舰船涂料国内外现状及发展趋势.doc

舰船涂料国内外现状及发展趋势叶美琪研究员(中舟f重工七二五研究所厦门分部) 陈光章研究员(中船重工七二五研究所青岛分部)刖舌涂料，是将各种材料(包括有机树脂为基础的涂料、无机成膜物涂料、金属、陶瓷等) 采用适当的表面处理技术和涂装方法在底材表面形成具有保护、装饰和特殊功能的材料。最 突出的特点是它的功能性，主要是针对国防军工等高新技术产业的需求而发展起来的。随着 海湾战争的爆发及美英等国对伊战争的进行，各工业发达国家，尤其以美、英、日、西欧为 主的海军装备迅速发展，促使这些国家舰船工业不断发展，舰船涂料近年来发展迅速、变化 多端。各国的航母、大型水面舰艇、核潜艇等对舰船涂料的要求向高性能、重防腐、多功能、 隐身化、无公害、长寿命等发展。本文根据国防军工的需求，结合我国技术现状和基础，阐 述了国内外舰船涂料现状及发展趋势1高性能舰船防锈防污涂料体系 舰船防污涂料(1)国外情况 一直到六十年代，美海军使用最好的防污涂料实质上仍是乙烯基树脂和氧化弧铜的混合物。典型的配方为No12163和No 129。防污涂料的平均有效期为24个月。在七十年代初，美海军研制了有机锡共聚物防污涂料在配方中防污剂和树脂基料的化学链进行化学结合， 而不是物理的混合状态。到七十年代后期，又开发了以含锡共聚物基料为基础的磨蚀型 (ablative)防污涂料，它们的防污期效可达五年。进入八十年代，美海军试验成功自抛光 防污涂料，主要有M一5211和M253配方，于1986年公布了相应的军标，并宣布在全军舰 队范围内普遍采用有机锡防污涂料。由于有机锡型防污涂料不但具有优良的防污能力而且它 在使用过程中有“自行抛光”涂料表面的作用可维持或降低船体表面粗糙度，节省燃油， 保持初期航速等优点。有机锡防污涂料因其众多优点而被广泛使用，不仅世界上大多数的远 洋货船采用它(超过60)，同时大多数国家的海军也都在采用。随着有机锡材料在自抛光防污涂料中的大量使用，有机锡对海洋环境的污染和造成海洋 生物的歧变也逐渐被人们所重新认识并引起人们的关注，限制使用有机锡基(TBT)防污涂 料的法规已陆续在美、欧、澳、加和日等各国推出联合国下属的一个专门机构：国际海事 组织(IMO)从九十年代初开始推动禁止使用TBT的工作经过大量的争论。协商和讨论，终 于在1999年11月达成一个解决问题的文件，要求从2003年1月1日起开始禁止使用有机 锡(TBT)基防污涂料，并到2008年1月1日完全禁止在船舶上使用这类产品。这就意味着 这类性能优良的防污涂料将逐步退出历史舞台，新一代环保友好型的防污涂料必须而且正在 进入船舶涂料市场。目前在防污涂料发展的主要方向有如下一些类型： A不含有机锡的自抛光防污涂料； B无锡的磨蚀型防污涂料： C无毒防污涂料(低表面能涂料、生物防污涂料)； D导电防污涂料；7E其它特种类型的防污涂层。 其中以不含有机锡的低毒或无毒防污涂料为主要研究和开发目标。以无锡自抛光或磨蚀性防污涂料产品的开发最快，世界各主要船舶涂料生产厂家已先后将产品推向市场，美国海军也先后认可一些磨蚀型铜基产品作为五年以上长效期的舰船防污涂料使用。 美军标二十世纪九十年代已提出美海军使用的无毒防污漆的使用期效为57年，美海军二十一世纪的近期研制计划为8-12年防污期效的无毒防污漆。 (2)我国舰船防污涂料的现状和应用水平： 从1966年4月18日起，以化工部、海军和原中船总公司组成的以研究所、生产厂家和海军使用部门等为主体的舰船涂料攻关会战组，经过十几年的努力已先后研制出十几种防污 涂料和与之配套的船底防锈涂料。