【重磅】首艘国产航母下水!化工材料如何保驾护航?

　　4月26日上午，我国第二艘航空母舰下水仪式在中国船舶重工集团公司大连造船厂举行。第二艘航空母舰由我国自行研制，2013年11月开工。目前，航空母舰主船体完成建造，动力、电力等主要系统设备安装到位。出坞下水是航空母舰建设的重大节点之一，标志着我国自主设计建造航空母舰取得重大阶段性成果。

 　　航空母舰(航母)——作为海上大型军舰、路上机场航站、空中飞机的集合体，海空力量的融合体，发展至今，航空母舰已是现代海军不可或缺的武器，也是海战最重要的舰艇之一。

　　航空技术发展在很大程度上依赖于材料进步，“一代材料、一带装备”是材料推动航空技术进步的真实写照。

　　航母建造是一项复杂的系统工程，包括船体、动力设备、管路及附件设施、甲板、电力设备、船舱以及舰艇、战斗机等装备。因此，所使用的材料种类繁多，工作环境复杂，腐蚀破坏因素急剧增加。

　　1、航母服役环境极其苛刻

　　腐蚀环境特点如下：

　　1.风高浪大，海况险恶；

　　2.海洋环境温差大、高湿、干湿交替、高盐雾等加速了材料老化、腐蚀进程；

　　3.海水、泥沙、油气、酸、碱、辐射等腐蚀介质种类多，水、液、气、海生物共同作用；

　　4.遭受波浪碰击、冲击、振动、热偏移、船货漂移、飞机起落、武器反冲击以及机械设备运转载荷等多种载荷共同作用。

　　腐蚀是影响材料长期性能的最重要因素。一个系统的腐蚀失效故障有可能影响全舰功能的发挥。然而，对于航母来说，腐蚀控制是一个复杂的系统工程。

　　2、航母材料腐蚀防护及控制特点

　　1.腐蚀环境多样，防护要求高，防腐设计难度大

　　2.材料选择系统组成复杂，设备数量多，腐败故障影响大

　　3.舱室结构复杂，防腐施工空间小，修理难度大

　　材料是推动航母技术发展的基础。材料的性能水平高低很大程度上影响各个系统的功能，进而决定了航母的性能水平。因此要求航母用材料必须具有高强度、高韧性，抗海水腐蚀，防磁耐高温和耐冲击能力，抗微生物腐蚀，高止裂性能等。

　　目前，一系列高性能先进材料在航母关键部件中广泛应用，推动着航母工程的发展，包括：

　　1.特种合金钢

　　2.先进钛及钛合金

　　3.单晶高温合金

　　4.先进复合材料(钛合金复合材料、树脂基复合材料、陶瓷基复合材料、陶瓷及纳米热障涂层等)

　　5.甲板防滑、防腐涂料等。

　　3、美国航母用特种钢

　　1）HY系列镍-铬-钛合金钢，耐蚀性、强度、焊接性、成型性与机加工性优异，如HY-80、HY-100钢，是制造航母、核潜艇最佳钢材。

　　2）HSLA系列高强度、高韧性结构钢。HY-80钢用于建造大型水面舰艇，如驱逐舰、巡洋舰和航空母舰等，尼龙兹级核动力航母主要结构材料之一。

　　3）HSLA-100、HSLA-115钢，HSLA-100是一种低碳、铜沉淀强化尖端低合金钢。已应用于美国新建航母壳体和核潜艇，核动力航母“斯坦尼斯”号(CVN-74)，以及航母CVN-78的飞行甲板。

　　俄罗斯AK系列镍铬加钛合金钢，堪称世界上屈服强度最高的材料，可达1000MPa，可用来制造航母和深潜核潜艇。

　　4、航母用特殊材料

　　航母用钛及钛合金

　　1.其高强度、可焊性和耐腐蚀性广泛应用于核潜艇、深潜器等舰艇结构设备;

　　2.抗空泡剥蚀和耐疲劳性能优异，如Ti75合金等，广泛应用于螺旋桨、往复式盐水泵 、舷侧双座双球阀阀杆材料;

　　3.比其他合金更优异的耐海水蚀性能，高比强度、低密度，广泛应用于传热管、冷却管;

