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自己总结的玻璃钢知识要点

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发表于 2020-1-13 22:20 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 麦当劳的麦 于 2020-2-14 18:05 编辑

发帖目的
由于论坛关于玻璃钢的内容比较分散,没有一个统一的介绍。但是对于广大帆船爱好者来说,玻璃钢是个入门需要了解的东西。故在这里写一篇有关玻璃钢的总结归纳,希望能帮助大家对玻璃钢有个初步总体的认识。本文数据来源于1.我要航海网 2.书籍 3.国外网站 4.论文 5.期刊

声明
由于本人非专业从事帆船生产及相关行业,所述知识均来源网络或者书籍,难免会有差错,如有发现,请各位及时纠正,也欢迎各位补充未提及要点,谢谢。


玻璃钢是什么?
玻璃钢学名玻璃纤维增强塑料,英文名Fiberglass,缩写FRP或者GRP。是以玻璃纤维为增强材料,以合成树脂为基体材料,通过一定工艺方法复合而成,属于复合材料。由于其强度与普通钢材相当,所以俗称玻璃钢。

通俗的讲,玻璃钢既不是玻璃也不是钢,是玻璃纤维加树脂合成后形成的。
玻璃纤维是用玻璃球通过高温加热融化之后拉成丝状形成,就像棉花做成的丝状一样,比较柔软但是有韧性,可以编织成布或毡。树脂是一种化学物,本身是液态,在通过一些催化剂的作用下会变成固态,纯树脂的固态有刚性但是比较脆。把玻璃纤维加树脂合成就像钢筋混凝土,起到既有刚性也有韧性的效果。

玻璃纤维

玻璃纤维
玻璃纤维

玻璃纤维布

玻璃纤维布
玻璃纤维布

玻璃毡

玻璃毡
玻璃纤维毡

不饱和聚酯树脂

不饱和聚酯树脂
树脂


玻璃钢有什么好处?
复合而成的玻璃钢具有高强度 (可以跟钢相比)、耐腐蚀(不怕海水) 、不生锈、绝缘(不怕电) 、隔热(保温)、重量轻(阻力小跑得快)等特性,并且加工容易,可模具化,整体性好,表面光洁无接缝,适合各种造型,价格适中,对比传统的单纯木材、钢材有诸多优点,所以非常适合制造船体。在日常生活中,也有非常多其他制品使用玻璃钢。



玻璃钢制品1

玻璃钢制品1
玻璃钢雕塑

玻璃钢制品2

玻璃钢制品2
玻璃钢座椅

玻璃钢制品3

玻璃钢制品3
玻璃钢栅格


这里发一个玻璃钢对比钢铁强度的下落测试视频,大家感受一下玻璃钢的强度
第一次黑色的那个是钢铁,第二次的那个是玻璃钢

可以看到玻璃钢有强度之余,非常有韧性,并没有像钢铁那样发生大的变形

如何制造玻璃钢?
制造玻璃钢的方法可能出乎你想象的简单,只要买好材料,每一个人都能在没有大量专业知识的情况下制造出来。所需材料就是上述的玻璃纤维、树脂以及扫子之类简单的工具。

把买回来的玻璃纤维(一般是玻璃布或者玻璃毡)剪出所需的形状,调配好树脂,用刷子把树脂均匀涂到玻璃纤维上,等待固化即可,非常的简单,这也是最简单的制造玻璃钢工艺,叫手糊工艺。后面会介绍其他工艺。

玻璃钢修补套装

玻璃钢修补套装

玻璃钢修补材料工具套装

玻璃钢与三明治结构
帆船在巡航过程中,是通过风作用在帆的力驱动。帆受的力会作用在桅杆上,桅杆受的力又通过支索及本身作用在船体上。而船体除了桅杆的力,还有来自压载龙骨的力(这里特指单体船,双体船没有压载物)和波浪的冲击力。在各种受力平衡的情况下,帆船才能得以以一个平稳的姿态在海上行驶。

