第十八届中国国际船艇及其技术设备展览会暨高性能船学术报告会２０１３年４月１１－－１４Ｅｌ新型量产化碳纤维游艇的设计研发与制造王志健１房强２周小安３马娟２戴昱３元新燕３姜标３１上海明莱船舶技术有限公司２中国科学院上海有机化学研究所３中国科学院上海高等研究院摘要：随着中国经济和社会的快速发展，高端游艇产业在国内的需求日益增加，对游艇节能环保的期望也越来越高，因此高性能、轻量化游艇的产品设计与制造更显突出。本文专门设计了轻量化结构的游艇船型结构，经过水池实验证明，碳纤维复合材料游艇较普通玻璃钢游艇减少约２０％的航行阻力。并通过采用中科院上海有机所和高等研究院开发的专用环氧树脂和真空辅助成型工艺（ＶＡＲＩ．ＶａｃｕｕｍＡｓｓｉｓｔｅｄＲｅｓｉｎＩｎｆｕｓｉｏｎ）技术，制造了一条ｌｌ米长的高性能、低能耗全碳纤维复合材料动力游艇。通过ＶＡＲＩ技术的应用和完善，不仅可以降低高性能碳纤维复合材料游艇的成本，实现该轻量化结构游艇的量产，同时也可为其他复合材料大型制件提供低成本的成型技术。关键词：游艇，碳纤维复合材料，低能耗，轻量化，低成本量产引言游艇是中国新兴的朝阳行业，与国外发展百年的游艇行业相比，中国游艇设计与制造、中国游艇的市场的发展正处于初级阶段，游艇的设计更是处于什么学习阶段，主要还是跟从国外的游艇设计风格和技术，游艇的制造主要还是局限于玻璃纤维增强复合材料。随着中国的快速发展，游艇产业在国内已经具有很强的产业消化能力以及对高端游艇的需求，而且对游艇绿色环保的要求也越来越高，因此游艇产品设计与制造迫切需要升级换代，以满足国内高端需求。随着碳纤维复合材料技术的发展，一些新的设计思路和成型技术的开发，国外一些顶尖的游艇公司利用碳纤维复合材料作为艇体材料，逐步开发了一些高端游艇产品，如Ｗａｌｌｙ开发的碳纤维艇系列等。这些高端游艇都突出了新的产品设计理念以及高性能碳纤维复合材料技术应用。然而这些高端游艇产品主要作为奢侈品，其高昂的成本很难实现大规九游娱乐官方网站模的量产。我们针对游艇的需求，从高强度、轻量化、节能环保、低成本并能够工业量产的角度，结合中科院上海有机所和高等研究院在碳纤维复合材料低成本技术，专门设计了轻量化结构的游艇船型结构，并经过水池实验验证了碳纤维游艇的低能耗性。通过建造工厂的实践检验，采用中科院上海有机所和高等研究院的开发专用环氧树脂和真空辅助成型工艺（恻．ＶａｃｕｕｍＡｓｓｉｓｔｅｄＲｅｓｉｎＩｎｆｕｓｉｏｎ）技术，制造了一条１１米长的高性能、低能耗全碳纤维复合材料动力游艇。其结果表明，采用中科院上海有机所和高等研究院的开发专用环氧树脂和ＶＡＲＩ技术，不仅可以降低高性能碳纤维复合材料游艇的成本，实现该轻量化结构游艇的量产，而且可以大大降低目前国内游艇生产中有机挥发物苯乙烯的释放，满足游艇绿色环保的要求。１．设计与实验部分１．１产品设计与研究产品的设计依照以下流程进行：ａ）首先通过数据收集获得同类型游艇的建造成本数据，并综合分析游艇的成本组成与比例。ｂ）通过比较，设定设计游艇的目标性能、参数和预计结果。
