2025年復合材料終端市場:船舶建造和海洋領域

隨著2023-2024年消費者需求的放緩，船舶和海事制造商繼續關注脫碳和使用復合材料的新技術。

來源:compositesworld

2024年1月，美國國家船舶制造商協會（NMMA，美國華盛頓特區）公布了其2023 年的統計數據：新的摩托艇零售量預計下降 1%-3%，達到258000艘。雖然大多數類型的摩托艇銷量下降了5%-25%，但私人摩托艇（最多可容納3人的定價入門級的小型船只）的銷量卻增長了20%-25%，估計2023年新船的零售總銷量為85000-90000 艘。“隨著2023年利率的飆升和通貨膨脹的激增，我們發現，越來越多的劃船消費者對價格很敏感，決定等待情況好轉后再購買下一艘船只，同時，更青睞于私人摩托艇。”NMMA的總裁Frank Hugelmeyer說道。

美國國家船舶制造商協會的年度船舶銷售數據顯示，2023年以及估計2024年的摩托艇零售量會繼續下降（圖片來源：NMMA在IBEX 2024上對行業狀況的介紹）

NMMA預測，2024年的新船銷量與2023年的持平，預計會受到選舉年的持續高利率和消費者信心不穩定的影響。NMMA同時指出，摩托艇制造商繼續關注采用新興技術的創新新產品，包括通過使用可持續船用燃料、氫氣、電動和混合動力推進系統來實現休閑劃船脫碳的解決方案。

全球在線劃船市場集團BoatsGroup.com在其2024年8月的市場報告中證實了這一市場概況。其數據顯示，2024年上半年，主要受二手船銷量下降（-12.4%）的影響，全球銷售量下降了9.1%，然而，新船的銷售量卻增長了5.3%。高利率和通貨膨脹再次被提及，這解釋了為什么新船銷售的主要驅動力是長度小于26英尺的船只，2024年上半年的銷量總計超過12000 艘。

2024年8月還發布了一份關于該市場主要趨勢的報告，其中涉及可持續性、材料和技術的創新、訂制和獨特功能以及可負擔性：

• 可持續性：人們對電動和混合動力船只的興趣越來越高，因為它們運行更安靜、排放和維護成本更低。這些船只通常由復合材料制成，同時還整合了太陽能電池板和智能技術，以提高運營效率。
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• 材料和技術：由于重量輕，碳纖維的應用日益增多，同時，對生物基和可回收復合材料的應用也在增加。此外，智能導航系統、防撞等高級安全功能以及自動駕駛技術和人工智能的日益整合，成為新的發展趨勢，能夠提供自動?？亢皖A防性維護等功能。
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• 訂制：劃船者正在尋求通過外部顏色和圖案以及訂制技術和性能選項來實現個性化，包括根據他們的喜好增加空間和可用性。
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• 負擔能力：該市場對價格仍然非常敏感，這就解釋了為什么人們更偏好于舷外摩托艇和私人船只。與其他細分市場相比，該細分市場的銷售額持續增加。
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• 船舶發展趨勢：根據《國際航運新聞》2024年9月的一篇文章，對于大型海運船舶和船只，最重要的趨勢仍然是減排，包括開發新的燃料、燃油效率技術（如優化船體形狀和空氣潤滑系統）以及零排放技術（如氫氣和風力推進）。根據專家預測，風力推進和替代燃料的廣泛使用，對于實現國際海事組織（IMO，英國倫敦）的目標至關重要。

這些目標包括：

1. 到 2050 年，通過溫室氣體（GHG）的凈零排放實現化石燃料的終結使用。
2. 到 2030 年，減少 20%（力爭30%）的檢查點。
3. 到 2030 年，實現5%-10% 的近零/凈零溫室氣體排放技術和燃料目標。
4. 到 2040 年，減少 70%（力爭 80%）的檢查點。
5. 其他趨勢包括：航運的數字化轉型和自動駕駛船舶的增加（以推動網絡安全的加強以及對數據標準需求的增加），以及在生產和運營中使用自動化、機器學習和基于云的系統。

