海洋工程材料叢書：海洋工程聚合物基復合材料

第1章緒論
1.1海洋環境1
1.2聚合物基複合材料的定義5
1.3聚合物基複合材料的命名及分類5
1.3.1複合材料的命名5
1.3.2複合材料的分類6
1.4海洋工程用複合材料的發展意義與思考6
1.4.1複合材料對海軍艦艇的發展意義6
1.4.2複合材料在海工裝備中應用的優勢8
1.4.3海洋工程用複合材料中的應用差距9
1.4.4海洋工程複合材料面臨的問題探討9
參考文獻11

第2章海洋工程聚合物基複合材料的材料體系
2.1纖維增強材料及其織物12
2.1.1玻璃纖維及其織物12
2.1.2碳纖維及其織物20
2.1.3芳綸纖維及其織物31
2.1.4超高分子量聚乙烯纖維36
2.1.5碳納米纖維40
2.2樹脂基體材料43
2.2.1概述43
2.2.2不飽和聚酯樹脂44
2.2.3乙烯基樹脂45
2.2.4環氧樹脂47
2.2.5雙馬來醯亞胺樹脂50
2.2.6聚醯亞胺樹脂52
2.2.7氰酸酯樹脂53
2.2.8聚芳醚類熱塑性樹脂54
2.2.9雜萘聯苯聚芳醚58
2.3夾芯材料60
2.3.1泡沫夾芯60
2.3.2巴薩木61
參考文獻61

第3章海洋工程聚合物基複合材料的成型方法
3.1液體模塑成型工藝65
3.1.1液體模塑成型工藝簡介65
3.1.2液體模塑成型工藝類型65
3.1.3設備及輔助用具70
3.1.4預成型體72
3.2纏繞成型工藝74
3.2.1纏繞成型工藝簡介74
3.2.2纖維纏繞工藝類型75
3.2.3設備及輔助用具81
3.3拉擠成型工藝83
3.3.1拉擠成型工藝簡介83
3.3.2拉擠成型工藝類型85
3.3.3設備及輔助用具87
3.4模壓成型工藝89
3.4.1模壓成型工藝簡介89
3.4.2模壓成型工藝類型90
3.4.3設備及輔助用具91
3.4.4模壓料95
3.5熱壓罐成型工藝96
3.5.1熱壓罐成型工藝簡介96
3.5.2設備及輔助用具97
3.5.3預浸料99
3.6噴射成型工藝102
3.6.1噴射成型工藝簡介102
3.6.2成型設備103
3.7手糊成型工藝104
3.7.1手糊成型工藝簡介104
3.7.2設備及輔助用具105
3.8注射成型工藝106
3.8.1注射成型工藝簡介106
3.8.2設備和輔助用具107
參考文獻108

第4章海洋工程聚合物基複合材料的性能表徵
4.1組成材料性能表徵111
4.1.1纖維111
4.1.2織物114
4.1.3基體樹脂118
4.1.4預浸料121
4.2複合材料基本性能表徵122
4.2.1複合材料物理性能表徵122
4.2.2複合材料力學性能表徵123
4.3複合材料耐海洋環境表徵126
4.3.1耐老化性能126
4.3.2應力腐蝕131
4.3.3耐沖刷性能132
4.3.4耐空蝕性能132
4.3.5耐深海環境性能133
4.4複合材料功能性表徵134
4.4.1阻尼性能134
4.4.2聲學性能136
4.4.3隱身性能138
4.4.4防火性能140
4.5無損檢測143
4.5.1超聲無損檢測147
4.5.2鐳射錯位散斑檢測148
4.5.3X射線檢測149
4.6品質一致性評價150
參考文獻152

第5章海洋工程聚合物基複合材料的結構設計與分析
5.1結構設計特點及要求154
5.1.1設計特點154
5.1.2海洋環境、功能性、動力學、驗證等方面的要求156
5.2設計原則與一般流程158
5.2.1結構設計一般原則158
5.2.2結構設計一般流程159
5.3結構設計選材及工藝160
5.3.1海洋工程對材料的一般性要求161
5.3.2材料選材原則162
5.3.3海洋工程用聚合物基複合材料結構對成型工藝的一般性要求164
5.4結構形式的設計選型165
5.4.1層合板加筋結構165
5.4.2層合板夾芯結構166
5.4.3多層結構166
5.5結構強度與剛度的設計分析167
5.5.1複合材料結構設計167
5.5.2複合材料結構剛度設計168
5.5.3複合材料結構強度設計169
5.5.4複合材料結構屈曲設計169
5.5.5許用值的確定及應用170
5.5.6安全係數171
5.6功能性設計171
5.6.1聲學設計171
5.6.2動力學設計178
5.6.3隱身設計182
5.7複合材料連接設計188
5.7.1複合材料連接的分類與特點188
5.7.2機械連接設計189
5.7.3膠接連接設計192
5.8環境影響及防護196
5.9複合材料維修設計198
5.9.1複合材料損傷類型及檢測198
5.9.2複合材料損傷的維修200
參考文獻201