想象一下,行驶的帆船就像一根不停被掰弯的筷子,还要时不时被用力弹一下。船体同时会存在拉伸,压缩,冲击,弯曲等受力情况。玻璃钢在这方面有着很好的优势。

除了需要柔韧度之外,船还需要一定的刚度来预防碰撞、搁浅等情况下,依然安全。

早期的玻璃钢船只能通过增加玻璃钢层数来保证船体的刚度,但是这样的话,船会很重(树脂重)。后来人们发明了三明治结构。前后各一层玻璃钢,中间夹心是其他坚固材料。这样的船体结构比单纯玻璃钢的强度和刚度都要高好多,同时因为使用的树脂少了,重量要更轻。目前查到的资料看,甲板的建造,基本都是使用三明治结构的了。船体则不同品牌不同类型的帆船有不同的做法。有的整个船体都用三明治结构,有的只是水线上使用,有的不使用三明治结构,但是把舱壁家具等粘贴到船体来增加刚度等等,各式各样的做法都有。


除了使用三明治结构来增加强度,水线下的部分,一般会使用玻璃钢框架来进行加固。大致形状是一个井字的网络框架(每家品牌形状略有差异,作用一样),也是由玻璃钢制成,用来加固船体和加强承重。

玻璃钢框架

玻璃钢框架

图片来自Hallberg-Rassy

三明治结构除了能增加刚度和减轻重量之外,还有隔音、冷了保暖、热了保冷的作用。只要工艺质量做到位,不发生大的渗透,这种结构有很多好处。

三明治结构

三明治结构



玻璃钢船如何制造?

玻璃钢船总体分为四大部分:1.船体 2.甲板 3.内装 4.龙骨、桅杆及舵(具体看下面巴伐利亚的视频)
a 有模具的情况下,大致流程如下:
a1--在船体模具喷涂胶衣层
a2--在a1基础上制造玻璃钢层
a3--用框架模具制造玻璃钢框架
a4--把玻璃钢框架放入a2做好的船体中,用来加固水线以下部分
a5--船体脱模,并开始安装内饰(发动机、电器电路、家具等)
a6--在甲板模具喷涂胶衣层
a7--在甲板模具制造玻璃钢层
a8--船体内饰安装完毕后,甲板脱模并与船体连接
a9--安装甲板配件
a10-安装龙骨和舵
a11-运输到顾客所在地后,安装桅杆

这里发一个国外几个小哥在废堆里的造船过程,可以看到有模具的情况下,制造过程十分简单

这是纯手糊的做法了


下面这个是比较正规的船厂的造船视频


下面是巴伐利亚船厂的制造过程


下面是非模具制造过程,这个其实不能算真正意义的玻璃钢船,因为主体使用的是木材,只是敷了一层玻璃钢


玻璃钢的缺点?
玻璃钢对于造船虽然有诸多优点,但也有一些无法避免的缺点。
1.渗透性:水会通过毛细孔进行渗透,一旦发生,水会很快跟树脂发生反应,分解树脂,也会降低玻璃纤维的性能。如果处理不当,只要几个月的时间,玻璃钢的性能就会大幅度下降。
2.疲劳:随着使用次数的增加,玻璃钢的性能会逐渐下降。
3.不耐磨:虽然强度高,但是不耐磨损,受到尖锐物品撞击后,表面很容易留下裂痕,如果不及时处理可能会对整体结构造成影响,所以玻璃钢船使用应尽可能避免碰撞。如果实在发生了应及时修补。
4.不环保:玻璃钢目前还无法回收,很多废弃的玻璃钢船只能找个地方丢弃。

玻璃钢的寿命?
质量合格的玻璃钢船,寿命应至少25年。
国外很多年轻人大多买的是二三十年,甚至四五十年的船,买回来再自己进行大量的翻新处理。

有没办法提高玻璃钢的寿命?
答案肯定是有的,帆船里有量产船和蓝水船之分,同样都是玻璃钢帆船,蓝水船会比普通的量产船贵一倍,其中的原因很大程度是使用了不同的材料。

前面已经讲了,玻璃钢船体的主要材料,其实就三样:纤维、树脂、夹心。那么要提高寿命或者性能,就肯定从这三样出发。

纤维

除了玻璃纤维,还有碳纤维、芳纶纤维(凯芙拉)、超高分子量聚乙烯、玄武岩纤维等,这些高性能纤维要比玻璃纤维强,但是同样价格也要贵很多,一般除了土豪和赛船使用,普通的还是使用玻璃纤维。

