很多人好奇现代玻璃纤维船是如何建造的，而今天的船舶建造方式与过去制造古董和经典动力艇时大不相同。如今，造船技术实际上相当高科技。在boats.com的“Factory Fridays”视频系列中，我们参观了美国顶级造船工厂。这个深入的系列节目让观众能够独家了解世界上一些最佳船舶品牌背后的创新者和工匠，并亲眼见识他们工厂内最新的船舶建造技术和所用材料。
从创新的海洋推进系统和尖端的船载技术，到计算机化船体设计的先进物理学，船舶建造者在boats.com的“Factory Fridays”视频系列中分享了他们引人入胜的故事和在构造及工程设计各类水上交通工具时独特的方法。
造一艘船绝非易事，其中需要考虑的因素很多。我们可以将内容分为以下几个部分：
- 船舶建造基础
- 现代船舶建造技术
- 玻璃纤维树脂的种类
- 玻璃纤维布的种类
- 先进复合结构材料
- 船体芯材
- 先进造船技术
- 单体船与双体船的建造
- 替代造船方法
船舶建造基础
在发展出玻璃纤维建造技术之前，船只是用木材、钢材和其他材料，通过将各个部件组装成一个结构，然后再覆以船体而建造的。然而，采用玻璃纤维造船技术后，船只的主要构件——船体、甲板、内衬以及像操作台这样的大型部件——都是通过玻璃纤维成型制造的。通常，这意味着先从一个母模开始。首先在模具上喷涂一层凝胶底漆，然后铺上玻璃纤维布，接着用树脂浸润或“浸湿”玻璃纤维。当树脂固化后，你就得到了一个船体或一个船只部件（关于不同船只部件的解释，请参见我们的《船舶术语初学者指南》）。
在现代造船中，造船始于一个模具。这些模具将被用于制造Bavaria动力艇。（图片来源：Bavaria Boats）
结构加固件如纵梁和舱壁可以单独成型，然后再通过玻璃纤维与主要部件粘接，也有的情况下是在同一次铺设过程中一同完成。当船体仍然敞开暴露时，可以安装位于甲板以下的设备，比如燃油箱、水箱或舱内发动机。这时也可以布置管道和电线。随后，主要部件被组装起来。对于大多数现代动力艇来说，这通常意味着甲板和/或内衬被吊起（通常使用起重机），然后放入船体内。
在一些船只设计中，船体和甲板之间采用“鞋盒”接头，即两者具有相互啮合的重叠。通常除了使用化学粘接剂和密封剂（例如甲基丙烯酸甲酯或3M 5200，使接头防水）外，还会使用螺钉或贯穿螺栓等机械紧固件来固定各部件。此外，有些制造商还会在船体与甲板接合处周围进行玻璃纤维加固。
当船只的主要部件组装完成后，内部装置如座椅和方向盘等也可以安装上去。最后，所有细节和收尾工作也会逐步完成。
现代船舶建造技术
现代造船的第一次革命显然是从主要使用木材转向主要使用玻璃纤维建造，而第二次革命则更为细微。从传统的玻璃纤维方法到采用一系列奇异的材料和技术，变化之大甚至让经验丰富的游艇爱好者面对层出不穷的流行语和专业术语也感到困惑。
然而，其基本概念基本未变。玻璃纤维（准确说应称为玻璃纤维增强塑料，即FRP）仍然是以纤维材料为骨架，浸渍在树脂这种粘合剂中。在最早期，玻璃纤维字面上就是玻璃纤维，但不久之后就转变为各种合成塑料纤维。多年来，玻璃纤维建造技术主要使用的是可以在任何五金店购买的玻璃纤维布、纤维毡、无纺布以及树脂。而最近，它开始包括一些更先进的材料，如凯夫拉和碳纤维，许多人对这些材料的应用已有所了解。但如今，使用的材料种类繁多，以至于在阅读新船宣传册时，拥有化学工程学位似乎也不为过。
部分进步得益于离岸竞速动力艇和海洋竞赛帆船建造者们的努力，他们致力于生产更轻、更坚固、因此更快的船只，但真正的推动力量则来自能源危机。由于玻璃纤维是一种石化产品，造船者有必要研究如何在不损失强度的前提下减轻船只重量，因为每减少一磅玻璃纤维，就能为造船者节省成本。对于动力艇制造商来说，轻而坚固的船只也更节省燃油。
（图片：如Mystic双体船等严肃的速度艇的发展过程中，制造商学习如何最小化重量。图片来源：Mystic Powerboats）
实际上，许多研究和开发工作来自航空和航天工业，在那里，强度和轻量化始终是最重要的考量，而这些技术的逐步下行使得许多船主对新材料和新成型技术的变化全然不知。
