一、復(fù)合材料

    復(fù)合材料作為新型結(jié)構(gòu)功能材料，具有優(yōu)越的可設(shè)計(jì)性，而且具有重量輕、比強(qiáng)度和比模量高、阻尼性能好、耐疲勞、耐化學(xué)腐蝕、耐磨性能好、熱膨脹系數(shù)低以及射線透過(guò)性好等特點(diǎn)，并且在海洋濕熱、多鹽的環(huán)境條件下也能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。復(fù)合材料的應(yīng)用情況能夠反映一個(gè)國(guó)家海洋工程裝備的先進(jìn)程度和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

    海洋工程用復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)

    未來(lái) 5-10 年的海洋油氣資源勘探開(kāi)發(fā)中，海洋平臺(tái)、海底管道、系泊系統(tǒng)等的建設(shè)需求旺盛，并且隨著我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的進(jìn)一步實(shí)施，包括軍、民用船艇海洋工程裝備面臨前所未有的發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)對(duì)材料的性能要求也越來(lái)越高。

    復(fù)合材料在替代傳統(tǒng)金屬材料方面還有很多空間。對(duì)于海洋工程用復(fù)合材料，尚有很多工作要做。未來(lái)將向三個(gè)方向發(fā)展：

    （1）向低成本、高性能、集成化生產(chǎn)的方向發(fā)展

    各種規(guī)格的船舶制造商們正尋找提高其競(jìng)爭(zhēng)力的方法，以較低的成本將產(chǎn)品更快地推出市場(chǎng)是達(dá)到這一目標(biāo)的關(guān)鍵所在。設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量的提高會(huì)促進(jìn)上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。船舶部件需要在極端氣候條件下具備可靠性、安全性，因此性能在許多應(yīng)用中都是關(guān)鍵因素。速度和穩(wěn)定性是船舶設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。例如賽艇、高速巡邏艇和特殊用途船舶以及某些快速渡輪。軍用和商用船艇的上部結(jié)構(gòu)也追求減重目標(biāo)，重心的降低可以提高穩(wěn)定性和安全性。最小化并精確控制復(fù)合材料層壓板的質(zhì)量可以獲得更好的性能。

    （2）向虛擬設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)證一體化的方向發(fā)展

    復(fù)合材料設(shè)計(jì)軟件正快速成為多個(gè)行業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的主要組成部分。設(shè)計(jì)和應(yīng)力分析是設(shè)計(jì)過(guò)程中的兩大重點(diǎn)，通常這兩個(gè)學(xué)科之間的交流并不理想，因此會(huì)出現(xiàn)單調(diào)且緩慢的重復(fù)工作。最近幾年，復(fù)合材料設(shè)計(jì)軟件和結(jié)構(gòu)分析軟件之間的雙向交流取得了良好的進(jìn)展。制造商通過(guò)開(kāi)發(fā)出的復(fù)合材料部件或組裝件的完整詳細(xì)的三維 CAD 模型，可以對(duì)復(fù)合材料模型進(jìn)行精確性和完整性的定義，帶來(lái)了更高的質(zhì)量，并且可以預(yù)測(cè)潛在的制造問(wèn)題，設(shè)計(jì)和分析同步進(jìn)行，部件得以優(yōu)化，不同部件擁有專門(mén)的設(shè)計(jì)方法。復(fù)合材料部件的設(shè)計(jì)越精確，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也就更好更快。采用復(fù)合材料設(shè)計(jì)軟件可以使工程師在開(kāi)發(fā)過(guò)程中大大減少變數(shù)，也讓使用者可以立即記錄下所有設(shè)計(jì)上的改變。在設(shè)計(jì)初期對(duì)復(fù)合材料部件進(jìn)行完整詳細(xì)的三維設(shè)計(jì)，制造過(guò)程中所有的層壓板、層片和芯材信息都是始終不變的。

    Vistagy 公司的 FiberSIM 軟件被用于此類大型玻璃纖維復(fù)合材料部件大的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。