第6章聚合物基複合材料在海洋工程中的應用與展望
6.1複合材料在軍用艦艇上的應用203
6.1.1複合材料的優勢及典型應用部位203
6.1.2中小型隱身艦艇205
6.1.3反水雷艦艇207
6.1.4護衛艦210
6.1.5導彈驅逐艦211
6.1.6潛艇213
6.2複合材料在民用船舶領域的應用216
6.2.1漁業船舶217
6.2.2公務船219
6.2.3客運渡輪220
6.2.4救生艇221
6.2.5娛樂性船舶223
6.3船舶構件227
6.3.1複合材料船體227
6.3.2船舶上層建築228
6.3.3複合材料桅杆229
6.3.4推進系統230
6.3.5複合材料在二級結構、機械和裝備上的應用231
6.4海洋能源領域用聚合物基複合材料233
6.4.1近海工程233
6.4.2海洋鑽井平臺及深水油田237
6.4.3複合材料管道設備238
6.4.4系泊系統240
6.4.5浮標系統241
6.4.6發電設備242
6.5深潛設備246
6.5.1深潛設備的發展歷史246
6.5.2深潛設備的應用部位248
6.6海洋工程聚合物基複合材料的發展趨勢與建議251
6.6.1針對海洋工程聚合物基複合材料發展的技術性建議251
6.6.2針對海洋工程聚合物基複合材料發展的政策性建議252
參考文獻253
索引258

複合材料是由兩種或兩種以上材料獨立物理相通過複合工藝組合而成的新型材料，聚合物基複合材料則是指以聚合物作為基體材料的複合材料。各種材料在性能上取長補短，產生協同效應，使複合材料的綜合性能可以滿足各種不同的需求。作為新型結構功能材料，聚合物基複合材料具有可設計性強、比強度和比模量高、疲勞性能好、耐化學腐蝕等優點，在海洋濕熱、高鹽霧的環境條件下也能夠保持良好性能。

鑒於以上諸多優點，聚合物基複合材料在船舶及海洋工程中具有獨特的優勢，在軍艦、潛水器、海底油田、管道系統、系泊系統、浮島建設、潮汐發電等領域，國外已經有了較為廣泛的應用。例如在漁船領域，美國目前近海捕撈船的船體結構幾乎全部為玻璃纖維增強聚合物基複合材料製造，日本的玻璃鋼漁船比例在2010年就達到了963%；在軍船領域，採用聚合物基複合材料製造的上層建築能夠實現隱身、減重、降噪等功能。

海洋工程裝備用聚合物基複合材料經歷了從無到有、從小到大的發展過程，但從使用的“質”和“量”來看，相對發達國家都還有著一定的差距。因此本書以聚合物基複合材料的材料體系、成型工藝、性能檢測、結構設計及其在海洋工程領域的發展應用為主要內容，介紹了聚合物基複合材料從原材料到成型再到設計使用的基本知識，並對今後海洋工程用聚合物基複合材料的發展方向做出了展望。

本書共分6章，其中第1、2、3、6章由北京航空航太大學肇研教授組織編寫，第4、5章由中國船舶重工集團公司725研究所蔡斌研究員組織編寫。此外，北京航空材料研究院的包建文研究員、大連理工大學的蹇錫高院士、青島海洋化工研究院的陳先工程師等也為此書的編寫完成提供了很大的幫助和指導。

本書以基礎概念的介紹和講解為切入點，展示了當前國內外使用多的海洋工程聚合物基複合材料種類及其設計、製備、應用、檢測等各方面知識，同時介紹了主要材料的產品牌號，各項成型工藝的設備類型，各項性能的檢測標準，以及一系列應用實例。編者期望本書能夠讓從事海洋工程建設工作的科學工作者及研究人員對於聚合物基複合材料有全面認識，能為今後海洋工程事業的建設提供説明；同時也希望能為聚合物基複合材料專業的本科生、研究生、教師及學者提供一些有用的參考。

由於本書涉及的領域較廣，其中關聯到不少複雜的科學問題，加之編者學識水準與能力所限，必然會存在一些不當之處，懇切希望廣大讀者批評指正。

編者
2016年3月