防污涂料的类型有沥青系、乙烯系、丙烯酸系和氯化橡胶 系等。防污剂有氧化亚铜、有机锡单体和混合型。防污期效从2年到5年(北海地区)。主 要品种有：7699自抛光防污漆、7219长效防污漆、839丙稀酸酯长效防污漆等，但是与国 外先进水平相比较，在防污期效、涂层表面状态(主要是表面粗糙度等级)、储存期和质量 稳定性等方面有着相当的差距，尤其是长效期(5年以上)的无锡自抛光或磨蚀型防污涂料 更是一项空白。以海军目前实际应用的水平来看广泛使用的防污涂料的有效寿命在23 年左右，一般在南海地区使用寿命更短。十五结束后，国内将有五年期左右的防污漆供海军 选用。但用在大型舰船，特别是航母上的中修期至少8年的环保型防污漆需要立项研制。船体防锈涂料 目前船底防锈涂料的品种大体可分成三大类 A传统的沥青系和油性系： B以环氧、乙烯、环氧沥青、乙烯沥青和氯化橡胶树脂为主体的高性能船底防锈涂料：C新型高性能船底防锈涂料，主要包括有改性环氧、玻璃鳞片涂料、氟树脂涂料等。【1)国外情况在舰船船底防锈涂料中美海军使用的品种已从七十年代前的乙烯类发展到目前的环氧 聚酰胺类，其中美军标MILP24441环氧聚酰胺体系已作为美海军船舶防锈涂料的典型系 列配方，其品种包括有颜色不同、溶剂含量不同、光学湿发射率不同的底漆、中间层漆、面 漆、甲板防滑漆和富锌底漆等近三十种。其中船底防锈涂料的使用寿命为五年以上，经美海 军认可的合格产品可举例如下：美国Devoe Coating Co的Bar-Rust 2350Courtaulds International Paim公司的FPL274FPA327、FPL034、KHA303和5800系列：Hempel Coatings(USA)。Inc的Hempadur4563这些涂料的特点：厚膜化(单道干膜厚为1001m以上)、改性树脂型(如：Bar-Rust235 是一种碳氢化合物改性的环氧树脂涂料)以及可适合不同施工环境的品种(如：分常温施工 型和低温施工型)。另外Hempel公司在推荐的5年期效防锈防污配套体系中，也采用环氧型作为防锈涂料 的基本成分。(2)我国舰船船底防锈涂料的现状和应用水平： 与舰船防污涂料同时进行的舰船涂料攻关会战工作后，也先后研制出一系列产品，它们主要的品种有：AC一15、c一16、H64氯化橡胶防锈涂料；2#、16#、26#环氧沥青防锈涂 料：V45乙烯沥青防锈涂料等。在新船建造时，乙烯沥青船底防锈涂料常与环氧沥青船底防 锈涂料配套使用。环氧沥青防锈涂料为底漆，乙烯沥青防锈涂料为中间层漆，面漆为防污涂 料。另外也有使用普通的沥青防锈底漆，如：L441铝粉沥青船底漆和L44-2沥青船底漆二8种。近年来又研制开发出一些长效型和厚浆型防锈涂料：如CBl和CB2底面配套体系：EP一8、 EP一9H和546#超厚膜型；水性无机硅酸锌底漆，如E0699和Lwl等配套体系。这些配套 体系已达到58年的防锈效果，十五结束时。可向海军提供810年的长效防锈涂料体系。2舰用特种功能性涂料 舰船特种涂层材料是舰船装备不可缺少的组成部分。它涉及的领域包括：耐高温、防热、防火、吸声阻尼、吸波、光学伪装等，尽管用量不大，但是舰船不可缺少和替代的配套材料， 而且随着武各现代化进程加快，特种涂层材料在舰船的各部位所起的作用越来越大。舰用雷达吸波隐身涂料海军装备对雷达、红外、激光、声、磁等各种探测信号的隐蔽性差异，将在很大程度上 决定海军在所处战场环境中作战能力的优劣，因此海军舰艇的隐身已越来越受到世晁各国的 关注。