。相对差的制造质量和船体刚度限制舰艇的长度不能超过15米，排水量不超过20吨。近年来，随着低成本复合材料的设计、制备和力学性能的提高，复合材料开始应用在大型巡逻艇、气垫船、猎雷艇和轻巡洋舰上。图1是1945年到2000年间全复合材料海军舰艇的长度调查。随着时间的推移，舰艇的长度呈稳定的增加趋势，现在已有80到90米长的全复合材料海军舰艇。如果依此趋势，同时随着技术的提高，到大约2020年，可开始采用复合材料制备中等尺寸的军舰如120到160米长的护卫舰完全可能，但是，这是不可能的，除非采用复合材料造船的成本能够低于采用钢的成本 。
图1.舰艇长度/时间曲线（巡逻艇、MCMV、轻巡洋艇），数据来源：Sharpe
巡逻艇
复合材料在海军巡逻艇上的应用已经有近四十年的历史。第一艘全玻璃纤维增强聚合物 （ 以下简称GRP）的巡逻艇诞生于20世纪60年代早期，由美国海军制造，在越南战争期间在内河上应用。在20世纪70年代到80年代期间，复合材料在小型巡逻艇上的应用日渐增长 ， 目前正在服役的已经超过300艘。大部分GRP巡逻艇的长度都在10米以下，排水量不超过10吨，很少有超过20米长的，因为船体梁的刚度太低。大于25米的巡逻艇船体通常采用铝合金或钢材。
因为尺寸小，复合材料巡逻艇一般在内陆和沿海航行，不可能到远海区
。不过，很多国家对制造长度小于50米、满载排水量为300吨、在远海区行使的全复合材料巡逻艇充满兴趣。 通过对采用钢、铝、夹芯结构的复合材料制造大型巡逻艇在成本、重量和结构性能的比较，发现同等尺寸的巡逻艇，采用GRP夹芯结构的重量比铝制的轻10 % ， 比钢制的轻36%。
使用复合材料制造舰艇的主要问题是船体梁的刚度太低。Makinen等估计，对于50米长 、 采用夹层复合材料制造的巡逻艇，其船体梁的挠度比钢艇的要高出300%。同样地，Alm计算得到， 对于50米长的海军舰艇，用复合材料制造的船体梁的挠度比钢制的高出240%
最大的全复合材料海军巡逻艇是由挪威皇家海军操作的Skj?ld级舰（如图2）。Skj?ld级有着飞机的表面效果。这个双体船长46.8米，宽13. 5米，满载排水量是270吨。它采用喷水推进，升力风扇把吃水深度降到2.6米，所以可以达到静水中57节和三级海浪下44节的速度。
Skj?ld级完全由夹层复合材料制造，即玻璃纤维和碳纤维薄板表面和聚氯乙烯泡沫芯层。
第一艘巡逻艇——KNM Skj?ld 于1999年开始服役，现在仍在接受大海的考验。如果成功的话，挪威皇家海军考虑再购买六艘巡逻艇。
图2.Skj?ld级巡逻艇
Skj?ld艇的制造者们采用夹层复合材料代替钢或铝合金来简化船体和上部结构，而且复合材料可以提供高的强度/重量比、好的冲击性能和低的红外、磁和雷达特性。如果仅仅采用GRP， 则需要引入导电材料（如铜网）来提供电磁防护，从而保持舰艇上的电子设备精确运转，当然这会增加舰艇的制造成本。碳薄板的大量应用保证了结构（如梁框、桅杆和枪的支撑底座）所需的高刚度。
瑞典皇家海军也把复合材料应用在大型巡逻艇上。20世纪80年代末期，瑞典海军制造了一艘30米长的地面效应舰艇， 即Symyge MPC2000，采用的是夹层复合材料，包括碳纤维 、 玻璃纤维和Kevlar 纤维增强乙烯基酯表层和聚氯乙烯泡沫芯层，具有轻质、良好的抗腐蚀性、良好的抵抗水下冲击载荷损害的能力和许多隐身的性能（包括低的热、磁特性和良好的阻声性能）
反水雷舰艇
舰艇中用来定位和摧毁鱼雷的是我们熟知的反水雷舰艇（MCMV）。传统上，MCMV采用木材制造，这是因为木材没有磁性，所以舰艇在水中运行时不会被磁性水雷探测到。二战后，制造MCMV所需的高级木材越来越稀少，此时仍采用木材来制造MCMV就不再经济 。 此外，
木材MCMV在整个使用过程中都需要维护，因此它的全程使用成本太高
。为了解决这个问题，1951年美国海军尝试制造了一艘15.5米长的复合材料蜂窝夹芯结构扫雷艇，即XMSB-23。但是，该复合材料艇的制作质量、力学性能和防水性能都很差。结果，海水渗入到了XMSB-23的船体，因此，它也就不可能用在扫雷行动中。
图3. a: Sandown级；b:Huon级；c: Bay级MCMV，
分别采用框架支撑的单壳结构、无框单层结构和GRP夹芯结构制造
最常见的舰体结构类型是框架支撑的单壳结构。英国皇家海军的Hunt级和Sandown级MCMV采用的就是这种结构。同样，法国、荷兰和比利时海军的Tripartite级舰艇也采用了这种结构。整个设计包括横向的框架和纵向的复合材料梁，纵横胶结形成GRP预成型的层压结构 。这种框架结构能够提供舰体梁所需的刚度，示意图见图4。