2023年一份關于歐盟造船廠使用復合材料的報告重申了這些趨勢，介紹了這些造船廠如何推動人們越來越有興趣使用復合材料。該報告介紹了作為 FIBRE4YARDS 項目的一部分所展開的一項調查，該調查詢問了造船廠對使用先進復合材料結構技術的經驗和興趣，包括自適應模具、自動鋪帶/纖維鋪放、彎曲拉擠型材、增材制造（AM）、加熱沖壓、模塊化和批量化造船以及生產數字化。

FIBRE4YARDS調查覆蓋了來自歐盟國家的39家造船廠，其中以西班牙、法國和葡萄牙的為首（上圖），以及制造的4個主要類型的船舶（下圖）（圖片來源：“復合材料、技術和制造：歐盟造船廠的現狀”一文）

在所聯系的426家造船廠中，有39家作出了回應。這些造船廠按制造的船舶類型進行分類，其中大多數制造多種船舶類型，有21%的造船廠制造客船和服務船，或制造特殊用途船和服務船。77% 的受訪造船廠在公司內部或通過分包商來使用復合材料。最常用的材料和工藝大多在意料之中，但令人驚訝的是，對碳纖維和環氧樹脂的應用排名很高。

對FIBRE4YARDS調查的回應涉及所用復合材料以及造船廠對哪些技術感興趣（圖片來源：“復合材料、技術和制造：歐盟造船廠的現狀”一文）

到2025年，所有的Melker皮劃艇都將采用Bcomp亞麻增強織物、Amorim軟木以及Sicomin的植物基樹脂和膠衣來制造（圖片來源：Melkor of Sweden）

將3D 打印用于船舶及原型模的制造

3D打印復合材料在造船和海事應用中持續增長。2024年3月，CEAD Group（荷蘭代爾夫特）指出了3D打印在船舶制造領域的幾項新進展，其中之一是為2024年巴黎奧運會3D打印的自動駕駛渡輪。該渡輪經Holland Shipyards（鹿特丹附近的Hardinxveld-Giessendam）委托，由附近的打印服務公司10XL使用機器人3D打印機創建。10XL還與Impacd Boats（荷蘭弗里斯蘭 Woudsend）展開了合作，Impacd Boats現在正在使用回收材料打印其電動單桅帆船的船體。創始人Marieke de Boer表示，每艘Impacd 3D 打印船可以回收大約8次。

為2024年奧運會使用的自動駕駛渡輪3D打印的船體（左）以及由10XL為Felicity Boats 的新型 Felicity 1000 3D 打印的船體（右下），而Impacd Boats則由回收塑料3D 打印而成（右上）（圖片來源：10XL和Impacd Boats）

自2016年以來，10XL一直是使用回收塑料實現大面積增材制造的先鋒，該公司還參與了其他的海事項目，包括大型船只家具和海軍的隱形水下無人駕駛車輛 （UUVs）。2024年，在對其技術進行仔細審查和推進后，現在10XL宣稱，可以實現全層溫度控制、工業級填充和各向同性材料性能。2024年10月，該公司向Felicity Boats International（荷蘭弗蘭克）交付了新的 Felicity 1000 型號的鯉魚漁船。

值得注意的是，盡管Impacd Boats 和 Felicity Boats 主要使用未增強的再生塑料，但在CEAD 機器的擠出頭中使用的通常是纖維增強的熱塑性粒料，也可以使用連續纖維。CEAD希望確保3D打印的復合材料在海事領域的應用也能向前發展，并于2024年10月宣布，將在代爾夫特開設海事應用中心。該中心將配備一臺為生產船體而設計的12 米長的擠出3D打印機，以及其他幾臺 LFAM 機器（如ATLAM和Flexcube）。該中心旨在促進船舶行業的領導者與CEAD的專家展開合作，以開發大型的3D 打印船舶和船舶部件，共享知識并在監管和認證等方面取得進展。該中心的第一批項目已經簽署，并計劃于2025年第一季度末舉辦一場以行業為重點的活動，以及在2025年第三季度正式開業。

