【原】【市場(chǎng)觀察】2021年復(fù)合材料市場(chǎng)回顧及2022年市場(chǎng)展望：船舶工業(yè)用復(fù)合材料

美國(guó)海洋制造商協(xié)會(huì)（NMMA，芝加哥）2021年1月報(bào)告說(shuō)，2020年動(dòng)力艇零售額創(chuàng)下了13年來(lái)的最高水平，與2019年相比提高了9%。2020年，新船的銷售額增長(zhǎng)了12%，銷售總量達(dá)到31萬(wàn)艘，其中淡水漁船和浮筒船占了動(dòng)力船銷售額的一半。另一個(gè)高速增長(zhǎng)的細(xì)分市場(chǎng)是用于尾波沖浪和尾波沖浪的尾流艇，2020年新船數(shù)量增加了20%，達(dá)到13000艘。

在NMMA2021年6月的一份報(bào)告指出，2021年截至3月份的銷售額比2020年平均增長(zhǎng)了30%。NMMA總裁Frank Hugelmeyer表示：“所有跡象表明，船舶的需求和銷售依然強(qiáng)勁。”這一增長(zhǎng)的一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素是首次船只買(mǎi)家的增加，NMMA數(shù)據(jù)顯示，2020年有415000名首次購(gòu)買(mǎi)者進(jìn)入船舶交易市場(chǎng)。據(jù)報(bào)道，這些買(mǎi)家平均年齡更年輕，而且女性消費(fèi)者是其他買(mǎi)家群體的1.5倍。經(jīng)銷商們報(bào)告說(shuō)，在流感大流行之前，買(mǎi)一只船的平均等待時(shí)間為4到6周；而現(xiàn)在等待時(shí)間已經(jīng)延長(zhǎng)到8到12個(gè)月，而舷外發(fā)動(dòng)機(jī)的交貨時(shí)間更是達(dá)到72周。

Foiling boats浮船

動(dòng)力艇和帆船的發(fā)展趨勢(shì)是浮船，即使用水翼艇的水下機(jī)翼將船體抬出水面并“飛行”。箔片通常是刺穿水面的V形葉片或留在水下的T形葉片。有些船將兩者結(jié)合使用。與飛機(jī)上的翼型相似，這些翼型產(chǎn)生升力，因此當(dāng)船獲得速度時(shí)，船體會(huì)從水中升起，在大多數(shù)應(yīng)用中，船的速度為15-18節(jié)。箔通常以較低的速度縮回，并由電子裝置驅(qū)動(dòng)。

因?yàn)橐硇痛菑乃嫔鸬模宰枇妥枇Ω。虼诵矢摺S多人聲稱可以減少30-40%的燃油消耗。一個(gè)典型案例是由瑞典Candela Boats公司生產(chǎn)的7.7米長(zhǎng)的電動(dòng)C-7，它聲稱比燃?xì)鈩?dòng)力滑行艇的能效高4-5倍，而且成本低95%。C-7以14-15節(jié)的速度開(kāi)始攔截，以22節(jié)的速度巡航，最大速度為30節(jié)，航程為50海里。

7.7 米長(zhǎng)的電動(dòng) Candela C-7 號(hào)稱其能源效率是氣動(dòng)滑行船的 4-5 倍，并且由于其碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂箔和輕質(zhì)船體，使成本降低了 95%

箔片通常由碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）復(fù)合材料制成。C-7箔由單向（UD）碳纖維帶制成，注入法國(guó)Sicomin Epoxy Systems公司的SR1710環(huán)氧樹(shù)脂，室溫固化，然后進(jìn)行40°C后固化。C-7的船體由相同的碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂制成，這也是一種趨勢(shì)，因?yàn)檫@些“飛行”船對(duì)重量和剛度的需求增加。