图4.Smith的复合材料舰艇的框架支撑的单壳结构舰体的设计示意图
单层结构的舰体没有框架。代之以非常厚（达到0.15-0.20米）的GRP外壳来提供舰体所需的刚度和水下抗冲击性能。甲板和主要的舰舱壁都能为舰体提供刚度。例如意大利的Lerici和Gatea级猎雷艇。澳大利亚的Huon级和美国的Osprey级采用的也是与意大利类似的设计 。
通过在Landsort级和Flyvefisken级MCMV上的应用，
GRP夹芯结构获得了广泛的认同。舰体和上部结构采用复合材料夹芯结构，即由薄GRP表皮包覆聚氯乙烯泡沫芯层。
薄的表皮提供刚度和强度，而夹芯层则提供抗剪能力和低的密度。除了上述介绍的复合材料舰体结构外，还有一些其它结构应用复合材料，但目前应用还不是很广泛。例如，Gass等评价了一种应用在MCMV上的波纹形复合材料舰体结构原型。其外表面的纵向波纹用来提高梁的刚度和强度，而制备成本比传统的框架单层结构少25%。 虽然如此，目前没有一艘MCMV采用这种波纹形的舰体结构。
20世纪80年代期间，美国海军考察了制造具有气垫表面效应舰体MCMV的可行性。他们期望舰艇具有低的磁特征和声特征、对水下冲击较小的敏感性，这样舰艇运行时就更加安全 。可惜并没有制造一艘舰艇，此计划就搁浅了。但是，挪威皇家海军目前正在使用具有气垫表面效应的Oks?y级和Alta级MCMV。
这些舰艇都是GRP夹层复合材料的双体船。其中的一艘Oks?y级——KNM Hinn?y作为 MCMV是独一无二的
。它是唯一安装了光纤传感器来监测舰体和甲板的应变。传感器可以确保舰体的结构行为与设计所预测的一致，因为它可以监测舰体结构，在其超载时发出报警。同时，也安装了其它传感器监测引擎、喷水式螺旋桨和其它机械产生的结构振动。轻巡洋舰
目前采用复合材料制造的最大海军舰艇是轻巡洋舰。由瑞典皇家海军主导设计和制造，通过YS-2000项目制造复合材料轻巡洋舰的。该项目的目的是制造Visby级轻巡洋舰，长72米，10.4米宽，满载排水量是720吨，是最长也几乎是最重的完全复合材料舰艇（如图5） 。Visby级具有监督、战斗、布雷、扫雷和反潜作战等多种功能。为了扮演这些角色，
它必须具有质轻、强度大、耐水下冲击载荷和低的雷达及磁特性等隐身性
。瑞典皇家海军认为 ，采用复合材料来制造整艘舰艇比采用钢、铝合金或混合材料更容易满足上述要求
。
图5.计算机绘制的Visby级轻巡洋舰，来自Sharpe
Visby级轻巡洋舰采用的是复合材料夹芯结构，即碳纤维和玻璃纤维混合增强聚合物薄板 ， 包敷聚氯乙烯芯层。
Visby级是第一艘在舰体结构中有效利用碳纤维复合材料的海军舰艇 。 碳纤维的价格至少是玻璃纤维的五倍，昂贵的价格限制了它在大型海事结构件上的应用。
但是，Visby级的设计表明采用碳纤维可以把舰体重量减轻30%左右，而且制造成本不会大幅增加。重量的减轻可以转化为舰艇性能的提高，即降低油耗来增加运行范围和降低操作成本。应用碳纤维增强复合材料更大的好处是碳纤维能为Visby级的上部结构提供足够的电磁防护。
但是，利用复合材料也存在很多问题，如耐火性差。第一艘Visby级轻巡洋舰在2000年6月下水投入使用，还将经受大海两年的考验。瑞典皇家海军已经又订购了五艘 。新加坡皇家海军目前正与瑞士的Kockums AB共同设计新一代的采用复合材料制造的巡逻艇/轻巡洋舰，即NGPV级。计划制造八艘，目前，工作刚刚开始。虽然没有公布相关设计细节，但是已经知道，
舰艇采用了隐形设计，由三个船体并列而成，船体将采用复合材料夹芯结构。有些舰体结构采用凯芙拉纤维复合材料，能改进对小型武器火力和榴霰弹的抵抗力。
舰体预计长80米，排水量达1016吨，比Visby级舰更长，也更重得多。美国海军也在考虑采用复合材料来制造下一代轻巡洋舰。最初的设计着眼于用复合材料代替钢来制造85米长、1200吨排水量军舰的可行性。他们认为，重量降低30%，排水量降低7-21%，可以节约15%的成本。降低舰体重量，就可以增加武器的载荷和舰艇的运行范围 ，从而可能提高其作战能力。
英国的Vosper Thornycroft正在评估制造全复合材料，或舰体采用金属、上部结构和防水壁及天线系统采用复合材料的轻巡洋舰的可行性。
预计瑞典海军即将开始设计90-120米长、全部由复合材料夹芯结构构成的军舰。尽管过去十年复合材料轻巡洋舰的设计和制造取得了辉煌的进展，但是可以预计，在未来十年里，大部分的轻巡洋舰仍会采用钢材，因为其制造成本更低。水翼艇和气垫船
