美国海军复合材料

1. 3海军用复合材料的应用和研发根据1988年美国海军的一份预研报告，许多年来，军队实际上一直在使用复合材料，并且增加了许多科研项目来进一步探索复合材料的应用[1-1]。

1946年，海军提供了两份合同来发展28 ft长的层合塑料建造的交通艇。

Winner工业公司使用的是袋子成型技术(Bag Molding Method) , Marco化学品公司使用的是注入成型方法。

海军使用的是第二种方法，但是很少获得成功。

直到1950年，海军签订了使用手工铺设生产的合同，才基本取得成功。

在1955-1962年间，海军用夹层模具技术生产了32艘33-55 ft长的船，但这种技术在后来被证明是不经济的，并且结构上不能令人满意[1-25]。

在20世纪60年代，海军主导了一系列纤维增强塑料扫雷艇的可行性研究。

在1969年，位于WI的Peterson公司在Sturgeon湾完成了34 ft长的船体中部测试区域的设计与建造，在这次实践中，研发了一整套设计方法和工艺流程。

虽然人们作出了极大的努力，但是关于建造中的经济性和材料性能问题却无法回答[1-26]。

1.3.1潜艇在冷战时期，海军有一个攻击型潜艇研究和发展计划，包括研究复合材料在潜艇内部和外部的应用。

在上述两种环境中，对复合材料皆有一整套独一无二的性能衡准要求，并且这些衡准经常达到了复合材料设计和制造的极限水平。

因此，潜艇复合材料的设计标准极其严格，可媲美美国最优秀的飞机生产商的标准。

如果按照生产飞机的标准来制造水面船舶，这显然是不经济的。

在潜艇上的应用各种各样的潜艇结构都是复合材料制作而成的，包括核潜艇上的潜望镜导流罩，战斗潜艇的艇艏声呐导流罩。

另外，用于三叉戟级潜艇压载舱的纤维缠绕空气瓶已经被论证了。

无人驾驶深潜器非常依赖复合材料作为结构和浮力材料。

通常，复合泡沫塑料用作浮力材料，厚壁复合材料被用作压力壳。

一艘可以在20000 ft水深工作的无人驾驶深海深潜器采用石墨复合材料作为结构材料，并采用预浸料技术进行建造[1-1]。

20世纪60年代早期，Lunn Industries就已经用纤维增强塑料材料制作潜望镜导流罩。

压热器固化的部件可以被精密加工到满足潜望镜轴承系统的紧密配合公差精度要求。

这些导流罩均使用玻璃增强材料制成，最近改用环氧树脂替代聚酯作为基体树脂。

两片导流罩通过金属的“工字梁”铆接形成潜望镜升降桅。

RTM制遣商，位于Chester，PA的ARDC()现在正研究使用RTM整体制造导流罩的可能性。

这样，I型梁和铆接部分就消除了。

单向碳纤维会被加到层合材料上以增加结构的纵向刚度。

Wet Sub号项目是海军另外一个使用复合材料的项目。

它的复合材料构件已经被证明其可靠性超过15年。

其升降机和舵都采用合成泡沫为夹层，用玻璃纤维和聚酯作为外层。