其中由于雷达探测距离远，受气候影响小而成为远程探测和制导反舰武器最常用的手 段，对舰艇的威胁也晟大，因此雷达波隐身技术已成为水面舰艇隐身技术的重点与标志。(1)国外情况水面舰艇雷达波隐身的环境因素，使其达到减小探测距离的隐身要求更易实现，且采用 隐身技术对提高舰艇的生存能力远比通过改进舰艇硬杀伤防护和电子对抗措施达到同样的 水平所花的研制费用低得多等原因，使财力并不十分雄厚的法国、瑞典等中小国家在海军舰 艇的隐身技术走在世界前列。法国1996年前后建造的3600吨护卫舰“拉菲特”。通过船体 及上层结构呈平滑设计，所有暴露部位都采用吸波材料处理等措施，其雷达散射截面低于 lOOOm2，与500吨级的沿海巡逻艇相当。瑞典于2000年建造的YS2000系列隐身护卫艇， 除采用隐身外形设计外，舰体采用吸波结构材料和涂覆吸波材料，其RCS为几十平方米以 下，达到全隐身的目标。西方国家己将隐身技术看作是增强舰艇战斗力的新的突破点，从发 达国家海军的新研、新建计划看，几乎所有下一代的主战舰艇都采用雷达隐身技术，且隐身 水平普遍得到了提高，达到了中级(715dB)和高级(20-40dB)水平。我国周边国家和地区，如印度、新加坡、马来西亚和台湾也在积极开展舰艇雷达隐身方 面的工作。且发展迅速，如台湾基本完成设计的光华6型导弹艇的隐身水平比YS-2000更 高一些。在吸波涂层方面，芬兰研制的HPA-l吸波涂料，据报道在518GHz内。有15-25dB的吸收效果，面密度为6kgm2已用于丹麦海军。 据有关专家介绍，俄罗斯舰船多功能隐身材料包括了可见光迷彩、红外、雷达(0820GHz)等隐身技术，厚度为6mm，面密度达1012kgm2。 美国在研DD21驱逐舰的RCS达到几十平方米乃至几平方米以下，如此小的RCS在海杂波的掩护下，要想发现和攻击是困难的。美国提出2005年研制出可单独控制的辐射率 发射率涂层，2010年研制出能自动对背景和威胁作出反应的自适应涂层体系，其他军事强 国也在积极运作中。(2)我国舰用吸波涂料的研究现状和应用水平1985年国防科工委将隐身技术列入“七五”计划，从此揭开了我国开展隐身技术研究 的序幕。通过“七五”到“九五”的合力攻关，吸收雷达波材料取得了较大的进展。国内主 要研究单位有船舶七二五所、航空621所、航天703所，青岛海洋化工研究院等在舰船的 应用上航空621所研制的XFT-2吸波涂层，厚度2mm，对3cm波段(8-12GHz)的衰减 达20dB，实艇测试可缩短雷达作用距离40*,，已在039潜艇的通气浮筏及指挥台围壳上推 广应用，但施工工艺复杂。其他吸波涂层的应用除存在施工工艺复杂等问题外。还存在流挂、 龟裂、脱落、效果欠佳等现象。“九五”、“十五”期间国内舰船吸波涂料的研究已转入型号应用阶段，到十五结束时， 可满足大中型主战水面舰艇的总体隐身要求，通过宽频带(2-18GHz)舰用雷达吸波涂料体9系的研制及应用研究，配合外形设计等技术措施，使我国舰艇的隐身技术有一个较大的飞跃 达到欧美等国现役(或在研)的中级(7-15dB)隐身技术水平。吸收声纳波涂层 (1)国外情况 前苏联从1958年开始在G级SSN型潜艇上敷设消声瓦，该消声瓦是由低频吸收层、高频吸收层和防污层组成的多层结构。1967年起前苏联除在SSG、SSB、SS、SSBN型潜 艇上使用50100mm厚的橡胶型消声瓦外，还在艇的艏部和声纳区采用了粗糙的、具有某 种结构的周体涂料。