由中國船舶集團(tuán)有限公司攜手中國船級(jí)社及用戶共同打造香港地區(qū)純電動(dòng)碳纖維客船，開創(chuàng)了“碳纖維”和“純電推進(jìn)”兩項(xiàng)綠色低碳技術(shù)相結(jié)合的發(fā)展先河。

自 2022 年以來，中國船舶集團(tuán)旗下廣州船舶工業(yè)有限公司已成功承接港澳地區(qū)船舶 29 艘，其中多艘為碳纖維高速客船。為此，廣州公司聯(lián)合相關(guān)方開展了船用碳纖維國產(chǎn)化研制及推廣，成功應(yīng)用于部分建造項(xiàng)目，打破了高端碳纖維進(jìn)口材料在國產(chǎn)高速客船的技術(shù)壟斷局面。

廣東中威復(fù)合材料有限公司是廣州公司碳纖維船舶項(xiàng)目的建造方，也是國內(nèi)第一家使用碳纖維材料制造 40 米以上級(jí)別高速客船的船企。該工藝需用到 T700 級(jí)別的碳纖維材料配套乙烯基酯樹脂，但國內(nèi)此強(qiáng)度級(jí)別的碳纖維基本都是配套環(huán)氧樹脂，需加熱加壓后固化。因此，中威公司只能一直依賴進(jìn)口國外碳纖維及樹脂。物料供應(yīng)的穩(wěn)定性及周期難以保證，成本高是國內(nèi)發(fā)展大型碳纖維船舶的“堵點(diǎn)”。

在廣州公司的大力推動(dòng)下，2023 年 6 月 9 日，廣州公司與中國船舶集團(tuán)旗下第七二五研究所、中威公司共同簽訂了《船用碳纖維國產(chǎn)化研發(fā)及推廣項(xiàng)目合作框架協(xié)議》。作為船用復(fù)合材料的主要研發(fā)機(jī)構(gòu)，七二五所是國內(nèi)最早開展船用復(fù)合材料研究的單位，四十多年來承擔(dān)了大量的船用復(fù)合材料研究和開發(fā)工作，主編或參與編寫國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 20 余項(xiàng)。隨著七二五所的加入，三方也搭建起了高端國產(chǎn)碳纖維織物復(fù)合材料在高速客船示范應(yīng)用的“鐵三角”。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)圍繞 T700 級(jí)碳纖維復(fù)合材料國產(chǎn)化，通過碳纖維高性能編織技術(shù)、碳纖維界面性能強(qiáng)化技術(shù)、高強(qiáng)抗沖擊乙烯基酯樹脂的研制、碳纖維復(fù)合材料綜合性能評(píng)價(jià)、碳纖維復(fù)合材料成型工藝、典型艙段建造與考核評(píng)價(jià)等，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化替代的重大突破。

研究結(jié)果表明，自研國產(chǎn)碳纖維與樹脂匹配后，性能與進(jìn)口材料水平相當(dāng)，相比于鋁制船減重 20%以上，達(dá)到了船舶設(shè)計(jì)指標(biāo)與建造工藝需求。其中，灌注型乙烯基酯樹脂還優(yōu)于進(jìn)口。由于良好的工藝適應(yīng)性，織物和樹脂均已取得中國船級(jí)社（CCS）認(rèn)證證書。

三方合作還形成了國產(chǎn)化織物和樹脂產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)方案，突破了碳纖維織物和配套乙烯基酯樹脂的批產(chǎn)工藝，對(duì)國產(chǎn)樹脂和 5 種碳纖維編織物建立了企標(biāo)，制定了過程工藝要點(diǎn)、控制點(diǎn)相關(guān)文件，確保產(chǎn)品性能穩(wěn)定，滿足供貨需求。目前，自研國產(chǎn)碳纖維與樹脂已成功應(yīng)用于碳纖維高速客船上建或整船建造。