    （3）向新型可靠生產(chǎn)工藝的方向發(fā)展

    受我國(guó)制造業(yè)水平落后的限制，加之采用先進(jìn)復(fù)合材料進(jìn)行大規(guī)模、一體化成型的核心技術(shù)被發(fā)達(dá)國(guó)家所掌握，我國(guó)在海洋工程用復(fù)合材料成型工藝方面與發(fā)達(dá)國(guó)家存在一定差距，材料性能的批次穩(wěn)定性有待提升。自動(dòng)化生產(chǎn)能力和大規(guī)模、一體化成型方面國(guó)內(nèi)技術(shù)相對(duì)落后，在建造大型結(jié)構(gòu)件或一體化成型艦船、石油工業(yè)等領(lǐng)域所用大型結(jié)構(gòu)件中存在工藝瓶頸。新型可靠的生產(chǎn)工藝，保證產(chǎn)品不同批次的性能穩(wěn)定，是目前和今后一段時(shí)間的主要工作之一。

    二、無(wú)機(jī)材料

    無(wú)機(jī)材料（主要是水泥混凝土）是目前海工建筑中使用最多的材料，對(duì)全球海洋經(jīng)濟(jì)和海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展影響重大。

    水泥混凝土在海洋環(huán)境應(yīng)用中展示出優(yōu)異的抗海水腐蝕能力，并應(yīng)用于越來(lái)越多的海工建筑中，如碼頭、橋梁、海底隧道、防浪堤、海上鉆采平臺(tái)等，21 世紀(jì)將是水泥混凝土在海洋工程中大規(guī)模應(yīng)用的世紀(jì)。

    我國(guó)海工混凝土發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)和重點(diǎn)發(fā)展方向推進(jìn)水泥混凝土在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用，建立完善的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系，完善配套原材料、工藝、技術(shù)、裝備的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，提高我國(guó)的海上資源開(kāi)發(fā)能力及海洋經(jīng)濟(jì)的競(jìng)爭(zhēng)力是我國(guó)海工混凝土發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。

    重點(diǎn)發(fā)展方向

    （1）海工超高性能混凝土技術(shù)（如高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土）及相關(guān)原材料的研究開(kāi)發(fā)及在海洋工程中的應(yīng)用。高強(qiáng)度輕質(zhì)骨料混凝土是現(xiàn)有海工混凝土材料發(fā)展的核心技術(shù)之一。雖然目前發(fā)達(dá)國(guó)家的離岸海工建筑如海上油氣平臺(tái)、海上風(fēng)電基座等大規(guī)模使用高強(qiáng)度輕質(zhì)骨料混凝土技術(shù)，但混凝土材料本身自重大的缺點(diǎn)無(wú)法避免，因而限制了如混凝土 LNG 船、FPSO 等的進(jìn)一步發(fā)展。目前以挪威為代表的海洋發(fā)達(dá)國(guó)家重點(diǎn)研究將現(xiàn)有高強(qiáng)度輕質(zhì)骨料混凝土生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)一步提高，容重比力圖達(dá)到 1500kg/m 3 （設(shè)計(jì)強(qiáng)度 70MPa），現(xiàn)有技術(shù)大約在 1900kg/m 3 （設(shè)計(jì)強(qiáng)度 70MPa）。

    （2）海水海砂拌合及珊瑚礁在遠(yuǎn)洋人工島礁建設(shè)中的利用技術(shù)。利用海水、海砂、珊瑚礁等代替淡水、河砂等材料配制及應(yīng)用混凝土的技術(shù)，對(duì)于在遠(yuǎn)離大陸的遠(yuǎn)洋、海島等快速修建人工島礁、離岸鉆采平臺(tái)及國(guó)防安全有著重要的現(xiàn)實(shí)意義極高的應(yīng)用價(jià)值。

    （3）混凝土鋼復(fù)合材料的研究開(kāi)發(fā)及在海洋工程中的應(yīng)用。離岸混凝土平臺(tái)的自重過(guò)大仍然是影響其大規(guī)模推廣的重要原因之一，雖然混凝土材料的進(jìn)一步輕量化是其可選途徑之一。結(jié)合水泥混凝土耐腐蝕、成本低的優(yōu)點(diǎn)和鋼材高強(qiáng)、自重低的優(yōu)點(diǎn)，制造混凝土鋼結(jié)合的材料用于海洋工程。