同样是玻璃纤维,根据密度、含量、编织方式,又分短切玻纤毡、方格布、缎纹布、无捻粗纱等,性能大不同。以拉伸强度为例,无捻粗纱、缎纹布、方格布分别是短切玻纤毡的8倍、3倍、2倍。玻璃钢船一般会根据不同的密度强度来制作不同的玻璃钢层。比如,用密度高的原丝毡制成表面层用来防老化,用致密性好的短切毡作为防水层,用强度高的玻璃纤维布作为强度层。国外船艇常采用一毡一布的铺层方式,其致密性好、增厚效果好,对提高玻璃钢的刚度和抗冲击强度有利,且由于国外玻璃纤维短切毡价格低于玻璃纤维布,因此能降低船艇建造成本。但我国由于玻璃纤维短切毡发展较晚且用量少,其价格一直高于玻璃纤维布,因此,出于经济考虑,国内船企很少采用一毡一布的铺层结构,一般是在船体壳板上铺设 2 ~ 3 层玻纤毡。

总的来讲,含量、密度越高越好,编织方式越多方向越好。一般做法会铺多层,多种玻璃布(毡)混合而成。当然了,这些越多用料自然会多,价格也会多。

碳纤维

碳纤维

碳纤维,这个大家应该比较熟悉,生活中很多高性能产品都会使用

凯芙拉

凯芙拉

凯芙拉

树脂(resin)
树脂比较简单,用在这里的一共就三种:不饱和聚酯树脂(polyester)、环氧树脂(epoxy)、乙烯基酯树脂(vinyl ester)。常用的是不饱和聚酯树脂,价格便宜,加工容易,性能又足够用。环氧树脂比不饱和聚酯树脂的各方面性能都好,而且耐水性方面非常优异,但是加工对环境温度有要求,相对不饱和聚酯树脂要麻烦不好控制,且价格比不饱和聚酯树脂贵一倍,所以较少使用。乙烯基酯树脂拥有环氧树脂优良的性能和不饱和聚酯树脂简单的工艺,集两者的优点于一身,价格与环氧树脂相当,所以一般只在高档船体使用。如果帆船的玻璃钢使用乙烯基酯树脂都会特别说明,但是价格会贵很多。

夹心(core)
夹心也比较简单,目前搜索到的帆船品牌大部分使用的就两种:轻木(balsa)、交链PVC(divinycell)。同样的,轻木性能足够好,价格也便宜,但就一点,如果水渗透,木材会腐蚀。交链PVC是闭孔的泡沫,材质坚硬,且最重要的一点,不吸水不腐烂!当然价格也是比轻木贵不少。


轻木

轻木

轻木

divinycell

divinycell

交联PVC

树脂、夹心这些都是需要大面积使用的,且不同材质的价格贵很多。所以蓝水帆船为什么要比普通量产帆船贵是有道理的。也能从根本上提高玻璃钢的性能和寿命。

当然了,也不是说用便宜的就不好,各家船厂肯定都是有各自的擅长的配方和工艺,这些都是核心竞争力。说不定研发了一个使用不饱和聚酯树脂也能达到乙烯基酯树脂效果的配方,但是我们一般消费者无从得知。材料和工艺都是不断在进步的,购船时,需要多做功课,多方面了解。


胶衣(gelcoat)
这里还需要提到一点,胶衣。胶衣是在船体的最外层,除了美观,主要作用是用来防止水的渗透。胶衣层处理得好,能很大程度的保护里面的玻璃钢,提高船的使用寿命。但是这层又偏偏比较娇气,不能做得很厚(0.3--0.5mm)且怕紫外线,日常船体的保养主要就是保护好这层。

有了胶衣并且保护好也并不是万能,早期很多玻璃钢船在使用数年后,仍然发生了渗透作用,起了水泡。水泡是水渗透到玻璃钢层,与树脂发生作用形成的,如果不及时处理,水泡可能会越来越大,对性能和结构都会产生影响,所以船东都很怕出现水泡,一旦出现了,船的价值会大打折扣。