自20世纪70年代以来，复合材料应用在少量海军水翼艇和气垫船上。Graner综述了早期复合材料在舰艇非关键结构上、以减重为目的的应用。目前，复合材料在气垫船上的应用已经扩展到包括基础结构，如上部结构和舰体在内的应用。1998年，斯里兰卡海军使用了一艘18.8米长的M10级气垫船，它的上部结构是凯芙拉纤维增强复合材料。瑞典正在制造一艘20米长的海军气垫船原型，舰体采用复合材料夹芯结构，可以降低重量，提高损伤容限 ，同时降低维护成本，而且不含铝合金这种传统舰体材料。但是，Smith和Monks预测，采用复合材料代替铝合金可能会使得舰体的制造成本上升15%。
复合材料上部结构
海军船体的水上结构采用复合材料已有很多年了。自20世纪60年代中期以来，巡逻炮艇上的炮艇舱面船室就开始采用复合材料，70年代早期，猎雷艇的上部结构也开始使用复合材料。最近，芬兰皇家海军安装了一艘快速巡逻艇Rauma，
上部结构采用复合材料夹芯结构 ，船体采用铝合金。
复合材料舱面舰体要克服两个主要问题，即采用钢时出现的腐蚀和水上重量过大问题。那么，对于小型海军舰艇（小于20米长）来说，采用复合材料代替钢材可以减轻约65%的重量。比较而言，以前降低大型军舰水上部分重量的方式是采用铝合金来制造上部结构。但是 ， 战场经验，尤其是Falklans战争，突显了铝合金上部结构极差的耐火性，热传导率高，软化和熔融温度相对较低。此外，
铝合金上部结构在和钢的焊接处，很可能产生严重的疲劳断裂，而且，在船体梁弯曲引起的应变最大处，疲劳断裂的可能性也很高。
在许多军舰中裂纹是如此的顽固和普遍，以致昂贵的定期维修必不可少。尽管昂贵，但在可能产生裂纹的区域采用复合材料加强能够抑制裂纹。有些情况下，某些舰船永远不能服役了。由此 ， 许多海军开始评价使用复合材料来制造大型舰船上部结构的可行性。GRP的屈服应变大约是钢的10倍，因此，钢制船体上的复合材料上部结构发生疲劳裂纹的几率应该低得多。20世纪80年代中期，首次进行了大型军舰的钢制船体上安装复合材料上部结构的可行性研究。
发现制造上部结构的最佳选择是采用钢架增强的单层复合材料面板，或钟罩式增强的复合材料夹芯结构；研究同时表明，复合材料的上部结构比同样尺寸钢制的轻15-70%。
由于所能减轻的重量取决于复合材料的类型和钢架的数量，变化范围很大。挪威皇家海军预测，下一代使用复合材料代替钢来制造上部结构的护卫舰大约可以减轻180吨重量。在上部结构中，用复合材料来代替钢也能大幅降低水上重量。例如，皇家海军估计，在23号护卫舰上，用复合材料面板/钢架混合结构代替全钢的直升机架大约能够把重量减轻31% （或9吨）。Dodkins和Williams在报告中提到，在制造中等护卫舰的上部结构时，用钢架增强复合材料代替钢节省的重量有限，而制造成本却会大幅增加。Dodkins和Williams提出 ，
全复合材料的上部结构，并采用复合材料夹芯结构面板增强的情况下，减轻的重量达到最大值，大约40%，而且制造成本不会大幅增加。
降低水上重量可以增加武器的有效载荷和提高适航性。与钢比较，不管能够减轻多少重量，复合材料上部结构都比同样铝结构的重30%左右。与钢和铝相比，复合材料的舰体上部结构存在很多缺点。由于复合材料上部结构和钢制甲板连接处花费昂贵，复合材料的制造成本高于金属。例如，H?yning和Taby估计，对于中型护卫舰来说，在上部结构采用复合材料代替钢，根据不同的材料、定位系统和需要的雷达特性的降低水平，建造成本将增加40-140%。另外，Kodkins和Williams预测，复合材料上部结构比钢制的仅贵9-47%。Arleigh Burke级（DDG-51）驱逐舰和Type 23护卫舰中 ， 采用复合材料上部结构分别比钢结构的贵18%和35%。
尽管成本高，许多舰船制造者和海军已开始接受高的制造成本，因为采用复合材料可以节省舰艇使用寿命中检修和维护的成本，并且，产生裂纹疲劳的可能性降低，可以保证更高的出勤率，从而降低了总成本。
但是新的问题是，许多造船场所既没有设备，也没有技术制造复杂的复合材料上部结构。法国海军首航了采用复合材料制造上部结构的大型军舰，即La Fayette护卫舰，时间是1992年。现役共有6艘。这类护卫舰船尾的上部结构采用的是GRP复合材料夹层面板（如图6 ）。包括直升机架，船尾部分共有38米长，15米宽，从主甲板算起有6.5-8.5米高，重达85吨，是军舰上部结构中最大的。
护卫舰上的烟囱材料也是采用的复合材料。上部结构的前部，包括轮库，战斗信息中心和电信控制中心都是钢制的。
台湾海军有六艘La Fayatte护卫舰（Kang Dang级），到2005年，沙特阿拉伯将拥有三艘改进的La Fayatte级护卫舰。
图6.La Fayatte级护卫舰的复合材料上部结构，来自Sharpe