    （4）海工混凝土專用的高強(qiáng)高耐蝕鋼的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。針對(duì)水泥混凝土在海洋中的環(huán)境特殊性，開(kāi)發(fā)專用的高強(qiáng)耐蝕鋼，如通過(guò)冶金雙結(jié)合技術(shù)生產(chǎn)復(fù)合耐蝕鋼，提高水泥混凝土在海洋環(huán)境中的耐久性。

    （5）離岸混凝土構(gòu)建物（如油氣鉆采平臺(tái)、海上風(fēng)電混凝土基礎(chǔ)）的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造技術(shù)的開(kāi)發(fā)。離岸平臺(tái)的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)制造技術(shù)是一項(xiàng)技術(shù)難度大、涉及行業(yè)廣、跨領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)，目前在國(guó)內(nèi)尚屬空白。

    （6）海上混凝土油氣鉆探平臺(tái)及多功能平臺(tái)的制造相關(guān)技術(shù)裝備的開(kāi)發(fā)。國(guó)內(nèi)對(duì)于海上混凝土施工專用的相關(guān)裝備如泵送、吊裝等機(jī)械的開(kāi)發(fā)研究較少，海上施工環(huán)境及變化性與陸地區(qū)別很大，國(guó)內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)該領(lǐng)域?qū)Ｓ脵C(jī)械裝備的開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)。

    三、鋼鐵材料

    海洋工程用鋼鐵材料主要包括：海洋國(guó)土安全領(lǐng)域用鋼、海洋油氣資源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域用鋼、海洋基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域用鋼、海洋交通領(lǐng)域用鋼。

    我國(guó)海洋工程用鋼的發(fā)展對(duì)策及重點(diǎn)發(fā)展方向

    （1）高強(qiáng)韌、易焊接艦船用納米相強(qiáng)化鋼制造技術(shù)及其科學(xué)基礎(chǔ)

    船體結(jié)構(gòu)鋼材料在艦船建造中用量最大，結(jié)構(gòu)重量約占全船排水量的 40%-50%。船體結(jié)構(gòu)鋼體系是否完整、合理，綜合性能優(yōu)劣直接影響艦船的作戰(zhàn)性能和水平。大型水面水下艦船的抗爆抗沖擊能力是決定艦船生命力的關(guān)鍵因素。為了提高艦船的抗爆抗沖擊能力，一個(gè)有效的途徑是增強(qiáng)艦船用結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度和韌性。同時(shí)，增強(qiáng)艦船用結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度和韌性也是艦船減重的最有效途徑。

    隨著鋼材強(qiáng)度級(jí)別的提高，鋼中合金元素增多，使得鋼的碳當(dāng)量和裂紋敏感性也隨之大幅增加，這使得鋼的焊接變得十分困難。而焊接對(duì)于艦船建造具有重要影響。其中焊接工作量約占船體建造總工作量的 30%-40%，焊接成本約占船體建造成本的 30％ -50％，因此高強(qiáng)度易焊接鋼的開(kāi)發(fā)對(duì)大型艦船性能穩(wěn)定性和艦船經(jīng)濟(jì)性、建造周期以及造船量均具有重要影響。

    為了滿足我國(guó)大潛深潛艇，尤其是航空母艦建設(shè)的要求，急需大量高強(qiáng)度、高韌性，同時(shí)具有高焊接性能和耐候性的低合金結(jié)構(gòu)鋼。

    沉淀強(qiáng)化代替碳強(qiáng)化是開(kāi)發(fā)新型艦船用鋼的新途徑，現(xiàn)有研究表明，由高數(shù)量密度細(xì)小富銅納米相代替碳強(qiáng)化，在較低合金含量的情況下可獲得高強(qiáng)度，同時(shí)保持較好的韌性。