水泡发生主要是因为玻璃钢使用了不饱和聚酯树脂,上面已经说到,这种树脂比较便宜,但是一旦跟水接触,很快就会发生化学反应(其他两种树脂也会,但是慢很多)
。为了避免水泡的发生,后面人们又增加了一层,在玻璃钢层和胶衣层之间,叫屏障层(barrier coat),用的是乙烯基树脂。这样一来,既起到防水又能继续使用便宜的不饱和聚酯树脂,能在成本和防水性方面得到一个很好的平衡。当然,如果船体玻璃钢制造的时候已经是使用环氧树脂或者乙烯基树脂,那么就不需要这层了。

胶衣层其实也是不饱和聚酯树脂(不饱和聚酯树脂是个统称,根据不同用途还有很多细分种类)。选购是应选择耐水性更好的间笨型,而不要选择邻笨型。

下面是汉斯帆船宣传册标明的船体层示意图
汉斯船体层示意图.png
翻译来自谷歌翻译

温度和湿度

除了通过使用更加优良的材料来提高玻璃钢船寿命,环境对玻璃钢船的影响也很大。很多的实验表明,玻璃钢在高温高湿的环境下,会加速老化,且淡水比海水的渗透作用更大。所以,阴凉干燥的环境也能提高玻璃钢船的寿命。

玻璃钢工艺
前面已经提到过一种常见的工艺:手糊法。除了手糊法还有真空袋法、真空袋树脂导入法、喷射法、注入法等。手糊法主要优点就是施工简单,随便找些人就能干了,但是缺点同样明显,需要大量人力,每个人的工艺水平不一,施工质量难以把控。真空袋法是弄好玻璃纤维和树脂后,用真空袋包裹船体,通过抽真空,利用大气压强,把结构紧密结合,达到均匀受力的目的。比起手糊法,工艺质量要好(手糊法容易弄多了树脂,既浪费树脂也使船体加重,真空袋法之前只能是人工去除多余的树脂)。真空袋树脂导入法,是抽真空后再导入树脂,能更好的分配树脂在每个位置的用量,是真空袋法的升级。其他工艺法,大家有兴趣可以网上搜一下了解。

真空法

真空法

抽真空后导入树脂

真空袋树脂导入法对于生产过程来讲,有个特别好的地方就是环境,由于树脂发生化学反应时会挥发有害气体,手糊法的话,工人需要戴防毒面罩和工作服。真空袋树脂导入法不仅对质量有所提升,对生产环境也有好处。一般稍为大点的船厂都会是使用真空袋树脂导入法了。

这是个制造小型双体帆船,注意中间部分的真空袋树脂导入


玻璃钢的保养与维修
先说说保养,上面提到的,玻璃钢的缺点主要是渗透性、疲劳及不耐磨,这三点取决于使用的材料。那么我们保养也是针对这三点出发。保持舱内干爽,长时间不使用时,应尽量放在阴凉干爽的地方。选择行走路线时,多走顺风,少走迎风。玻璃钢的外层有一层薄薄的胶衣,用来保护玻璃钢,加强防止水的渗透,要避免磨损和紫外线,要定期保养。尽量避免碰撞、搁浅,定期检查外表,如发现磨损应及时处理。

维修就简单了,上面已经说了手糊法,一般如果很细小的磨损,可以买材料来自己修复(淘宝就有卖),也可以交给专业人士处理,工艺肯定会好很多。

玻璃钢 VS 其他材料

钢材:钢材的优点是便宜且不会发生电解效应,缺点是会生锈、重量重。钢材一般在大船上才能体现优势,在小帆船上优势不大,所以极少。

木材:纯木材的船很少了,一般都会在表面搞一层玻璃钢。倒是有用胶合板做船体的,外面用环氧树脂来做防水。

铝合金:铝合金跟玻璃钢一样,具有轻质高强的特点,保养简单,耐腐蚀,且绝对的密封,不怕水,材料可回收等优点,基本上玻璃钢有的铝合金也有。且铝合金整体是焊接而成的,哪怕出现重大事故怎么也能修复,整体结构强度不会大幅下降,玻璃钢如果遇到重大事故破坏整体结构,基本上就报废了。铝合金原材料价格还稍稍比玻璃钢便宜。铝合金唯一的缺点是电解性质,铝合金船如果靠近钢船,铝船会慢慢变薄,钢船会慢慢变漂亮。舱外要放牺牲阳极来保护铝,舱内要做好绝缘保护,尽量不要携带其他金属制品上船。

