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摘 要 每年12月初，Composites World杂志均会撰写系列文章介绍当年复合材料在不同应用领域如航空航天、体育休闲、压力容器、可再生能源等的应用最新进展情况，并对新一年的发展进行展望。本文概述了复合材料在船舶工业领域的市场分析。 美国海洋制造商协会（NMMA，芝加哥）2021年1月报告说，2020年动力艇零售额创下了13年来的最高水平，与2019年相比提高了9%。2020年，新船的销售额增长了12%，销售总量达到31万艘，其中淡水渔船和浮筒船占了动力船销售额的一半。另一个高速增长的细分市场是用于尾波冲浪和尾波冲浪的尾流艇，2020年新船数量增加了20%，达到13000艘。 在NMMA2021年6月的一份报告指出，2021年截至3月份的销售额比2020年平均增长了30%。NMMA总裁Frank Hugelmeyer表示：“所有迹象表明，船舶的需求和销售依然强劲。”这一增长的一个驱动因素是首次船只买家的增加，NMMA数据显示，2020年有415000名首次购买者进入船舶交易市场。据报道，这些买家平均年龄更年轻，而且女性消费者是其他买家群体的1.5倍。经销商们报告说，在流感大流行之前，买一只船的平均等待时间为4到6周；而现在等待时间已经延长到8到12个月，而舷外发动机的交货时间更是达到72周。 Foiling boats浮船动力艇和帆船的发展趋势是浮船，即使用水翼艇的水下机翼将船体抬出水面并“飞行”。箔片通常是刺穿水面的V形叶片或留在水下的T形叶片。有些船将两者结合使用。与飞机上的翼型相似，这些翼型产生升力，因此当船获得速度时，船体会从水中升起，在大多数应用中，船的速度为15-18节。箔通常以较低的速度缩回，并由电子装置驱动。 因为翼型船是从水面升起的，所以阻力和阻力更小，因此效率更高——许多人声称可以减少30-40%的燃油消耗。一个典型案例是由瑞典Candela Boats公司生产的7.7米长的电动C-7，它声称比燃气动力滑行艇的能效高4-5倍，而且成本低95%。C-7以14-15节的速度开始拦截，以22节的速度巡航，最大速度为30节，航程为50海里。 7.7 米长的电动 Candela C-7 号称其能源效率是气动滑行船的 4-5 倍，并且由于其碳纤维/环氧树脂箔和轻质船体，使成本降低了 95% 箔片通常由碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料制成。C-7箔由单向（UD）碳纤维带制成，注入法国Sicomin Epoxy Systems公司的SR1710环氧树脂，室温固化，然后进行40°C后固化。C-7的船体由相同的碳纤维和环氧树脂制成，这也是一种趋势，因为这些“飞行”船对重量和刚度的需求增加。 尽管由于需要广泛的开发和计算机辅助设计，以及碳纤维等轻质材料，浮动船的成本通常高于传统船，但根据一些制造商的说法，改进后的性能通常能很快（仅需三年）便能收回成本。另一个因素是，随着对更环保船只的推动，浮船提供了一种可能通过电力提高划船性能的方法。 2021年5月，Candela推出了一款P12电动水翼水上出租车，来取代柴油动力渡轮。9.5米长的P-12在全景式客舱中最多可搭载12名乘客。Candela报告说，使用相同的 CFRP 水翼系统和已在C-7 中得到验证的船体结构，P-12每名乘客消耗的能源比家用汽车少，与内燃机船相比，运行成本低90%。 Candela 的 9.5 米长P-12 电动水上出租车最多可搭载 12 名乘客 2021年另一个具有未来感的产品来自于意大利Centrostiledesign公司的Future-E概念船。据报道，这艘5.2米长、2米宽的“零撞击船”采用可回收碳纤维复合材料建造，即无碳排放、无噪音、无波浪，最多可搭载三名乘客。它以16节的速度通过四个可伸缩的箔片从水中升起，并通过两个电机达到30节的最大速度。