何为复合材料?就是把两种或多种不同性质的材料(如高强度纤维和韧性基体)“组合”在一起,创造出性能远超其中一种单一材料的新材料,达到“强强联合”的效果。复合材料的核心优势在于“性能可设计性”,通过调整纤维的种类(如碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维等)、排布方式和基体材料(树脂、金属和陶瓷),同时采用复合工艺,精准定制满足特定需求的“超级材料”,在轻量化、高强度、耐腐蚀、低可探测性(隐身)、抗电磁干扰等方面具有突出表现。
纵观复合材料在海军舰艇上的应用,其走出了一条从“配角”到“主角”的进阶之路。早期探索:非承力结构替代。复合材料在海军舰艇上的应用,始于雷达罩、烟囱外罩、舱壁板等非关键或低承力部位,目的是利用其轻质(比钢轻50%至70%)和耐腐蚀特性,减轻舰体重量,延长舰艇使用寿命并降低维护成本。
功能拓展:次承力结构应用。21世纪初,随着材料性能提升和连接技术发展,复合材料逐渐应用于桅杆、上层建筑模块等次承力结构。美国独立级濒海战斗舰的三体船型结构中使用大量复合材料(占比超过50%),使得舰体大幅降重,雷达反射截面积明显减小。英国23型护卫舰的上层建筑采用复合材料,减重约30%。法国拉斐特级护卫舰也大量采用复合材料,隐身性能大幅提升。
多功能集成:主承力结构+功能一体化。当前,技术发展已经指向舰艇主承力结构(如船体、甲板)的复合材料化,同时追求结构承载与隐身、传感、电磁等多维功能的高度集成。英国正在研发的26型、31型护卫舰,俄罗斯“戈尔什科夫海军元帅”号护卫舰等,都在探索复合材料的集成化应用,实现舰艇平台“质”的飞跃。
由此可见,复合材料在舰艇上的应用,从早期单一性能替代,发展到结构与功能一体化多维耦合与协同优化,是一个逐渐进化的过程。
现代海战强调体系化对抗,复合材料凭借独特的性能,为舰艇构筑起多道“复合防线”。第一道隐身防线,包括雷达隐身、红外隐身和声学隐身。雷达隐身方面,复合材料可设计为电磁波吸收结构,使舰艇的雷达反射信号锐减。
例如,美军朱姆沃尔特级驱逐舰使用复合材料制成的一体化上层建筑具有极低的可探测性。红外隐身方面,复合材料的导热性远低于金属,可一定程度减少主机舱、排烟系统等高温部位的热量向外扩散,从而降低红外信号特征。声学隐身方面,复合材料具有优异的阻尼减振降噪特性,可有效抑制舰艇机械振动噪声向水中辐射,提升静音性能。
第二道结构防线,不仅打造“轻甲”,还构筑“韧盾”。在同等承载能力条件下,一些先进复合材料比高强度钢轻50%以上,比铝合金轻20%左右。这种轻量化材料应用于舰艇制造中,意味着更快的航速、更远的航程和更小的动力需求。这对于追求高速、高机动性、长航时的舰艇和小型/无人平台来说至关重要。
另外,复合材料具有天然抗腐蚀功能,避免了钢铁舰体的锈蚀问题,大幅降低舰体维护成本。同时,复合材料的抗疲劳性能优于金属,延长了舰体结构寿命。一些复合材料如玻璃纤维、芳纶纤维等本身不导磁,是制造扫雷舰的理想材料,可避免自身磁场干扰探测或触发水雷。此外,通过特殊设计(如夹层结构、能量吸收芯材),复合材料可展现出优异的抗爆炸冲击能力,提升舰艇在遭受攻击时的生存力。
第三道电磁防线。特定复合材料(如玻璃纤维增强树脂基),具有优异的电磁波穿透性,是雷达罩、通信天线罩的理想材料,能保证内部精密电子设备正常工作不受遮挡。可设计复合材料能实现特定频段的电磁屏蔽,用于保护敏感设备免受干扰。另外,复合材料结构还为天线、传感器等电子设备的嵌入式安装提供便利,实现结构与功能一体化。
第四道装备防线。由复合材料制造的声呐导流罩,如大型球鼻艏声呐罩,声学透波性能优异且强度高,是现代反潜舰艇的核心装备之一。复合材料制成的发射箱/筒具有轻质、低信号特征,已广泛应用于垂直发射系统。此外,复合材料还用于制造舰载无人机、无人艇和无人潜航器,其轻质、高强等特性,契合无人平台对续航力、载荷能力和机动性的要求。
复合材料技术的持续发展,将深刻影响未来海战形态。一方面,未来复合材料舰体将不仅是承力平台,还是集感知、驱动、自诊断甚至自修复功能于一体的智能平台,从而提升舰艇的战场生存能力和维护效率。另一方面,诸如结构承载、能量存储、电磁调控、隐身等功能,将在单一复合材料结构中实现深度集成。如此一来,舰艇平台将从“搭载设备”进化为“有机生命体”。
不仅如此,更多先进智能材料将应用于舰艇制造领域。例如,耐超高温、抗烧蚀的陶瓷复合材料,是高能武器发射平台、高超音速飞行器热防护系统的理想材料。复合材料3D打印技术的快速发展,将实现大型、复杂、高度定制化舰艇构件的高效、低成本制造,尤其适用于维修保障和分布式小批量无人平台生产,加速装备迭代和部署。
从维斯比级护卫舰的碳纤维复合材料舰体,到研制中的复合材料3D打印技术,复合材料带来的不仅是舰艇平台的轻量化、隐身化发展,还有海战模式的加速演进。
来源:中国军网、解放军报、中国国防报等综合