碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）自問世以來就一直在軍事領(lǐng)域特別是航空航天領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。近年來隨著應(yīng)用研究的發(fā)展，國內(nèi)外對其在海軍艦艇上的應(yīng)用越來越重視。CFRP在海軍艦艇上應(yīng)用時(shí)具有如下突出的優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)良的力學(xué)性能；耐腐蝕（可耐酸、堿、海水侵蝕,水生物也難以附生）；大幅減重；優(yōu)良的聲、磁、電性能（透波、透聲性好,無磁性,介電性能優(yōu)良）；優(yōu)良的設(shè)計(jì)、施工性；容易維護(hù)，維護(hù)費(fèi)用遠(yuǎn)低于鋼制艦艇。

早期CFRP僅僅應(yīng)用在小型巡邏艇和登陸艦上。相對差的制造質(zhì)量和船體剛度限制了其長度不能超過15m，排水量不超過20t。近年來隨著低成本復(fù)合材料制造技術(shù)的提高，CFRP才開始應(yīng)用在大型巡邏艇、氣墊船、獵雷艇和護(hù)衛(wèi)艦上。

近幾年國外制造的新型艦艇中不乏大量使用CFRP的亮點(diǎn)之作。

美國制造的短劍號隱身快艇

“短劍”高速快艇長24.4米，寬12.2米，吃水0.9米；排水量67噸；動(dòng)力裝置為4臺(tái)“毛蟲”柴油機(jī)，每臺(tái)功率1650馬力，由4具6葉螺旋槳推進(jìn)，在載重37噸下航速可達(dá)50節(jié)。艇體采用了比傳統(tǒng)的鋼材更結(jié)實(shí)、更輕巧的CFRP。一次能夠運(yùn)載12名全副武裝的“海豹”突擊隊(duì)員和1艘長11米的特種作戰(zhàn)剛性充氣艇。同時(shí)，可搭載1架小型無人機(jī)。

目前，“短劍”是美國使用CFRP一次成型制造的最大船體，在整體制造成形過程中不用焊接，更無需鉚接，因此船體外表十分光滑，重量也大為降低。盡管目前的成本相對于普通的鋼和鋁合金偏高，但在這—技術(shù)成熟后，進(jìn)行批量生產(chǎn)的成本將有較大的下降空間。作為試驗(yàn)艇，“短劍”的單艘造價(jià)約為600萬美元，試驗(yàn)總成本在1250萬美元之內(nèi)。

綜合“短劍”艇體的這種設(shè)計(jì)，以及CFRP的使用，不但使其獲得了高速，也使其行駛過程中的穩(wěn)定性更高，高速行駛中的沉浮現(xiàn)象大大減輕，即使在高速回轉(zhuǎn)時(shí)，依然可以保持平穩(wěn)行駛，從而增加了艇員的舒適度，提高了艇的適航安全陛，擴(kuò)大了在內(nèi)河和地形復(fù)雜的淺海使用范圍。與此同時(shí)，由于其阻力的降低也使得“短劍”比普通快艇更加節(jié)省燃料。

瑞典制造的維斯比級輕型護(hù)衛(wèi)艦

維斯比級輕型護(hù)衛(wèi)艦（Visby-class corvette）是瑞典皇家海軍最新銳的艦艇之一，由于奇特的外形設(shè)計(jì)，很好的隱身性能，并采用噴水推進(jìn)裝置使該級艦具有很高的機(jī)動(dòng)性，同時(shí)又可減少艦的吃水，使該艦?zāi)茉跍\水海區(qū)使用等優(yōu)點(diǎn)，使其受到國際社會(huì)的廣泛關(guān)注。

該級艦的最大特點(diǎn)是采用全新的隱身設(shè)計(jì)技術(shù)。艦殼材料并非采用常規(guī)鋼材，也不是普通玻璃鋼，而是CFRP，采用特殊真空注入技術(shù)建造而成。為了達(dá)到關(guān)鍵性能要求，殼體必須盡可能輕，因而殼體采用夾心結(jié)構(gòu)，由聚氯乙烯夾心和碳纖維乙烯基酯層壓板構(gòu)成，它不但具有很高的強(qiáng)度和經(jīng)久耐用性，還具有優(yōu)良的抗沖擊性能。

“維斯比”艦的艦體、甲板、上層建筑基本都是CFRP夾層板制成的。與傳統(tǒng)材料相比，這種材料不僅結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)，強(qiáng)度可與鋼鐵相媲美，而且無磁性，有利于降低艦艇產(chǎn)生的磁場，并有良好的抗震性能，因而可執(zhí)行反水雷任務(wù)。此外，CFRP夾層板光滑平糙，有助于取得良好的隱身效果。同時(shí)還可以絕熱，對艦內(nèi)各種機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的紅外輻射有較好的屏蔽作用。另外，這種復(fù)合材料比重輕，可減輕艦體重量，且不象銅那樣容易腐蝕，從而大幅度減少全壽命費(fèi)用。

