由中國船舶集團(tuán)有限公司攜手中國船級社及用戶共同打造香港地區(qū)純電動碳纖維客船，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 米以上級別高速客船的船企。該工藝需用到 T700 級別的碳纖維材料配套乙烯基酯樹脂，但國內(nèi)此強(qiáng)度級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)合材料綜合性能評價(jià)、碳纖維復(fù)合材料成型工藝、典型艙段建造與考核評價(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。對于高速客船和游艇等對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”號采用碳纖維材料和混合動力系統(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，減少對環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

降低噪音和振動。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。對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、“新明珠2”號，采用碳纖維材料和混合動力系統(tǒng)，提高了航行速度和環(huán)保性能。高速客船對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)者對個(gè)性化和美觀的需求。例如，Baltic公司建造的超級游艇“巴拿馬”號，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”級巡航艇和瑞典的Visby級護(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力高速客船“新明珠 6”號，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)，為了推動航運(yùn)業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型，各國政府紛紛出臺了一系列政策措施，鼓勵船舶制造商采用環(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。我國也出臺了一系列政策，鼓勵船舶制造業(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。