Wet Sub号的外壳、舱口、艉部和固定的艉翅都是由复合材料做成的。

海军的遥控潜水器和水雷搜索项目使用复合材料作为结构、外壳和浮力应用。

目前的遥控潜水器都是使用真空袋工艺，用金属模具建造复合材料外壳和框架。

MK46鱼雷的螺旋桨使用的是复合材料。

模塑复合材料螺旋桨已经取代了铝铸螺旋桨。

复合材料螺旋桨是由玻璃纤维增强聚酯树脂压缩模合制造而成的。

新的复合材料螺旋桨的优点包括重量轻、化学性质不活泼和更加良好的声学特性，而金属部件的消除明显减少了可被侦测性。

这种变化已经为这个项目节省了大量的经费。

潜艇发射导弹用的密封舱模块是由复合材料制成的。

该密封舱的设计包括一个由石墨、纤维缠绕的夹层结构、金属蜂窝状芯层和凯夫拉纤维增强。

一些鱼雷项目正在研究使用复合材料建造外壳，包括纤堆缠绕的碳纤维复合材料的夹层结构，其中外壳艏部采用合成泡沫为夹层，碳纤维增强的环氧树脂预浸料为表皮建造。

测试结果显示，与传统的铝制头部壳体相比，重量和噪声都有所减少。

由位于Annapolis的美国海军水面作战中心的研究情况，以及Structural Composites公司的实施情况来看，采用材料选择、方向性以及铺设的顺序登方法，使得复合材料的方向性机械阻尼特性的优化有极大的灵活性[1-1]。

潜艇研发项目虽然一些原型结构还无法在船舶中应用，但美国海军水面作战中心Carderock分部的大量研究提高了人们对在海洋环境中使用复合材料的认识。

作为内部应用，为保证质量，最近公布的火灾中复合材料性能的军用标准给出了进行严格的测试和评估过程的提纲。

对于结构单元，追求潜艇部件的极限性能，对提高人们设计和分析能力起到了促进作用。

先进项目研究部(AEPA)最近赞助的一个多年项目，用热塑性合成树脂建造干甲板遮蔽部件。

这个项目的目的是将这种高度专用的结构材料的价格从400美元／磅降到100美元／磅。

从来自AEPA的Jim Kelly处得知，另外的研究目标还包括发展先进复合材料建造技术和嵌入式传感器技术。

根据1990年美国国家科学院的报告“复合材料在受载船舶结构中的使用”[1-16]，海军已经制定了几个具体的复合材料在潜艇上应用的目标。

表1-3总结了这些项目和先进项目研究部所作的努力，以及这些项目目前的状况、合作伙伴以及遇到的挑战。

表1-3 最近潜艇研发的复合材料项目1.3.2 水面舰艇美国海军水面舰艇使用复合材料的时间比较短，但是海岸探雷船MHC - 51号是个例外。

由于复合材料能减轻舰艇的重量、减少建造、维护和整个生命周期的成本，最近美国海军对复合材料的兴趣正日渐浓厚。

海军正在考虑在主要和次要受荷载结构上使月复合材料，如船体、上层建筑和机座、机械部件：管道、阀门、泵和热交换系统；附属部件：格栅、楼梯、立柱、通风管道和垃圾处理系统。