据资料报道，前苏联在“台风级”、M级、“奥斯卡”等潜艇上安装了 由橡胶型消声瓦和固体涂料组成的组合防护层后，使北约国家的潜艇声纳探测距离缩短75、美国MK46鱼雷主动声纳的探测距离缩短50。我国从前苏联引进的636、K877艇用 橡胶型消声瓦材质分析，为阻尼性能很低的丁苯橡胶，外形尺寸为1000xS00mm，厚度50mm。 预计到20世纪末，俄罗斯消声瓦的频率将扩宽到100KHz。发射声的衰减达1520dB。除前苏联外，美、英、法、日等国在潜艇消声瓦技术上亦走在世界前列。美国在新建的 “洛杉矶”级攻击型核潜艇、SSN21海浪级攻击型核潜艇以及俄亥俄级弹道导弹核潜艇上 全部安装了消声瓦，所用材料为丁基橡胶类、英国的“敏捷”级核潜艇、“阿拉法特”级核 潜艇、“北极星”核潜艇也包覆了消声瓦，所用材料为聚氨酯橡胶。据资料报道，英国“阿 拉法特”级核潜艇上采用的是缠绕的消声涂料；而90年代英、法等西欧国家研制了复合型 多功能消声瓦及聚氨酯喷涂技术，由于技术先进，喷涂的消声瓦不易脱落、厚度任意控制 并具有良好的牺牲、抑振和隔声作用，以喷涂施工形式替代了原先需要在工厂硫化成型，然 后用粘贴法施工的橡胶型消声瓦。日本亦加紧了消声瓦的研究，据资料报道己研制出A、B、 N、P四种类型的消声瓦，并做了缩比模型试验，所用材料为氯丁橡胶。同样，德国亦是最 早研制消声瓦和吸声材料的国家，二次大战期间，德国海军工程师就试验了4mm后的橡胶 涂料，且在1954年前苏联从德国获取了Albefich吸收声纳波涂料样品。法国早期所研消声 瓦的材料为聚硫橡胶，90年代还开展了聚氨酯涂料型具有复合功能的消声瓦研制。由于消声瓦(橡胶型或涂料型)应用背景的特殊性，国外除材料应用情况有些报道外， 详细地材料研制、声学性能、力度性能、耐海洋环境性能以及材料的工艺性能尤其是施工工艺性能报道的很少。(2)国内研究情况我国消声瓦的研究起步较晚，从“八五”期间开始橡胶型和浇铸型消声瓦的研究。橡胶 型消声瓦的材料为丁苯橡胶。常压下70ram厚的消声瓦平均吸声系数大于09，50mm厚的 消声瓦平均吸声系数为08509：压力2030MPa下。70mm厚的消声瓦平均吸声系数大于08，50mm厚的消声瓦平均吸声系数大于O75。实艇所用橡胶型消声瓦的外形尺寸为800x600mm，厚度为50mm，在工厂硫化成型后，用胶粘剂粘贴在潜艇表面并在四角用金属 螺母固定。所研的浇铸型消声瓦材料为聚氨酯，吸声性能略优于橡胶型。施工难度较大，需 用模具现场成型。阻尼吸声涂层的研究国内仅仅进行了试验室的初步探索。红外隐身涂层 舰船的水面部位暴露在红外侦察和红外制导导弹的攻击危险中，因此，各国针对舰船柴油机的红外目标抑制要求开展相应的红外抑制技术研究，包括材料、应用工艺和方法研究， 降低柴油机自身的红外特征信号，提高舰船的红外隐身水平有效地防御敌方攻击，降低红外探测器发现目标的概率。(1)国外情况为达到红外隐身目的，首先要对舰船动力装置(如舰船柴油机)采取重点的红外抑制措10施，消除高强度的红外辐射源使其成为分布式、低辐射和低对比度的目标。如果无法消除， 其辐射强度也应低于红外诱饵的辐射强度。因此。世界备军事大国都非常重视减少舰船目标 的红外特征信号。红外目标特征的主要来源之一是推进动力装置及电站动力(柴油机)。美国海军从1970 年开始就设立专门机构，从事舰船柴油机红外抑制技术的研究工作。1972年开始先后在的 DD963驱逐舰、FFG7护卫舰、CG47巡洋舰、DDG51驱逐舰、DDG51-2A驱逐舰上都加装 了红外抑制装置。