2022年復(fù)合材料市場(chǎng)回顧及2023年市場(chǎng)展望：船舶及海洋領(lǐng)域用復(fù)合材料

根據(jù)美國(guó)國(guó)家海洋制造商協(xié)會(huì)（National Marine Manufacturers Assn，NMMA）發(fā)布的一份新聞報(bào)告，2022年10月新船銷(xiāo)量已降至2019年新冠疫情前水平以下，NMMA主席Frank Hugelmeyer表示，這表明經(jīng)濟(jì)不確定性和消費(fèi)者關(guān)注力競(jìng)爭(zhēng)的預(yù)期回歸正開(kāi)始顯現(xiàn)其影響。

據(jù)報(bào)道，截至2022年7月，新動(dòng)力船銷(xiāo)售額比2021同期低18%，比2019年疫情前低11%。然而，一些其他類(lèi)別船舶的銷(xiāo)量則繼續(xù)超過(guò)了疫情前的銷(xiāo)量，例如新的浮船、尾流運(yùn)動(dòng)船和游艇。

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Candela?P-12穿梭船將于2023年運(yùn)行，它是一艘電動(dòng)水翼船，使用碳纖維箔技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速、平穩(wěn)、零排放的通勤

此前，NMMA在2021報(bào)告稱(chēng)，2020年汽艇零售額達(dá)到13年來(lái)的最高水平，比2019年增長(zhǎng)了9%。2020年，新船銷(xiāo)量增長(zhǎng)12%，達(dá)到31萬(wàn)艘，其中淡水漁船和浮船銷(xiāo)量占動(dòng)力船銷(xiāo)量的一半。另一個(gè)高速增長(zhǎng)的領(lǐng)域是用于尾流滑板和滑水沖浪的滑水艇，2020年新船增加了20%，達(dá)到1.3萬(wàn)艘。Hugelmeyer指出：“在過(guò)去兩年創(chuàng)紀(jì)錄的增長(zhǎng)之后，現(xiàn)在是時(shí)候密切關(guān)注消費(fèi)者需求，展望20年的趨勢(shì)來(lái)看，2022年預(yù)計(jì)讓將是行業(yè)健康的一年?！?/span>

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總體而言，碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）在船舶上的使用繼續(xù)緩慢增加，這是由于船主和運(yùn)營(yíng)商在尋求減少燃料消耗和環(huán)境影響的同時(shí)，對(duì)更高速度和性能的要求。

在動(dòng)力船和帆船中，一個(gè)持續(xù)的發(fā)展趨勢(shì)是箔，即：使用水翼水下機(jī)翼將船體抬出水面并“飛行”。箔片通常是穿透水面的V形葉片或留在水下的T形葉片。有些船同時(shí)使用這兩種結(jié)構(gòu)，它類(lèi)似于飛機(jī)上的機(jī)翼，這些機(jī)翼產(chǎn)生升力，因此當(dāng)船獲得速度時(shí)（在大多數(shù)情況下速度為15-18節(jié)），其船體會(huì)從水中升起。箔片通常以較低的速度縮回并由電子器件驅(qū)動(dòng)。

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2022年8月，瑞典Candela公司宣布了P-12穿梭船計(jì)劃，這是一艘水翼電動(dòng)渡輪，將于2023年抵達(dá)斯德哥爾摩水域。Candela聲稱(chēng)，這艘渡輪將是迄今為止世界上最快、航程最長(zhǎng)、最節(jié)能的電動(dòng)船，其特點(diǎn)是機(jī)翼、船體、甲板、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、箔片支柱和方向舵均是采用碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂并通過(guò)樹(shù)脂注入打造。

P-12?Shuttle水翼電動(dòng)渡輪模型。圖片來(lái)源：坎德拉

用于工具和最終船舶零部件的增材制造(AM)也是近年來(lái)發(fā)展迅速的一個(gè)領(lǐng)域。MAMBO(Motor Additive Manufacturing Boat，增材制造船)被意大利建筑商Moi Composites稱(chēng)為第一艘使用連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料的3D打印船。這艘6.5米長(zhǎng)、2.5米寬的動(dòng)力船展示了一種新的、獨(dú)特的形狀，這是傳統(tǒng)制造不可能實(shí)現(xiàn)的。它是在生成算法的指導(dǎo)下使用機(jī)器人進(jìn)行分段打印的，這種算法可以直接從數(shù)字結(jié)構(gòu)模型中使用連續(xù)纖維進(jìn)行打印，并且在尺寸上具有可擴(kuò)展性，然后將這些部分層壓在一起，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。