盡管由于需要廣泛的開(kāi)發(fā)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，以及碳纖維等輕質(zhì)材料，浮動(dòng)船的成本通常高于傳統(tǒng)船，但根據(jù)一些制造商的說(shuō)法，改進(jìn)后的性能通常能很快（僅需三年）便能收回成本。另一個(gè)因素是，隨著對(duì)更環(huán)保船只的推動(dòng)，浮船提供了一種可能通過(guò)電力提高劃船性能的方法。

2021年5月，Candela推出了一款P12電動(dòng)水翼水上出租車，來(lái)取代柴油動(dòng)力渡輪。9.5米長(zhǎng)的P-12在全景式客艙中最多可搭載12名乘客。Candela報(bào)告說(shuō)，使用相同的 CFRP 水翼系統(tǒng)和已在C-7 中得到驗(yàn)證的船體結(jié)構(gòu)，P-12每名乘客消耗的能源比家用汽車少，與內(nèi)燃機(jī)船相比，運(yùn)行成本低90%。

Candela 的 9.5 米長(zhǎng)P-12 電動(dòng)水上出租車最多可搭載 12 名乘客

2021年另一個(gè)具有未來(lái)感的產(chǎn)品來(lái)自于意大利Centrostiledesign公司的Future-E概念船。據(jù)報(bào)道，這艘5.2米長(zhǎng)、2米寬的“零撞擊船”采用可回收碳纖維復(fù)合材料建造，即無(wú)碳排放、無(wú)噪音、無(wú)波浪，最多可搭載三名乘客。它以16節(jié)的速度通過(guò)四個(gè)可伸縮的箔片從水中升起，并通過(guò)兩個(gè)電機(jī)達(dá)到30節(jié)的最大速度。Future-E具有“箔片集成運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng)”，據(jù)報(bào)道，該系統(tǒng)管理四個(gè)獨(dú)立調(diào)整的箔片可延伸距離以及它們的迎角，以保持最佳平穩(wěn)行駛。

這艘5.2 米長(zhǎng)的三人 Future-E概念船使用回收的碳纖維復(fù)合材料和四個(gè)自動(dòng)控制的箔片

CFRP和3D打印的持續(xù)增長(zhǎng)

由于船主和運(yùn)營(yíng)商在尋求降低油耗和環(huán)境影響的同時(shí)，對(duì)更高速度和性能船舶的迫切要求，碳纖維增強(qiáng)塑料CFRP在海上運(yùn)輸中D的應(yīng)用正在繼續(xù)緩慢增加。一個(gè)例子是荷蘭Holland Composites為Windcat Workboats 和風(fēng)電場(chǎng)服務(wù)船生產(chǎn)的輕質(zhì)CFRP甲板室，該甲板室采用樹(shù)脂灌注CFRP泡沫夾層結(jié)構(gòu)來(lái)增加剛度，從而實(shí)現(xiàn)大的開(kāi)放跨度，且機(jī)艙內(nèi)無(wú)支柱。整體式甲板室足夠輕，可以把它放在良好的減震器上，以隔離（它）發(fā)動(dòng)機(jī)和船體中的波浪振動(dòng)。Windcat 以其非常安靜的航行而聞名，并且這些船深受大型風(fēng)力渦輪機(jī)原始設(shè)備制造商的喜愛(ài)。所有這些風(fēng)電場(chǎng)都必須得到維護(hù)，因此 50 到 60 英尺長(zhǎng)的高速雙體船有了一個(gè)新的市場(chǎng)。

意大利米蘭的制造商MOI composites聲稱，MAMBO（Motor Additive Manufacturing Boat）是第一艘使用連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料的3D打印船（下圖）。這艘6.5米長(zhǎng)、2.5米寬的動(dòng)力船展示了一種全新的、獨(dú)特的形狀，這是傳統(tǒng)制造所無(wú)法做到的。它是使用機(jī)器人在生成算法的指導(dǎo)下分段打印的，該算法可以直接使用數(shù)字結(jié)構(gòu)模型中的連續(xù)纖維進(jìn)行打印，并具有尺寸可伸縮性；然后將這些部分疊加在一起，形成最終的雕刻結(jié)構(gòu)，而不需要船體和甲板之間的傳統(tǒng)分割。