第十八届中国国际船艇及其技术设备展览会暨高性能船学术报告会２０１３年４月１１－－１４日ｃ）设计与理论计算，通过设计计算获得船体线型、结构重量、排水量以及动力配套，并以此为基础校核船舶稳性，进行水动力试验。ｄ）根据实验结果进行设备选型，成本核算，反复进行设计与比较，直到获得满意的结果。１．２碳纤维环氧树脂复合材料的制备实验原料：碳纤维布（Ｔ３００，１２Ｋ），环氧树脂（自制）及相关辅料。１）手糊成型制备碳纤维复合材料：将碳纤维布按照一定铺层设计，在打好蜡的模具（光滑玻璃板）上，将自制的环氧树脂和碳纤维布进行手糊成型，制得碳纤维复合材料板。２）真空辅助成型制备碳纤维复合材料：将碳纤维布按照一定铺层设计，在打好蜡的模具（光滑玻璃板）上，将碳纤维布铺层在模具上，然后进行密封处理，再抽真空，在确保体系不漏气的前提下，将树脂真空注入到体系中。在树脂浸润碳纤维布的前提下，将多余的树脂抽出，并在真空下固化成型，制得碳纤维复合材料板。１．３游艇的制造ａ）制品模具制造：选用高模量性变小的树脂材料。ｂ）主船体采用真空灌注工艺进行成型。ｃ）甲板盖采用湿法真空袋工艺进行成型。ｄ）构建及甲板采用手工糊制工艺进行成型。ｅ）固化脱模制品主体结构脱模后，其余安装及内外装饰与传统游艇工艺类似。２．讨论与结果２．１碳纤维游艇产品的设计图１低成本碳纤维产品的设计，核心在于碳纤维成型材料较玻璃钢材料强度更大，因而能够减少主材的使用，减轻九游娱乐官方网站船体重量，从而减小能耗，在同等航速的要求下，实现更小的主机配置，通过提高主材成本比例，降低机电设备的成本，来实现成本控制。Ｃ３２．２
第十八届中国国际船艇及其技术设备展览会暨高性能船学术报告会２０１３年４月ｌｌ—１４日为了能够对两种材料的游艇进行同级别的比较，在选定的相同的船体线形的基础上，我们完成了２套完整的设计，包括碳纤维材料以及玻璃纤维材料的游艇的船体、结构、配重、稳性以及水动力的设计和比较。而比较指标则是其整备重量以及航行阻力。因此进行拖曳实验校核表ｌＴｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｙａｃｈｔ主尺度参数碳纤维设计吃水玻纤设计吃水ＭａｉｎＤｉｍｅｎｓｉｏｎＣＦＲＰＧＲＰ总长Ｌｏａ（ｍ）１０．０００１０．０００平均吃水Ｔ（ｍ）０．５０００．５５０水线湿表面积Ｓ（ｍ２）２０．４６５２２．７８３而通过反复设计比较，拖曳水池实验，最终获得结果如下：图２：Ｔｏｗｉｎｇｂａｓｉｎｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｖ．１撇Ｉ图３：Ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｐｅｅｄ比较获得的结论是在航行阻力优化段，碳纤维游艇较玻璃钢游艇减少约２０％的航行阻力。同时相较纵倾角，碳纤维材料游艇的航行最大纵倾角明显小于玻璃钢游艇：Ｃ３２—３
第十八届中国国际船艇及其技术设备展览会暨高性能船学术报告会２０１３年４月１１—１４日因此在轻量化和航态方面，同船型相比较碳纤维游艇有明显的优势；而后续的根据规范要求进行的稳性核算也证明经过特别设计的船型，虽然排水量降低，但是依然能够满足稳性的要求。２．２适用于ＶＡＲＩ工艺成型的环氧树脂开发在真空辅助成型工艺中，要求基体树脂低粘度，借助真空即可在增强紧密堆积的高密度预成型体中流动、浸润、渗透；足够长时间的不变粘度，有利于浸透、排气，树脂工作寿命满足结构要求：固化时无需额外压力，只需真空。我们针对ＶＡＲＩ成型技术特点，开发了专用的环氧树脂。图４：Ｔｈｅｃｕｒｖｅｏｆｃｕｆｉｎｇｅｏｏｘｙｒｅｓｉｎ图４为环氧树脂在加入固化剂后固化反应的ＤＳＣ曲线。Ｃ／ｍｉｎ）。