0 引言

复杂的海洋环境很容易腐蚀船舶，面对严苛的海洋环境，船体材料必须具有优越的耐腐蚀性能。与海水直接接触的船舶材料部位更加容易受到侵蚀，例如船外壳、管路系统、压载舱等。海洋环境不同、海水浓度不同、以及船体位于水中的位置不同都会对海水对于船体的腐蚀产生影响，腐蚀也会有所不同，腐蚀的特性也千差万别。海洋中除了海水对于船舶的腐蚀之外，还有微生物等的腐蚀。浅水区或者水表面位置，船舶除了承受海浪的冲刷和侵袭外，还要承受阳光以及充足氧气对于船体表面的腐蚀，这也是最容易导致船体上层建筑被腐蚀的原因之一，浅水区也会聚集漂浮物和微生物，氧气充足和条件适宜为腐蚀提供了良好条件。在海平面以上，海水由于盐水的蒸发作用很容易形成电解池，使得船舶的上层建筑受到腐蚀。管路在船舶的各个部位都有分布，因管材不同，腐蚀介质不同，使得管路的腐蚀复杂多样，电偶腐蚀、冲刷腐蚀、缝隙腐蚀等都有体现^[1]。船舶的压载水舱由于难以清理杂物，且处于适宜腐蚀的位置，很容易遭受海水的侵蚀。船体材料本身处于海水中，很容易形成巨大的电解池，产生大规模腐蚀。因此对船体材料表面进行防护，减轻船舶腐蚀对于海洋开发来说具有重要意义。

复合材料以其优良的防护性能和低廉的设计和使用成本而备受关注，也成为最新研究和未来发展的热点。本文对复合材料在舰船防护中的应用和进行阐述。

1 复合材料的特点和应用

复合材料采用2种或2种以上材料进行复合，使其在使用过程中能够同时发挥2种材料的优越性，克服单一材料的缺陷，从而增强其使用性。

对于舰船而言，材料的选取至关重要，图 1对比了复合材料和传统金属材料的相关性能参数。数据表明复合材料在力度、耐腐蚀性、比重方面相对于传统金属材料具有明显优势，但在其相关连接性能参数上还有待进一步提高。

复合材料以其优良的耐腐蚀性能被广泛应用于海洋用船体材料中，例如铝合金材料因其质量轻、耐腐蚀常被应用于船体材料制造、玻璃钢复合材料因其强度高、延展性和耐腐蚀性能优越而被广泛应用于船体材料中。玻璃钢复合材料在美国应用比较广泛，约90%，而在我国发展比较晚，应用还仅局限于小范围^[3]。

在复合材料的应用中，通常会采用不同金属间进行绝缘处理后使用，主要原因在于，不同金属间可能会形成电解池，加速船体材料的腐蚀。

早期复合材料比较局限，制造工艺不高，材料的性能优势并没有突出，因此仅仅应用在部分小型船只上，其防护性能也仅能满足一般要求，随着工业发展，复合材料的研究也取得了较大进展，随着复合材料研发技术的提高，其应用逐渐受到关注，也开始被应用于大型舰船上。

2 复合材料在船体防护中的应用进展

复合材料早在20世纪40年代就开始应用于船舶制造领域，在随着船体材料要求质量轻、比强度高、耐腐蚀性能优越、使用寿命长、易于维修、环保等，复合材料开始广泛性得进入舰船制造的视野。

复合材料在军用巡逻艇上的应用已久。第一艘巡逻舰采用的是由玻璃纤维组成的复合材料，这种材料强度比较高，但是由于材料本身的力学性能不高，使得其只能应用于小型船只，之后随着复合材料技术的发展，至20世纪70年代已被广泛应用于舰艇上。由于玻璃纤维本身性能的局限，多数应用该复合材料的船只长度都在10 m左右，但是其具有优良的耐腐蚀性能，也使得其在小型船只应用上颇受关注。一般船体大于25 m时，较多采用合金材料作为船体的组成材料，通常有铜合金或者铝合金等。世界上第1艘整体复合材料设计的航行于远海的船只是挪威的巡逻艇（见图 2），该船于20世纪末开始服役，采用玻璃纤维和碳纤维薄板表面为主题，加以填充聚氯乙烯泡沫，该巡逻艇非常轻，比重小，航行速度快，具有很好的抗冲击性能和耐腐蚀性，由于使用材料的特点，同等尺寸下该巡逻艇较铝合金船体轻10%，在满足抵抗恶劣远海气候条件，具有优良耐腐蚀性的同时，也具有非常快的航行速度，能够很好的满足巡逻艇的使用环境和使用要求。随着对于复合材料的深入研究，采用碳纤维作为增强材料可以进一步减轻船体的比重，同时碳纤维不能与船体材料组成电解池，且碳纤维具有非常好的耐腐蚀性能和抵抗微生物侵袭的作用^{[4, 5]}。非金属复合材料的优势在于耐腐蚀性强，比重小、油耗低、易于维护。

