0 引　言

随着全球经济的快速发展，生态环境破坏及能源短缺等问题开始凸显。伴随着海上贸易的增多、船舶大型化的发展，船舶数量逐渐增加，航运业产生的能源消耗和气体排放也在不断加剧，由此产生的环境问题对人类生存产生了严重影响。2021年6月举行的IMO海洋环境保护委员会第76次会议通过了降低国际航运碳强度的技术和营运措施^[1]，会议对能效设计指数（EEDI）进行了修正，同意了推进轴/发动机功率限制概念。同时同意了“减少航运产生的水下噪声”的新提案，对船舶向绿色低碳转型提出了更高要求。2017年我国工信部明确提出，我国船舶工业应朝绿色环保及结构轻量化方向发展。

材料的创新与应用，是实现船舶轻量化和碳减排的重要手段。新型船用材料主要包括新型结构/功能一体化材料和特种功能材料两类^[2]。新型结构/功能一体化材料指以力学性能为基础，用以制造受力构件并可以实现特定功能的材料^[3]；特种功能材料指用于除强度功能以外其他功能的材料^[2]。船舶结构/功能一体化材料和特种功能材料的使用，一方面通过直接降低船舶重量实现减重减排的目的，另一方面通过减振降阻等功能特性提高能源利用效率，实现碳减排的目的。因此，开展船舶材料发展研究对船舶行业发展具有重要意义。2004年，韩国大宇造船公司提出超大型油船结构重量下降10%、结构件个数减少20%的目标^[4]。2016年年末，大宇造船又提出将空船重量进一步降低2%的计划。2008年日本环境使命项目立项，计划综合目前所有先进环保技术，在2030年打造完成“日本邮轮超级环保船2030”，实现CO₂减排69%^[5]。据统计，2017年中国船企交付船舶用钢量超过1000万吨，假如空船重量整体下降5%，那么可节省材料和加工成本达50亿元。在当下国内外大形势下，推动船舶行业的转型，加强结构轻量化设计，打造绿色低碳型船舶是未来船舶发展趋势。.

为了掌握船用新材料发展现状及其对船舶轻量化及碳减排的作用与影响，本文开展船用结构/功能一体化材料和特种功能材料的发展现状分析。结合EEDI能效指标建立碳减排贡献度分析方法，在此基础上开展新材料应用方案的碳减排贡献度分析，为我国绿色生态环保船工程设计提供参考。

1 船用结构/功能一体化材料

船用结构/功能一体化材料主要分为金属材料和复合材料^[2]。金属材料除了常规的低碳钢Q235等，还包括高强钢、铝合金、钛合金等。复合材料按基体不同一般可分为树脂基复合材料、陶瓷基复合材料和金属基复合材料等。结构/功能一体化材料是船体结构、管系、舾装、内装、冷空和电气设备等主要结构、构件和设备的建造材料。

1.1 金属材料 1.1.1 高强钢

船用高强度钢相较于普通钢，具有高强度和高韧性，其密度和弹性模量与普通钢一致。常用船用高强度钢屈服强度一般在315～690 MPa^[6]，每一个强度等级按照其冲击韧性划分为A、D、E和F四个等级。

民船设计中常用屈服强度介于315～390 MPa的AH32～EH39钢，主要用于船体外板和甲板等主船体承力部位。其中，超大型集装箱船的甲板及抗扭箱甚至采用屈服强度超过490 MPa的高强度钢。军船对船体强度要求更高，我国水面舰船常用的高强度钢有390 MPa级907钢，590 MPa级921、922、923系列钢^[4]。为了满足航母等新一代水面舰船的设计建造需求，近年来相继研制了一系列舰船用高强度钢，强度覆盖400～1000 MPa^[7]。根据实际使用需求，高强钢衍生出了抗疲劳性、耐腐蚀性和低温韧性等附加性能，如适用于化学品船的耐腐蚀钢，适用于极地船舶的低温韧性钢^[8]。

