首艘碳纖維混合動力高速客船“新明珠 6”號
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”。
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)及推廣項目合作框架協(xié)議》。作為船用復(fù)合材料的主要研發(fā)機構(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。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)、碳纖維界面性能強化技術(shù)、高強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、碳纖維復(fù)合材料成型工藝、典型艙段建造與考核評價等，實現(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、控制點相關(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。
碳纖維在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢
提高船舶性能
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。
增強穩(wěn)定性。碳纖維的高強度和高剛度可以提高船體的結(jié)構(gòu)強度和穩(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)一步降低運營成本。
環(huán)保節(jié)能
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，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，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
提升舒適性和安全性
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。
碳纖維助力開啟綠色航運新時代
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，開啟綠色航運的新時代。（來源：榮格）
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