芬蘭Baltic公司采用碳纖維打造超級游艇

芬蘭北部地區(qū)是游艇建造商的發(fā)源地，長期為游艇所有者津津樂道。Baltic游艇公司采用高性能的復(fù)合材料制造高強(qiáng)度且輕質(zhì)的船艇，以滿足船艇所有者的期望。George Marsh對此進(jìn)行了報(bào)道。

Baltic游艇公司認(rèn)為，一艘設(shè)計(jì)并建造良好的適當(dāng)重量的游艇不僅具有優(yōu)異的性能，而且不會喪失傳統(tǒng)優(yōu)勢。為證實(shí)這一觀點(diǎn)，Baltic公司已成為碳纖維復(fù)合材料船艇制造商的主要代表。

目前，Baltic公司正在位于Jakobstad的船廠內(nèi)建造最令人稱奇的超級游艇項(xiàng)目：一艘巨大的67米長的雙桅船。該船被稱為“巴拿馬”超級雙桅船，雖然船身長達(dá)60米，主桅桿高62.5米，但該船的總重僅為210噸。

如此低的重量是因?yàn)榇砗图装宀捎昧艘蕴祭w維/環(huán)氧樹脂為蒙皮、Nomexǚ湮巡牧蝦虲orecelltm結(jié)構(gòu)泡沫為芯材的夾層結(jié)構(gòu)。瑞士固瑞特（Gurit）公司設(shè)在英國懷特島上的船艇業(yè)務(wù)部門SP公司與該船的設(shè)計(jì)者——船艇設(shè)計(jì)師Gerard Djikstra和Reichel Pugh緊密合作，負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。參與合作的英國Rhoades Young提出了復(fù)合材料內(nèi)飾概念，不僅重量極輕，而且采用了是非常舒適和漂亮的懷舊風(fēng)格。

Baltic制造的長46米的Pink Gin 2的船身、甲板、船艙壁總重只有35噸左右。
（圖片致謝：Pertti Puranen）

巴拿馬號的船尾底部又長又平，一個(gè)厚厚的圓形龍骨與碳纖維船身相連。龍骨可以收起，將吃水深度從9.5米降至3.5米。這艘船具有經(jīng)典的外形和許多創(chuàng)新的特性，預(yù)計(jì)將于2011年建成并下水。

雖然Baltic游艇公司出于保密原則不能討論巴拿馬號雙桅船的技術(shù)細(xì)節(jié)，但我們了解到，該船的主體結(jié)構(gòu)船身和甲板總重能夠保持在45噸以下，要?dú)w功于先進(jìn)的材料和制造工藝。該公司采用夾層結(jié)構(gòu)作為船的內(nèi)艙壁，夾層結(jié)構(gòu)由碳纖維預(yù)浸料蒙皮和Nomex和Corecell芯材組成，利用真空袋技術(shù)成型并于85℃下固化而成。碳纖維預(yù)浸料、芯材、膠粘劑和環(huán)氧層壓樹脂都是由SP提供的。船身在Baltic位于內(nèi)陸的Bosund工廠制造完成后，才被運(yùn)到位于Jakobstad海岸的新工廠內(nèi)。甲板也是在Bosund工廠分兩部分層壓而成的。船最終在占地5000平米的新工廠內(nèi)建造完成。

主桅桿和后桅桿分別高62.5米和57.5米，均采用碳纖維復(fù)合材料制成，可以支撐起2400平米的帆。碳纖維制成的船首斜桅可以在船靠岸時(shí)取下。固定索具采用Future Fibres公司的PBO纖維制成，據(jù)說相比不銹鋼索具可以減重5噸。這將是迄今為止最大的復(fù)合材料固定索具。

在主要的船身和甲板結(jié)構(gòu)中，對于應(yīng)力集中區(qū)的設(shè)計(jì)給予了特別的關(guān)注，例如甲板縫隙周圍和龍骨區(qū)域的應(yīng)力特別高。

與主結(jié)構(gòu)一樣，內(nèi)部的船艙壁也是碳纖維夾層結(jié)構(gòu)。其他板材和家具同樣為輕質(zhì)夾心結(jié)構(gòu)。機(jī)艙對防火安全的要求非常嚴(yán)格，采用的是特殊的防火預(yù)浸料。

工藝的演變

創(chuàng)新是Baltic公司的一大特點(diǎn)，巴拿馬號超級雙桅船的制造技術(shù)就是一種不斷改進(jìn)而來的工藝。7年前該公司推出了一艘44米長的豪華單桅船Visione號，采用的是當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的碳纖維帆船結(jié)構(gòu)。