連續(xù)纖維增強(qiáng)材料與乙烯基酯樹(shù)脂（因其長(zhǎng)期耐海水性而在海洋應(yīng)用中受到青睞）相結(jié)合使MAMBO變得堅(jiān)固、耐用和輕質(zhì)。通過(guò)創(chuàng)建3D打印結(jié)構(gòu)而不需要插頭或模具，也可以以既高效又經(jīng)濟(jì)的方式，以小批量或獨(dú)特的一次性結(jié)構(gòu)構(gòu)建實(shí)際產(chǎn)品，而不僅僅是原型。Moi在MAMBO項(xiàng)目中的合作伙伴包括數(shù)字設(shè)計(jì)軟件供應(yīng)商Autodesk（美國(guó)加利福尼亞州圣拉斐爾）和玻璃纖維供應(yīng)商O(píng)wens Corning（美國(guó)俄亥俄州托萊多）。

2021年9月，大型增材制造（AM）專家Caracol（LoMasZo，意大利）首次推出了一種3D打印帆船原型，用回收聚丙烯（PP）和30%短玻璃纖維制成。Beluga是Caracol和NextChem（意大利羅馬）聯(lián)合研究項(xiàng)目的產(chǎn)物，NextChem是一家生產(chǎn)MyReplast再生塑料材料的綠色能源公司。Caracol聲稱用這些材料克服了傳統(tǒng)玻璃纖維結(jié)構(gòu)缺乏可回收性的缺點(diǎn)。Caracol還通過(guò)使用其專有的自動(dòng)AM系統(tǒng)（包括一個(gè)帶有擠壓機(jī)的六軸機(jī)械臂）將船體打印成一個(gè)整體，從而消除了對(duì)昂貴模具的需求。

船舶用復(fù)合材料

船舶工業(yè)用復(fù)合材料另一個(gè)大趨勢(shì)是包括復(fù)合材料甲板、舵、船體、模塊化船艙和上部結(jié)構(gòu)，鋼和復(fù)合材料與鋼焊接接頭的補(bǔ)焊等一系列示范項(xiàng)目取得進(jìn)展，這些進(jìn)展是在兩個(gè)歐洲聯(lián)盟FIBRESHIP和Ramses擁有378個(gè)成員的歐洲海上輕量化應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)（E-LASS）的支持下獲得的。其目的是展示大型結(jié)構(gòu)和整個(gè)船舶的防火和結(jié)構(gòu)性能，以及新的生產(chǎn)方法、連接技術(shù)、設(shè)計(jì)工具和認(rèn)證路線。FIBRESHIP已經(jīng)完成了一艘85米長(zhǎng)的漁業(yè)研究船（FRV）的20噸部分，該船采用復(fù)合材料制造，它由法國(guó)拉西奧塔的iXblue造船廠建造，長(zhǎng)11× 11× 8.6米。

與此同時(shí)，RAMSSES 有13個(gè)部件正在展示，其中10個(gè)包括復(fù)合材料。RAMSSES 也在追求一艘全復(fù)合材料船——一艘80米長(zhǎng)的全復(fù)合材料海上巡邏型船。荷蘭Damen Shipyard Group正在牽頭展示該船的6×6×3米全尺寸復(fù)合材料船體剖面，該剖面采用真空灌注和贏創(chuàng)（德國(guó)埃森）的新型樹(shù)脂制成。Damen還與荷蘭InfraCore Co.合作，將姐妹公司FiberCore Europe（鹿特丹）使用的技術(shù)應(yīng)用于全球1000多座復(fù)合橋梁和水閘。InfraCore為演示者建造甲板、艙壁和船體結(jié)構(gòu)，將對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)和防火性能測(cè)試。InfraCore運(yùn)營(yíng)經(jīng)理Laurent Morel表示：“我們將使用水平和垂直灌注一次性生產(chǎn)船體部分。到目前為止，我們已經(jīng)達(dá)到9.8米的高度。”