这些应用已经推动相关研究和原型的发展以验证其可生产性、成本效益、损伤容限、防潮性、失效行为、设计标准和火灾中的性能。

在某些领域，特殊战争的需要也推动了复合材料船舶的使用。

巡逻艇海军拥有大量近岸特战艇，主要是海军预备役部队使用。

在1965—1973年间，美国海军建造了超过500艘内河巡逻艇。

这些32 ft长的玻璃钢船体上具有陶瓷装甲和采用能够在浅水中航行的喷水推进系统。

不是所有的美国海军玻璃钢巡逻船都取得了很好的经济效益。

20世纪80年代早期，为了支持美国海陆空军( SEAL)，Uniflite建造了36艘使用玻璃钢／凯夫拉的特战巡逻艇，以后这些艇退出了市场。

The Sea Viking是一种长为35ft的、装备了导弹的多任务巡逻船。

该项目遭受到了很大的设计和资金问题，包括第一艘船的重量增加到了不可接受的地步，导致它的建造商SanDiego的RMI船厂都退出了市场。

瑞典的Smuggler船厂从1971年起建造了类似船。

该船的船东包括瑞典海军和印度海岸警卫队。

Willard Marine力美国海军和美国海岸警卫队建造船舶已经有超过30年的历史了。

从1980年起，该厂按照70多份政府规格书建造了大约700艘船。

根据规格书，Willard船厂使用的是传统的建造方法：几乎都是采用手工的方法制作固态或者夹层层合材料，有时使用浸渍机。

他们有效使用50 000 ft2的场地，采用封闭的生产管理方法，每年生产100艘，使公司保持长期稳定的经营。

该公司主要生产私人机动游艇和帆船，包括125 ft长的科研船舶和现在市场上商业销售的1 8，22和24 ft长充气船。

1988年，美国海军与伊朗在波斯湾的冲突中，其军舰受到了伊朗革命卫队炮艇的威胁。

在捕获一艘这样的船后，美国海军使用这艘船在San Diego沿海训练。

当充分认识到这种尺寸船的能力后，美国海军感到吃惊，认为为这种船舶花钱是值得的。

而美国海军认识到其执行任务的能力后，开始为特种船舶单位采购这种船舶。

在探索这种船舶对海军的支持方面，美国海军稍微走在欧洲同行的后面。

许多国家不选择发展具有近海作战能力的海军，而是选择快速重装甲巡逻船。

100 ft左右的快速巡逻船提供比小“雪茄”型船舶有更强的功能和续航力。

为了支持海陆空三军，美国最近为Mark V特种用途船舶主导了一次设计竞赛。

Halter Marine提供了一艘具有表面螺旋桨的复合材料船体的船舶和一艘具有喷水推进的铝制船体的船舶。

Peterson建造了一艘铝制双体船。

经过来自美国Tarnpa，FL的McDill空军基地的特战团队在墨西哥湾的测试后，铝制喷水推进船被选中。

虽然对复合材料船体未来的修理有一砦担忧，该测试评估可能考虑得更多的是性能，对船体材料考虑得比较少。

有一个有趣的现象，那就是由该团队测试的绝大多数船舶是用玻璃钢建造的。

反水雷舰艇在1984年财政年度，美国海军和贝尔航空( Bell Aerospace) Textron公司(现在的Textron Marine)签订合同，设计并建造14艘扫雷艇中的第一艘。

这些船体是使用表面效应技术的玻璃钢单体船。

测试显示，这些船舶不能抵御爆炸冲击，并且重新设计也失败了。

1986年，Intermarine USA公司获得一份合同，研究对Lerici级船舶作出适当的改变以便其搭载美国的战斗系统。

Lerici级船舶长为50 m，采用厚度从1 in到9 in的单层艇壳，并采用无骨架设计。

Savannah USA公司的Intermarine和Avondale船厂被选中为美国海军建造这个级别的船舶。

目前的计划要求生产12艘鹗级扫雷艇（Savannah生产4艘，Avondale生产8艘）。

无论是结构方面还是建造方面，意大利的设计都被美国海军广泛研究。

考虑到美国的战斗系统、破舱与完整稳性、振动与噪声的要求，Lerici级的设计作了极大的改变。

建造细节：所有的玻璃增强主要结构采用的是E-玻璃。

船体、横舱壁和甲板用的是密度为1.4 kg/m2的机织粗纱布。

纺成的机织粗纱布是采用粗纱沿纬线方向增强的，并且粗纱是成簇状的。

与传统的机织粗纱布相比，这种处理具有纤维绒毛般的外表，提高了屡间的抗剪强度。

上部建筑是由一种叫“Rovimat”的材料建造的，这种材料是由中断的线垫缝合到机织粗纱布而组成的，并采用半白动化的浸渍机（在层合过程中使用）缝台这两层织物以提高其性能。

Rovimat的密度是1200 g/m2（400 g/m2的毡片重量，800 g/m2的机织粗纱布重量）。

树脂采用高等级增韧间苯二（甲）酸船用聚酯树脂。

该材料被特别配制出具有高的韧性，以抵御一定程度的冲击荷载，并能满足建造要求。

该合成材脂不会像别的聚酯合成树脂一样具有脆性断裂的特征，这使得其在承受水下爆炸冲击时具有优秀的性能。

层合材料和纺战机织粗纱布相结合后，其具有良好的抗振动和抗冲击能力。

树脂的配制被优化以改进可生产性。

最重要的是长的、低放热量的凝胶时间（长达4 h）和大幅度延长的时间用来产生主要的黏结性能。

多年来，瑞典和意大利海军一直用复合材料建造扫雷艇。