Visione的船身、甲板和船艙壁所采用的夾層結(jié)構(gòu)是以碳纖維-芳綸纖維預(yù)浸料為蒙皮，Nomex蜂窩材料為主要芯材的，但在船身容易遭到撞擊的位置采用了部分Corecell芯材。

分析表明，船身可以承受大型單桅船索具和活動龍骨結(jié)構(gòu)在船頭和船尾所造成的巨大彎曲載荷。裝有活動龍骨的碳纖維增強(qiáng)塑料船體可以承受2000噸的擱淺載荷，因此現(xiàn)在的巴拿馬號才能承受高于此50%的載荷。

為進(jìn)一步加固船頭和船尾結(jié)構(gòu)，制造商采用了延展性最高的碳纖維增強(qiáng)材料，并有選擇的使用了中等模量的碳纖維。船身和甲板采用陽模一體成型，單向纖維可以很好地鋪放在陽模上，這一點(diǎn)在凹面的陰模內(nèi)很難做到。

Baltic公司是較早采用預(yù)浸工藝提高比強(qiáng)度的公司之一。長46米的Pink Gin 2的碳纖維船身、甲板、船艙壁和增強(qiáng)結(jié)構(gòu)總重只有35噸左右；180噸的排水量相當(dāng)于一艘傳統(tǒng)材料制成的220噸重的船的排水量。 123456

Baltic的生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)過去幾年一直致力于工藝的改進(jìn)，例如加大預(yù)浸料中纖維/樹脂的比例，提高真空度，以及精確的溫度控制。2001年該公司購買了一臺40噸的層壓機(jī)，從而可以生產(chǎn)出比真空袋工藝更平滑、更輕的結(jié)構(gòu)艙壁和其他內(nèi)飾板。

Pink Gin 2上的創(chuàng)新之處包括Kevlar纖維桅桿、兩個(gè)駕駛艙和為減輕噪音而大量使用的乙烯基屏蔽層。碳纖維船艇由于材料硬度很高，船身和甲板結(jié)構(gòu)就像管弦樂隊(duì)的音箱一樣可以將最微弱的聲音放大。柚木裝飾的碳纖維夾層結(jié)構(gòu)用于制造餐桌和其他家具，甚至內(nèi)部的扶手也采用了柚木裝飾的碳纖維復(fù)合材料管。


Pink Gin 2的堅(jiān)固的碳纖維復(fù)合材料船體要承受非常高的擱淺載荷。
（圖片致謝：Pertti Puranen）

減重

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Baltic自1973年開始推出了定制游艇業(yè)務(wù)，制造的船艇長度范圍在11.5-60米之間。客戶對最高標(biāo)準(zhǔn)的建造技術(shù)和性能的要求及其經(jīng)濟(jì)實(shí)力，促使該公司可以進(jìn)行創(chuàng)新工藝和材料的開發(fā)。

剛剛卸任的市場總監(jiān)Per Goran Johansson（由Kenneth Nyfelt繼任）和輕質(zhì)技術(shù)解決方案的一位主要推動者很清楚，復(fù)合材料是重量最小化的關(guān)鍵所在，并且不會損失強(qiáng)度和安全性能。此外，高技術(shù)的材料和制造工藝也賦予船艇更好的質(zhì)量和耐久性。

對于Johansson來說，重量幾乎是一個(gè)有形的敵人，他認(rèn)為減輕主要結(jié)構(gòu)的重量有多重好處。例如，在一定的壓載/排水比下，龍骨的重量可以減輕。龍骨重量減輕就可以相應(yīng)減少帆的面積，從而降低桅桿。這對于索具及其配件來說也就意味著承重更小。因此，高處的重量就減輕了。然后設(shè)計(jì)師就可以進(jìn)一步減輕龍骨的重量。

Baltic說，感謝這種迭代效應(yīng)，主要結(jié)構(gòu)減輕500千克的重量最終可以使船艇的重量減輕2000公斤之多，同時(shí)還保持著相同的壓載/排水比和帆面積/排水比。 copyright 123456

所有的Baltic游艇都使用高質(zhì)量的層壓材料。某些標(biāo)準(zhǔn)型號，例如Baltic 64采用真空袋成型的層壓材料建造，通常采用端面晶粒巴伐木作為芯材，玻纖/芳綸混合纖維作為增強(qiáng)材料。在大型定制游艇中，則轉(zhuǎn)而使用高標(biāo)準(zhǔn)但昂貴的單向碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料。此時(shí)所采用的芯材為Nomex蜂窩材料和高彈性的苯乙烯-丙烯腈（SAN）結(jié)構(gòu)泡沫Corecell。