目前，La Fayatte级护卫舰是唯一拥有复合材料上部结构的大型护卫舰，美国海军正考察打算在Arleigh Burke级（DDG-1）驱逐舰的钢上部结构里采用复合材料夹芯结构。
采用复合材料制造的部分包括内部武器系统场地（CIWS）、前面的指挥室、直升机架、架子大门和烟囱。美国海军正在考虑采用复合材料修建Grasp级打捞艇的舱面船室。英国皇家海军也正考察为Type23和下一代护卫舰修建复合材料的直升机架。
VosperThorneycroft正在为钢舰体的轻巡洋舰和巡逻艇设计夹层式复合材料上部结构。挪威皇家海军也正评估在下一代护卫舰上使用复合材料上部结构的可行性。复合材料在La Fayatte护卫舰和中等军舰的上部结构中的成功应用，促使未来驱逐舰和航空母舰的大部分或所有水上部分很可能采用复合材料。复合材料桅杆
20年代60年代复合材料首次在桅杆上使用，当时钢桅杆已经登上了美国海军通讯艇，美国的莱特和塞班岛军舰上置换了高达10-25米的GRP桅杆。传统的钢桅杆采用开放式结构 ， 突出在外，会干扰本舰的雷达和通讯系统，同时增强了雷达特性，易于腐蚀。
20世纪90年代早期，
采用复合材料制造军舰桅杆的兴趣重新被燃起
。Critchafield等人的研究表明，复合材料桅杆可以克服钢桅杆产生的许多问题。11米高的原型桅杆（1/2比例）采用的是混杂复合材料，即S2-玻璃纤维和碳纤维，分别为了获得最大的弹道性能和高刚度 。而且复合材料桅杆比同样尺寸的铝桅杆轻20-50%。复合材料桅杆应该具有更能耐疲劳 、耐腐蚀，同时相比同样尺寸的钢桅杆而言，减低了电气障碍而能改进桅杆传感器的性能 。
复合材料桅杆能同时满足美国海军的耐振动、耐气流冲击和耐弹道损坏要求。可行性研究发现，复合材料桅杆比铝合金的制造费用至少高50%。美国海军于1995年着手先进全封闭式桅杆/传感器系统（AEM/S）的研究，以开发下一代的舰船桅杆。
AEM/S项目是一项先进技术，意旨证明可以在能承担的成本范围内，在大型军舰上安装复合材料桅杆。同时还证明了，复合材料更好的耐腐蚀性和传感性能，以及更少的雷达穿透区域。
1997年五月，AEM/S项目开始实施，并装备在Spruance级驱逐舰——USSArthurW.Radford上，取代原来钢桅杆的主要部分（即船尾）。USS Arthur W.Radford 和复合材料桅杆的近视图如图7。前面的钢桅杆和后面的复合材料桅杆有很大差别。此图展示了AEM/S系统与传统的桅杆系统的显著差别。
图7.USS Arthur W.Radford及AEM/S系统，来自Sharpe
AEM/S系统中的结构高28米，直径达10.7米，将成为美国海军舰艇上最大的复合材料水上结构。
桅杆由装配成六角形的选频混合复合材料组成。这种独特的设计允许舰艇本身的传感器频率通过而且损耗很小，其它的频率则一律反射。从而改进了天线和其它传感器的性能，而降低了桅杆雷达的有效截面。
另外，桅杆结构将所有主要天线和其它灵敏度高的电子设备封入在内，使其免受天气的侵蚀，从而降低了维护费用。经设置后AEM/S系统的性能可以满足USS Arthur W.Radford的所有需求。AEM/S系统的成功极大地促进了先进复合材料桅杆技术与下一代美国海军表面作战的水上设计部分的结合。目前，美国海军正考虑将AEM/S系统安装在未来的驱逐舰（SC21）、航空母舰（CVX）、海洋起重船（LH （X） ）、圣·安东尼奥（San Antonio）级两栖船坞运输舰—USS San Antonio（LPD-17）及作为现有军舰的主要改良桅杆。1996年，皇家海军和Vosper Thornycroft（英国）开始开发复合材料桅杆一体化技术（ITM）。此项目与AEM/S项目的目标近似，因为ITM的目的是克服传统钢架桅杆的问题
。ITM采用的是复合材料夹芯结构，并装配有雷达吸收材料，包含通讯雷达、监视雷达和内埋的传感器。据估计，这种复合材料桅杆的优点包括改进了隐身性、更好的环境保护，以及降低了对传感器的电磁干扰
。而且比同尺寸的传统钢桅杆轻10%-30%。ITM正在进行改良以用于Sea Wraith stealth轻巡洋舰、皇家海军的2012号未来表面战士和未来的航空母舰。复合材料桅杆系统还曾应用于加拿大海军装备的一些Halifax级巡逻护卫舰上。复合材料推进系统
螺旋桨
由于镍铝铜合金材料（NAB）具有优良的耐腐蚀性和屈服强度，一直以来都是制造海军舰艇和潜艇上的螺旋桨的材料。但是，使用NAB也存在很多问题：复杂的NAB螺旋桨叶片的加工成型费用很高、NAB螺旋桨叶片易产生疲劳裂纹、声学阻尼性相对较差、振动噪音等等，诸如此类问题使得海军设计师们不得不开始考虑采用其它材料制造螺旋桨叶片的可行性。最受关注的材料是
不锈钢、钛合金及其复合材料