復(fù)合材料已經(jīng)在第一艘滾動(dòng)式汽車運(yùn)輸船上進(jìn)行了演示，該運(yùn)輸船使用由 Uljanik Group（克羅地亞普拉）設(shè)計(jì)和建造的復(fù)合材料貨物甲板，作為RAMSSES 第十四個(gè)工作包的一部分，以及用于110米長(zhǎng)的內(nèi)河游輪的輕型遮陽(yáng)板和用于200米長(zhǎng)普通貨船的復(fù)合中間甲板。“中間甲板是一種可拆卸的甲板，可以安裝它來(lái)分隔貨艙，以方便不同類型的貨物，”Compocean（挪威Sandvika）的經(jīng)理Arnt Frode Brevik解釋道。“我們與大島造船公司（日本長(zhǎng)崎）和DNV GL合作了幾年，開(kāi)發(fā)了一種輕質(zhì)的中間甲板，目標(biāo)是與鋼相比，重量減少50%。”這造就了一個(gè)9×2米的玻璃纖維復(fù)合材料原型，該原型經(jīng)過(guò)了沖擊和最大載荷測(cè)試，并于2017年展出。Compocean現(xiàn)已將這一發(fā)展擴(kuò)展到船東Masterbulk Pte Ltd.（新加坡）并建立一個(gè)完整的27×12米的原型復(fù)合材料甲板，將在2021年底進(jìn)行安裝和測(cè)試。

復(fù)合材料船舵也正在開(kāi)發(fā)中。作為RAMSSES 第十二個(gè)工作包的一部分，Becker Marine Systems（BMS，德國(guó)漢堡）正在演示一種用于鋼舵的輕質(zhì)復(fù)合材料襟翼。BMS研發(fā)負(fù)責(zé)人J?rg Mehldau說(shuō)，這種舵通常重量超過(guò)200噸。通過(guò)增加鉸鏈?zhǔn)胶蠼笠恚梢燥@著減少舵面積。BMS率先推出了這種襟翼舵，它改善了航向保持和機(jī)動(dòng)性，使靠泊無(wú)需拖船協(xié)助。復(fù)合襟翼減輕了重量，實(shí)現(xiàn)了更有效的形狀和設(shè)計(jì)。對(duì)于 RAMSSES，已開(kāi)發(fā)出長(zhǎng) 11.8 米、寬 0.9 米、弦長(zhǎng) 2.9 米的襟翼，作為針對(duì)最大集裝箱船之一（約 400 米長(zhǎng)）的全尺寸測(cè)試案例。將使用樹(shù)脂灌注和 InfraCore 的設(shè)計(jì)生產(chǎn)，從 1:6 比例的演示器開(kāi)始，使用已通過(guò) DNV GL 認(rèn)證的玻璃纖維和聚酯樹(shù)脂以保持低成本。2 米高的演示器的測(cè)試計(jì)劃于 2021 年完成。

生物材料與回收

海洋體育用品和船只已經(jīng)越來(lái)越多地通過(guò)使用生物材料來(lái)提高可持續(xù)性，比如Rush Yachts（康沃爾，英國(guó)）12米/ 39英尺的超級(jí)游艇柔順/小艇39號(hào)，據(jù)報(bào)道，船體采用最先進(jìn)的綠色材料和工藝設(shè)計(jì)，采用樹(shù)脂灌注、大麻纖維和生物樹(shù)脂制成，并帶有可回收的PET泡沫芯（如下圖所示）。動(dòng)力船還設(shè)計(jì)了鋁箔以降低燃油消耗。