高强度钢是当前船舶轻量化设计的一种重要手段。但为了提高强度和硬度，高强度钢加入了铝、钛、锰等合金元素，导致其焊接性十分复杂。尤其对于强度级别较高的钢，热影响区的淬硬倾向和冷裂纹倾向以及焊缝的热裂纹倾向也随着增大，焊接时极易出现淬硬和裂纹等问题。此外，由于高强度钢的使用，导致结构刚度降低及工作应力提高，对于结构的稳定性和疲劳性能也将带来不利影响^[9]。

1.1.2 铝合金

铝合金的密度和弹性模量约为钢材的1/3，材料屈服限接近甚至超过普通船用钢，具有比强度和比模量高的特点。船用铝合金以铝镁合金为主，不仅强度和抗冲击性能较好，同时具有优良的耐蚀性能、良好的冷、热成型性能和较好的焊接性能，是船舶轻量化设计的重要可选材料^[10-11]。

目前，船体用铝合金主要有5083、5086、6061、6082等系列。5083铝合金的条件屈服强度 $ \geqslant $ 110 MPa，拉伸极限 $ \geqslant $ 270 MPa；6082铝合金条件屈服强度 $ \geqslant $ 260 MPa，拉伸极限 $ \geqslant $ 310 MPa^[12]。此外，1050、1200、3003/3203等系列铝合金广泛地用于船舶舾装。这些铝合金材料在大型船舶上层建筑、高速客船和小型快艇设计建造中被大量使用，如美国海军DDG1000濒海战斗舰、我国海军022导弹快艇和乌克兰的“野牛”气垫船完全采用铝合金舰身^[13]。资料表明，美国“独立”号航母和法国“福熙”号航母的铝合金用量大约在1000 t左右，美国的各级驱逐舰也大量使用了铝合金，其中DE级251 t、DLG级811 t、DDG级516 t、DLGN级930 t^[14]。

当前铝合金主要应用于船舶上层建筑和舾装件，由于这些结构重量在空船重量中占比较小，对于全船减重效果不是很显著。铝合金由于弹性模量小，设计的板架和大跨度结构由于刚度不足易产生变形。同时，铝合金焊接存在较为明显的焊接退化，二次焊接质量较差，易出现气孔、裂纹、未焊透等问题^[15]。因此铝合金焊接工艺有待进一步提高，包括钢铝接头加工工艺等。

1.1.3 钛合金

钛合金的密度为4510 kg/m³，约为钢的60%，属于轻金属，屈服强度与晶胞结构相关，熔点高达1669℃^[16]。钛合金按组织类型可分为α型、β型和α+β型，α和β为单相合金，α型钛合金热稳定性强，β型钛合金强度高，室温下可达1372～1600 MPa^[17]。α+β型为双相合金，有着良好的综合性能，耐腐蚀性和断裂韧性极强。同时使用温度范围广，是选用高比强度材料时的首选材料。因此钛合金是继铝之后极具发展前景的“海洋金属”，几乎满足船舶用料的全部要求^[18]。

1.2 复合材料

复合材料是由2种或2种以上不同性能及不同形态的材料，通过物理或化学复合手段组合而成的一种多相材料。复合材料在满足力学性能的基础上，功能性在很大程度上取决于基体、增强纤维和添加剂的选择^[23]。与金属材料相比，复合材料设计灵活性更高，在功能性方面作用更为显著。

1.2.1 树脂基复合材料

树脂基复合材料分为热固性树脂材料和热塑性树脂材料，密度一般介于1500～2000 kg/m³。热固性复合材料的优势在于比强度高、耐腐蚀、耐磨损和无磁性干扰，主要有玻璃纤维增强热固性树脂、碳纤维树脂、芳纶纤维以及超高分子量聚乙烯纤维树脂系列^[24]。

树脂基复合材料适用于对强度和刚度要求都不是很高的结构或构件，如地板、舱壁、门框、管道系统、设备部件等^[25]。资料显示^[26]，军舰上树脂基复合材料大多使用在上层建筑、推进轴系、导流罩、围壳和桅杆等部位，来达到减重、防腐蚀和减少雷达探测的不同功能。