CEAD的技術使用玻璃纖維、碳纖維或天然纖維增強的熱塑性復合材料。這種方法無需使用模具，從而可以縮短生產時間，減少勞動密集型的加工流程。

CEAD 擠出頭還被用于更快、更可持續的船模制造。Rapid Prototyping（匈牙利布達佩斯）多年來一直采用CNC加工聚氨酯泡沫和手糊玻纖增強塑料（GFRP）的方法來制造模具。2020年，該公司向CEAD 購買了一臺 E25 機器人擠出機，并將該擠出機集成到其4850毫米×2635毫米×1460毫米的龍門數控機床中，開始用該系統生產30%短玻纖增強聚丙烯制成的模具和原型。據業主 György Juhász介紹，這減少了50%的人工時間，縮短了交貨周期。他表示，使用3D打印的原型模后，最終產品得到了改進。與使用泡沫制成的傳統原型模相比，需要的玻纖層和漆層更少。此外，還優化了工藝流程，每個模具分多塊打印，在打印下一塊時可以對已經打印好的進行加工。一旦所有的塊被打印和加工好，就可以用粘合劑和小的塑料嵌件將它們連接起來。完成后，就從原型模（這是制造最終游艇船體的基礎）開始，采用手糊方式制造玻璃纖維/PP的模具。2022年，Rapid Prototyping通過為55英尺的船體（由44個部件組成）制造原型模而測試了該生產工藝，證明了該工藝可以減少勞力和浪費。

使用 3D 打印制造用于船模具的原型模，首先要在CAD 圖紙上將其分成多個3D打印的塊，這些塊一旦被組裝接合好，就制成隨時可用的原型模（圖片來源：Rapid Prototyping的母公司Foarboc Ltd.和Como Yacht Ltd.）

碳纖維的上層結構

在造船/船舶應用中另一個不斷發展的趨勢是使用碳纖維來減輕重量，尤其是在甲板室和上層結構中。比如，Vabo Composites（荷蘭埃梅洛德）為一家著名的荷蘭帆船制造商制造了兩個輕質碳纖維復合材料的甲板室。“通過使用復合材料，我們為客戶提供了強度、輕質結構和耐用性的最佳組合。”該公司在一個新聞稿中解釋說。

用于帆船的碳纖維復合材料甲板室（圖片來源：Vabo Composites）

StrengthBond和DuraBond Offshore項目

碳纖維也是用于大型（如40平方米）層壓/粘接復合材料補片的首選材料，以用于修復鋼制船舶（包括船舶和海上石油生產船）的腐蝕。“但是，對于作為這些海事應用主要結構的寬平板，尚沒有標準化的修復方法。”Bureau Veritas船級社（法國南特）的復合材料部門負責人 Stéphane Paboeuf 解釋說。為了解決這一問題，必維國際檢驗集團與一個行業合作伙伴組成的聯盟合作，開展了StrengthBond Offshore 項目（2019-2023年）的研究。

在StrengthBond Offshore 項目中對碳纖維復合材料的修補進行了測試（圖片來源：必維國際檢驗集團、StrengthBond Offshore）

該項目開發了一種強大的方法，用于分析此類維修的強度，包括用于評估和驗證設計的數字工具、表面處理與制造協議以及實體測試。對于實體測試，開發了一種新的等效界面試樣，該試樣能夠表征粘接復合材料補片內的多個界面。到項目結束時，已經完成了250多次試樣測試和115次數字模擬，包括在大型試樣上進行50000至500萬次循環的疲勞測試。

這些補片使用的是碳纖維， “因為如果我們使用玻璃纖維，就需要過厚的厚度。”Paboeuf說道，“但我們確實在碳纖維和鋼之間使用了一些玻璃纖維層，以防止電位腐蝕。”補片修補使用不含粘合劑的環氧樹脂，并在80℃下進行后固化，總的循環時間為16小時。兩種不同的制造工藝得到了測試：真空輔助樹脂灌注和真空袋裝手糊。結果顯示，兩種工藝實現的強度大致相同。然而，采用長嵌接接頭設計所實現的修復補片強度要比采用短嵌接接頭設計的高38%。

修復補片疊層，其中，藍色和灰色層是碳纖維，綠色層是用于隔離電流的玻璃纖維，橙色是鋼基材。右上角顯示的是所測試的長、短嵌接角度（圖片來源：StrengthBond Offshore）

DuraBond Offshore 是一個為期3年的后續項目，于2024年11月啟動，將在水和碳氫化合物中以及在高、低溫下對試樣進行老化測試，然后在靜態載荷下對其進行疲勞測試。“通過這些測試，我們可以評估環境對補片強度的影響，以調整安全系數并確認長期性能。”Paboeuf說道。