    通過(guò)大量降低碳含量，并避免使用高碳當(dāng)量的合金元素 Cr 和Mo 等可進(jìn)一步降低合金中合金元素的總含量，來(lái)提高焊接性能；鋼中適量的銅和其他合金元素對(duì)提高鋼在海洋環(huán)境條件下的耐腐蝕性能具有良好的作用。美國(guó)海軍 HSLA 系列鋼的成分和工藝是公開(kāi)的，我國(guó)有關(guān)單位根據(jù) HSIA 鋼的成分和工藝做了部分探索性工作。但是，銅沉淀強(qiáng)化鋼的核心技術(shù)是通過(guò)工藝控制銅沉淀相成分、尺寸、分布等特性來(lái)獲得優(yōu)帛的綜合性能。我國(guó)目前對(duì)于如何控制沉淀相的性能還沒(méi)有足夠認(rèn)識(shí)，這嚴(yán)重阻礙了我國(guó)航母用鋼的研究開(kāi)發(fā)工作。

    因此，急需開(kāi)展高強(qiáng)、易焊接艦船用納米相強(qiáng)化鋼生產(chǎn)技術(shù)及其科學(xué)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目。

    研究目標(biāo)：掌握高強(qiáng)韌、易焊接納米相強(qiáng)化鋼的合金設(shè)計(jì)和冶金技術(shù)；從納米尺度掌握影響鋼材性能穩(wěn)定的機(jī)制；掌握熱機(jī)械處理等組織控制技術(shù)；掌握鋼材的焊接工藝技術(shù)；掌握納米相的析出行為和機(jī)制及其對(duì)力學(xué)性能的影響規(guī)律；完成工程示范應(yīng)用。

    （2）深海鉆井平臺(tái)用鋼的關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)及冶金學(xué)原理

    研究充分開(kāi)發(fā)和利用我國(guó)豐富的海洋能源和資源是我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的命脈之一。深海石油天然氣鉆井平臺(tái)是完成海洋深度探測(cè)和開(kāi)采的關(guān)鍵裝備，其工作環(huán)境惡劣、建設(shè)周期長(zhǎng)且成本高、維護(hù)保養(yǎng)困難，服役時(shí)間要求比船舶長(zhǎng) 50%，因此深海海洋平臺(tái)用鋼既要有高強(qiáng)度和高韌性，又要具有良好的抗疲勞、抗層狀撕裂性能、焊接性能及耐腐蝕性能。目前，我國(guó)海洋平臺(tái)用鋼級(jí)別較低，關(guān)鍵部位所用高強(qiáng)度、大厚度材料依賴進(jìn)口，是受制于外國(guó)的“卡脖子”關(guān)鍵材料。為了滿足我國(guó)深海資源開(kāi)發(fā)的需要，迫切需要研究超高強(qiáng)度海洋平臺(tái)用鋼的冶金學(xué)原理并開(kāi)發(fā)關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)。

    未來(lái)針對(duì)高等級(jí)海洋平臺(tái)用鋼，將著重研究海洋平臺(tái)用鋼厚規(guī)格產(chǎn)品的組織與性能控制理論、“大熱輸入”氧化物冶金原理及高耐腐蝕合金與顯微組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)機(jī)理等方面工作，為我國(guó)深海資源開(kāi)發(fā)利用積累相關(guān)理論并提供關(guān)鍵工藝技術(shù)。

    研究目標(biāo)：開(kāi)發(fā)出極地條件下應(yīng)用的 50mm 厚、低溫沖擊性能滿足 -60℃條件下 CTOD 實(shí)驗(yàn)要求的海洋平臺(tái)用鋼；開(kāi)發(fā)出超高強(qiáng)海洋平臺(tái)用鋼的高效焊接技術(shù)；給出合金元素、組織狀態(tài)對(duì)耐腐蝕性能的影響規(guī)律，開(kāi)發(fā)出高耐蝕海洋平臺(tái)用超高強(qiáng)鋼；通過(guò)創(chuàng)新軋制及熱處理工藝技術(shù)和裝備，開(kāi)發(fā)出超薄（4-6mm）及超厚（259mm）規(guī)格海洋平臺(tái)用鋼。