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2021年9月，意大利大型增材制造專(zhuān)家Caracol首次展示了Beluga，這是一款使用回收聚丙烯（PP）和30%短玻璃纖維制成的3D打印帆船原型。Beluga是由Caracol和意大利NextChem公司聯(lián)合研究項(xiàng)目的，NextChem是一家生產(chǎn)MyReplast再生塑料材料的綠色能源公司。

大型船舶采用復(fù)合材料的速度較慢，但同樣引人注目。近年來(lái)，在378名成員組成的歐洲海上輕型應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)（European network for Lightweight Applications at Sea，E-LASS）的支持下，兩個(gè)歐洲聯(lián)盟FIBRESHIP和RAMSSES在這一領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)展，推出了一系列示范項(xiàng)目，包括復(fù)合材料甲板、舵、直升機(jī)甲板、船體、模塊化艙室和上層建筑，修補(bǔ)鋼和復(fù)合材料與鋼焊接接頭。

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截至2021年11月的最后一次會(huì)議，RAMSSES聯(lián)盟指出，在四年多的時(shí)間里，它為海洋應(yīng)用開(kāi)發(fā)了13個(gè)可行的輕量化解決方案，并做出了持久的貢獻(xiàn)，如“批準(zhǔn)智能通道”，以提高海洋創(chuàng)新和審批流程的效率。

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另一個(gè)正在進(jìn)行的研究聯(lián)盟FIBRE4YARDS是一個(gè)為期36個(gè)月的歐盟地平線(xiàn)2020項(xiàng)目，于2021年1月開(kāi)始，涉及來(lái)自六個(gè)國(guó)家的13個(gè)合作伙伴。

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據(jù)報(bào)道，F(xiàn)IBRE4YARDS的主要目標(biāo)是通過(guò)使用“先進(jìn)和創(chuàng)新的FRP制造技術(shù)”實(shí)施所謂的“造船廠4.0”，以保持歐洲在造船和船舶維修領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。具體的工作包括研究FRP生產(chǎn)和連接技術(shù)，如拉擠成型、熱塑性熱沖壓和連接技術(shù)、自動(dòng)膠帶放置(ATP)和自動(dòng)纖維放置(AFP)、3D打印、自適應(yīng)成型技術(shù)、設(shè)計(jì)和工程、數(shù)字孿生和智能制造、生命周期分析(LCA)、回收利用等。

天然纖維、回收材料（如回收PET泡沫芯和回收碳纖維rCF）也正在探索用于船舶結(jié)構(gòu)。例如，2022年初，英國(guó)RS Electric Boats的姊妹公司RS Sailing開(kāi)始交付其第一艘Pulse 63電動(dòng)剛性充氣艇（RIB）?？紤]到可持續(xù)性，該艇的許多部件都采用了英國(guó)Gen 2 Carbon公司提供的rCF復(fù)合材料，并使用了回收的PET泡沫芯來(lái)制造。亞麻纖維和生物基樹(shù)脂也被考慮用于船的早期迭代。2022年5月，該公司宣布將搬到一個(gè)新的、更大的工廠，并擴(kuò)大其團(tuán)隊(duì)，以滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)Pulse 63的需求。

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Pulse63電動(dòng)剛性充氣船主要采用再生碳纖維復(fù)合材料和再生PET泡沫芯建造

另一項(xiàng)新的可持續(xù)材料創(chuàng)新是可愈合復(fù)合材料。2022年2月，美國(guó)Gunboat R.I.Newport和法國(guó)La Grande-Mott、瑞士CompPair Technologies宣布將開(kāi)展合作，使用CompPair的HealTech復(fù)合材料面板建造和測(cè)試一艘雙體船。CompPair的技術(shù)基于“智能”預(yù)浸料材料，該材料采用專(zhuān)有樹(shù)脂設(shè)計(jì)，可在幾分鐘內(nèi)修復(fù)復(fù)合材料面板的裂縫和分層。在其他市場(chǎng)中，CompPair將海洋和造船業(yè)作為其產(chǎn)品的增長(zhǎng)領(lǐng)域。

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Gunboat 6801采用自修復(fù)CompPair HealTech復(fù)合材料面板制造

除了更可持續(xù)的制造材料外，許多企業(yè)還正在努力為海洋組件在其壽命結(jié)束時(shí)提供回收解決方案，并使這些組件更可回收。復(fù)合材料零件的回收是復(fù)雜的，通常涉及對(duì)整個(gè)復(fù)合材料零件的機(jī)械分解（通過(guò)銑削、切碎或其他工藝）以供再利用，或采用某種化學(xué)或基于熱的方法分離原始樹(shù)脂和纖維材料，以單獨(dú)重新利用。