為了用CFRP建造如此大的艦船，瑞典海軍花費(fèi)了大量的時(shí)間進(jìn)行了試驗(yàn),研究出了真空輔助夾層灌輸法生產(chǎn)工藝。CFRP夾層板的芯是PVC材料制成的板材，厚度不等，從紙張一樣薄到9厘米厚都有，上面有細(xì)小的格槽，然后將乙烯薄層和碳纖維覆蓋在PVC主芯上。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是纖維含量比手工鋪設(shè)的要高，結(jié)構(gòu)重量更低。

印尼制造的全碳纖維導(dǎo)彈巡邏艇

印尼PT Lindun公司在2012年推出一款全碳纖維導(dǎo)彈巡邏艇，該導(dǎo)彈巡邏艇艇長63米，采用先進(jìn)的三體船身設(shè)計(jì)，將成為東南亞地區(qū)最先進(jìn)的海軍艦船。該艦采用激進(jìn)的穿浪船體設(shè)計(jì)以改進(jìn)適航性和穩(wěn)定性，并且完全由CFRP制成，采用了真空導(dǎo)入工藝和乙烯酯樹脂。用這些材料構(gòu)建船身結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了該艦的隱身性，同時(shí)降低了使用期運(yùn)行、維護(hù)的成本。

如果將艦船上可以使用碳纖維來提高性能的結(jié)構(gòu)部分歸類，大致可分為如下幾方面。

CFRP上層建筑

60年代中期以來巡邏炮艇上的炮艇甲板室就開始采用復(fù)合材料，70年代早期，獵雷艇的上層建筑也開始采用復(fù)合材料。芬蘭皇家海軍的快速巡邏艇勞馬（Rauma）的上層建筑也采用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，船體采用鋁合金。復(fù)合材料甲板室要克服兩個(gè)主要問題：即采用鋼時(shí)出現(xiàn)的腐蝕和水上重量過大。對于小型海軍艦艇（長度小于20m）來說，采用復(fù)合材料代替鋼可以減輕約65%的重量。

與鋼和鋁相比，CFRP上層建筑存在很多缺點(diǎn)，例如制造成本高，因?yàn)槠浜弯摷装宓倪B接處花費(fèi)昂貴，對于中型護(hù)衛(wèi)艦來說，上層建筑采用CFRP代替鋼會(huì)給建筑成本增加40%~140%，盡管如此，許多艦船制造者和海軍已開始接受更高的制造成本，因?yàn)榭梢怨?jié)省使用周期成本，從而降低總體成本。

CFRP桅桿

20世紀(jì)60年代復(fù)合材料首次應(yīng)用在桅桿上。傳統(tǒng)的鋼桅桿采用開放式結(jié)構(gòu)，突出在外，會(huì)干擾本艦的雷達(dá)和通訊系統(tǒng)且易于腐蝕。美國海軍于1995年著手研制先進(jìn)全封閉式桅桿/傳感器系統(tǒng)（AEM/S），整個(gè)結(jié)構(gòu)高28m,直徑達(dá)10.7m,是美國海軍艦艇上最大的CFRP水上結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)制作的AEM/S由兩個(gè)外表面向內(nèi)傾斜10°的上下兩個(gè)六角錐形體結(jié)構(gòu)組成,上半部覆蓋FSS可讓本身特定的周波數(shù)穿過，下半部能反射雷達(dá)波或由雷達(dá)吸波材料所吸收。各種天線和有關(guān)設(shè)備都統(tǒng)一組合裝備在該結(jié)構(gòu)內(nèi)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳感器的電波能以極低的損耗穿過結(jié)構(gòu)物，結(jié)構(gòu)的外部由能反射電波的CFRP板材構(gòu)成。由于所有設(shè)備都在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，可以防止風(fēng)雨和鹽份的侵害，對設(shè)備的維修保養(yǎng)十分有利。這種AEM/S系統(tǒng)完全脫離了傳統(tǒng)的桅桿概念，并裝備在斯普魯恩斯（Spru-ance）級驅(qū)逐艦——USS Arthur W.Radford上，取代原來鋼桅桿的主要部分（即接近船尾的部分）。AEM/S系統(tǒng)的成功極大地促進(jìn)了先進(jìn)CFRP桅桿技術(shù)與下一代美國海軍海面作戰(zhàn)的水上設(shè)計(jì)部分的結(jié)合。