玻璃纤维树脂的种类
树脂主要有三种：聚酯树脂、乙烯基酯树脂和环氧树脂。每一种在造船领域都有其应用位置。关键在于造船者必须正确匹配树脂与所使用的增强材料，以确保各自优势得到充分发挥。例如，乙烯基酯树脂非常适合与S玻璃搭配，但如果用于E玻璃，则往往会因增强材料的强度不足而先行失效。
聚酯树脂
这是当今造船中最常用的树脂，大多数船主对它并不陌生。它成本低廉且用途广泛。由于其伸长率低，因此不适用于现代高性能船只，但对大多数船只来说已足够使用。最常见的聚酯树脂是正邻苯二甲酸基的，但新型的异邻苯二甲酸基聚酯树脂正逐渐受到欢迎。这类树脂更耐水和耐化学腐蚀，抗磨损性更佳，并且具有更高的抗冲击和疲劳（弯曲）性能。大多数现代的凝胶饰面都是采用异邻苯基树脂制成。
乙烯基酯树脂
作为聚酯树脂的替代品，乙烯基酯树脂具有比聚酯更好的伸长特性，因此能更好地匹配各种奇异增强材料的特性。乙烯基酯树脂还具有良好的耐水性和抗疲劳性，但价格比聚酯树脂昂贵。乙烯基酯的一个重要特点是具有出色的二次粘结强度，因此在固化后的船体上附加舱壁或纵梁时，其粘接效果比在聚酯船体上更为理想。
环氧树脂
这是一种高性能树脂，价格相应较高。早期的环氧树脂因粘稠而被认为难以操作，但许多现代环氧树脂则较为流动。环氧树脂比任何其他树脂都能更好地粘附于各种材料，因此非常适合用于粘接芯材、纵梁或其他部件。
玻璃纤维布的种类
连续纤维编织的布是最常见的，其重量范围通常在每平方码4到15盎司之间。较重的布料通常称为纤维毡或编织毡，由未捻的纤维纱组成，重量可达每码48盎司。成品纤维毡外观类似粗麻布，与所有布料一样，具有良好的双向强度。较轻的布料则有各种编织纹理，如斜纹、缎纹和平纹，以适应不同的用途。
（图片：两种玻璃纤维布的示例——左侧的那种明显更薄、更轻，但提供的刚性较低。）
E玻璃
这是当今造船中最常用的玻璃纤维布。你可以在海洋用品店购买E玻璃，并用聚酯树脂将其粘接。E玻璃是由熔融塑料拉丝成细纤维后，经过编织成布或散装成纤维毡制成的。
S玻璃
这是一种来自航空工业的高性能玻璃纤维布，其价格比E玻璃贵三到五倍，但强度也高得多。由欧文斯康宁（Owens-Corning）开发，其抗拉、抗冲击和抗弯强度均比E玻璃高20%至40%。S玻璃有两种类型：S-1满足关键的航空标准且价格极高；S-2则用于海洋工业。在欧洲，S玻璃被称为R玻璃。
无纺毡
无纺毡通常由E玻璃制成，由随机分布的2到3英寸长的纤维组成，这些纤维由一种可溶于树脂的粘合剂固定。无纺毡主要用于增加玻璃纤维铺层的厚度和刚性。它可以防止“印痕效应”（即纤维毡的编织纹路在船体外层显示出来），但同时也会吸收大量树脂，且单位重量的强度较低。
单向纤维
这是增强材料的一项进步。它由只沿单一方向排列的纤维组成，这些纤维通过粘合或缝合的少量横向纤维固定在一起，有点类似于用几根铁丝固定竹篱笆。显然，这种材料在特定方向上具有非常高的强度，因此可以用于受力方向明确的部位。由于它不是编织物，不会产生扭结，也更容易被工人用树脂充分浸润，因为它不像布料那样容易夹带空气。
双向纤维
严格来说，大多数布料都是双向的，但在现代意义上，双向纤维通常指由几层单向纤维布叠放而成，这些层之间并不互相交织。一层简单地铺在另一层之上，从而形成一条无扭结的纤维带。
三向纤维
这是一种类似于双向布的层状材料，只不过纤维排列有三个方向，通常以120度角分布，以便更均匀地分散负载。
先进复合结构材料
碳纤维
这些由石墨制成的纤维不仅提供极佳的刚性，同时具有高抗拉和抗压强度，常常与S玻璃或其他奇异增强材料一起使用，以弥补其较低的抗冲击性能。碳纤维非常昂贵，但在许多情况下它的性能可以超越金属。全球有许多公司生产碳纤维，其用途取决于纤维中碳含量的不同，有的用于高强度应用，有的则用于高模量（刚性）要求的场合。碳纤维是最昂贵的增强材料之一，每磅价格可能是普通E玻璃的100倍。仅次于凯夫拉，在比强度方面，碳纤维在刚性上优于任何其他纤维。