树脂基复合材料的连接工艺、防火性能和环保是制约其推广应用的重要因素。树脂基复合材料在海洋环境下，失效机理和可靠性有待进一步研究。

1.2.2 陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料是在陶瓷材料的基础上，克服其韧性差、易损坏的缺点而研制的复合材料。陶瓷基复合材料具有密度低、耐高温（工作温度达1650℃）、抗冲击、线膨胀系数小、寿命长等优点^[27]。主要包括C/SiC和SiC/SiC 两种类型。相比于金属材料受到外力时，主要发生塑性形变，陶瓷材料的损伤过程更为复杂。如图1所示，陶瓷材料在受到压缩载荷时，应力应变主要分为，为弹性变形阶段、稳定压缩阶段和紧实阶段^[28]。

目前，船舶领域对陶瓷基复合材料的利用主要体现在其优异的耐高温性能和力学性能上，如发动机的燃烧室和推进轴系杆件，以提高船舶发动机的高温强度、韧性、抗氧化性和降低成本^[29]。断裂韧性不足、抗震性能差等是陶瓷基复合材料的共性问题。为了提升其工程应用，亟待明确复杂荷载作用下陶瓷基复合材料的失效机理，确定材料性能，为结构设计与选材提供更多依据。

1.2.3 金属基复合材料

金属基复合材料是在金属或者合金材料的基础上，通过优化组合获得既具有金属特性，又具有高比强度、高比模量、耐热、耐磨等综合性能的复合材料，具体性能取决于所选金属或合金基体和增强物的特性、含量和分布等^[30]。常见的金属基复合材料有铜基复合材料、铝基复合材料和钢/聚氨酯夹层板等。铜基复合材料是船舶操纵系统结构和设备零部件的重要材料；铝基复合材料与铝合金类似，可用于船舶上层建筑非承力构件、门窗和壁板等，也可起到降低船体质量的作用。

钢/聚氨酯夹层板以钢材为基体，聚氨酯弹性体为芯材，面板和芯板整体连接优异，绝缘性、隔热性和抗疲劳性能良好^{[31 - 32]}。在民船领域已用作舱口盖、上层建筑外板、甲板舱室和槽顶等部位。同时，因其芯材的特殊性，夹层板具有吸声特质，用作船体内舾装部件，可有效降低结构振动响应，起到减振降噪的效果^[33]。

金属基复合材料以其优良的力学性能和减振降噪功能性特点，在船舶轻量化设计中具有巨大的潜力和应用前景。在保证强度的前提下，可减少钢材的用量，减轻结构的重量。为了扩大其工程应用，有必要对其制备工艺进一步优化，同时需要对复杂荷载下的失效机理和力学性能进一步研究。

2 船用特种功能材料 2.1 防火隔热材料

SOLAS公约要求，船用防火隔热材料应具备耐火度高且无毒等特质，同时需考虑船舶在航行过程中对环境的影响和适应复杂工作环境的能力^[34]。按照国际耐火分隔系统分类，防火隔热材料主要分为有机和无机两类。目前使用较多的无机防火隔热材料是硅酸盐纤维，使用温度达1000～1200℃，且对人体危害性低，主要用于舱壁板、防火围壁板和走道的隔热芯材^[35]。此外，还有熔点高达2700℃的ZrO₂纤维，经凝胶注模处理后导热系数约为0.095 W/(m·K)，可满足大型船舶的耐火标准，是船用无机防火材料发展的方向之一^[36]。

有机防火隔热材料主要包括黑软木板、聚氨酯泡沫板、酚醛泡沫板和聚酰亚胺泡沫板等。其中，黑软木板无毒无害，主要应用于耐火分隔舱室和管道保温材料^[37]；硬质聚氨酯泡沫板是保温性能极佳的高分子孔隙泡沫型材料，主要用于船舶冷藏室的隔热板材^[38]。酚醛泡沫板能够达到A级防火标准，使用寿命长、成本低且无毒，可用于舱室内部舾装的隔热材料^[39]。美国NASA研制的聚酰亚胺材料不仅具有优良的防火隔热性能，同时具有优异的压缩强度和断裂韧性，是具有发展前景的一种环保绿色保温材料^[40]。