。复合材料螺旋桨系统的设计和性能是高度机密的，因此近年来的研究进展不可能公开发表 。但是，众所周知，复合材料叶片中的纤维可以承受大部分的水动力和向心力。
复合材料叶片的好处是，承载的纤维可以沿叶片的不同方向敷设从而使应变最小。
因此，通过设计纤维排列和铺敷方式，可以优化叶片的性能。Lin和Lin指出，纤维排列的方向会影响叶片的推力、有效颠簸比和翘曲。因此，叶片的设计和制造需要精确以确保获得最优性能。复合材料叶片一般做成包括玻璃纤维和碳纤维的固体薄片，或夹芯结构。聚氨酯或NAB或不锈钢的薄层可以用来保护叶片梢部免受强烈的冲击损坏。复合材料叶片通常用粘合剂或螺栓固定在金属的毂上，也有用复合材料制造毂的。
Ashkenazi等描述了早期复合材料叶片的发展和性能测试方法。复合材料螺旋桨最早于20世纪60年代应用在苏联的渔船上，直径超过2米，在70年代早期，曾有直径超过6米的螺旋桨应用在大型商船上。同期开始了研制气垫船的复合材料螺旋桨样模。俄罗斯USSR进行了大量的试验研究，以比较相同形状的复合材料螺旋桨和金属螺旋浆的性能。所采用的螺旋桨直径是0.26-3米，试验用商船的排水量是2-5000吨，航速是5-35节。结果表明：
在航速 、 油耗、引擎负荷、吸收功率和使用寿命等方面，两者大致相同。然而，复合材料螺旋桨可以把引擎和浆轴的振动效应降低25%，从而进一步降低舰体的振动和噪声。
使用复合材料螺旋桨的优点列于表3，其中的某些项还未经证实。与NAB相比，复合材料螺旋桨的不足在于制造费用高、叶片梢部变形大、耐冲击损坏能力低。
大批海军舰艇安装了复合材料螺旋桨以进行测试和评价，如登陆舰和扫雷艇。复合材料螺旋桨也用在Mark 6 鱼雷和小型船只上。虽然复合材料螺旋桨具有很多优点，它也不可能在海军舰艇上广泛应用。瑞典皇家海军的Viksten 扫雷艇安装了三个单叶片的复合材料螺旋桨。
Lin经计算机模拟研究发现，某些形式的复合材料螺旋桨具有较差的水动力性能。Lin利用有限元分析方法比较了形状同样的模量较低夹芯复合材料螺旋桨和NAB螺旋桨，结果表明， 在水动力载荷下，复合材料螺旋桨的最大叶梢挠度要高出一个数量级。Kane和Dow通过计算得到，采用玻璃纤维复合材料螺旋桨时，最大叶梢变形是NAB合金的五倍。复合材料的刚度较低，所以变形较大。Lin同时也指出，夹芯复合材料浆叶的最大平面弯曲和剪切应力比NAB浆叶约高50%，因此，复合材料浆叶达到最大工作压力时的航速比NAB浆叶低得多 。 上面的研究明显与我们前面阐述的复合材料螺旋桨的试用结果相矛盾。但是，
模拟计算采用的是模量较低的复合材料。而商船和海军舰艇的螺旋桨一般采用的是刚度大得多的碳纤维复合材料，叶梢变形会小得多。
推进器
与金属推进器相比，复合材料推进器有许多优点。它们可以降低使用成本、减轻重量和磁/电特性、降低辐射噪声、改进抗腐蚀性和抗疲劳性。潜艇的复合材料推进器转子叶片的开发更为保密，但已知的是目前正在研发数米左右的推进器，与设计和性能相关的细节则是保密的。法国海军正考虑
在Le Triomphant 级潜艇的直径为2.7米的金属推进器上覆盖一层复合材料以降低辐射噪声。
螺旋桨和推进轴
随着近年来复合材料螺旋桨和推进器的发展，出现了军舰和潜艇的复合材料推进轴。大型舰船如护卫舰、驱逐舰上大量的钢推进轴大约占整个船重量的2%（约100-200吨）。 碳纤维/环氧和玻璃纤维/环氧复合材料轴比同尺寸的钢轴轻25-80%。
复合材料推进轴不如本文介绍的其它海事结构发展那么快速。20世纪80年代，美国海军成功地测试了一个巡逻艇上的碳/环氧轴原型。他们也正考虑用复合材料轴来替换Sacramento级补给舰的重20吨，长10米、直径0.68米的钢轴，可以减重达80%，制造成本降低达50% 。 挪威已经在其Skj?ld和Rauma 2000级快速巡逻艇上装配复合材料推进轴。尽管目前复合材料在海军舰艇和潜艇推进轴已经有所应用，但是，要成为该领域的强有力的竞争材料 ，还需要解决设计、制造、性能、耐久力和维护等问题。
海军舰艇的复合材料二级结构、机械和装置
背景
复合材料在海军舰艇的二级结构、装置和设备上的使用与日俱增。具体来说包括烟囱、舰舱壁、甲板、方向舵、舱门、引擎底座、管道和通风系统。也包括柴油机的机械部件、泵和热交换器。
烟囱
增加复合材料在大型军舰排气烟囱上的应用，可以降低水上重量，也可能降低成本。复合材料已在MCMV的烟囱上成功应用多年。近年来，
Visby级轻巡洋舰和La Fayette级护卫舰的烟囱采用的都是夹层复合材料。