随着越来越多的船舶建造者因其强度和轻量化特性而采用碳纤维，这种材料已成为现代造船的前沿。采用碳纤维建造的船只中，这种材料的蜂窝结构被铺成扁平的带状物，再像玻璃纤维一样编织成布，最终与乙烯基酯树脂粘合在一起，形成一种超轻且坚固的材料。这样的船只比传统的玻璃纤维船更坚固、更轻、更刚性。当然，这种类型的构造及所需材料价格昂贵，显著提高了船只的整体成本和售价。
凯夫拉
凯夫拉是杜邦公司的注册商标，用来指代全球唯一由杜邦生产的芳纶纤维。芳纶（通常简称为凯夫拉）是一种尼龙材料，最初于20世纪60年代中期作为“纤维B”开发，用于增强径向轮胎的胎体。其独特性能很快便被应用于其他领域，公众通常将凯夫拉与防弹衣联系在一起。实际上，市面上有多种形式的凯夫拉：凯夫拉29通常用于制造绳索、电缆和防弹衣；凯夫拉49用作塑料复合材料中的增强纤维；凯夫拉129用于防弹保护；而凯夫拉149则常见于飞机制造中。
在强度与重量的比较中，凯夫拉具有所有商用纤维中最高的比抗拉强度。它的强度是钢的五倍，是E玻璃的两倍，这使得采用凯夫拉的船体在保持与E玻璃船体相同强度的同时，大幅降低了重量。凯夫拉在抗冲击方面也表现出色，能够承受反复冲击，并能有效防止其他增强纤维因裂纹扩展而导致失效。不过，凯夫拉在抗压强度方面存在明显不足，因此通常会与其他纤维搭配使用以弥补这一缺陷。
Nor-Tech Boats是一个在“Factory Fridays”第6集中亮相的著名船舶品牌，他们使用高密度泡沫结合凯夫拉和碳纤维，交织在玻璃纤维中，并采用重型加固船尾，以便安装更大的舷外发动机，提供更大的马力。
Nomex
由杜邦开发的一种化学材料，Nomex以其防火性能而著称，常用于消防员和赛车手的防火服。它也是一种芳纶纤维，被加工成类似纸张的物质，用于制作蜂窝结构材料。
混合材料
这些是结合了两种或更多不同类型纤维的增强织物。一种常见的混合材料是将凯夫拉与碳纤维混合使用：凯夫拉提供高抗冲击性，而碳纤维则提供刚性。此外，还有S玻璃、凯夫拉和碳纤维的组合，可以在最小成本下优化某些性能。
船体芯材
芯材通常用于减轻重量并增加刚性。一些制造商对整个船体进行夹芯，而另一些则在水线以下使用实心玻璃纤维，水线上方则采用夹芯结构，还有一些则在整船范围内混合使用夹芯与实心玻璃纤维。
（图片说明：上图展示了在Sabre Yachts的一部分中可以看到具有棋盘图案的芯材，该部分即将进行真空袋处理。图片来源：Sabre Yachts）
巴尔沙芯材
早期，为了增强船体刚性，造船者在船体内铺设长板巴尔沙木，但这种方法会导致水分通过整个木板渗透，引起腐烂和结构失效。经过长时间的发展，巴尔沙木逐渐洗刷掉了早期的负面印象，如今现代巴尔沙木已成为船舶广泛接受的芯材。解决方案在于将木材横切、竖切，从而产生一种棋盘状的端粒结构，这种结构不会传导水分。其结果是得到了一种刚性高、轻巧且价格低廉的芯材，具有良好的抗冲击性能和高抗压强度。另外，巴尔沙木对声音、温度变化和振动具有隔绝作用。其缺点在于巴尔沙木容易吸收树脂，可能使船体增重，但如果工艺得当，可以避免这一问题。
PVC泡沫
Airex和Klegecell（发音为“kledge-a-cell”）是目前常用的商业生产泡沫芯材。它们都是由聚氯乙烯制成的闭孔泡沫，但各自具有不同的特性。Airex是不交联的PVC泡沫，因此更具柔韧性和抗损伤能力；而Klegecell则是交联泡沫，极为坚硬。一些船只还使用Divinycell（Klegecell的斯堪的纳维亚版本）或结构性泡沫芯材Corecell。
蜂窝芯材
蜂窝芯材顾名思义，是一种类似华夫饼图案的材料结构，其重量相等时可提供最高的刚性。其抗压和抗剪切强度均堪称顶级，这一点也符合其最初在飞机地板和舱壁中的使用。Nomex蜂窝是游艇上最常见的蜂窝芯材，尽管对于追求极致减重的船主来说，它无疑是一笔不小的开销。令人惊讶的是，有些蜂窝芯材是由纸制成的。一种工艺是将牛皮纸浸渍树脂后制成蜂窝状结构，既能防水又坚固，但纸质蜂窝芯材的重量要高于Nomex。市面上还有类似胶合板的“覆皮面板”，这些预制的蜂窝板可附有柚木饰面或其他各种覆盖层，切割后即可作为现成的蜂窝舱壁使用。