由于铝合金不怕磨损,铝合金帆船都有做成可收起中心板或者可收起龙骨的设计,吃水浅可坐摊,可到更多的水域,不用一定去游艇会或者深水区抛锚,这点非常吸引人。

此外,铝合金的材料可回收,有一定的材料价值不过铝合金的帆船品牌选择并不多,5个手指头能数得完。

如果有厂家能研发出结合玻璃钢和铝合金优点的新材料或者工艺就完美了(由于金属表面光滑,无法很好的吸附玻璃钢作为表面层)。目前看到结合使用的就是船体用的铝合金,甲板用的玻璃钢(这样的甲板可以用更好造型来满足对空间或驾驶的需要)。

坐摊

坐摊

铝合金船坐摊,可以停泊的选择更多

为什么市场上帆船都是玻璃钢船为主?
主要还是成本效益因素,玻璃钢只要做好模具,基本上就是一个个套着出来,工艺简单质量又好控制,比起其他材料所需人员也少很多。木材、钢材、铝合金都无法使用模具制作,涉及大量人工,质量控制无法跟玻璃钢相比,所以大量的品牌选择玻璃钢。就Dufour这个牌子既来讲,一年能生产400艘游艇(博纳多估计就上千艘了),如果是木材、铝合金这些,同等规模估计只能生产几十艘,这就是为什么像博纳多、汉斯、亚诺等牌子玻璃钢船被叫量产船的原因。

不过从目前看,虽然非玻璃钢材质船厂被冲击的很厉害,但由于具有玻璃钢无法比拟的特性,所以依旧有市场。

很多个人爱好者则出于加工原因,还是会选择木材作为首选材料。



目前总结这么多
如大家还有其他补充,欢迎下面评论留言。
















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舵手

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发表于 2020-1-13 22:51 | 显示全部楼层
貌似还有不锈钢和一些铜合金(外网看的,不过太重,焊接难度更大,造价更高)
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舵手

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发表于 2020-1-14 18:46 来自手机 | 显示全部楼层
天朝铝便宜, 人工便宜到爆. 还不搞铝船? 还是我朝没啥人财想搞这个,反正也是小众娱乐型产业,看到ovni卖了百来条都算是爆款了.
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发表于 2020-1-15 06:58 来自手机 | 显示全部楼层
玻璃钢不复杂,工艺也容易掌握,视频中老外全程没有使用电动工具,就是做的船表面太糙了,
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发表于 2020-1-15 08:24 来自手机 | 显示全部楼层
好文!感谢您!
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发表于 2020-1-16 22:15 来自手机 | 显示全部楼层
铝合金还是好些。
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大副

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发表于 2020-1-17 16:06 来自手机 | 显示全部楼层
学习了,我觉得在CAD设计裁切,铝焊接等工艺简单化后,还是铝合金船更好些,电解的问题,如果有条件实验攻关的话,能解决。

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有道理,见过一条铝合金船,新浪号。很漂亮…  详情 回复 发表于 2020-2-5 10:44
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大副

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发表于 2020-1-22 16:52 | 显示全部楼层
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QQ
发表于 2020-1-26 19:18 | 显示全部楼层
其实我感觉就是普通的船用钢材也是很好的,价格低,保养做好一样用几十年,质量,成本都可控,何尔而不为呢
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干练水手

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发表于 2020-2-5 10:44 来自手机 | 显示全部楼层
技术大熊 发表于 2020-01-17 16:06
学习了,我觉得在CAD设计裁切,铝焊接等工艺简单化后,还是铝合金船更好些,电解的问题,如果有条件实验攻关的话,能解决。

有道理,见过一条铝合金船,新浪号。很漂亮…
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发表于 2020-2-23 13:00 来自手机 | 显示全部楼层
津水手乐园 发表于 2020-02-05 10:44
有道理,见过一条铝合金船,新浪号。很漂亮…

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干练水手

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发表于 2020-9-23 23:43 | 显示全部楼层
看见铝合金船能坐滩的画面,莫名有一种爽的感觉
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干练水手

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发表于 2020-9-24 08:16 来自手机 | 显示全部楼层
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