舰船与新材料

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1、舰船与新材料虽说宇宙浩渺无穷、包罗万象，但人们却还没有足够能力去征服他，FI前只停留在小范围的探索阶段。故而，人们主要的争夺对象还是那三个方向：天空、陆地和海洋。海洋占整个地球表面的四分之三，拥有无穷无尽的宝藏，也是不可或缺的重要战场。海洋里最丰富的就是水，而水是宝贵的生命之源，更是一切廝杀争斗的天然屏障。海洋虽不及天空占尽天时地利，却也为这世界提供了一个无可比拟的重要战场。海洋神秘莫测，拥有难以匹敌的无穷力量，而我们则必须借助舰船来征服这一霸主。然而，这一条路并不易走，舰船的效果还远不能满足我们

2、的需求。因而,舰船的更新换代迫在眉睫；与此同吋，各种各样的新型材料也随之出世，进入我们的视线。舰船有民用和军用船只两种。然而，无论是民用功能还是军用功能，一艘完整的舰船都离不开“材料”二字。只有材料的最优化组合，才能成就一艘无可匹敌的战舰。既而，寻求适合的新型材料就成为了舰船发展、进步的重中之重。我国对于舰船高新技术的发展给予了高度重视，而舰船高新技术的发展主要放在新武器的开发、舰艇隐身化、新动力系统的采用和新船型的研宄这几个方面上。对于舰船的民用功能而言，传统的结构材料就可以满足需求；但对于某些

3、特殊的结构（例如表面效应船、混合式水翼船、深潜器、大深度鱼雷等的壳体结构）则要求使用高比强度的材料，以减轻壳体的重量，提供合理的有效载荷。那么，就必须使用新金属结构材料、先进树脂基复合材料、结构陶瓷材料、高温结构材料等新型结构材料。1.新金属结构材料Al-Li合金是其典型代表。Al-Li合金最显著的特点是密度低，弹性模量高。在强度相当的条件下，Al-Li合金的密度比常规的2024、7075铝合金低约10%,而弹性模量则要高10%。FI前，成熟的Al-Li合金有2090、8090、8091、8092

4、等牌号，抗拉强度在500MPa上下。新近研制的AA5091合金的密度为2.57g/cm3,抗拉强度为412MPa,弹性模量为79.2X103MPa,耐蚀性优良。美国海军正资助用AA5091合金锻件制造重型鱼雷的燃料舱分段。与其它新型结构材料相比，Al-Li合金作为轻质高强度材料的显著优势是成本较低，可以利用传统设备生产。除熔铸外，Al-Li合金的挤压、轧制、锻造和热处理均可利用现有的设备和工艺进行，无特殊要求。2.先进树脂基复合材料先进树脂基复合材料是指用碳纤维、陶瓷纤维、芳纶纤维等增强的聚合物复

5、合材料，具冇比传统结构材料优越得多的力学性能。例如分别用碳纤维、芳纶纤维和碳化硅纤维增强的环氧树脂复合材料的密度为1.4〜2.0g/cm3,拉伸强度为1.5〜1.8GPa。这些复合材料的拉仲强度略高于普通钢材，而比强度则为普通钢材的4〜6倍，比模量为晋通钢材的2〜3倍。其往往还兼有耐腐蚀、振动阻尼和吸收电磁波等功能，侃其价格昂贵，只能用在舰船上关键性的部位，如大型核潜艇的声纳导流罩、人深度鱼雷的壳体、深海潜水器壳体以及高性能艇的艇体结构、水面舰艇的重要甲板构件等处。美国“洛杉矶”级核潜艇的声纳导流

6、罩长7.6m,最大直径8.1m,是目前世界上最大的先进树脂基复合材料制品。美国的“佩里”号驱逐舰上首次用芳纶纤维增强塑料制作装甲。1.结构陶瓷材料陶瓷的强度和弹性模量很高，而且具有耐腐蚀、耐磨损、耐高温的优点，密度又比一般金属材料低，是很有发展潜力的高比强度材料。结构陶瓷材料在舰船上可能的应用主要冇两方面：(1)利用其高比强度制造人深度潜水器的耐压壳体;(2)利用其高硬度和高的断裂能制作轻质装甲。实践证明，在同样排水量(454kg)的情况下，氧化铝陶瓷壳体比Ti-6A1-4V壳体的有效载荷高166

7、%；为达到同样的有效载荷，钛壳体的排水量必须增加50%，其重量则增加83%。除此而外，除此而外，陶瓷壳体还具有耐腐蚀、电绝缘、非磁性、可透过辐射等优点。陶瓷装甲的主要优点是质量轻，其质量有效系数(对付己知威胁所需的普通钢装甲的面密度与陶瓷装甲的面密度之比)颇高。陶瓷材料通过其密度效应、吸能效应和磨损效应可发挥很强的防弹能力。目前装甲陶瓷材料主要有氧化铝、碳化硅、碳化硼、二硼化钛等几种，其中以氧化铝应用最为广泛。氧化铝陶瓷装甲既可以对付穿甲弹，也可以对付破甲弹，其质量冇效系数约为2.5〜3.5。这种

8、材料对于希望尽量减轻装甲重量的舰船来说，具有很大的吸引力。由于陶瓷材料本身性能的局限性，单独用陶瓷作装甲的效果并不理想，因此大多采取陶瓷复合装甲的形式。一种形式是外加保护层，即在装甲板外表面上覆盖以玻璃钢或橡胶层，以防止陶瓷装甲因受到意外碰撞而损坏，而且提高陶瓷装甲抵御多次袭击的能力。另一种形式是制成多层复合结构，即装甲板由底板层、陶瓷层、钢板层、空气层和夹芯面板层组成。4.高温结构材料传统的高温金属材料因受到熔点、高温氧化、高温蠕变等因素的制约，其工作温度难以大幅度提高。为达到提