    （3）厚規(guī)格高耐蝕易焊接深海管線鋼關(guān)鍵技術(shù)及冶金學(xué)原理

    21 世紀(jì)將是海洋的世紀(jì)，海洋資源開(kāi)發(fā)和利用已經(jīng)成為世界各國(guó)發(fā)展的重要戰(zhàn)略方向，而海底油氣資源是世界各國(guó)爭(zhēng)奪的重要資源。隨著海洋油氣開(kāi)采走向深海，厚規(guī)格高耐蝕易焊接深海管線鋼需求量巨大，迫切需要厚規(guī)格、易悍接、耐腐蝕和止裂性能良好的深海管線用鋼。

    研究目標(biāo)：掌握 X70 以上級(jí)別等厚規(guī)格深海管線鋼組織細(xì)化及 DWTT 控制技術(shù)；厚向組織均勻化技術(shù)；適用于厚規(guī)格深海管線鋼大線能量焊接的合金化和組織設(shè)計(jì)技術(shù)；大線能量焊接工藝技術(shù)；深海管線腐蝕行為表征；耐油氣介質(zhì)腐蝕的合金化技術(shù)；高塑性組織控制技術(shù)；完成工程示范應(yīng)用。

    （4）耐海水腐蝕特厚板關(guān)鍵制造技術(shù)及其科學(xué)基礎(chǔ)

    海洋工程用鋼是我國(guó)海洋開(kāi)發(fā)的重要鋼種。國(guó)內(nèi)外在海洋工程用鋼領(lǐng)域?qū)τ?60-150mm 厚板有很大的市場(chǎng)需求，尤其是高鋼級(jí)，具有重要的現(xiàn)實(shí)需要和良好的市場(chǎng)前景。

    海洋工程用鋼厚板與特厚板生產(chǎn)的主要技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：傳統(tǒng)連鑄坯存在的宏觀和微觀偏析所導(dǎo)致的厚板組織和力學(xué)性能的不均勻性，以及由此造成的產(chǎn)品性能不穩(wěn)定性，尤其是低溫沖擊韌性、Z 向性能和板厚遞減效應(yīng)，低壓縮比軋制特厚板造成的中心疏松、縮孔等，導(dǎo)致特厚板質(zhì)量不能滿足要求，對(duì)于武鋼等鋼企新品種的開(kāi)發(fā)形成嚴(yán)重制約，給武船、719 等造船與軍工用戶的使用帶來(lái)困難。

    研究目標(biāo)：在鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有工藝裝備條件下，優(yōu)化工藝技術(shù)，開(kāi)發(fā) 20-100mm 海洋工程用鋼厚板與特厚板；提高鋼材質(zhì)量及其穩(wěn)定性；在此基礎(chǔ)上，采用結(jié)晶器喂鋼帶技術(shù)，制造 100-150mm 海洋工程用鋼特厚板。

    四、鈦合金

    形成完整的海洋工程裝備用鈦合金材料設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、制造、加工、研究等產(chǎn)業(yè)體系，打造若干具有較強(qiáng)創(chuàng)新能力的海洋工程裝備用鈦合金配套、服務(wù)機(jī)構(gòu)，全面掌握海洋工程裝備用鈦金屬材料的設(shè)計(jì)技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)和生產(chǎn)加工技術(shù)，具備創(chuàng)新應(yīng)用鈦金屬材料的技術(shù)能力，達(dá)到海洋工程裝備鈦合金應(yīng)用技術(shù)和范圍的國(guó)際先進(jìn)水平，使我國(guó)海洋工程裝備用鈦及鈦合金量達(dá)到 15000-20000t，占全國(guó)鈦加工材產(chǎn)量的 10％～ 15％，為全面提升我國(guó)海洋工程裝備的技術(shù)水平做出應(yīng)有貢獻(xiàn)。

    專題資料來(lái)源：文獻(xiàn)、百度文庫(kù)、知網(wǎng)、材料 +、網(wǎng)絡(luò)等綜合整理