目前的工作目标是在大型军舰上使用夹层复合材料，美国海军正考虑在Arleigh Burke（DDG51）级驱逐舰上安装复合材料烟囱。与钢烟囱相比 ， 复合材料烟囱能够削弱雷达信号从而改进舰船的隐身性，同时，由于其具有优良的热绝缘性能，也能够削弱红外（热）信号。采用复合材料军制造军舰烟囱可减轻的重量和节约的成本比例，目前还未有公开信息。但是，据Horsman报道，在两艘意大利巡洋客轮上安装复合材料烟囱，代替铝和不锈钢烟囱，可以减轻50%的重量，并节约20%的成本。
舰舱壁、甲板、门、舱门
正在研究在海军钢舰艇上安装复合材料的舰舱壁、甲板、水密门和舱门的可能性。图8展示的是
Vosper Thornycroft（英国）采用SCRIMP制造的一个复合材料舰舱壁
。与钢舱壁相比 ，它的重量轻20-40%，具有更低的磁特性，发生火灾时对临近隔间的热传导低，并且具有更好的阻声性能。缺点是制造和安装的成本比钢舱壁的高20-90%。据预测，复合材料甲板也要比钢甲板贵30-45%。增加的成本主要是用于复合材料舱壁和周围钢结构的联结 ，以提供足够的抗力抵抗内部冲击损坏。
除非这些费用能够降低，否则复合材料的舱壁和甲板很难在大型海军舰艇上广泛采用。
图8. Vosper Thornycroft采用SCRIMP建造的复合材料舰舱壁
附件和遮护板
许多海军正考虑将复合材料应用在武器外罩和干燥甲板掩体，以及导弹冲击防护，以免受高速射弹和榴散弹的冲击。美国海军已经在其Kidd级导弹驱逐舰上使用凯芙拉复合材料盔甲，以保护船员免受小型武器炮火的袭击。
方向舵
复合材料舰艇用方向舵正处于研发之中，预计其比现有的金属舵轻50%，便宜20%。美国海军的Avenger级反水雷舰艇上正在使用复合材料方向舵。
机械装置和引擎部件
美国海军首次考察了复合材料在舰艇引擎中的应用，即评估GRP的齿轮罩外壳。与传统的钢外罩相比，复合材料外罩更耐腐蚀，而且轻90%，但是由于其噪音辐射更高，复合材料外罩再未使用。目前，美国海军正在评价轮机舱的机械部件上使用复合材料的可能性，如图9所示。玻璃纤维增强酚醛复合材料已经应用在柴油机的滑轮组、油盘、凸轮罩、水泵 、 油泵、滑轮、惰轮和调速链轮齿中。因此，
重量可以减轻40-70%，引擎的购置成本可节省10-40%。另据预测，还可以降低结构和空气噪声5-20dB，降低电磁特性，提高耐腐蚀/侵蚀、耐磨和耐疲劳性能。
虽然有这些优越性能，但目前复合材料引擎部件还未投入实际应用，在可以预见的将来这一情形仍将持续下去。
图9. 复合材料在舰艇机械组件上的应用，来自Garorik
20世纪80年代，美国海军在两栖货轮USS Charleston上安装了100个复合材料球阀。这些阀性能很好，事实上近10年都无需维修，而这已是USS Charleston的退役年限了。然而 ， 1991到1996年间，美国海军花了约1亿6千3百万美元用于舰上的铜阀维护和修理。商用的复合材料阀不能同时满足军舰用阀的抗震、抗弯和耐火性能。 美国海军正在设计满足严格的海事性能要求的复合材料球阀。与铜球阀相比，复合材料球阀更耐腐蚀、更容易维护 、 质量比铜阀轻70-80%，而且制造成本低50-75%。
图10. 复合材料球阀的示意图，来自Bhasin等
美国海军正在研究开发复合材料泵体和叶轮。几年前，他们的舰艇上有130,000多个泵。泵送海水和盐水的离心泵经常因为腐蚀和侵蚀而损坏。正在开发的复合材料离心泵比同样的金属泵轻、更耐腐蚀、磁特性更低、无火花、更安静、而且成本至少便宜30%。此外，测试表明，复合材料泵的水力性能高于，或者说至少等于同样尺寸和容量的铜泵。可以采用复合材料的泵部件包括：外壳、后板、叶轮、轴套、耐磨环和节流阀套管。 复合材料泵已经在三艘Spruance级（DD-963）驱逐舰上测试成功，美国海军正考虑将其用在阿利?伯克 （Arleigh Burke）级（DDG-51）驱逐舰和一艘Nimitz级航空母舰（CVN-76）上。
引擎和设备底座
一艘大型海军舰艇共需要1500多个、总重为700-800吨的钢底座来支撑机械和设备。一些机构研究了采用复合材料底座来减重的可能性。据Kelly和Rockwell报道，一个玻璃纤维增强聚酯复合材料底座（1.2m′0.97m）就比同尺寸的钢底座轻58%。另据报道，1/2比例的复合材料淡水泵底座模型比同样尺寸的钢模轻40%、安装成本低50%。虽然质量轻，但是复合材料底座可以提供足够的保护，使机械和设备免受水下冲击载荷，抵抗冲击损坏。而且由于它的阻尼性和无磁性，复合材料底座能够降低舰艇的声音和磁特性。
热交换器
海军舰艇上的热交换器要经受严酷的海水腐蚀/侵蚀，因此维护费用高，而且降低了舰艇的使用寿命。美国海军正在评估碳纤维复合材料的热交换器。
管道系统
