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摘要： 首先简单介绍了复合材料的特点和类别，然后详细说明了其中聚合物基复合材料的组成、特性和生产技术，最后阐述了聚合物基复合材料优异的性能及其在舰船行业广泛的应用情况，包括将来的发展趋势和重点研究方向。
关键词：舰船 聚合物 复合材料
一、概述
固体材料可以分为四类：金属材料、聚合物材料、陶瓷材料和碳材料，这四大类固体材料的密度、强度、模量以及断裂伸长率等物理指标差别较大，各自的性质具有显著的区别。随着社会需求发展和材料技术的不断进步，需要性能更优异的材料，而仅仅利用单一的材料很难达到要求。人们自然会考虑，是否能将两种或多种不同材料结合，将相关材料的优点集中起来，这就成为了复合材料的起源和材料发展的主要方向之一。
实际上，几千年前，人们在原始的房屋建筑中就利用稻草增强粘土来制备砖块，在现代的术语中，这种砖胚被称为有机纤维增强的陶瓷基复合材料。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆当然，现代意义上的复合材料技术只有不到100年的发展历史，但是不论从各方面来讲，复合材料的发展及其相关的设计和制造工艺都是材料发展史上最重要的进步之一，对近代科学的进步和社会的发展有着深远的影响。
复合材料通过基体和增强材料的组合来获得一个或者多个方向上所要求的性能，是多功能的材料，具备前所未有的物理特性，有些复合材料对高温腐蚀、氧化和磨损表现出优异的抗性，这些独特的性能可以通过合理设计来满足某些特殊应用的需求。同时复合材料的制造过程可以很好地适应庞大且复杂的结构的制作，在减少生产成本方面具有较大吸引力，这些突出的优点使复合材料成为当今应用最为广泛的重要材料之一。
根据基体材料的类型来分，主要有四大类复合材料：聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳基复合材料，其中，发展最快、应用最广泛的就是聚合物基复合材料。
二、聚合物基复合材料
聚合物是由一系列的低分子量的简单化学单元连接在一起构成的长链大分子，通常是低密度、低硬度、黏弹性的，具有低导热性和高热膨胀系数。一般而言，聚合物基体相对加强纤维而言非常软，不能承受主要载荷，为了满足构件应用的力学性能，必须用连续或者非连续的纤维来增强，通过基体和加强纤维的协同效应，减少纤维材料的强度不稳定性，同时有效地帮助分散或转移载荷。
基体材料主要有热塑性和热固性两种，这两种基体材料基本的不同在于热塑性材料可以重复加热使用，热固性材料则不可反复热加工，当然，这两类基体材料在制造、加工、最终产品的物理化学性质等方面也有较大区别。典型的热固性基体包括聚酯、环氧树脂、聚酰亚胺等，典型的热塑性基体如聚乙烯、尼龙和ABS。
纤维增强材料的强度和硬度很大，一般是聚合物基体材料的许多倍，主要有玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、陶瓷纤维等。当增强纤维和聚合物基体复合形成一种复合材料时，它们都保留各自的特性，都直接影响着复合材料最终的性能。除了上述常规增强纤维外，还可以根据需要在聚合物基体中加入金属粒子，如矾土、氧化铝等添加到聚合物中获得电绝缘材料，这种新的复合材料与单纯的高分子材料相比具有较高的导热性和较低的热膨胀系数。
以往大多数聚合物基复合材料采用溶剂法生产，从环境影响方面考虑，现在普遍采用的是薄膜法，即采用加强纤维和聚合物基料熔融复合的方法生产预浸料。首先让流延在离型纸上的聚合物成为薄膜，然后随同纤维增强材料一起进料，通过一系列加热和辊压，使聚合物进入增强材料，通常使用两层聚合物，使聚合物薄膜能够包裹在增强材料的两边，最后去掉离型纸，修剪、轧碾、凝固预浸料得到初步成品。
三、聚合物基复合材料在舰船上的应用
舰船是一个复杂的综合系统，为适应恶劣环境以及独特需要，对相关部位和系统组成的材料要求较高，聚合物基复合材料普遍具有求有重量轻、强度大、耐腐蚀性优良等一系列优点，针对特殊部位的需要还能够开发出兼有耐高温、减振性、介电性、透声或吸声性能优异的材料、是其他船用材料难以比拟的。
1、船体结构。复合材料在船体上已经有数十年的历史，第一艘全玻璃纤维增强聚合物巡逻艇由美国制造，应用于越战内河航道。挪威海军制造的“盾牌”级气垫双体导弹巡逻艇船体采用复合材料夹层结构，艇体内外由玻璃纤维和石墨粘合布组成多层纤维增强塑料，边缘使用乙烯树脂，简化了主船体结构，具有较高的比强度和良好的抗冲击性能。瑞典海军的“维斯比”护卫舰，船体由碳纤维加强的乙烯层压材料组成，采用真空辅助夹层灌输法生产工艺，较同级舰相比重量减轻约50%，同时具有极低的红外、磁特性。
2、上层建筑。水面舰船的舰岛和潜艇的上层建筑和指挥台围壳，容纳了大量电子信息装备，采用聚合物基复合材料，不仅减轻了重量，有利于总体性能，同时在电磁屏蔽和舰艇隐身方面具有突出优势。如DDG1000舰（朱姆沃尔特级驱逐舰）是美国海军新一代多用途对地打击驱逐舰，就采用复合材料舰岛优化舰面布置，整体成型由下往上向内收缩以降低雷达反射截面，重量轻、强度高、雷达反射性低且不会锈蚀。
3、声呐导流罩。采用环氧树脂和玻璃纤维制成的声呐导流罩强度高，成型好，透声系数高达99%以上，只有钛合金可以媲美，但性价比较高。
4、桅杆。传统的钢制桅杆采用开放式结构，容易腐蚀并且在电磁兼容和屏蔽方面存在先天不足。美国斯普鲁恩斯级驱逐舰装备了先进的全封闭桅杆，由两个内倾的六角锥形体结构组成，各种天线和设备集成在结构内，内部信号按特定周波数以极低损耗穿过结构物，外部是能反射电波的复合材料板。由于所有设备都在结构内，有效地防止了风雨和盐雾的侵害，对设备的维护保养十分有利。
5、机械阀件。采用玻璃增强酚醛复合材料，重量仅为传统钢制阀件的15%左右，采用一次成型工艺，无需组装，同时耐腐蚀、抗磨损，并可以降低结构和空气噪声。
四、结语
随着聚合物材料本身的不断发展以及注射成型等生产加工新工艺的进步，聚合物基复合材料必然在舰船行业得到进一步的广泛应用。同时由于聚合物基复合材料使用时间还不长，还缺乏充分的实验实践数据，相应的计算规则和研究方法还不完善，对聚合物基复合材料将来还应该从结构设计、制造技术要求及失效模式，抗爆炸、抗冲击性能，与金属合理的连接方式及强度计算方法等方面开展进一步的研究与实践。
论文作者:陈志浩,张子龙
论文发表刊物:《防护工程》2017年第6期
论文发表时间:2017/7/17
标签：复合材料论文; 聚合物论文; 材料论文; 基体论文; 纤维论文; 舰船论文; 结构论文; 《防护工程》2017年第6期论文;