2.2 减振降噪材料

传统减振降噪材料主要包括多孔吸声材料和阻尼材料^[41]。其中，多孔吸声材料能够吸收声能转化为热能并消散掉，在中高频范围内的吸声效果较好。船舶结构中常用的多孔吸声材料包括多孔纤维板和聚氨酯泡沫塑料等，可用作机舱舱室的隔音舱壁。多孔吸声材料质量轻、成本低，但吸声效果受孔隙率影响大且防火性差。

阻尼材料通过自身的大阻尼特性使振动幅度下降，从而达到降噪的目的。船舶上经常在甲板、围壁板、管道和紧邻机舱的舱室壁板上，敷设阻尼材料达到减振降噪的效果^[42]。压电阻尼材料作为新型复合阻尼材料，由压电陶瓷、高聚物和导电填料组成，将振动能转化为电能并以热能形式耗散，可有效降低低频振动噪声，并可作为船舶承力轴承的阻尼层。

除此之外，负泊松比超材料和声子晶体等新型降噪材料的研制也为被动降噪技术解决低频噪声问题提供了可能。新型减振降噪材料具有传统材料不能比拟的一些优点，但也会带来能耗较高等风险，对于新材料的研究与应用还有很多发展空间^[43]。

2.3 防腐涂层材料

船舶腐蚀一直是船舶领域备受关注的技术难题，而因腐蚀造成的维修费用占到装备总维修费用的25%～35%^[44]。涂层因其技术简单、适用性强、性价比高、防护性好，而成为船舶防腐蚀的主要手段。随着《国际防止船舶造成海洋污染公约》对海洋环境保护力度的加强，新型防腐涂料的研制还应考虑生态环境的适应性。船舶防腐涂料种类繁多，按使用部位可分为船底涂料、水线部位涂料、船壳涂料、甲板涂料和内舱涂料。

船底区域的防腐涂料应具有优秀的耐水性、附着性以及与防污漆的兼容性，典型的船底漆包含沥青系、环氧沥青系和乙烯系和丙烯酸系几类^[45]，其优缺点如表1所示。其中，乙烯系和丙烯酸系是未来满足绿色船舶要求的高性能船壳防护涂层发展方向。

船舶水线部位是船体腐蚀最为严重的位置，对防腐涂层要求最高。目前使用较多的水线防腐涂料为乙烯系和氯化橡胶系。其中，氯化橡胶系耐水、耐阴极保护、耐候、阻燃，但是不耐强酸强碱。

甲板是受自然因素和人为磨损因素影响较大的区域，甲板漆需具有优良的耐候性和耐磨性。主流的甲板涂料有氯化橡胶系、环氧树脂系、聚氨酯系、乙烯系等。其中，聚氨酯系有着优异的耐磨性和和装饰性，但施工方法要求较高，是未来甲板防腐涂料的发展方向之一。

机舱、房舱和液舱等内舱对防腐有明确需求。其中，机舱涂料在耐腐蚀的基础上还要耐油、耐水，常用的机舱底漆为纯环氧系和环氧沥青系^[46]。房舱腐蚀来源更多是空气湿度和舱室内物品，腐蚀程度并不高，所以水性丙烯酸、水性聚氨酯和水性环氧富锌等无毒且环保的水性涂料应用较多。液舱的腐蚀来源为液体本身，以油舱为例，所用防腐涂料需要耐水、耐油、耐油水交替和耐化学介质，目前使用较多的油舱漆为环氧系漆。

3 新材料应用方案的碳减排贡献度分析 3.1 碳减排贡献度分析方法

实现“2030年碳达峰、2060年碳中和”目标是当前我国产业发展的焦点，造船行业实施碳减排已迫在眉睫。新材料的突破与应用，是实现船舶轻量化和碳减排的重要手段。2011年7月，IMO海洋环境保护委员会第62次会议上提出了衡量新造船舶CO₂排放能效的重要指标——能效设计指数（EEDI）^[47]，该指标根据船舶在最大装载量时，以一定的航速航行船舶所需推进动力以及船舶副机消耗燃油来估算CO₂的排放量。目前，业界普遍认可的EEDI概念公式^{[48 - 49]}为：