2021年10月，Sicomin 報(bào)道它的InfuGreen 810生物基環(huán)氧樹(shù)脂被用于新的Couach Fly 86/2600摩托游艇，據(jù)說(shuō)這是迄今為止使用樹(shù)脂灌注和生物樹(shù)脂制造的最大游艇船體。這艘26米、52噸重的超級(jí)游艇的船體、甲板和上部結(jié)構(gòu)使用Sicomin的InfuGreen 810，生產(chǎn)出一艘更輕、更快、總油耗更低的游艇。據(jù)報(bào)道，作為 Sicomin 的 GreenPoxy 系列生物基樹(shù)脂的一部分，InfuseGreen 810 的碳含量有 38% 來(lái)自植物來(lái)源。

用于船舶結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的耐火和生物基纖維復(fù)合材料

在德國(guó)Fraunhofer IFAM的領(lǐng)導(dǎo)下，Meye Werft GmbH&Co.KG（Niedersachsen）和INVENT GmbH（Braunschweig）合作開(kāi)展了旨在開(kāi)發(fā)具有內(nèi)在防火安全性的生物復(fù)合材料，用于船舶承重結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)目還將探索制造和回收的概念。合作伙伴包括Huntsman Advanced Materials（美國(guó)德克薩斯州伍德蘭茲）、SAERTEX GmbH & Co. KG（德國(guó)薩爾貝克）、勞埃德船級(jí)社（英國(guó)倫敦）和 nova-Institut（德國(guó) Hürth）。重點(diǎn)將放在可獲得的生物基聚合物和用于FRP材料的苯并惡嗪上，與傳統(tǒng)的石油基材料相比，它們?cè)谡麄€(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)提供較低的CO2足跡。盡管苯并惡嗪通常由石油基酚醛組分、胺和甲醛合成，但它們也可以從可再生原材料如玉米芯或芝麻獲得。GreenLight將專注于此類可持續(xù)的苯并惡嗪基復(fù)合材料。

為了使復(fù)合材料在任何細(xì)分市場(chǎng)繼續(xù)增長(zhǎng)，必須更加重視可持續(xù)回收。羅得島海洋貿(mào)易協(xié)會(huì)（RIMTA，Bristol，U.S.）自2018年1月以來(lái)一直領(lǐng)導(dǎo)著羅得島玻璃纖維船（船）回收計(jì)劃。該項(xiàng)目測(cè)試并驗(yàn)證了可行的回收流程，并組織了一個(gè)合作伙伴來(lái)以負(fù)責(zé)任和可持續(xù)的方式處理報(bào)廢船只。由于美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）海洋廢棄物項(xiàng)目提供了105452美元的贈(zèng)款，該試點(diǎn)項(xiàng)目目前正擴(kuò)展到另外四個(gè)州——康涅狄格州、馬薩諸塞州、緬因州和華盛頓州。在過(guò)去兩年中，RIMTA運(yùn)營(yíng)的羅德島玻璃纖維船回收計(jì)劃使用新工藝回收了60多噸玻璃纖維材料，成功地將舊船從垃圾填埋場(chǎng)轉(zhuǎn)移出去。RIMTA基金會(huì)正在開(kāi)發(fā)一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的玻璃纖維船回收融資模式，它將利用NOAA資金幫助華盛頓和新英格蘭地區(qū)的國(guó)家改善和復(fù)制羅得島玻纖船回收計(jì)劃。

氫燃料動(dòng)力船

世界各國(guó)政府和行業(yè)正在從化石燃料轉(zhuǎn)向綠色能源，目標(biāo)是到2050年實(shí)現(xiàn)零排放，并將全球氣溫上升保持在2°C以下。為了滿足零排放的需求，電動(dòng)船的發(fā)展趨勢(shì)有了一個(gè)新的選擇：氫燃料電池。100英尺長(zhǎng)的Energy Observer雙體船和Hynova 40生產(chǎn)動(dòng)力船（40英尺長(zhǎng)）都使用豐田的Rex H2燃料電池。豐田還在一艘40英尺長(zhǎng)的Yanmar EX38A捕魚(yú)巡洋艦上安裝了兩個(gè)燃料電池和八個(gè)700bar的IV型復(fù)合氫罐。豐田和Yanmar（日本大阪）宣布到2025年在大型船舶上擴(kuò)大和部署氫推進(jìn)器的目標(biāo)。