传统船舶的制造材料是木材，特别是对于要求较高的船只，采用的木材十分珍贵，木材的使用是有限的，且不利于环境保护，同时木材的维护成本非常高，维护周期也非常长。20世纪50年代美军以复合材料蜂窝夹层结构制造了1艘15 m长的扫雷艇，这也是蜂窝夹层复合材料的首次应用，虽然其力学性能和防护性能都非常差。经过几十年的反复研究，终于研制具有无加强筋硬壳式结构、GRP夹层结构、波纹形结构及混杂结构的复合材料制造的舰艇（见图 3），复合材料的便宜性不但满足了船身设计大型化耐腐蚀性的需求，也克服了复合材料刚度不足的缺点，使得复合材料在船体应用中有了更广阔的使用空间^{[6, 8]}。

复合材料能够满足军用使用要求，因此被广泛应用于军用舰艇。例如最大的是采用复合材料制造的瑞典皇家护卫舰，该护卫舰采用的复合材料是碳纤维和玻璃纤维复合聚氯乙烯夹层，整体舰艇的重量十分轻，制造成本也相对较低，重量相较同等尺寸的铜合金降低30%，且航行过程中不会因电解池作用而遭受腐蚀，舰艇重量的减轻和防护性能的增强使得其性能大幅提高。除了瑞典之外，新加坡、美国、英国也纷纷将复合材料纳入军舰的规划之列，值得一提的是新加坡军舰计划采用复合材料凯芙拉纤维制造具有隐形设计功能的巡逻舰，该舰艇除了满足航海的需要之外，还可以具有抵抗小型火力的作用，其复合材料的优越性能可见一斑（见图 4）。美国和英国对于船体复合材料的研究正在朝着船体更大型化、快捷化防护性能更优化发展，例如美国的护卫舰致力于制造排水量为1 200 t的军舰，根据预估复合材料制造的护卫舰重量可降低30%，成本节约达15%。

除了船体防护外，英国也将舰船整体设计推向全复合材料化，包括船体的上层建筑，这一设计能够进一步降低船体本身的重量，提高舰船的使用性能和防护性能。60年代以来，军舰上的甲板室等开始采用复合材料，芬兰采用复合材料代替钢制造船体的上层建筑，船体本身重量减轻约65%。虽然复合材料质量轻，防护性能优越，但是其与钢和铝相比制造成本相对较高，原因在于复合材料连接处花费较高。相关学者们研究了GRP上层建筑和钢舰体间的联结，并设计了T型联结，这使得复合材料连接处比原来的强度高20%，但却轻40%。法国于1992年首航了具有复合材料上层建筑的大型军舰--“拉斐特”护卫舰，该舰的上层建筑包含指挥室、架子、烟囱等全部由复合材料组成。美国于1998年也开始进入了这一行列，开始逐步将舰船的上层建筑复合材料化，以满足减轻船体重量，增强防护的目的。美国在2002年制造的“布什”号航母中对比了钢制桅杆和复合材料桅杆，在具备同等防护的同时，复合材料能够减重达5 t，这一设计不仅降低了船身的重心，也提高了其稳定性，有利于船体整体的防护^{[6, 8]}（见图 5）。

3 结语

复合材料在船体防护的应用方面优势明显，具有优越的光电、耐酸碱腐蚀、力学性能优良、制造成本低的优点，但是复合材料也面临着克服自身刚度低、大型化的局限，因复合材料的优越防护性能，扩大复合材料的应用范围，克服复合材料本身的缺点必将成为未来研究的重点。