$ EEDI = \frac{{EnginePower(kw) \times SFC(g/kwh) \times {C_F}}}{{Capacity(DWT) \times Speed(kt)}}。$

(1)

式中：EnginePower为规定航速下主机功率；SFC为机器输出功率时的单位油耗值；C_F为燃料油与CO₂之间的无量纲转化因子；Capacity为载重吨；Speed为船舶航速。

根据EEDI的定义，通过提高主机推进效率、增加废热利用率、增大载重吨和提高航速等措施，均可减小EEDI指数（CO₂排放量）。因此，通过新材料应用与优化设计降低船体结构、轮机设备、舾装等方面的重量，降低空船重量从而提高船舶载重量，进而实现碳减排。在船体型线、总布置和推进系统参数不变的情况下，将新材料应用设计方案下空船重量的减轻量近似等效为载重量的增加量，则新材料方案的能效设计指数为：

$ \begin{split} & EED{I_{New}}{\text{ = }}\frac{{Capacit{y_{Parent}}}}{{Capacit{y_{New}}}}，\\ & EED{I_{Parent}}{\text{ = }}\frac{{Capacit{y_{Parent}}}}{{Capacit{y_{Parent}}{\text{ + }}{\Delta _{New}}}}EED{I_{Parent}}= \\ & \left( {1 - \frac{{{\Delta _{New}}}}{{Capacit{y_{Parent}}{\text{ + }}{\Delta _{New}}}}} \right)EED{I_{Parent}} 。\end{split} $

(2)

式中： $EED{I_{New}}$ 和 $EED{I_{Parent}}$ 分别为新材料应用设计方案和母型船的能效设计指数； $Capacit{y_{New}}$ 和 $Capacit{y_{Parent}}$ 分别为新材料应用设计方案和母型船的载重量； ${\Delta _{New}}$ 为新材料应用设计方案下空船重量的减轻量，即等效载重量的增加量。

令 ${\gamma _{New}} = \dfrac{{{\Delta _{New}}}}{{Capacit{y_{Parent}}{\text{ + }}{\Delta _{New}}}}$ ，则式（2）表达为：

$ EED{I_{New}}{\text{ = }}\left( {1 - {\gamma _{New}}} \right)EED{I_{Parent}} ，$

(3)

则

$ {\gamma _{New}}{\text{ = }}\frac{{EED{I_{Parent}} - EED{I_{New}}}}{{EED{I_{Parent}}}} 。$

(4)

因此， ${\gamma _{New}}$ 为母型船和新材料应用设计方案能效设计指数的差值比，即新材料应用设计方案的碳减排贡献度：

$ {\gamma _{New}}{\text{ = }}\frac{{EED{I_{Parent}} - EED{I_{New}}}}{{EED{I_{Parent}}}}{\text{ = }}\frac{{{\Delta _{New}}}}{{Capacit{y_{Parent}}{\text{ + }}{\Delta _{New}}}} 。$

(5)

可知，相较于母型船，新船设计方案的能效设计指数越低，其碳减排贡献度越高。同时，对于采用新材料的船舶轻量化设计方案，空船重量减重越多，则碳减排贡献度也越高。由于船舶的载重量一般远大于结构减重量，因此随着减重量的提高，碳减排贡献度近似线性增加。

3.2 16万吨油船船体减重对碳减排贡献度分析

以160 000DWT苏伊士型油船为例，开展新材料应用设计方案（船体减重）对碳减排贡献度分析。该船船长274.7 m，船宽48 m，载重量159149 t，主机和辅机参数如表2所示。

首先，对160 000DWT苏伊士型油船的CO₂排放能效指标EEDI值进行估算。其中，主机功率取额定功率的75%；由于该船主机功率大于10 000 kW，辅机功率取为主机功率的2.5%加250 kW修正值^[49]；考虑船上柴油、轻燃料油、重燃料油的使用比例，参照碳转化因子数值参考表^[47]，主机和辅机的碳转化因子C_F取3.1144。则该船的EEDI值为：