Part 2

碳纖維在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢

增加航速。輕量化的船體可以降低船舶的阻力，提高船舶的航行速度。對(duì)于高速客船和游艇等對(duì)速度要求較高的船舶類型，碳纖維的應(yīng)用可以顯著提升其性能。例如，“新明珠 6”號(hào)采用碳纖維材料和混合動(dòng)力系統(tǒng)，提高了船舶的航行速度，為乘客提供更加快捷的出行體驗(yàn)。

增強(qiáng)穩(wěn)定性。碳纖維的高強(qiáng)度和高剛度可以提高船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在惡劣的海洋環(huán)境中，船舶需要具備良好的抗風(fēng)浪能力和穩(wěn)定性，以確保乘客和貨物的安全。碳纖維船體能夠更好地抵抗海浪的沖擊和扭曲，減少船體的振動(dòng)和搖晃，提高船舶的舒適性和安全性。

降低能耗。輕量化的船體可以降低船舶的能耗，提高燃油效率。對(duì)于貨船和油輪等大型船舶，降低能耗可以顯著降低運(yùn)營成本。此外，碳纖維的耐腐蝕性能可以減少船體的維護(hù)需求，進(jìn)一步降低運(yùn)營成本。

降低船舶的能耗可以減少溫室氣體和污染物的排放，符合全球航運(yùn)業(yè)向綠色、低碳轉(zhuǎn)型的大趨勢。碳纖維船舶的輕量化設(shè)計(jì)和高效的動(dòng)力系統(tǒng)可以顯著降低船舶的碳排放和污染物排放，為環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn)。

同時(shí)，與傳統(tǒng)的金屬材料相比，碳纖維的生產(chǎn)能耗較低，且不會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物和污染物。在船舶使用壽命結(jié)束后，碳纖維船體可以進(jìn)行回收和再利用，減少對(duì)環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

降低噪音和振動(dòng)。碳纖維的高剛度和阻尼特性可以有效降低船體的噪音和振動(dòng)。對(duì)于客船和游艇等注重舒適性的船舶類型，碳纖維的應(yīng)用可以為乘客提供更加安靜、舒適的乘坐環(huán)境。

提高防火性能。碳纖維具有良好的防火性能，可以在一定程度上提高船舶的安全性。與傳統(tǒng)的木質(zhì)和塑料材料相比，碳纖維不易燃燒，能夠有效減少火災(zāi)的發(fā)生和蔓延。防火處理和涂層的使用，如 svt 防火織物等創(chuàng)新防火材料的使用，可提升傳統(tǒng)復(fù)合材料在高溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)完整性和防火性能。

Part 3

碳纖維在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用案例

碳纖維復(fù)合材料在船艦制造中的應(yīng)用范圍十分廣泛。從船體到船槳，從甲板到艙室，碳纖維復(fù)合材料都可以發(fā)揮其獨(dú)特的性能優(yōu)勢。

高速客船：如中國香港的“新明珠 6”號(hào)、“新明珠2”號(hào)，采用碳纖維材料和混合動(dòng)力系統(tǒng)，提高了航行速度和環(huán)保性能。高速客船對(duì)速度和舒適性要求較高，碳纖維的輕量化和高強(qiáng)度特性使其成為理想的材料選擇。此外，碳纖維船體的流線型設(shè)計(jì)可以降低阻力，提高水動(dòng)力性能，進(jìn)一步提升船舶的速度和效率。

游艇、競賽帆船：碳纖維在游艇、競賽帆船制造中也得到了廣泛應(yīng)用。游艇作為高端消費(fèi)品，對(duì)外觀設(shè)計(jì)和性能要求極高。碳纖維可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的形狀設(shè)計(jì)，為游艇的外觀設(shè)計(jì)提供更多的可能性，滿足消費(fèi)者對(duì)個(gè)性化和美觀的需求。例如，Baltic公司建造的超級(jí)游艇“巴拿馬”號(hào)，采用了碳纖維/環(huán)氧樹脂蒙皮和Nomex?蜂窩結(jié)構(gòu)，使得船身長達(dá)60米，但總重僅為210噸，展現(xiàn)出速度快、油耗低的性能。