加拿大国防部和DAVIS工程有限公司已为加拿大海军装有LM2500燃气 轮机的HALIFAX型护卫舰和装有FT4燃气轮机的DDH280改进型驱逐舰上加装了排气红 外抑制装置。在马岛战争中，英国皇家海军在所有SPEY燃气轮机的驱逐舰上也使用了从美 国引进的第二大技术的MK一2型排气红外抑制装置，并在此后将其部分技术转让给日本防 卫厅和荷兰皇家海军。世界各军事大国的动力装置红外抑制技术，至今关键技术仍十分保密。 但有一点是很明显的，就是使用了隔热涂层和低反射率涂料。80年代以来，国外(美国、俄罗斯、意大利、法国、瑞典等国海军)舰船红外隐身技 术的发展主要是新材料、新技术的应用，特别是采用热辐射低发射率涂料。在动力舱、烟囱 等强热辐射结构表面喷涂热辐射低反射率涂料，以改变辐射特性，收到良好的红外隐身效果。(2)国内研究状况 从80年代末开始，我国开展了针对35um波段，以抑制发动机高温热部件和尾焰红外辐射为目标的红外抑制跟踪技术研究，但还存在较大的差距。针对地面目标如坦克、装甲11车等进行的近红外隐身材料研究，目前还处于实验室研究阶段。 在80年代中期，对舰船提出红外隐身需求，采取的技术路线主要是模仿俄罗斯舰艇红外抑制技术。柴油机等动力装置的排气管和废气温度很高，一般可达到400左右会产生 连续光谱的红外辐射。为降低排气管的温度。采用隔热层和通过空气对流方式降低温度。排 气外的隔热层能使排气管的红外辐射大大降低，对隔热层上采取空气对流冷却也使排气管外表面的红外特征进一步降低。但是，隔热层的使用使排气流中的热量增加，所以排气出口仍 是一个高温的红外辐射源，为此采用热废气冷却系统降低其红外辐射。目前采用的有夹杂空 气冷却和液体雾化冷却两种系统。夹杂空气冷却需要风扇作为动力，存在噪声源。液体雾化 冷却需要动力，以便将液体抽进废气流，而且冷却液体用完后，需要再供给。目前采用双层 烟囱，烟囱底部开设冷空气进孔，使柴油机的热排气与大量的冷空气混合，降低烟囱排出废 气的温度。目前我国的红外隐身技术在空中和海中的应用发展很不平衡，就目前的水平看，航空的红外隐身技术比较成熟，已达到或接近实用阶段，而且已开始应用于飞机的设计和制造中。 海上舰艇的红外隐身才刚刚起步，红外隐身涂料的研制更是空白，与之相近的工作有隔热涂 层、热辐射低反射率涂料、耐高温涂料等，有望用于红外隐身涂料的研究，达到事半功倍的 效果。抗热辐射涂料抗热辐射涂料是为满足军事上的需求而发展起来的，通过该涂料的涂覆降低和削弱敌方 热红外探测设备的效能，改变目标自身的热辐射特征或使用目标自身的综合热散特征与周围 背景相适应。美国、前苏联等发达国家，在60年代末就开始投入大量的财力和物力进行研 究工作，取得了相当满意的成果，已广泛应用于舰艇的甲板、坦克壳体以及军事设施的外表 面，可以降低温度56。在九十年代初，美国研制出了一种具有一定降温兼伪装效果的 太阳热发射消光涂层，在波长800nm处的热发射率约为50，三年使用寿命。70年代末， 开始了民用抗热辐射涂料的研究工作，日本的武居二郎研制出了建筑物用抗热辐射涂料，同 时罔田道夫则建立了抗热辐射涂料的评价方法。在美国的建筑业，抗热辐射涂料不但美化了】1环境，而且节约了能源经美国能源部测试，像南方的墙面和屋顶涂刷抗热辐射涂料后可以节约21的空调电力，已被美国能源部正式推荐，广泛使用在建筑和化工领域。 在我国，目前还仅处在实验室探索与理论研究阶段，文献资料的相关报道也很少见到。