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在該領(lǐng)域，有許多組織正在研究解決方案，例如英國(guó)國(guó)家復(fù)合材料中心（ National Composites Centre，NCC）于2022年宣布，它正在支持一個(gè)新成立的聯(lián)盟，來(lái)解決海洋工業(yè)中復(fù)合材料的回收問(wèn)題，其長(zhǎng)期目標(biāo)是在英國(guó)建立一個(gè)大型FRP回收設(shè)施，稱(chēng)為藍(lán)色復(fù)合材料項(xiàng)目，目前正在研究的主要回收技術(shù)是DEECOM，它是由英國(guó)Longworth開(kāi)發(fā)并由Cygnet Texkimp商業(yè)化的加壓蒸汽纖維回收方法。

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為了實(shí)現(xiàn)和支持回收工作，部分公司也開(kāi)始開(kāi)發(fā)和采用新的樹(shù)脂，這種樹(shù)脂可以在零件的壽命接受時(shí)更容易地從纖維中分離出來(lái)。法國(guó)Arkema公司的Elium液態(tài)熱塑性樹(shù)脂就是這樣一種產(chǎn)品，該產(chǎn)品在海洋工業(yè)中由美國(guó)Brunswick Corp.和Boston Whaler建造的完全可回收玻璃纖維復(fù)合材料船原型上進(jìn)行了展示。

為了實(shí)現(xiàn)全球減排目標(biāo)，各國(guó)政府和行業(yè)正在尋求更多的可再生和清潔能源解決方案。在海洋工業(yè)中，電動(dòng)船已經(jīng)成為傳統(tǒng)燃料船的替代品，但氫燃料電池和其他清潔能源解決方案也正在興起。

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例如，100英尺長(zhǎng)的Energy Observer帆船和Hynova 40生產(chǎn)動(dòng)力船（40英尺長(zhǎng)）都使用了日本豐田的Rex H2燃料電池。豐田還在一艘40英尺長(zhǎng)的洋馬EX38A捕魚(yú)巡洋艦上安裝了兩個(gè)燃料電池和8個(gè)700 barIV型復(fù)合材料儲(chǔ)氫罐。豐田和日本Yanmar公司宣布到2025年將在大型船舶上擴(kuò)大和部署這種氫推進(jìn)系統(tǒng)。

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2022年，韓國(guó)現(xiàn)代重工集團(tuán)啟動(dòng)了一個(gè)項(xiàng)目，與全球能源公司Shell（英國(guó)倫敦）、Doosan fuel Cell（韓國(guó)首爾）、HyAxiom（美國(guó)康涅狄格州東哈特福德）和DNV（挪威奧斯陸）合作，為大型船舶演示燃料電池。據(jù)報(bào)道，該項(xiàng)目將使用一個(gè)600千瓦的高效固體氧化物燃料電池（SOFC），在一艘174000立方米液化天然氣（LNG）船上進(jìn)行輔助發(fā)電，該船將于2025年由Shell運(yùn)營(yíng)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，它們計(jì)劃開(kāi)發(fā)和供應(yīng)高效、環(huán)保的船舶，這些船舶可以長(zhǎng)期將燃料電池應(yīng)用于推進(jìn)動(dòng)力源。

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2022年8月，挪威HAV Hydrogen宣布，將為船舶推出一種基于甲板的集裝箱氫氣（H2）能源系統(tǒng)，以快速實(shí)現(xiàn)氫作為船舶燃料的商業(yè)使用。雖然該系統(tǒng)目前沒(méi)有使用復(fù)合材料，但該公司表示復(fù)合材料H2儲(chǔ)罐在這個(gè)領(lǐng)域有機(jī)會(huì)。

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2022年10月，挪威Hexagon Composites專(zhuān)注于零排放的子公司Hexagon Purus加入了ZeroCaster項(xiàng)目研究，其目標(biāo)是研究、評(píng)估和展示使用替代燃料系統(tǒng)的零排放船舶設(shè)計(jì)解決方案。Hexagon Purus將利用IV型復(fù)合材料氣瓶技術(shù)，在壓縮氫氣的儲(chǔ)存和分配方面貢獻(xiàn)其知識(shí)和專(zhuān)長(zhǎng)。

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ZeroCoaster展示的零排放概念船舶

最后，另一種替代的綠色能源解決方案是機(jī)械轉(zhuǎn)子帆，即利用風(fēng)能作為船舶輔助動(dòng)力的桅桿狀結(jié)構(gòu)。芬蘭Norsepower用玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料重新設(shè)計(jì)了機(jī)械旋翼帆。2021，挪威船舶設(shè)計(jì)公司宣布設(shè)計(jì)一艘零排放任務(wù)貨船，該貨船由氫燃料電池和挪威電力公司的旋翼帆提供動(dòng)力。

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