Future-E具有“箔片集成运动学系统”，据报道，该系统管理四个独立调整的箔片可延伸距离以及它们的迎角，以保持最佳平稳行驶。 这艘5.2 米长的三人 Future-E概念船使用回收的碳纤维复合材料和四个自动控制的箔片 CFRP和3D打印的持续增长 由于船主和运营商在寻求降低油耗和环境影响的同时，对更高速度和性能船舶的迫切要求，碳纤维增强塑料CFRP在海上运输中D的应用正在继续缓慢增加。一个例子是荷兰Holland Composites为Windcat Workboats 和风电场服务船生产的轻质CFRP甲板室，该甲板室采用树脂灌注CFRP泡沫夹层结构来增加刚度，从而实现大的开放跨度，且机舱内无支柱。整体式甲板室足够轻，可以把它放在良好的减震器上，以隔离（它）发动机和船体中的波浪振动。Windcat 以其非常安静的航行而闻名，并且这些船深受大型风力涡轮机原始设备制造商的喜爱。所有这些风电场都必须得到维护，因此 50 到 60 英尺长的高速双体船有了一个新的市场。 意大利米兰的制造商MOI composites声称，MAMBO（Motor Additive Manufacturing Boat）是第一艘使用连续玻璃纤维增强热固性复合材料的3D打印船（下图）。这艘6.5米长、2.5米宽的动力船展示了一种全新的、独特的形状，这是传统制造所无法做到的。它是使用机器人在生成算法的指导下分段打印的，该算法可以直接使用数字结构模型中的连续纤维进行打印，并具有尺寸可伸缩性；然后将这些部分叠加在一起，形成最终的雕刻结构，而不需要船体和甲板之间的传统分割。 连续纤维增强材料与乙烯基酯树脂（因其长期耐海水性而在海洋应用中受到青睐）相结合使MAMBO变得坚固、耐用和轻质。通过创建3D打印结构而不需要插头或模具，也可以以既高效又经济的方式，以小批量或独特的一次性结构构建实际产品，而不仅仅是原型。Moi在MAMBO项目中的合作伙伴包括数字设计软件供应商Autodesk（美国加利福尼亚州圣拉斐尔）和玻璃纤维供应商Owens Corning（美国俄亥俄州托莱多）。 2021年9月，大型增材制造（AM）专家Caracol（LoMasZo，意大利）首次推出了一种3D打印帆船原型，用回收聚丙烯（PP）和30%短玻璃纤维制成。Beluga是Caracol和NextChem（意大利罗马）联合研究项目的产物，NextChem是一家生产MyReplast再生塑料材料的绿色能源公司。Caracol声称用这些材料克服了传统玻璃纤维结构缺乏可回收性的缺点。Caracol还通过使用其专有的自动AM系统（包括一个带有挤压机的六轴机械臂）将船体打印成一个整体，从而消除了对昂贵模具的需求。 船舶用复合材料 船舶工业用复合材料另一个大趋势是包括复合材料甲板、舵、船体、模块化船舱和上部结构，钢和复合材料与钢焊接接头的补焊等一系列示范项目取得进展，这些进展是在两个欧洲联盟FIBRESHIP和Ramses拥有378个成员的欧洲海上轻量化应用网络（E-LASS）的支持下获得的。其目的是展示大型结构和整个船舶的防火和结构性能，以及新的生产方法、连接技术、设计工具和认证路线。FIBRESHIP已经完成了一艘85米长的渔业研究船（FRV）的20吨部分，该船采用复合材料制造，它由法国拉西奥塔的iXblue造船厂建造，长11× 11× 8.6米。 与此同时，RAMSSES 有13个部件正在展示，其中10个包括复合材料。RAMSSES 也在追求一艘全复合材料船——一艘80米长的全复合材料海上巡逻型船。荷兰Damen Shipyard Group正在牵头展示该船的6×6×3米全尺寸复合材料船体剖面，该剖面采用真空灌注和赢创（德国埃森）的新型树脂制成。Damen还与荷兰InfraCore Co.合作，将姐妹公司FiberCore Europe（鹿特丹）使用的技术应用于全球1000多座复合桥梁和水闸。