在商業(yè)海事領(lǐng)域，世界上第一個(gè)氫動(dòng)力河船預(yù)計(jì)將于2021在法國(guó)下水，它由ABB和巴拉德燃料電池系統(tǒng)（美國(guó)，Ore.，美國(guó)）開(kāi)發(fā)，這兩家公司也在為皇家加勒比燃料電池巡航船工作。與此同時(shí)，挪威渡輪運(yùn)營(yíng)商N(yùn)orled已接收了82米長(zhǎng)的MF Hydra渡輪，據(jù)報(bào)道這是世界上第一艘液氫動(dòng)力渡輪，可運(yùn)載300名乘客和80輛汽車（下圖）。SWITCH海事將在美國(guó)推出第一艘氫動(dòng)力渡輪，能搭載75名乘客，并將在舊金山灣運(yùn)營(yíng)。歐盟的HySeas III項(xiàng)目正在推進(jìn)建造一艘氫燃料渡輪，用于在蘇格蘭北部的柯克沃爾和沙平賽之間運(yùn)送120名乘客和16輛汽車或兩輛卡車，丹麥-挪威項(xiàng)目計(jì)劃建造世界上最大的氫燃料渡輪——Europa Seaways，能夠在哥本哈根和奧斯陸之間運(yùn)送1800名乘客。這艘渡輪還可以搭載380輛汽車或120輛卡車，預(yù)計(jì)將于2027年開(kāi)始服務(wù)。隨著氫經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，還有許多其他項(xiàng)目正在開(kāi)發(fā)中，更多的項(xiàng)目正在引進(jìn)。

Hexagon Composites（挪威阿勒松）是用于儲(chǔ)存壓縮天然氣（CNG）和氫氣（H2）的IV型儲(chǔ)罐生產(chǎn)的領(lǐng)導(dǎo)者，今年1月將Hexagon Purus剝離出來(lái)，專注于零排放H2和電池電力系統(tǒng)和儲(chǔ)存。據(jù)估計(jì)，從2025年到2030年，儲(chǔ)罐收入將增長(zhǎng)630%。2021年6月，Hexagon Composites宣布將建立一個(gè)新的子公司Hexagon Purus Maritime。Hexagon Purus的銷售和營(yíng)銷總監(jiān)J?rn Helge Dahl解釋說(shuō)，盡管Hexagon參與海上氫氣項(xiàng)目已有幾年，我們現(xiàn)在看到，海上對(duì)氫氣的需求和活動(dòng)正在迅速增加。Hexagon Purus Maritime將開(kāi)發(fā)船上存儲(chǔ)系統(tǒng)，從船邊燃料管線輸送到存儲(chǔ)，從存儲(chǔ)到燃料電池。由于惡劣的環(huán)境，包括腐蝕，我們認(rèn)為復(fù)合材料是海上應(yīng)用的理想存儲(chǔ)解決方案。”

Dahl認(rèn)為，到2020年中期，海運(yùn)業(yè)將發(fā)生快速變化。這是由國(guó)際海事組織（IMO，英國(guó)）設(shè)定的目標(biāo)，即所有新建和現(xiàn)有的船舶必須在2008基準(zhǔn)線基礎(chǔ)上減少二氧化碳排放量，2023年、2050年分別下降40%和70%。此外，地方司法機(jī)構(gòu)采取的行動(dòng)越來(lái)越多。例如，挪威的一些世界遺產(chǎn)峽灣要求到2026年實(shí)現(xiàn)零排放，因此，人們將不得不開(kāi)發(fā)較小的船只來(lái)把人們帶入峽灣。