复合材料在海军舰艇上的最早应用就是管道。1951年，美国海军在一艘护航驱逐舰上安装了复合材料管道，期望比传统的黄铜管道便宜、质轻和更耐腐蚀。但是，这些复合材料管道在运输热水时迅速降解并开始渗漏，导致失败。20世纪60年代，
在改进了复合材料管道的质量和耐久性后，皇家海军将其安装在突击艇的压舱系统中
。70年代早期，美国海军在其巡逻护卫舰上也安装了复合材料管道。据估计，复合材料管道的生产和安装成本将比黄铜或不锈钢管低15-50%。但是现代军舰上几乎不用复合材料管道。美国和英国皇家海军还在继续挖掘复合材料管道的潜在应用价值。通风管
美国海军正考虑在大型军舰上使用复合材料通风管，以抵抗腐蚀、降低重量、提高绝热性能、降低噪声和使用寿命成本。可以将复合材料管道改进后安装在Oliver HazardPerry级 （FFG-7）护卫舰、Arleigh Burke级（DDG-51）驱逐舰、Ticonderoga级（CG-47）巡洋舰、Enterprise级（CVN65）航空母舰和其它舰艇上。而且，美国海军打算对Nimitz级（CV）航空母舰上的复合材料气孔炉蓖进行测试。
甲板格栅
美国海军正在评估复合材料的甲板格栅。参与评估的是包括USS Nimitz和USS Carl Vinson在内的四艘航空母舰。评估的目的是为了确定：与传统的钢格栅相比，
复合材料甲板格栅在军舰的整个使用寿命中都能不受腐蚀而大幅节省成本。
复合材料潜艇结构
背景
近50年来，多国海军在大量潜艇结构上应用复合材料取得了巨大成功。最早的应用就是潜艇的流线装置，即一些流线型结构，用来覆盖主体钢耐压壳体的孔洞或覆盖突出的物体以利于水力流动。1953年，美国海军首先给Guppy级潜艇的指挥塔安装了一个全玻璃钢流线装置，以确定其性能是否优于传统的铝合金流线装置。铝流线装置在使用中会遭受严重腐蚀、需要经常维护和维修。复合材料流线装置则更持久耐用，而且几乎不需要维护。因此 ，在20世纪50年代到60年代早期，至少有25艘Guppy级潜艇安装了复合材料流线装置。
与此同时，
英国和法国海军则在潜艇耐压壳体外安装了很多复合材料结构。包括上部结构、鳍、桅杆套耐压壳体上部的外罩和弓形声纳罩
复合材料耐压壳体和控制板面
1966年，Alfers报道了采用纤维缠绕复合材料制造潜艇耐压壳体的可行性。虽然制造全复合材料潜艇壳体的进展缓慢，但是，已经出现了大量的小型全复合材料潜艇和遥控型水下船只。最近的研究表明， 复合材料耐压壳体比钢壳体具有更多的优点，如重量更轻、耐腐蚀性更好、静水强度更高、电和磁特性更弱
英国国防评估和研究部考察了在钢壳体外围安装一种夹层复合材料的可能性。以期这样做 可以增加壳体的总体屈曲强度、降低疲劳应变、降低腐蚀、减弱声、磁和电特性。另外 ， 还可将一些有效载荷项和传感器埋设于复合材料中
某些公司正在考察复合材料在潜艇控制板面上的应用，比如弧面、鳍和方向舵。 预计采用复合材料的最大优点是可以减轻重量、降低制造成本和腐蚀。因为控制板面在成型时，可以按照所需的水力形状模塑而不需要再加工，所以可以降低成本。
桅杆
近年来复合材料逐渐应用在潜艇的通讯桅杆、光电监视桅杆和非壳体穿透桅杆中。相对于钢桅杆来说，复合材料桅杆具有很多优点，如轻质、无腐蚀，允许制造复杂形状的产品却无须再加工，而且能在整个桅杆上涂敷雷达吸波材料。英国皇家海军在Upholder级潜艇上安装了复合材料通讯桅杆。澳大利亚皇家海军也在其Collins级潜艇上安装了类似桅杆。Tpye209型潜艇可以安装这样的桅杆。
内部结构、装备和配件
复合材料在潜艇耐压壳内部的广泛应用正处于研究中。与水面舰艇类似，这些应用包括舱壁、甲板、舱门、主推进轴、沉浮箱、储油罐、机械、泵、阀和管道系统。对于一艘现代化的核潜艇来说，在这些部件上采用复合材料，可减轻的总重大约为400吨。
这些应用的看法和测试工作几乎未见报道。普遍认为，美国海军在其研究和开发潜艇，USS Memphsis上对复合材料主推进轴、各种机械底座和一些气瓶进行了评价。首先对这些部件进行测试，因为其风险相对较低，一旦可行可以大幅减重。Evans等人提出，一旦对复合材料的接受和信心达到令人满意的水平，就要对其它风险高一些和减重更多的部件进行测试，如舱壁、泵和阀。除非复合材料在海军舰艇上的应用获得充分的认可，否则其在潜艇上的广泛应用将遥遥无期。
结论
复合材料在军舰和潜艇上的各种新应用见图11。从图中可以看到，现阶段复合材料的应用分为下面几类：概念期（C）、技术论证期（TD）或技术成熟期（D）。大部分的应用都处于技术论证阶段，尤其是潜艇上的应用。大部分技术已经成熟的应用仅限于相对较小的海军舰艇（巡逻艇，MCMV、轻巡洋舰），或大型舰艇和潜艇上的非结构性、非关键部件。