軍用船舶：碳纖維在軍用船舶領(lǐng)域也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。軍用船舶需要具備高強(qiáng)度、高速度和隱身性能等特點(diǎn)，碳纖維的特性正好滿足這些需求。碳纖維復(fù)合材料透波、透聲性好，無磁性，現(xiàn)有的隱身型軍艦就是用碳纖維復(fù)合材料打造的。用碳纖維復(fù)合材料制造艦船的上層建筑，在減輕船體重量的同時(shí)，可通過在夾層中嵌入有濾波功能的頻率選擇層，就可以在預(yù)定的頻率下發(fā)射和接受電磁波，從而屏蔽敵方的雷達(dá)電磁波。

碳纖維在應(yīng)用于偵察艦和快速巡航艦推進(jìn)系統(tǒng)的螺旋槳和推進(jìn)軸系時(shí)，能明顯減輕船體的振動(dòng)效應(yīng)和噪聲。應(yīng)用于方向舵、特殊的機(jī)械裝置和管道系統(tǒng)時(shí)，整體性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)金屬材料。

此外，碳纖維的耐腐蝕性能可以延長軍用船舶的使用壽命，降低維護(hù)成本。例如，挪威海軍的“Skjold”級(jí)巡航艇和瑞典的Visby級(jí)護(hù)衛(wèi)艦都采用了碳纖維復(fù)合材料，以提高其低磁性、抗紅外能力和抗雷達(dá)掃描的特性。

增強(qiáng)超輕型船用泵：日本 Naniwa Pump Manufacturing 日前開發(fā)了一款由碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）制成的超輕型船用泵，這款高耐用性的船用泵也是“世界上第一款碳纖維船用泵”，其將服務(wù)于川崎重工制造的水翼噴射船“SEVEN ISLANDS YUI”。采用碳纖維的船用泵重量超輕，僅為用于海船的標(biāo)準(zhǔn)青銅鑄造泵重量的四分之一。相關(guān)測試及實(shí)際應(yīng)用亦證明了 CFRP 泵的耐用性和可維護(hù)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于以往安裝在川崎 Jet Foil 系列上的鋁制泵。

水下耐壓構(gòu)件：因?yàn)榫哂械兔芏取⒏邚?qiáng)度、高模量、耐疲勞、耐腐蝕和較好的可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，碳纖維復(fù)合材料已在多種潛水器、深?；铏C(jī)等裝備的耐壓構(gòu)件上得到了廣泛應(yīng)用。

船舶螺旋槳推進(jìn)器：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）也被應(yīng)用于船舶的螺旋槳推進(jìn)器，以提高其耐腐蝕性、降低疲勞裂紋的產(chǎn)生，并減少聲學(xué)阻尼性相對(duì)較差的問題。

海洋工程修復(fù)：碳纖維復(fù)合材料也用于海洋工程建筑的修復(fù)，利用其輕質(zhì)高強(qiáng)耐腐的特性，替代傳統(tǒng)鋼筋建材，解決海水侵蝕問題。

Part 4

碳纖維在船舶領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)挑戰(zhàn)

成本較高。目前，碳纖維的生產(chǎn)成本相對(duì)較高，這是限制其在船舶領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的主要因素之一。碳纖維的生產(chǎn)過程復(fù)雜，需要大量的能源和原材料，導(dǎo)致其價(jià)格較高。此外，碳纖維船舶的制造工藝也相對(duì)復(fù)雜，需要專業(yè)的技術(shù)和設(shè)備，增加了制造成本。

技術(shù)難度大。碳纖維船舶的制造需要掌握先進(jìn)的復(fù)合材料技術(shù)和工藝。碳纖維與樹脂等基體材料的結(jié)合需要嚴(yán)格的工藝控制，以確保復(fù)合材料的性能和質(zhì)量。此外，碳纖維船體的設(shè)計(jì)和制造需要考慮到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性、耐久性等多個(gè)因素，技術(shù)難度較大。

維修和保養(yǎng)困難。碳纖維船舶在使用過程中，如果出現(xiàn)損壞或故障，維修和保養(yǎng)相對(duì)困難。碳纖維材料的修復(fù)需要專業(yè)的技術(shù)和設(shè)備，且修復(fù)成本較高。此外，碳纖維船體的檢測和評(píng)估也需要專業(yè)的技術(shù)和設(shè)備，以確保船舶的安全性和可靠性。