東麗提供VARTM船舶維修

碳纖維供應商東麗工業公司（日本東京）也提供用于船舶的粘接復合材料維修服務。2024年9月，東麗宣布，其獲得了美國船級社American Bureau of Shipping（簡稱ABS，德克薩斯州休斯頓）的批準，可以將真空輔助樹脂傳遞模塑（VARTM）工藝用于使用碳纖維增強聚合物（CFRP）層壓板的修復。該批準使 VARTM 能夠被用于修復ABS認證的船舶，從而減少工程審查和驗證所需的時間。該修復工藝將東麗的碳纖維機織布應用于鋼結構表面，然后用真空袋覆蓋織物，并注入環氧樹脂，固化后，CFRP得到粘接，從而可以恢復腐蝕區域的強度。

將復合材料用于風力、電力和氫能推進系統

2024年8月，英國風力推進公司GT Wings宣布了一項與KS Composites（英國梅爾頓莫布雷）的戰略合作，以制造其 AirWing 技術裝置。AirWing 專為商業航運而設計，旨在將燃料消耗和碳排放減少30%，幫助船主滿足嚴格的歐盟（EU）和 IMO 環境標準要求，同時顯著節省燃料。第一臺AirWing裝置于2024年第四季度被安裝到Carisbrooke Shipping運營的一艘124米長的雜貨船上。2024 年10月，GT Wings 獲得了Innovate UK 提供的智能航運加速基金 （SSAF） 的一部分贈款，專注于開發英國海事部門脫碳所需的技術。

GT Wings與KS Composites合作，為船舶建造其AirWing推進系統（圖片來源：GT Wings）

復合材料對于輕型電動船和水翼船也至關重要，通常被用于進一步提高這類船舶的性能。2024年8月，Artemis Technologies（英國貝爾法斯特）在引起北美地區的興趣后，宣布開設其第一個美國辦事處。該公司設計、開發和制造由其 eFoiler系統提供動力的100%的電動水翼船。Artemis船只采用復合材料/金屬制成的水翼以及玻璃纖維和碳纖維的復合材料結構。“海運業正在經歷向更可持續運營的轉型。”Artemis Technologies 的聯合創始人 David Tyler說道，這包括數百個渡輪系統，這些系統目前使用低效的柴油發動機，穿越人口稠密且經常被邊緣化的社區。“渡輪運營商越來越認識到，他們必須采用電力來減少排放并實現船隊的現代化。”Tyler補充道，“我們擁有久經考驗的解決方案，可以使這一轉型取得商業成功。

Artemis Technologies將復合材料用于電動水翼船的結構和水翼（圖片來源：Artemis Technologies）

與此同時，Hexagon Purus（挪威奧斯陸）的全資子公司 Hexagon Purus Maritime（挪威奧勒松）正在開發和提供Ⅳ型CFRP壓力容器，以為一系列零排放的船舶提供儲氫罐。2024年9月，該公司宣布了一份來自Freire Shipyard（西班牙維戈）的合同，為Greenpeace的75米新型船舶用的壓縮氫氣系統提供儲氫罐。該系統計劃于2027年交付。Hexagon Purus Maritime表示，將綠氫用于海事部門對于減少全球的溫室氣體排放至關重要。該公司有許多項目正在開發中，預計到 2050年，綠氫將滿足全球25%的能源需求。

Ⅳ型CFRP壓力容器將在Greenpeace的新型75米船舶上被用于儲存氫燃料（圖片來源：Hexagon Purus Maritime）

持續推動可持續發展

船舶應用的可持續性不僅包括脫碳推進以及由復合材料提供的輕量化，還包括尋找低能耗和低碳排放的材料和工藝。2024年9月，在慶祝合作50周年的公告中，泡沫和復合材料的供應商 Diab（瑞典拉霍爾姆）表示，Brødrene AA（挪威海恩）在其快速、節能的渡輪中使用了泡沫芯CFRP結構，并指出，Brødrene AA使用復合材料延長了其船舶的使用壽命，最大程度地減少了更換需求并降低了整個生命周期的使用成本。Diab還表示，在減少其材料的碳足跡方面，該公司取得了重大進展，在2016至2023年期間實現了50%的減排。