InfraCore为演示者建造甲板、舱壁和船体结构，将对其进行结构和防火性能测试。InfraCore运营经理Laurent Morel表示：“我们将使用水平和垂直灌注一次性生产船体部分。到目前为止，我们已经达到9.8米的高度。” 复合材料已经在第一艘滚动式汽车运输船上进行了演示，该运输船使用由 Uljanik Group（克罗地亚普拉）设计和建造的复合材料货物甲板，作为RAMSSES 第十四个工作包的一部分，以及用于110米长的内河游轮的轻型遮阳板和用于200米长普通货船的复合中间甲板。“中间甲板是一种可拆卸的甲板，可以安装它来分隔货舱，以方便不同类型的货物，”Compocean（挪威Sandvika）的经理Arnt Frode Brevik解释道。“我们与大岛造船公司（日本长崎）和DNV GL合作了几年，开发了一种轻质的中间甲板，目标是与钢相比，重量减少50%。”这造就了一个9×2米的玻璃纤维复合材料原型，该原型经过了冲击和最大载荷测试，并于2017年展出。Compocean现已将这一发展扩展到船东Masterbulk Pte Ltd.（新加坡）并建立一个完整的27×12米的原型复合材料甲板，将在2021年底进行安装和测试。 复合材料船舵也正在开发中。作为RAMSSES 第十二个工作包的一部分，Becker Marine Systems（BMS，德国汉堡）正在演示一种用于钢舵的轻质复合材料襟翼。BMS研发负责人Jörg Mehldau说，这种舵通常重量超过200吨。通过增加铰链式后襟翼，可以显著减少舵面积。BMS率先推出了这种襟翼舵，它改善了航向保持和机动性，使靠泊无需拖船协助。复合襟翼减轻了重量，实现了更有效的形状和设计。对于 RAMSSES，已开发出长 11.8 米、宽 0.9 米、弦长 2.9 米的襟翼，作为针对最大集装箱船之一（约 400 米长）的全尺寸测试案例。将使用树脂灌注和 InfraCore 的设计生产，从 1:6 比例的演示器开始，使用已通过 DNV GL 认证的玻璃纤维和聚酯树脂以保持低成本。2 米高的演示器的测试计划于 2021 年完成。 生物材料与回收 海洋体育用品和船只已经越来越多地通过使用生物材料来提高可持续性，比如Rush Yachts（康沃尔，英国）12米/ 39英尺的超级游艇柔顺/小艇39号，据报道，船体采用最先进的绿色材料和工艺设计，采用树脂灌注、大麻纤维和生物树脂制成，并带有可回收的PET泡沫芯（如下图所示）。动力船还设计了铝箔以降低燃油消耗。 2021年10月，Sicomin 报道它的InfuGreen 810生物基环氧树脂被用于新的Couach Fly 86/2600摩托游艇，据说这是迄今为止使用树脂灌注和生物树脂制造的最大游艇船体。这艘26米、52吨重的超级游艇的船体、甲板和上部结构使用Sicomin的InfuGreen 810，生产出一艘更轻、更快、总油耗更低的游艇。据报道，作为 Sicomin 的 GreenPoxy 系列生物基树脂的一部分，InfuseGreen 810 的碳含量有 38% 来自植物来源。 用于船舶结构轻量化设计的耐火和生物基纤维复合材料 在德国Fraunhofer IFAM的领导下，Meye Werft GmbH&Co.KG（Niedersachsen）和INVENT GmbH（Braunschweig）合作开展了旨在开发具有内在防火安全性的生物复合材料，用于船舶承重结构。该项目还将探索制造和回收的概念。合作伙伴包括Huntsman Advanced Materials（美国德克萨斯州伍德兰兹）、SAERTEX GmbH & Co. KG（德国萨尔贝克）、劳埃德船级社（英国伦敦）和 nova-Institut（德国 Hürth）。重点将放在可获得的生物基聚合物和用于FRP材料的苯并恶嗪上，与传统的石油基材料相比，它们在整个产品生命周期内提供较低的CO2足迹。尽管苯并恶嗪通常由石油基酚醛组分、胺和甲醛合成，但它们也可以从可再生原材料如玉米芯或芝麻获得。