$ \scriptsize \begin{split} & EED{I}_{\text{parent}}=\\ & {\frac{0.75\times 1\text{6860}\times 1\text{67}\text{.5}\times 3.1144+（0.025\times 1\text{6860+250}）\times 218\times 3.1144}{14.\text{8}\times \text{159149}}\text{=2}\text{.994}}。\end{split} $

根据CCS规范要求，160 000DWT油船的EEDI基准值为3.26，因此该船满足CO₂排放能效指标要求。

进一步对该船新材料应用设计方案的EEDI指标进行估算。目前，该型船的空船重量约为23 000 t，其中结构重量约为20 560 t（上层建筑重量约500 t）、舾装材料约为1060 t、管系重量约为1160 t、内装约为160 t、冷空系统约为56 t、电装质量约为70 t。根据船用结构/功能一体化材料和特种功能材料的特点和适用性，对新材料应用设计方案的结构减重进行估算。首先将500 t的钢质上层建筑的材料替换为铝合金和金属基或树脂基复合材料，可减重约300 t；在保证船体强度的前提下，将部分横舱壁替换为钢夹层板，预计减重约200 t；进一步对舾装、管系和内装材料等进行新材料应用和轻量化设计。据此，新材料应用设计方案将减重约530 t，空船减重2.3%左右。将其等效为载重量的增加量，即该船的载重量从159149 t增加到159679 t。则该船新材料应用设计方案的EEDI值为：

$ \scriptsize \begin{split} & EED{I}_{\text{new}}=\\ & \frac{0.75\times 1\text{6860}\times 1\text{67}\text{.5}\times 3.1144+（0.025\times 1\text{6860+250}）\times 218\times 3.1144}{14.\text{8}\times \text{159679}}\text{= 2}\text{.984}。\end{split} $

根据式（5）中碳减排贡献度 ${\gamma _{New}}$ 的定义，新材料应用设计方案的碳减排贡献度为：

$ {\gamma _{New}}{\text{ = }}\frac{{EED{I_{Parent}} - EED{I_{New}}}}{{EED{I_{Parent}}}} = 0.34\% 。$

最后，对不同减重条件下碳减排贡献度进行分析。不同空船重量变化量EEDI值和碳减排贡献度计算结果如表3所示。

可知：由于160 000DWT苏伊士型油船的载重量远大于结构减重量，因此随着空船重量的降低，EEDI值趋近于线性减小。同时碳减排贡献度近似线性增加。当船体结构减轻20%时，理论载重量增加4112 t，EEDI值为2.918，碳减排贡献度达到2.54%。

《MAPROL附则Ⅵ》对于新建船舶提出了不同能效削减阶段要求，第1阶段要求2024年1月1日前交付船舶，应相对于基准值减排10%^[50]。根据160 000DWT油船3.26的EEDI基准值，减重20%情况下，折减值为11.03%，满足该阶段折减要求。显然，现阶段新材料无发展式突破的前提下，很难实现结构减重20%。同时，上层建筑重量在空船重量占较小，对于全船减重效果也不显著。因此，在新材料应用方面，未来需瞄准主船体结构，实现新材料突破式发展，提高复合材料等结构/功能一体化新材料在新船建造过程中对主船体结构的替代率。

4 结　语

1）结构/功能一体化材料以力学性能为基础，对船舶轻量化具有直接影响。高强钢和铝合金仍是目前船舶主要的结构材料，钛合金在短期内无法实现对钢结构的替代。复合材料，尤其金属基复合材料，是未来船舶轻量化设计的重要选择。

2）防火隔热材料、减振降噪材料和防腐涂层等功能材料对船舶轻量化影响较小，但会对船舶产业的改造和升级产生巨大影响。未来船用特种工程材料的功能将从单一化向多样化、低碳化、绿色环保发展，进而达到绿色船舶的建造目标。

3）船舶碳减排贡献度与EEDI指标密切相关，随着空船重量的降低，趋于线性提高。结构/功能一体化材料和特种功能材料等新材料的发展和应用，是结构轻量化设计的重要基础。未来需要重点瞄准主船体结构，提高复合材料在船体结构设计中的替代应用。