CFRP螺旋槳

海軍艦艇的螺旋槳材料一直以來都是鎳鋁銅合金，存在很多問題例如加工復(fù)雜葉片時(shí)花費(fèi)高，葉片容易疲勞產(chǎn)生裂紋，聲學(xué)阻尼性相對較差，振動(dòng)時(shí)會(huì)帶來噪音等等。因此海軍設(shè)計(jì)者們不得不考慮其它材料，最引人注目的材料是不銹鋼、鈦合金以及CFRP。

CFRP螺旋槳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能高度機(jī)密，近年來的研究進(jìn)展未見公開發(fā)表。不過眾所周知，CFRP葉片中的纖維可以承受主要的水動(dòng)力和離心力。CFRP葉片的好處是承載的纖維可以沿葉片的不同方向敷設(shè)從而使應(yīng)變最小。因此可以通過設(shè)計(jì)纖維排列和堆積的順序來優(yōu)化葉片性能。纖維排列的方向影響葉片的推力、有效螺距和翹曲。因此葉片的設(shè)計(jì)和制造需要精確以確保獲得最優(yōu)性能。目前大批海軍艦艇安裝了CFRP螺旋槳，如登陸艦和掃雷艇。CFRP螺旋槳也用在魚雷和小型船只上。

CFRP推進(jìn)軸系

在減輕船體重量的趨勢中，推進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)力傳輸部件的減重也提到了議事日程。典型的是在2或4臺(tái)高速柴油機(jī)通過減速齒輪箱驅(qū)動(dòng)噴水推進(jìn)器的高速船上，無論柴油機(jī)與齒輪箱之間，還是齒輪箱和噴水推進(jìn)裝置之間的距離都縮短了。尤其是在雙體船狹小的空間里要求錯(cuò)落布置4臺(tái)柴油機(jī)，前部柴油機(jī)中發(fā)出的功率必須通過后部的柴油機(jī)傳輸出去。因此，這就要求配備重量最輕、部件最少的傳動(dòng)裝置。而采用由碳纖維管材料的驅(qū)動(dòng)軸，能夠輕而易舉地達(dá)到減輕傳動(dòng)部件重量的目的。

CFRP驅(qū)動(dòng)軸的主要優(yōu)點(diǎn)包括：明顯地減輕了驅(qū)動(dòng)軸的重量，軸越長，減重的量越大，復(fù)合軸減重的效果越明顯；臨界速度高，長軸系上通常不需要布置軸承，減少了軸承的數(shù)量，降低了成本，減輕了軸系，減少了部件，節(jié)省了軸承支撐件的成本以及減輕了重量；長壽命、低噪聲、無腐蝕、無磨擦、免維修、不導(dǎo)電、無磁性。

高強(qiáng)度碳纖維繩索

文獻(xiàn)檢索表明日本已有相關(guān)碳纖維纜繩的報(bào)道，但技術(shù)保密非常嚴(yán)格，主要用途是海軍軍艦的纜繩和其他軍用物品。

碳纖維突出的特點(diǎn)是強(qiáng)度和模量高，密度小，耐腐蝕性能好，膨脹系數(shù)低，耐高溫蠕變性能好，摩擦系數(shù)小，自潤滑，導(dǎo)電性高等特點(diǎn)。由于碳纖維既具有高于鋼鐵的拉伸模量和幾倍乃至數(shù)十倍的拉伸強(qiáng)度，又具有纖維的可編織性能，以此作為基體材料制作碳纖維繩索，恰好可彌補(bǔ)鋼絲繩和有機(jī)高分子繩索的不足，得到高性能的碳纖維繩索。

碳纖維繩具有一系列優(yōu)異的使用性能。與結(jié)構(gòu)和直徑相差不多的鋼絲繩相比較，碳纖維繩具有巨大的優(yōu)越性。碳纖維繩的重量還不到鋼絲繩的四分之一，前者比后者輕得多，使用時(shí)省力；前者的彎曲剛性僅為后者的四分之一，前者易于彎曲便于作業(yè)，后者僵硬操作困難。此外，碳纖維繩的斷裂伸長比鋼絲繩小得多，應(yīng)力-應(yīng)變曲線為一直線，直至斷裂，中間沒有屈服點(diǎn)，因此，在多次重復(fù)使用時(shí)，不會(huì)有殘余應(yīng)變現(xiàn)象的發(fā)生。碳纖維復(fù)合材料繩索還具有良好的拉伸疲勞性能，在應(yīng)力振幅小的條件下幾乎沒有疲勞現(xiàn)象發(fā)生，當(dāng)應(yīng)力振幅較大時(shí)也同樣顯示出優(yōu)良的疲勞特性。碳纖維復(fù)合材料繩索耐腐蝕、不生銹和優(yōu)良的耐候性也是鋼絲繩無法與其相比的。