国外厂家已虎视眈眈我国广阔的应用市场，如Henry Company的产品已在2001年送到国内 进行检测，开始开拓中国市场。目前国外的抗热辐射涂料朝如下趋势发展：1高发射率，可以达到80以上：2多功能，如用于甲板，兼有防滑作用；3长寿命，可达5-8年；4降低成本提高性价比。飞行甲板防滑涂料载机甲板上飞机或重型设备的滑动能引起严重的事故，特别在恶劣海情时，高效能的 “不滑”甲板涂料对舰载飞机和人员的安全起很大保证作用。战斗机飞行甲板涂料不同于一 般的甲板涂料，除要防止甲板不腐蚀外，还必须具有高度的耐冲击性，并在干、湿及油性条 件下，具有高度的防滑性，而磨损后仍保持防滑性，并具有阻燃和维修保养方便等特点。国外凡是有航母的国家都早已开展过对飞行甲板防滑涂料的研制。以美国为代表的发 达国家如英国、法国、日本、澳大利亚等开展过研究工作。最初的甲板防滑涂料为醇酸类油 漆撒上砂子类防滑粒子，通常这种涂料仅有几个月的寿命，而且施工性能较差。随着飞行性 能的提高，冲击性要求愈来愈高，又发展成双组份体系，基料也由醇酸酚醛类发展到环氧聚 氨酯。施工方法也由最初的刷喷涂发展到无须专业涂装人员施工的辊涂，大大有利于舰船的 平时维修保养。而且涂料的挥发份含量大大降低，满足日益受到重视的环保要求。产品也发 展成多种型号的系列产品。通常分成三个型号，I型为通用型、II型为高闪点型、III型为弹 性型。每个型号中又分为二类(G和L)和二种级别(A和B)及二种涂装方法。日本自八 十年代已研制出诸多种的防滑涂料，其中有日本大洋渔业株式会社，船舶事业工务课生产的 “Epox0300c”符合美国军标要求，被美海军航母采用。其特点是厚浆、摩擦系数高及耐磨 性好。另外还有关西油漆株式会社的于，于。237等。俄罗斯明斯克航母飞行甲板采取的保护材料为：防腐底涂层+纤维增强板+钢丝网增强+防滑面涂层保护，材料总厚为1em左右。面涂层为100tm。国内飞行甲板涂料研制尚属空白，只有普通类型的直升机停机坪甲板涂料，目前对飞行 甲板涂料的需求比较迫切。耐高温涂料目前最常用的耐热涂料为有机硅耐热涂料和无机耐热涂料。有机硅耐热涂料的发展和 使用已有较长的历史，世界各国均有不少品种和型号。美国的有机硅耐热涂料主要以Dc一805和I)c-806A为基料，添加耐热颜填料组成。前苏联的有机硅耐热涂料主要由聚有机硅 氧烷清漆和硅酸盐填料以及金属氧化物组成。日本的有机硅耐热涂料采用环氧有机硅为基 料。配以无机颜料和玻璃料组成。我国现有的有机硅耐热涂料也是主要以有机硅及改性有机硅树脂为基料，配以耐高温颜填料和玻璃粉组成。 耐高温涂料主要用于导弹发射架、蒸汽管路、烟囱内外表面等。纳米级细粉在舰船涂料上的应用 超细材料是近20年来迅速发展起来的一类新型材料。超细材料泛指粒径在1-100rim范围内的粉末。由于纳米级超细材料具有常规微细粉末所不具备的反常特性，以及纳米材料 的小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应使它在磁性、催化性、 光吸收、热阻和熔点等与常规材料相比显示出优越的性能。因而得到人们极大重视。超细材料具有许多特异性能，如具有巨大的比表面积(每克大于数十平方米)：薄而均12匀的界厩层：可均匀分散在气体、液体和固体物质中。它可应用为橡胶、油墨和涂料的填料， 以及电磁波吸收和远红外材料等。它们的应用领域正在不断的增加。在涂料方面，超细材料正向一些高档油漆和特殊用途的涂料。如：改性防水涂料，具有 紫外发射、紫外屏蔽功能涂层应用开发研究。在军