　　4.抗海水、Cl-及高温下应力腐蚀。如Ti31钛合金等，广泛应用于冷却器、换热器、管路等，钛换热器污堵系数仅为0.95~0.99。

　　单晶高温合金

　　单晶高温合金凭借其蠕变强度、热疲劳强度、抗氧化性能和抗腐蚀特性，广泛应用于涡轮叶片、涡轮盘等结构材料中。

　　碳纤维复合材料

　　碳/碳复合材料具有质量轻、模具高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击和耐腐蚀等优异性能，是世界战斗机发动机先进国家为未来战斗机发动机热端部件研究和发展的新型高温结构材料。美国已经将碳/碳复合材料应用于F100发动机的加力燃烧室喷嘴，还计划将其应用于F119发动机的排气喷管;法国已经将它应用于M53发动机加力燃烧室的喷油杆、隔热屏和调节片。目前，人们正在研究和解决其高温抗氧化性能差的问题。

　　陶瓷热障涂层

　　陶瓷基复合材料具有低密度、耐高温、耐腐蚀和耐烧蚀等优点，耐温高达1370~1480℃，是战斗机发动机燃烧室/加力燃烧室火焰筒、涡轮转子/静子叶片、加力燃烧室火焰稳定器、排气喷管调节片等部件的极好候选材料。目前，金属纤维增强的陶瓷基复合材料、碳纤维增强的陶瓷基复合材料和陶瓷基复合材料已经开始应用于M53和M88发动机上。

　　第4代陶瓷热障涂层以及第5代纳米热障涂层也逐步替代等离子喷涂涂层成功应用在战斗机发动机涡轮叶片等高温部件上，实现内外超级热障性能，如JT9D战斗机。

　　航母甲板防滑防腐涂料

　　飞行甲板涂料不但要承受舰载机尾钩的冲击和阻拦索的研磨，飞机、车辆和人员的碾压，还要遭受潮湿盐雾的海洋大气环境侵蚀，以及甲板清洁剂与油污的腐蚀。

　　近年来，国外开展了非晶态金属基涂料、高耐久性防滑涂料、单层快干防滑涂料等多种新型防滑涂料、单层快干防滑涂料等多种新型防滑涂料的研究工作，以期进一步提高防滑涂料的耐腐蚀、抗高温等性能，减少使用维护工作量。

　　DARPA开发出耐高温抗冲击防滑涂料可解决MV-22“鱼鹰”运输机和未来F-35B联合攻击机在两栖舰飞行甲板起降时舰载机高温尾流喷射带来的甲板变形问题;

　　海军研究实验室(NRL)正致力于开发出更长寿命、耐高温的下一代非环氧类防滑涂料;

　　美国奥斯汀公司新推出一种利用玻璃纤维加强“抓牢”防滑复合材料，含有韧化剂，不含易挥发的有机化合物，也不含毒剂和致癌化合物，主要用于起降落区。“抓牢”涂层可承受15000次阻拦着舰。

　　石墨烯防腐涂料

　　随着石墨烯的火热，石墨烯防腐涂料也逐渐出现在了人们面前。虽然还没应用到航母这种超大型军事装备上，但目前已大规模应用于海船、海上风电塔筒等海上设备的防腐。这种新型防腐涂料填补了国内外将石墨烯运用于防腐领域的空白。石墨烯作为人类已知最硬、最薄的纳米新材料，相信在不久后，其防腐涂料就能大规模应用到航母等大型军事装备的防腐领域。

　　5、案例：舰载机腐蚀防护

　　米格29-K舰载机采用高防腐蚀性的海军RD33K发动机，采用无烟燃烧室和一种新型抗腐蚀蒙皮，并增加可折叠的空中受油装置。

　　美国著名的F-14“雄猫”舰载战斗机、FA-18机身均采用高抗腐蚀涂层。美国也用了多种材料防止飞机腐蚀，其中例如采用铝皮包减少腐蚀趋向，改善涂层附着力。使用卓越弹性和耐久性的聚氨酯面漆。聚硫化物密封剂和铬酸盐底漆被用于连接表面和链条密封，以减少水侵入。

　　6、如何让航母行得更远?

　　1.加大新材料的研发力度，提高结构材料、管路材料的防腐性能;

　　2.加强海水系统腐蚀、污损规律及控制技术研究;

　　3.研发长效防腐防污涂料、高性能飞行甲板涂料;

　　4.提高材料腐蚀、老化机制评价手段，从总体设计、施工控制、仿真、实验、检测与评估等方面全方位开展航母腐蚀控制技术方案研究;

　　5.编制航母及舰载设备腐蚀控制设计、建造、维护修理指南。