反应的起始温度在４０℃左右，固化反应放热峰值在９５℃，可见环氧树脂的固化反应可以在较低的温度下进行，可实现低温固化。从图中可以看出，固化反应放热峰比较平稳，即固化反应放热量比较低，在碳纤 维复合材料的成型过程中可以大大降低应力的产生，从而可以获得高性能的碳纤维复合材料。 我们对环氧树脂的粘度和凝胶时间进行了测试。在室温下３小时中，环氧树脂的粘度没有明显 的变化，且粘度较低，保持在２００～５００ｃｐ范围内。在４０℃下，环氧树脂的凝胶时间为４个小时，这 为环氧树脂的真空灌注提供了足够的低粘度和操作时间。因此，开发的环氧树脂满足了真空辅助成 型工艺的需要。 ２．３碳纤维环氧树脂复合材料性能 表２不同成型工艺环氧树脂复合材料的力学性能 测试项目 单位 手糊成型 真空辅助成型 巴氏硬度 ５４ 拉伸强度 ＭＰａ ５３２ ６９８ 拉伸模量 ＧＰａ ４７．０ ８０．９ 压缩强度 ＭＰａ ２００ 压缩模量 ＧＰａ １７．９ Ｃ３２．４
第十八届中国国际船艇及其技术设备展览会暨高性能船学术报告会 ２０１３年４月１１—１４日 弯曲强度 Ｎ口ａ ４２２ ５８６ 弯曲模量 ＧＰａ ４４．７ ６２．４ 以１２Ｋ碳纤维布分别通过手糊工艺和真空辅助成型工艺制备了碳纤维增强的环氧复合材料。前 者复合材料中环氧树脂的含量为４５＂－－＇５０％，后者复合材料中树脂含量为４２＂－－＇４５％。其力学性能列于 上表中。从表中的数据可以看出，真空辅助成型工艺制备的复合材料性能明显优于手糊成型复合材 料，碳纤维增强环氧树脂复合材料具有良好的力学性能，可以满足高性能游艇工程设计的需求。 ２．４游艇制造中的工艺研究 １）环氧树脂在碳纤维中的渗透性 环氧树脂注入是真空辅助成型技术中关键的步骤，在真空条件下，环氧树脂在碳纤维及织物中 的流动、渗透与浸渍，直接影响复合材料构件的质量与性能。通过实验室实验，环氧树脂在真空压 实的碳纤维布中具有良好的渗流特性，即在纤维布的平面方向和垂直方向均具有良好的流动性和渗 透性，对碳纤维布具有良好的浸润效果。碳纤维布在层铺过程中，由于艇体结构为曲面，易滑落， 所以使用３Ｍ胶水沾贴，以保证碳纤维布在层铺的过程中保持整齐。在游艇艇体的制备过程中，环 氧树脂树脂均匀导入到模具中，同时树脂流向艇体各个部位的速度比较均一，最终制备的艇体具有 优良的表面性能。 ２）环氧树脂的固化 在游艇的制造过程中，环氧树脂的固化是一个比较关键的步骤。根据环氧树脂的固化反应温度 特性及流变特性，在树脂注入的过程中，保持整个体系处于室温状态，使树脂的操作周期长，以便 树脂通顺利注入而不会固化。注入完毕后，迅速提高加工现场的温度至４０。Ｃ，一方面降低树脂的粘 度，通过抽真空的方式将艇体中多余的树脂抽出，降低树脂含量；另一方面升温可以缩短树脂的固 化凝胶时间。为了达到真空下凝胶固化定型，减少气泡的产生，在游艇制造中，环氧树脂的固化过 程一直保持真空状态。凝胶固化成型后，继续升温后固化以保证树脂尽可能完全固化。 ３．结论 通过先进的设计方案以及高性能碳纤维复合材料技术，可以设计轻量化和良好航态稳性的高性 能游艇，在航行阻力优化段，所设计的较普通玻璃钢游艇减少约２０％的航行阻力。以中科院上海有 机所和高等研究院开发的专用环氧树脂和碳纤维复合材料低成本技术不仅可以降低高性能碳纤维复 合材料游艇的成本，实现该高性能、动力轻量化结构游艇的量产：而且可以大大降低目前国内游艇 生产中有机挥发物苯乙烯的释放，满足游艇绿色环保的要求。 Ｃ３２．５