這張來自博納多的圖表說明了循環性，因為此概念適用于該公司使用 Elium 制造的第一款44e 型號的船舶（圖片來源：博納多集團）

《復合材料世界》2024年2月發表的一篇文章討論了推進回收材料和生物基材料應用的廣泛的造船商和計劃，包括對阿科瑪（法國科隆布）的Elium熱塑性樹脂進行的回收利用示范，以及ExoTechnologies的研發中心（英國馬恩島道格拉斯）及其子公司 The Ultimate Boats Co.（蘇格蘭克萊德班克）所作出的努力，還包括Innovation Yachts（法國 Les Sables d'Olonne/Vairé）對玄武巖纖維的應用以及Greenboats（德國不來梅）對亞麻纖維的應用。

Flax27 Daysailer 的整個外部和內部結構均采用灌注的亞麻纖維復合材料制成，該復合材料使用了生物基環氧樹脂和回收的PET泡沫芯（圖片來源：Greenboats）

另一家使用玄武巖纖維的公司是BRūT Yachts（比利時安特衛普），以用于其29GT船只，該船只的船體由來自Basaltex（比利時韋弗爾海姆）的50%的回收材料制成。

意大利公司Northern Light Composites（簡稱nlcomp，意大利蒙法爾科內）擁有專利的rComposite可回收復合材料技術，該公司于2024年7月宣布，獲得了超過500000歐元的資金，用于實現解決方案的快速開發和商業化，包括面向歐洲市場提供新的船只系列。該公司稱，這響應了對環保解決方案日益增長的需求，并能為劃船業更可持續的未來作出貢獻。

2024年11月，Sicomin（法國 Châteauneuf les Martigues）宣布，推出 Skaw （A）水翼巡航游艇，該游艇是與 Skaw Sailing（法國洛里昂）和復合材料造船商Shoreteam（法國Colombelles）合作建造的。它采用了Sicomin的高模量 GreenPoxy樹脂，包括用于灌注較大部件的 SR InfuGreen 171樹脂以及用于手糊和粘接二級結構的SR GreenPoxy 170樹脂。該公司解釋說，這些樹脂使 Shoreteam 能夠實現5000公斤的超輕排量，以及減少阻撓所需的高力學性能。

MiniLab 是 Avel Robotics（法國洛里昂）的聯合創始人兼首席技術官 Adrien Marchandise于2023年發起的一項倡議，旨在促進可持續發展并減少帆船業對環境的影響。Avel Robotics 是使用自動纖維鋪放（AFP）為 IMOCA賽艇制造高性能 CFRP 水翼的先行者。

MiniLab與行業和研究合作伙伴合作，推進TRL可持續發展解決方案（圖片來源：MiniLab）

Marchandise將MiniLab 描述為一個開放的創新生態系統，它圍繞全面示范項目將公共和私人合作伙伴連接起來，以開發和測試技術。“MiniLab有兩個方面：一個是涉及行業、技術中心和大學的協作平臺，以開發可持續的概念驗證原型；另一個是用于n°754 Mini 6.5米賽帆船的現場測試實驗室，合作伙伴可以在此驗證這些原型船在真實航行條件下的穩健性。”他解釋道。

MiniLab時間表包括實現可回收復合材料水翼船的項目和使用100%可持續材料制成的下一艘船（圖片來源：MiniLab）

2023 年，Marchandise 啟動了一個由 MiniLab、Avel Robotics 和技術創新中心 Compositic（法國 Ploemeur）共同資助的合作項目，對不同的熱塑性復合材料（TPC）進行基準測試。驗證的首批材料是Suprem（瑞士 Montagny-près-Yverdon）和 Victrex（英國克利夫利斯）提供的碳纖維增強帶材，以及Diab的熱塑性泡沫。Mini 6.5 的水翼由這些材料制成，并將在2025年的賽季中得到測試。“我們在這些部件中集成了很多傳感器，用來測量運行中的材料性能。”Marchandise 說道。

與此同時，MiniLab 啟動了一個由 Avel Robotics 與 Region Bretagne 資助的大型項目。“我們將開發一種具有更高抗壓強度的熱塑性材料。”Marchandise 說道，“我們的目標是擴大生產規模，實現大型帆船用熱塑性復合材料水翼的工業化制造，我們希望在2026 年為IMOCA 級賽艇制造第一批這類水翼。”

原文鏈接

https://www.compositesworld.com/articles/composites-end-markets-boatbuilding-and-marine-(2025)