Baltic從最初就樂于采用夾層結(jié)構(gòu)來達(dá)到強(qiáng)度、剛度、輕質(zhì)和絕緣的目的。由于板材的剛度與其厚度的立方成正比，夾層板材相對于單蒙皮層壓板剛度更高，彎曲也更小。Baltic認(rèn)為這延長了層壓板的壽命，避免了應(yīng)力斷裂，因此避免了水的滲入。該公司的經(jīng)驗(yàn)表明，層壓板的強(qiáng)度會隨著板材的彎曲迅速下降。

作為高技術(shù)織物的早期使用者，Baltic通常采用單向纖維織物制造船身和甲板結(jié)構(gòu)。該公司表示，單向纖維可以更接近載荷路徑，比織物強(qiáng)度更高?？椢锘鶎訅喊甯菀讖澢瑫纬珊芪⑿〉牧芽p。Baltic說，在單向纖維層壓板中，纖維承受的載荷更均勻，避免了拉伸，保持了板材的剛度。

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就厚度、比強(qiáng)度和纖維/樹脂比而言，單向纖維層壓板的性能要高于其他形式的板材。Baltic公司表示，他們需要從層壓板制造商那里獲得高水平的制造技術(shù)。在層壓板制造過程中，可以根據(jù)載荷路徑在不同方向上鋪設(shè)多層單向纖維。

Baltic從前采用的單向纖維是一種特殊的芳綸/玻纖粗紗，但現(xiàn)在已升級為碳纖維。在標(biāo)準(zhǔn)型號的游艇和小型定制/半定制游艇中，他們使用真空袋成型的層壓板，而在大型定制游艇中則采用預(yù)浸料。該公司認(rèn)為在所有的層壓技術(shù)中，預(yù)浸料可以最好地控制樹脂的比例和使纖維定向。


建造中的巴拿馬號的船身

Baltic的游艇定制部門制造的大多數(shù)游艇主要采用碳纖維，有時(shí)也使用芳綸纖維和S玻纖。在應(yīng)力非常高的大型船船艇中碳纖維仍是主流材料。

樹脂

同樣受到關(guān)注的還有樹脂的選擇和優(yōu)化。在聚酯、間苯二甲酸聚酯、乙烯基酯和環(huán)氧樹脂中，最后被指定的可以最好的滿足要求的樹脂會與纖維粘合在一起。Baltic很清楚環(huán)氧樹脂具有最好的粘結(jié)性能，而且可以將纖維保持在最長的長度。

樹脂的彈性可以優(yōu)化層壓板的強(qiáng)度，因此也備受重視。理論上，樹脂和纖維應(yīng)該很好的匹配。例如，E玻纖/鄰苯二甲酸聚酯層壓板在應(yīng)力僅僅達(dá)到玻纖能夠承受的1/3載荷下，就會發(fā)生斷裂。層壓板的斷裂是由樹脂造成的，而不是纖維。如果改用環(huán)氧樹脂，E玻纖的強(qiáng)度會在環(huán)氧樹脂極高的延展性下得到最大的增強(qiáng)。環(huán)氧樹脂還適合制造預(yù)浸料，因?yàn)樗梢圆糠止袒?beta;階段，用來生產(chǎn)儲存期較長的片狀材料。在以后的使用過程中，它可以在真空和高溫下進(jìn)行完全固化，船艇建造過程的固化溫度通常為85℃。

未來前景

Baltic公司今后將繼續(xù)在創(chuàng)新上進(jìn)行投資，例如，他們認(rèn)為在納米環(huán)氧樹脂中使用碳納米管可以制成強(qiáng)度更高的層壓板，而且已進(jìn)入早期的應(yīng)用階段。他們還將繼續(xù)使用預(yù)浸料和樹脂灌注工藝，因?yàn)檫@些技術(shù)最適合制造高質(zhì)量的大型游艇。同樣位于Bosund的R&J Design公司與Baltic有緊密的合作，幫助其改進(jìn)工程設(shè)計(jì)。

托復(fù)合材料的福，Baltic的客戶們可以購買到非常耐久的船艇。正如一位發(fā)言人所說：“我們堅(jiān)信高技術(shù)的層壓板強(qiáng)度會更高，重量會更輕，也更耐久。游艇壽命更長，購買者就會覺得物有所值。”

來源：加工機(jī)電網(wǎng)