欲了解芯材在玻璃纤维部件中的作用，请观看我们关于“泡沫夹芯船体建造原理”的视频。
先进造船技术
随着这些新材料的出现，将它们铺设成最终构成船体的过程近年来也有了显著进步。再次强调，减少重量同时最大化强度始终是目标。
真空袋成型
该工艺开始于开放模具铺层，但将湿润的层压材料包裹在一层塑料薄膜中，并施加真空以抽出多余的树脂。多余的树脂并不会增加强度——真正起作用的是玻璃纤维——但会增加重量。因此，真空袋成型工艺可以在不牺牲强度的前提下，降低船只的最终重量。
真空注入
真空注入工艺同样利用塑料薄膜和真空以达到理想的树脂与玻璃纤维比例。然而，与先进行湿铺层不同的是，在真空和一组树脂输送管的作用下，树脂被直接注入并穿透玻璃纤维布。这使得材料的计量更加精确，同时可以在较大面积上均匀施加压力，从而使得铺设更大部件时具有更高的一致性。
单体船与双体船的建造
双体船的建造成本更高，因为它需要制造两个船体，而非一个。因此，一般来说，单体船相较于双体船来说更为经济。几乎所有现代双体船均采用纤维增强聚合物（FRP）建造技术。帆船双体船通常作为蓝水远航游艇使用，因此需要非常坚固耐用，以承受各种冲击并保证乘客安全。动力双体船通常设计用于高速航行，同样通常在公海上运行，所以也必须结构坚固。双体船的舱壁比单体船更大，必须能承受更大的负荷。封闭式泡沫、异邻苯二甲酸基树脂和高抗性聚酯树脂常被用来加固这些次级结构。
（图片说明：在“Factory Fridays”第8集中亮相的Twin Vee PowerCats，26年来一直设计和制造美国制造的双体船，以其安全、可靠的双船体设计而著称，使得它们成为价格适中的坚固远洋钓鱼船。）
替代造船方法
虽然如今大多数休闲船只都采用上述材料和工艺，但也有例外。通常在大型游艇上，由于价格不是问题，可能会见到其他方法。有些仍采用金属船体，有些使用木材，还有一些采用诸如“冷成型”或“骨架覆板”等技术。下面让我们探讨一些独特的造船方法。
冷成型
冷成型工艺将两片或多片木质“单板”粘贴在预制的夹具上，从而形成船体的形状。利用环氧树脂，这些单板被粘合在一起，外船体通常还会用玻璃纤维和环氧树脂多层加固，以增强内外部强度。许多定制的Carolina运动钓鱼游艇都采用这种建造方法。
在这种情况下，船体结构由木材构成，然后通过手工铺设的玻璃纤维和环氧树脂进行层叠或包覆。像Bayliss 73英尺敞篷运动钓鱼艇，以及Vicem游艇系列中的高端巡航艇，大多都是采用这种工艺建造的。其他一些著名的造船者，如Jarrett Bay、Spencer、Merritt和Weaver Boatworks等，也采用冷成型方法来建造他们的船只。
尽管许多现代造船者已经不再青睐木材，但在高端定制游艇（例如Jarrett Bay）上，冷成型技术常被认为优于更现代的工艺。
在另一极端，你会发现有些FRP船只只使用塑料（即没有F或R，仅有P）。虽然目前生产的全塑料船只长度不超过20英尺（大多数甚至不到14英尺），但旋转模塑塑料船已在皮划艇和小艇市场中非常流行。这些简单、低廉的小艇由塑料颗粒制成，在一个旋转烤箱中熔化，然后倒入模具中。当冷却后，塑料就呈现出模具的形状，一艘船便诞生了。
显然，造一艘船是一个庞大的工程，同时也是一项巨大的资金投入，无论采用何种技术和材料。有些材料价格更高，有些工艺所需时间更长。造船是全国乃至全球的一项受人喜爱的传统，数千年来被众多文化所共享。船只的设计与建造是一种倾注了大量人力、技艺与奉献精神的工程壮举。请记住，船不仅仅是一种交通工具——它们更是工程和设计的杰作，能够激发我们的想象力，让我们享受世界海洋、湖泊和河流带来的无限自由。
编者按：本文引用了Chris Caswell于2000年8月撰写的《基础船舶建造》部分内容，最后更新于2025年2月。
原文作者：Lenny Rudow
编译来源：BOATS.com