隨著碳纖維新型材料的研制生產,碳纖維板以優秀的性能被廣泛的應用,已經被用于軍事軍工制造上了,比如世界上第一個全隱形的戰艦就采用的碳纖維板。
在“維斯比”級(VisbyClass)隱形護衛艦作為世界上第一個按照全隱形規范制造的戰艦服役于瑞典皇家海軍時,除了出色的隱形設計和強大的反艦、反潛和水雷作戰能力之外,其艦體超輕化的制作材料也引起了世界各國海軍國防部門的廣泛關注。據悉,該艦船沒有采用常規鋼材和常用的玻璃鋼材料,而是采用了碳纖維夾芯材料,由聚氯乙烯夾芯和碳纖維乙烯基酯層壓板構成,不但具有很高的強度和經久耐用性,還具有優良的抗沖擊性能。

用碳纖維板制造的軍艦
事實上,利用碳纖維復合材料的輕量化效果提升軍艦的裝載力、航行速度和續航能力的歷史已長達半個多世紀了,雖然碳纖維復合材料在海軍艦艇上的應用已經非常廣泛,但是,大部分已經成熟的技術僅應用于相對較小的海軍艦艇,如巡邏艇、MCMV、護衛艦等的非結構、非關鍵性部件。
不過隨著科學的發展和技術的進步,碳纖維復合材料在海軍艦艇上的應用也在逐步深入,據國內資深的碳纖維制品企業軍工產品部楊工介紹,為進一步提升艦體的綜合性能,目前,碳纖維復合材料在軍艦上的以下幾個部位中的應用有較大進展:
艦艙壁、甲板、艙門
使用碳纖維復合材料代替鋼材料制造艦艙壁、甲板和艙門,至少可以在質量上減輕40%以上,而且碳纖維復合材料具有更低的磁特性,火災時熱傳導低、阻聲性能更好。不過,在CFRP和周圍鋼結構的連接處需要有足夠的抗內部沖擊損壞的能力,因此在制造和安裝的成本上有一定的增加。

武器外罩、甲板防護板、遮護板
將碳纖維復合材料應用在武器外罩、甲板防護板以及導彈沖擊遮護板上,也是目前的發展方向之一。日本軍事技術專家對于如何提升軍艦的生存能力已做了具體研究論證,證明碳纖維復合材料作為外殼材料能有效降低高速射彈和榴散彈等對艦體造成的沖擊。
設備底座
碳纖維復合材料的底座比同尺寸的鋼制底座要輕50%左右,且可以提供足夠的保護,使艦船內部的機械和設備免受水下沖擊載荷,抵抗沖擊損壞。由于材料本身的低阻尼性和無磁性,復合材料底座能夠有效降低艦船的聲音和磁特性。

在碳纖維復合材料的實際應用中,復合材料的基體選擇涉及到多方面的因素,在纖維樹脂基復合材料中,樹脂在產品中的作用是傳遞應力,用于艦船制造的基體樹脂,必須具有良好的耐候性、耐水性、耐腐蝕性、抗沖擊性。
目前已經應用于艦船制造的基體樹脂主要有:聚酯樹脂、環氧樹脂、乙烯基酯樹脂、酚醛樹脂等,其中,聚酯樹脂成本較低,是船舶和海洋工程結構中常用到的基體樹脂;環氧樹脂是船艇的雷達天線罩、液氧罐支撐結構的特定部件中常用的基體樹脂;乙烯基酯樹脂在美國已用于小型高性能船體制造,我國也有用其制造大型復合材料聲吶導流裝置的案例;酚醛樹脂則多用于防火以及隔熱要求較高的船艇結構部件。

至于在艦船的應用中,具體該選擇哪一種樹脂作為碳纖維復合材料的基體,楊工建議應根據產品的應用部位來決定,不同的部位所受的沖擊力、溫度以及遭受到的破壞性因素是不同的,例如,有些用于發動機或者武器附近部位的結構件需要在耐高溫以及耐燒蝕方面有很高的性能,這就需要使用酚醛類樹脂強化碳纖維復合材料在該方面的性能要求。
在此基礎上,他也強調:“艦船用的碳纖維復合材料無論選擇何種樹脂都必須考慮到樹脂的剛性、剪切強度、耐溫情況、收縮率,另外樹脂黏度、化學反應活性、有效周期等問題需要考慮到,只有粘度低、浸潤性好、韌性好的樹脂,對于船艇的輕量化和高強度才能發揮出積極作用。”

在國防科技領域,先進材料技術一直都在發揮著十分重要的先導和基礎作用。隨著科學技術的進步和海軍裝備需求的不斷提高,碳纖維復合材料的應用技術也將越來越完善和成熟,這將推動艦船裝備進一步向輕量化方向發展。