總之，碳纖維復(fù)合材料繩索，不僅重量輕，比強(qiáng)度、比模量高，而且耐腐蝕，在高溫和低溫環(huán)境中線膨脹系數(shù)小，性能穩(wěn)定而柔軟。具有傳統(tǒng)繩索（天然纖維、有機(jī)纖維、無機(jī)纖維和鋼絲繩等）無可比擬的優(yōu)越性，將是傳統(tǒng)繩索的更新?lián)Q代產(chǎn)品。碳纖維繩索可以用于以下幾個(gè)方面：支持（撐）性纜繩，如大跨度斜拉橋纜繩；增強(qiáng)混凝土，如海洋工程混凝土；艦船、海上作業(yè)船用纜繩；游艇支索；登山用繩索等。

CFRP煙囪

復(fù)合材料煙囪具有質(zhì)輕、成本低的優(yōu)點(diǎn),以及優(yōu)良的熱絕緣性能，而且能夠削弱雷達(dá)信號從而提高艦船的隱身性，已在MCMV上成功應(yīng)用多年。Vis-by級和La Fayette級護(hù)衛(wèi)艦的煙囪都采用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)。當(dāng)前目標(biāo)是在大型軍艦上使用復(fù)合材料煙囪。

以下還有一些正在研發(fā)之中，準(zhǔn)備使用碳纖維的部位及部件。

艦艙壁、甲板、艙門

此方面的應(yīng)用正處于研究之中，優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)輕20%~40%，更低的磁特性，火災(zāi)時(shí)熱傳導(dǎo)低，阻聲性能更好；缺點(diǎn)是制造和安裝的成本比鋼制的高20%~90%。CFRP和周圍鋼結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)處需要足夠的抗內(nèi)部沖擊損壞的能力，此即為成本大幅增加的主要原因。

附件

許多海軍正考慮將CFRP應(yīng)用在武器外罩和甲板防護(hù)板上，及作為導(dǎo)彈沖擊遮護(hù)板，以免受高速射彈和榴散彈的沖擊。日本專家對于如何提升軍艦的生存能力已做了具體研究論證，使用低成本成型法制造的CFRP為主題的上層船體構(gòu)造在耐爆炸以及耐燃燒性能方面已經(jīng)可以達(dá)到了軍用艦船的使用標(biāo)準(zhǔn)。

方向舵

艦艇用CFRP方向舵正處于研發(fā)之中，預(yù)計(jì)其比現(xiàn)有的金屬舵輕50%，成本低20%。

設(shè)備底座

一個(gè)復(fù)合材料的底座比同尺寸的鋼底座輕58%，且可以提供足夠的保護(hù)，使機(jī)械和設(shè)備免受水下沖擊載荷、抵抗沖擊損壞。此外由于它的阻尼性和無磁性，復(fù)合材料底座能夠降低艦艇的聲音和磁特性。

熱交換器

海軍艦艇上的熱交換器要經(jīng)受嚴(yán)酷的海水腐蝕和侵蝕，因此維護(hù)費(fèi)用高。由此還降低了使用壽命。美國海軍正在考慮使用CFRP的熱交換器。

管道系統(tǒng)

復(fù)合材料在海軍艦艇上的最早應(yīng)用就是管道。1951，美國海軍在一艘護(hù)航驅(qū)逐艦上安裝了復(fù)合材料管道，望其比傳統(tǒng)的黃銅管道便宜、質(zhì)輕和更耐腐蝕，果復(fù)合材料管道在運(yùn)輸熱水時(shí)迅速降解并開始滲漏。60年代，提高了復(fù)合材料管道的質(zhì)量和耐久性后，國皇家海軍將其安裝在突擊艇的壓艙系統(tǒng)中。70年代早期，國海軍在其巡邏護(hù)衛(wèi)艦上也安裝了復(fù)合材料管道。據(jù)估計(jì)，合材料管道的生產(chǎn)安裝成本比黃銅或不銹鋼管低15%50%。美英海軍正繼續(xù)挖掘復(fù)合材料管道的潛在應(yīng)用價(jià)值。

目前,CFRP在海軍艦艇上的應(yīng)用非常廣泛。但是，大部分已經(jīng)成熟的技術(shù)僅應(yīng)用于相對較小的海軍艦艇（巡邏艇,MCMV、護(hù)衛(wèi)艦）或大型艦艇的非結(jié)構(gòu)、非關(guān)鍵性部件。隨著科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，CFRP在海軍艦艇上的應(yīng)用必將日益成熟。