船用复合材料的应用状况分析

2017-10-13

  复合材料的商业应用已经有50 年的历史。在商业化的初始阶段,它们只是用在航空航天和国防等高端应用中。随着技术的进步越来越多,复合材料开始在不同的终端用户行业得到商业化应用,例如体育用品、民用航空、汽车、船舶、土木工程和建筑。截至目前,复合材料的成本(包括原材料和制造方面)较往年已有大幅下降,这使得它们得以大规模应用于所有的行业。

  复合材料是纤维和树脂材料按照一定比例混合而成的。而树脂基体决定了复合材料的最终形状,纤维作为增强材料,则用于强化复合材料部件。树脂和纤维的比例随着一级供应商或原始设备制造商(OEM)所要求的部件强度和刚度的不同而变化。

  与树脂基体相比,主承力结构需要更高比例的纤维,而二级结构只需要在树脂基体中加入四分之一的纤维。这一点适用于所有行业,树脂和纤维的比例取决于制造的方法。

  海上游艇产业已成为全球复合材料(包括泡沫芯材)消费的主力军。然而,从2008 到2010 年,它经历了一个低迷时期,造船活动放缓,库存攀升。这种需求的减少可能是因为消费者的谨慎、购买力的下降,以及有限的资源重新分配到了利润更高更核心的商业活动中去。造船厂也重新调整他们的产品和商业策略以减少损失。这一时期有许多小船厂由于营运资本的损失,无法维持正常业务,从而被迫退出或被收购。大型游艇(>35 英尺)的制造遭受打击,而小船(< 24 英尺)成为了制造焦点。

  这种情况在未来两年可能会继续,而Frost & Sullivan 估计,小型船艇将成为船用复合材料的主要驱动力。

  为什么是复合材料

  复合材料在船艇制造方面比金属和其他传统材料,如木材,具有更多的优点。与钢或铝等金属相比,复合材料可以将部件的总重量减少30 ~ 40%.重量的整体减少带来了一连串的二次优势,如更低的运营成本、更少的温室气体排放和更高的燃油效率。复合材料的使用还通过部件整合,消除了紧固件,从而进一步降低重量。

  复合材料也为船艇建造师提供了更大的设计自由度,从而有可能制造出形状复杂的部件。此外,如果将复合材料与有竞争力的材料相比,复合材料部件的寿命周期成本明显更低,因为它的维护成本更低,而且由于具有耐腐蚀性和耐久性,其安装和装配的成本也更低。这就难怪复合材料在船艇原始设备制造商和一级供应商之中的接受度越来越高。

  为什么不是复合材料

  尽管复合材料具有诸多优点,使用复合材料当然也存在缺点。复合材料应用面临的最大挑战就是原材料和制造成本。

  复合材料比类似金属更昂贵,因为玻璃纤维、碳纤维、泡沫芯材,以及热固性和热塑性树脂的价格都比较高。同时,对于复合材料部件的制造,其模具和资本成本与金属一样高。复合材料不像金属,还缺乏标准化。虽然这在创造新型复合材料方面起着主要作用,但它们的广泛应用受到了阻碍, 因为复合材料部件制造商每次使用新的树脂和纤维时,都需要测试复合材料部件的性能表现。其他的缺点,比如较差的可修复性和可回收性,也影响了它们的应用。

  较差的可修复性是因为复合材料是无定形的或异构材料,它的某些特定性能,如强度和刚度,是统一在一个或两个方向的。这点与金属是不同的,因为金属是可以延展的,而且是同质的。因此,复合材料部件出现故障后,必须整个换掉,而不能使用补丁。然而,有一些特定的直接修复方法,使部件可以采用补丁进行修复,如激光焊接,虽然这种方法还没有得到大范围的使用。

  复合材料不像钢或铝,是不可回收的。热固性复合材料在寿命周期终端很容易热解,纤维和树脂的各自回收正处于深入研究阶段。热塑性塑料的可回收性较好,但回收的树脂与未用过的聚合物相比较,性能较差。然而,由于回收机制和立法在全球仍处于起步阶段, Frost & Sullivan 并不认为这是船用复合材料应用的主要制约因素。