GreenLight将专注于此类可持续的苯并恶嗪基复合材料。 为了使复合材料在任何细分市场继续增长，必须更加重视可持续回收。罗得岛海洋贸易协会（RIMTA，Bristol，U.S.）自2018年1月以来一直领导着罗得岛玻璃纤维船（船）回收计划。该项目测试并验证了可行的回收流程，并组织了一个合作伙伴来以负责任和可持续的方式处理报废船只。由于美国国家海洋和大气管理局（NOAA）海洋废弃物项目提供了105452美元的赠款，该试点项目目前正扩展到另外四个州——康涅狄格州、马萨诸塞州、缅因州和华盛顿州。在过去两年中，RIMTA运营的罗德岛玻璃纤维船回收计划使用新工艺回收了60多吨玻璃纤维材料，成功地将旧船从垃圾填埋场转移出去。RIMTA基金会正在开发一个可持续发展的玻璃纤维船回收融资模式，它将利用NOAA资金帮助华盛顿和新英格兰地区的国家改善和复制罗得岛玻纤船回收计划。 氢燃料动力船 世界各国政府和行业正在从化石燃料转向绿色能源，目标是到2050年实现零排放，并将全球气温上升保持在2°C以下。为了满足零排放的需求，电动船的发展趋势有了一个新的选择：氢燃料电池。100英尺长的Energy Observer双体船和Hynova 40生产动力船（40英尺长）都使用丰田的Rex H2燃料电池。丰田还在一艘40英尺长的Yanmar EX38A捕鱼巡洋舰上安装了两个燃料电池和八个700bar的IV型复合氢罐。丰田和Yanmar（日本大阪）宣布到2025年在大型船舶上扩大和部署氢推进器的目标。 在商业海事领域，世界上第一个氢动力河船预计将于2021在法国下水，它由ABB和巴拉德燃料电池系统（美国，Ore.，美国）开发，这两家公司也在为皇家加勒比燃料电池巡航船工作。与此同时，挪威渡轮运营商Norled已接收了82米长的MF Hydra渡轮，据报道这是世界上第一艘液氢动力渡轮，可运载300名乘客和80辆汽车（下图）。SWITCH海事将在美国推出第一艘氢动力渡轮，能搭载75名乘客，并将在旧金山湾运营。欧盟的HySeas III项目正在推进建造一艘氢燃料渡轮，用于在苏格兰北部的柯克沃尔和沙平赛之间运送120名乘客和16辆汽车或两辆卡车，丹麦-挪威项目计划建造世界上最大的氢燃料渡轮——Europa Seaways，能够在哥本哈根和奥斯陆之间运送1800名乘客。这艘渡轮还可以搭载380辆汽车或120辆卡车，预计将于2027年开始服务。随着氢经济的快速发展，还有许多其他项目正在开发中，更多的项目正在引进。 Hexagon Composites（挪威阿勒松）是用于储存压缩天然气（CNG）和氢气（H2）的IV型储罐生产的领导者，今年1月将Hexagon Purus剥离出来，专注于零排放H2和电池电力系统和储存。据估计，从2025年到2030年，储罐收入将增长630%。2021年6月，Hexagon Composites宣布将建立一个新的子公司Hexagon Purus Maritime。Hexagon Purus的销售和营销总监Jørn Helge Dahl解释说，尽管Hexagon参与海上氢气项目已有几年，我们现在看到，海上对氢气的需求和活动正在迅速增加。Hexagon Purus Maritime将开发船上存储系统，从船边燃料管线输送到存储，从存储到燃料电池。由于恶劣的环境，包括腐蚀，我们认为复合材料是海上应用的理想存储解决方案。” Dahl认为，到2020年中期，海运业将发生快速变化。这是由国际海事组织（IMO，英国）设定的目标，即所有新建和现有的船舶必须在2008基准线基础上减少二氧化碳排放量，2023年、2050年分别下降40%和70%。此外，地方司法机构采取的行动越来越多。例如，挪威的一些世界遗产峡湾要求到2026年实现零排放，因此，人们将不得不开发较小的船只来把人们带入峡湾。
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