Part 5

碳纖維在船舶領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，全球范圍內(nèi)越來越多的船舶制造商開始關(guān)注和應(yīng)用碳纖維材料。一些知名的船舶制造商如意大利的法拉帝集團(tuán)、美國的 Brunswick 公司等，都推出了采用碳纖維材料的高端游艇和高速客船。此外，一些國家的海軍也開始嘗試使用碳纖維材料制造軍艦，以提高軍艦的性能和隱身性能。

在我國，碳纖維在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸受到重視。一些國內(nèi)的船舶制造商和科研機(jī)構(gòu)開始開展碳纖維船舶的研發(fā)和制造工作。中國船舶集團(tuán)旗下的廣州船公司成功交付了中國香港首艘碳纖維混合動(dòng)力高速客船“新明珠 6”號(hào)，為我國碳纖維船舶的發(fā)展樹立了榜樣。

于2021年11月8日下水的“海珠灣”號(hào)客輪，是國內(nèi)首艘總長超過40米的全碳纖維結(jié)構(gòu)高速客輪，該船船體線型優(yōu)美，船長42.8米，型寬10.8米，可載客260人，設(shè)計(jì)航速超過37節(jié)，采用噴水式推進(jìn)。與傳統(tǒng)鋁合金船相比，它可節(jié)省30%以上燃油，重量更輕、強(qiáng)度更高、航速更快。其碳纖維船殼是使用一次真空成型技術(shù)制造而成，填補(bǔ)了國內(nèi)40米以上碳纖維船舶整船建造的技術(shù)空白。

此外，我國的一些高校和科研機(jī)構(gòu)也在開展碳纖維船舶的技術(shù)研究工作，為我國碳纖維船舶的發(fā)展提供了技術(shù)支持。

Part 6

碳纖維在船舶領(lǐng)域的未來前景

隨著碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，碳纖維的生產(chǎn)成本有望逐漸降低。例如，采用新的碳纖維生產(chǎn)工藝和原材料，可以提高生產(chǎn)效率，降低能源消耗，從而降低碳纖維的價(jià)格。此外，隨著碳纖維船舶制造技術(shù)的不斷成熟，制造成本也將逐漸降低，為碳纖維在船舶領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造條件。

減碳時(shí)代，隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的要求不斷提高，航運(yùn)業(yè)對(duì)綠色、節(jié)能、環(huán)保船舶的需求將不斷增長。碳纖維船舶作為一種具有顯著優(yōu)勢的綠色船舶，將迎來廣闊的市場前景。未來，碳纖維有望在更多類型的船舶上得到應(yīng)用，如貨船、油輪、集裝箱船等大型船舶，以及海洋工程船舶等特種船舶。

同時(shí)，為了推動(dòng)航運(yùn)業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型，各國政府紛紛出臺(tái)了一系列政策措施，鼓勵(lì)船舶制造商采用環(huán)保節(jié)能的技術(shù)和材料。例如，歐盟推出了“綠色航運(yùn)計(jì)劃”，對(duì)采用環(huán)保技術(shù)的船舶給予補(bǔ)貼和稅收優(yōu)惠。我國也出臺(tái)了一系列政策，鼓勵(lì)船舶制造業(yè)的綠色發(fā)展，為碳纖維在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用提供了政策支持。

Part 6

開啟綠色航運(yùn)的新時(shí)代

碳纖維作為一種高性能的材料，在船舶領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其高強(qiáng)度、輕量化、耐腐蝕等特性，為船舶的性能提升、環(huán)保節(jié)能和舒適性提供了有力的支持。盡管目前碳纖維在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用還面臨著成本較高、技術(shù)難度大等挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)創(chuàng)新和市場需求的增長，以及國內(nèi)各方積極推進(jìn)國產(chǎn)化進(jìn)程，這些挑戰(zhàn)將逐漸得到克服。未來，碳纖維有望在船舶領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，開啟綠色航運(yùn)的新時(shí)代。