艦船與新材料

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1、艦船與新材料雖說(shuō)宇宙浩渺無(wú)窮、包羅萬(wàn)象，但人們卻還沒(méi)有足夠能力去征服他，F(xiàn)I前只停留在小范圍的探索階段。故而，人們主要的爭(zhēng)奪對(duì)象還是那三個(gè)方向：天空、陸地和海洋。海洋占整個(gè)地球表面的四分之三，擁有無(wú)窮無(wú)盡的寶藏，也是不可或缺的重要戰(zhàn)場(chǎng)。海洋里最豐富的就是水，而水是寶貴的生命之源，更是一切廝殺爭(zhēng)斗的天然屏障。海洋雖不及天空占盡天時(shí)地利，卻也為這世界提供了一個(gè)無(wú)可比擬的重要戰(zhàn)場(chǎng)。海洋神秘莫測(cè)，擁有難以匹敵的無(wú)窮力量，而我們則必須借助艦船來(lái)征服這一霸主。然而，這一條路并不易走，艦船的效果還遠(yuǎn)不能滿足我們

2、的需求。因而,艦船的更新?lián)Q代迫在眉睫；與此同吋，各種各樣的新型材料也隨之出世，進(jìn)入我們的視線。艦船有民用和軍用船只兩種。然而，無(wú)論是民用功能還是軍用功能，一艘完整的艦船都離不開“材料”二字。只有材料的最優(yōu)化組合，才能成就一艘無(wú)可匹敵的戰(zhàn)艦。既而，尋求適合的新型材料就成為了艦船發(fā)展、進(jìn)步的重中之重。我國(guó)對(duì)于艦船高新技術(shù)的發(fā)展給予了高度重視，而艦船高新技術(shù)的發(fā)展主要放在新武器的開發(fā)、艦艇隱身化、新動(dòng)力系統(tǒng)的采用和新船型的研宄這幾個(gè)方面上。對(duì)于艦船的民用功能而言，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料就可以滿足需求；但對(duì)于某些

3、特殊的結(jié)構(gòu)（例如表面效應(yīng)船、混合式水翼船、深潛器、大深度魚雷等的殼體結(jié)構(gòu)）則要求使用高比強(qiáng)度的材料，以減輕殼體的重量，提供合理的有效載荷。那么，就必須使用新金屬結(jié)構(gòu)材料、先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)陶瓷材料、高溫結(jié)構(gòu)材料等新型結(jié)構(gòu)材料。1.新金屬結(jié)構(gòu)材料Al-Li合金是其典型代表。Al-Li合金最顯著的特點(diǎn)是密度低，彈性模量高。在強(qiáng)度相當(dāng)?shù)臈l件下，Al-Li合金的密度比常規(guī)的2024、7075鋁合金低約10%,而彈性模量則要高10%。FI前，成熟的Al-Li合金有2090、8090、8091、8092

4、等牌號(hào)，抗拉強(qiáng)度在500MPa上下。新近研制的AA5091合金的密度為2.57g/cm3,抗拉強(qiáng)度為412MPa,彈性模量為79.2X103MPa,耐蝕性優(yōu)良。美國(guó)海軍正資助用AA5091合金鍛件制造重型魚雷的燃料艙分段。與其它新型結(jié)構(gòu)材料相比，Al-Li合金作為輕質(zhì)高強(qiáng)度材料的顯著優(yōu)勢(shì)是成本較低，可以利用傳統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)。除熔鑄外，Al-Li合金的擠壓、軋制、鍛造和熱處理均可利用現(xiàn)有的設(shè)備和工藝進(jìn)行，無(wú)特殊要求。2.先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料是指用碳纖維、陶瓷纖維、芳綸纖維等增強(qiáng)的聚合物復(fù)

5、合材料，具冇比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料優(yōu)越得多的力學(xué)性能。例如分別用碳纖維、芳綸纖維和碳化硅纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的密度為1.4?2.0g/cm3,拉伸強(qiáng)度為1.5?1.8GPa。這些復(fù)合材料的拉仲?gòu)?qiáng)度略高于普通鋼材，而比強(qiáng)度則為普通鋼材的4?6倍，比模量為晉通鋼材的2?3倍。其往往還兼有耐腐蝕、振動(dòng)阻尼和吸收電磁波等功能，侃其價(jià)格昂貴，只能用在艦船上關(guān)鍵性的部位，如大型核潛艇的聲納導(dǎo)流罩、人深度魚雷的殼體、深海潛水器殼體以及高性能艇的艇體結(jié)構(gòu)、水面艦艇的重要甲板構(gòu)件等處。美國(guó)“洛杉磯”級(jí)核潛艇的聲納導(dǎo)流

6、罩長(zhǎng)7.6m,最大直徑8.1m,是目前世界上最大的先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料制品。美國(guó)的“佩里”號(hào)驅(qū)逐艦上首次用芳綸纖維增強(qiáng)塑料制作裝甲。1.結(jié)構(gòu)陶瓷材料陶瓷的強(qiáng)度和彈性模量很高，而且具有耐腐蝕、耐磨損、耐高溫的優(yōu)點(diǎn)，密度又比一般金屬材料低，是很有發(fā)展?jié)摿Φ母弑葟?qiáng)度材料。結(jié)構(gòu)陶瓷材料在艦船上可能的應(yīng)用主要冇兩方面：(1)利用其高比強(qiáng)度制造人深度潛水器的耐壓殼體;(2)利用其高硬度和高的斷裂能制作輕質(zhì)裝甲。實(shí)踐證明，在同樣排水量(454kg)的情況下，氧化鋁陶瓷殼體比Ti-6A1-4V殼體的有效載荷高166

7、%；為達(dá)到同樣的有效載荷，鈦殼體的排水量必須增加50%，其重量則增加83%。除此而外，除此而外，陶瓷殼體還具有耐腐蝕、電絕緣、非磁性、可透過(guò)輻射等優(yōu)點(diǎn)。陶瓷裝甲的主要優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕，其質(zhì)量有效系數(shù)(對(duì)付己知威脅所需的普通鋼裝甲的面密度與陶瓷裝甲的面密度之比)頗高。陶瓷材料通過(guò)其密度效應(yīng)、吸能效應(yīng)和磨損效應(yīng)可發(fā)揮很強(qiáng)的防彈能力。目前裝甲陶瓷材料主要有氧化鋁、碳化硅、碳化硼、二硼化鈦等幾種，其中以氧化鋁應(yīng)用最為廣泛。氧化鋁陶瓷裝甲既可以對(duì)付穿甲彈，也可以對(duì)付破甲彈，其質(zhì)量?jī)有禂?shù)約為2.5?3.5。這種

8、材料對(duì)于希望盡量減輕裝甲重量的艦船來(lái)說(shuō)，具有很大的吸引力。由于陶瓷材料本身性能的局限性，單獨(dú)用陶瓷作裝甲的效果并不理想，因此大多采取陶瓷復(fù)合裝甲的形式。一種形式是外加保護(hù)層，即在裝甲板外表面上覆蓋以玻璃鋼或橡膠層，以防止陶瓷裝甲因受到意外碰撞而損壞，而且提高陶瓷裝甲抵御多次襲擊的能力。另一種形式是制成多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，即裝甲板由底板層、陶瓷層、鋼板層、空氣層和夾芯面板層組成。4.高溫結(jié)構(gòu)材料傳統(tǒng)的高溫金屬材料因受到熔點(diǎn)、高溫氧化、高溫蠕變等因素的制約，其工作溫度難以大幅度提高。為達(dá)到提