Deck, Bulkheads and Doors（TD）
甲板、舱壁和舱门（技术论证期）
Deckhouse (TD)
舱面船室（技术论证期）
Gun Enclosure (C )
炮壳（概念期）
Enclosed Mast (D)
封闭桅杆（技术成熟期）
Stacks (D)
烟囱（技术成熟期）
Helo-Hanger (TD)
直升机架（技术论证期）
Machinery & Machinery Foundations (TD)
机械设备及其机座（技术论证期）
Superstructure (D)
上部结构（技术成熟期）
Deck Grates (D)
甲板GRATES（技术成熟期）
Piping and Ducting (D)
管道（技术成熟期）
Rudder, Propeller & Propeller Shaft (D & C)
方向舵、螺旋桨及螺旋轴（技术成熟期和概念期）
Masts (C )
桅杆（概念期）
Piping and Ducting (TD)
管道（技术论证期）
Holdig Bulkheads, Decks &Hatches（C）
货舱舱壁、甲板和舱口盖（概念期）
Outer Pressure Hull (C)
耐外压壳体（概念期）
Propellers, Propulsors and Propulsion Shaft (TD)
螺旋桨、推进器及推进轴（技术论证期）
Rudders & Control surfaces (TD)
方向舵和控制面板（技术论证期）
Ballast & Storage Tanks (TD)
压舱物和储油罐（技术论证期）
Machinery & Machinery Foundations (C & TD)
机械设备及其机座（概念期和技术论证期）
图11.复合材料结构在海军舰艇和潜艇上的应用
C—概念期；TD—技术论证期；D—技术成熟期
在绝大多数情况下，在海事结构、部件和装置上，
采用复合材料来代替钢、铝合金或铜都经历了一个艰难而缓慢的过程。金属制品的性能非常好。
海军舰艇的设计师、制造师和操作师们对金属充满了信心。只有当复合材料在降低舰艇的购买成本和使用寿命内的维护成本、提高稳定性和性能方面具有强大潜力时，才可能考虑用其来替换金属。阻碍复合材料广泛应用的其它因素很复杂。重要的一点就是在优化设计大型的复杂承重海事结构时，缺乏设计规范、经验数据和能够直接使用的、可对大型的受载复杂的海事结构进行优化的简单模型。 虽然复合材料在海军舰艇上已经应用了50年，设计者们所需要的信息和工具还不是很全面。例如，当复杂海事结构在受到冲击、震动、碰撞和火灾时，目前还没有能够确定其是否失效的分析工具。
另一个重要问题就是在设计复合材料结构时，如何利用已有的金属结构设计经验。一些海军设计者们把金属和复合材料同等对待。结果设计的复合材料结构的性能很差。例如，虽然复合材料联接更为困难，但复合材料舰艇的联接几乎与焊接钢的联接类似，结果所得玻璃钢联接的强度和耐疲劳性能较低。
缺乏高性能、低成本的生产方法也是制约复合材料在大型海军舰艇上应用的另一个因素 。 制造成本是考虑任何船舶设计的基本因素，多年以来，在大部分造船应用中，复合材料与传统材料（除了木材外）相比，在成本上都不具备竞争力。迄今为止，
大部分复合材料海事结构都采用树脂浸渍增强材料制造而成，此工艺周期长、劳动密集、费用昂贵、且难以控制产品质量
。在进行复合材料结构设计时，为考虑制造缺陷而引入的部分安全系数是2，而在钢结构设计中，由于整个制造过程可以受到很好的控制，采用的安全系数是1.5 。采用低成本制造工艺，如SCRIMP和RTM可以解决控制问题，生产高质量的复合材料 。但是，这些工艺需要舰船制造商们引进新的制造方法，而这项费用几可让人望而却步。舰船制造商们缺乏模型和大型的稳定的信息数据库来预测复合材料海事结构的制造成本 。 本文列举了很多应用复合材料的例子，但是其制造成本很难预测。成本取决于一系列因素，如 复合材料的类型、制造工艺、电磁防护和雷达吸波材料
严格的性能要求阻碍了复合材料在海军舰艇上的应用。 复合材料结构需要通过一系列严格的规则，内容涉及抗气流冲击、抗水下振动损坏、和防火性能（可燃性、明火、烟尘、毒性、结构整体性）、碎片/弹道保护，以及雷达/声纳性能。
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1、
耐高温碳化硅陶瓷基复合材料应用近况大集锦
2、
复合材料在航空发动机上的应用
来源：
武汉理工王继辉译，中国复合材料学会、绿丞编辑
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