引言

對(duì)深潛裝備來(lái)講，最重要的組成部件便是耐壓殼體和浮力材料。耐壓殼體可為深潛裝備核心部件提供結(jié)構(gòu)支撐和防水保護(hù)，而浮力材料則為深潛裝備上浮提供必要浮力，二者缺一不可 [1] 。尤其是對(duì)于載人深潛器來(lái)說(shuō)，深潛裝備的殼體和浮體材料性能是其水下正常作業(yè)和潛水員生命安全的重要保障 [2] 。要形成完備的深?？瓶己陀^測(cè)體系，需從材料的強(qiáng)度、加工性、經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮，開(kāi)展深潛裝備材料關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān) [3 ? 5] 。開(kāi)展深海殼體材料和浮力材料的現(xiàn)狀研究，為海洋新材料數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建奠定數(shù)據(jù)支撐。通過(guò)研究當(dāng)前各國(guó)在深潛裝備材料方面的最新進(jìn)展，掌握了新型深海殼體材料和浮力材料的發(fā)展趨勢(shì)，有助于推進(jìn)深潛裝備新材料的研發(fā)。

1、深潛裝備材料研究現(xiàn)狀

各國(guó)在選擇深潛裝備材料時(shí)主要考慮其抗壓強(qiáng)度、比強(qiáng)度、剛度、加工性、裝配性和經(jīng)濟(jì)性等。由于鋼材具有較高的屈服極限和比強(qiáng)度，且具備優(yōu)異的疲勞特性和加工性能，因此其占了耐壓殼體的 90%。隨著鈦合金的加工工藝逐漸成熟，加之其突出的比強(qiáng)度，在近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用。而浮力材料則常選用空心玻璃微珠復(fù)合材料，因其抗壓強(qiáng)度高，可適應(yīng)深海作業(yè)環(huán)境。

1.1　國(guó)外現(xiàn)狀

1.1.1　耐壓殼體材料

隨著世界各國(guó)在深水裝備領(lǐng)域的激烈角逐，耐壓殼體材料的研究得到了飛速發(fā)展，美國(guó)、俄羅斯、日本及歐洲等國(guó)在這一領(lǐng)域長(zhǎng)期處于領(lǐng)先地位。

美國(guó)深潛裝備主要采用 HY 系列調(diào)質(zhì)鋼和鈦合金。20 世紀(jì) 60 年代以前，美國(guó)海軍潛艇的標(biāo)準(zhǔn)用鋼為 HY-80，其“洛杉磯”級(jí)潛艇的耐壓殼體材料便選用了HY-80 鋼。之后美國(guó)研制了 HY-100 鋼，其屈服強(qiáng)度高于 HY-80 鋼，成為美國(guó)海軍潛艇耐壓殼體的標(biāo)準(zhǔn)用鋼，并應(yīng)用于美國(guó)“海狼”和“弗吉尼亞”級(jí)潛艇的制造。美國(guó)海軍后續(xù)又研發(fā)了 HY-130 鋼，屈服強(qiáng)度得到進(jìn)一步提升，其常規(guī)動(dòng)力潛艇“海豚”號(hào)和核動(dòng)力深潛器“NR-1”號(hào)均采用 HY-130 鋼進(jìn)行建造。美國(guó)對(duì)鈦合金的應(yīng)用較少，一般只用于建造深潛器，如美

國(guó)海軍研制的“海崖”號(hào)深潛器便是用鈦合金（Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo）建造而成，下潛深度可達(dá) 6092 m。

俄羅斯深潛裝備的殼體除采用高強(qiáng)度鋼外還大膽使用了鈦合金材料，它是全球首個(gè)采用鈦合金建造潛艇的國(guó)家，如 K-222 核潛艇。俄羅斯于 1970 年開(kāi)始，先后用鈦合金建造了 4 級(jí)核潛艇，其中 A 級(jí) 6 艘、P 級(jí)1 艘、M 級(jí) 1 艘和 S 級(jí) 4 艘。由于鈦合金的成本太高，俄羅斯的這 4 級(jí)潛艇一共建了 12 艘，未進(jìn)行系列化生產(chǎn)。

除鈦合金外，俄羅斯的一些常規(guī)潛艇則使用 CB-2 鋼。日本海上自衛(wèi)隊(duì)潛艇用鋼主要有 NS-30、NS-46、NS-63、NS-80、NS-90 和 NS-110。在二戰(zhàn)后到 20 世紀(jì)60 年代前，日本的潛艇殼體材料主要使用 NS-30 和NS-46。此后，日本仿造美國(guó)的 HY-80 和 HY130 鋼并分別制造出 NS-63 和 NS-90。其 NS-63 用于建造潛艇，而 NS-90 則用于建造作業(yè)深度達(dá) 2 000 m 的深海調(diào)查船。20 世紀(jì) 80 年代后，日本研制出了屈服強(qiáng)度更高的 NS-110 鋼，用于“親潮”級(jí)攻擊型潛艇的建造。日本還很重視鈦合金的開(kāi)發(fā)，其于 1981 年研制的“深海2000”號(hào)載人深潛器便是用鈦合金（TI-6Al-2Nb-4VELI）建造的。1989 年，日本又成功研制出“深海6   500”，同樣選擇鈦合金作為耐壓殼體，下潛深度可