  船用复合材料

  尽管复合材料有许多缺点,但许多造船厂和一级供应商仍坚信,海上游艇将会采用更多的复合材料。

  虽然大型船艇预计将使用更多的先进复合材料,如碳纤维增强塑料(CFRP),但小型船艇将成为整个船用复合材料需求增长的主要推动力。例如,在许多新的游艇和双体船中,先进复合材料,例如碳纤维/ 环氧树脂和聚氨酯泡沫,被用来制造船体、龙骨、甲板、横架、钻机、舱壁、纵桁和桅杆,但这些超级游艇或双体船只占船艇总需求的一小部分。

  生产制造过程中的科技进步使得复合材料部件的成本实现了整体降低,也达到了更高的生产量。现在开模成型技术正逐渐向闭模成型工艺转变,例如从利用较多手工劳动、消耗较多时间的手糊、喷射等开模工艺转向一系列闭模成型技术,如树脂传递成型(RTM)、真空辅助RTM 成型(VARTM)、轻型真空树脂灌注成型(RTM Light)、真空树脂浸渍成型(VIP)、闭腔真空袋成型(CCBM)、Seemann 复合材料树脂浸渍成型工艺(SCRIMP)。这些闭模成型工艺具有更大的灵活性,可以生产出各种尺寸和复杂程度的零件;能够以更快的速率进行生产(得益于自动化和更少的手工劳动);还可以得到较高的部件质量,因为孔隙含量降到了最低的程度。

  但是全球经济放缓影响了全球许多行业,船艇产业也不例外。例如,2009 年,全球游艇的需求下降了23%,2010 年又进一步下降了9.5%.

  船艇的整体需求包括机动船(舷内、舷外和船尾驱动)、喷气船、私人船艇和帆船(游艇)。2011 年,美国单个国家的销量占到了全球新船需求的50% 以上。欧洲占到了总需求的30% 多,世界其他地区(包括加拿大、亚洲、澳大利亚和新西兰)占有了剩下的不到20%.

  据预计,海上休闲船艇市场在美国的复苏速度将快于欧洲,年增长率大约为5%.

  基于对复合材料深入应用的其他假设,Frost & Sullivan 公司预计,船用复合材料市场将从2011 的大约13.5 万吨增长到2018 年的20 万吨,年复合增长率(CAGR)为5.6%.这相当于总收入从2011 年的9 亿美元增长到2018 年的15 亿美元,年复合增长率为7.1%.

  复合材料的价格将处于上行轨道, 因为玻璃纤维、热固性和热塑性树脂的价格将随着原油价格的增长和其他投入成本的增加而上升。不过,碳纤维的价格由于产能的增加和备用前驱体的发展,预计在不久的将来将会有所下降。但是其对船用复合材料价格的总体影响将不会很大,因为碳纤维增强塑料只占船用复合材料需求的一小部分。

  另一方面,玻璃纤维依然是船用复合材料的主要纤维材料,不饱和聚酯和乙烯基酯则是主要的聚合物材料。聚氯乙烯(PVC)将继续在泡沫芯材市场占据主要份额。

  截至2011 年,玻璃纤维增强塑料(GFRP)占整个船用复合材料需求的80% 以上,而泡沫芯材占15%.其余的是碳纤维增强塑料,它们主要用于大型船艇和小众市场的关键撞击应用中。

  不断增长的船用复合材料市场也见证了新材料和新技术的发展趋势。船用复合材料供应商重新开始了商业行动,引入新的生物树脂、天然纤维、低排放的聚酯、低压预浸料、芯材和编织的玻璃纤维材料。这一切都是为了增加可回收性和可再生性,降低苯乙烯含量,以及提高加工性能和表面质量。

  因此,在船艇建造活动复苏和复合材料应用信心增强的背后,船用复合材料市场整体出现了积极的增长。然而,要实现2008 年的高峰销量,路还很远,但这种情况一定会在2017 年前出现转机的。