達(dá) 6 500 m，用于日本周邊海域勘探。

英國(guó)在二戰(zhàn)后研制了 QT 系列合金鋼用于建造潛艇，主要有 QT-28、QT-35 和 QT-42。20 世紀(jì) 50 年代，英國(guó)潛艇的主要用鋼為 QT-28，到 60 年代前后則廣泛使用 QT-35。后來(lái)英國(guó)陸續(xù)仿制了美國(guó)的 HY-100和 HY-130 系列鋼材，并分別命名為 Q2N 和 Q3N。其中 Q2N 成功應(yīng)用于英國(guó)“機(jī)敏”級(jí)潛艇耐壓殼體的建造。

非金屬殼體材料主要有先進(jìn)樹(shù)脂復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)陶瓷材料，常應(yīng)用于深潛器的制造。美國(guó)無(wú)人深潛器AUSSMOD2 的耐壓殼體便是采用石墨纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂材料制造，美國(guó)海軍還計(jì)劃用其代替鈦合金材料來(lái)制造深潛器的耐壓殼體封頭。結(jié)構(gòu)陶瓷擁有比樹(shù)脂材料更高的強(qiáng)度和彈性模量，且具備耐腐蝕、耐高溫、耐磨損和非磁性等優(yōu)點(diǎn)，密度還比一般金屬低，已成為各國(guó)重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象，是一種發(fā)展?jié)摿艽蟮母弑葟?qiáng)度材料。美國(guó)海軍通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于 6   096 m的下潛深度，氧化鋁陶瓷材料的重量-排水量比小于0.6，而鈦合金的重量-排水量比則超過(guò)了 0.85。氧化鋁陶瓷的重量-排水量比在結(jié)構(gòu)陶瓷材料中不是最小的，但其成本低，制作工藝成熟，所以美國(guó)用它來(lái)建造直徑為 635 mm 的深潛器 [6] 。 

1.1.2　固體浮力材料

由于固體浮力材料在深海作業(yè)中起到至關(guān)重要的作用，所以美國(guó)、俄羅斯、日本和英國(guó)等一些工業(yè)強(qiáng)國(guó)早在 20 世紀(jì) 60 年代便著手高強(qiáng)度固體浮力材料的研究。相關(guān)研究成果已在軍事、商業(yè)及民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如海底埋纜機(jī)、零浮力拖體、聲學(xué)多普勒流速儀平臺(tái)、深水機(jī)器人和載人深潛器等。其中，美國(guó) Reichhold 公司生產(chǎn)的一種聚氨酯泡沫性能優(yōu)異，可為深潛裝備提供穩(wěn)定浮力，具體性能如表 1 所示。

美國(guó)海軍研制的密度為 0.35 g/cm 3 的輕質(zhì)復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度可達(dá) 5.5 MPa。美國(guó)洛克希德導(dǎo)彈空間公司研制了 2 種不同密度的輕質(zhì)復(fù)合材料分別用于淺海和深海：其中一種密度為 0.35 g/cm 3 ，抗壓強(qiáng)度為 5.6 MPa，作業(yè)深度為 540 m；另一種密度為 0.45～0.48 g/cm 3 ，抗壓強(qiáng)度為 25 MPa，作業(yè)深度為 2430 m。俄羅斯研制的密度為 0.7 g/cm 3 輕質(zhì)復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度為 70 MPa，作業(yè)深度為 6000 m。日本于 1970 年研制出適合 300 m 水深的輕質(zhì)復(fù)合材料，80 年代初研制出適合 6000 米級(jí)作業(yè)深度的輕質(zhì)復(fù)合材料，并成功應(yīng)用于深潛器“深海6500”上。1987 年以后，日本便開(kāi)始研制應(yīng)用于萬(wàn)米級(jí)水深的輕質(zhì)復(fù)合材料，截至目前已取得重要成果 [7] 。

美國(guó)和俄羅斯等國(guó)家制造的固體浮力材料密度一般在 0.4～0.6 g/cm 3 之間，耐壓強(qiáng)度在 40～100 MPa 之間，大部分都以環(huán)氧樹(shù)脂作粘結(jié)劑，通過(guò)添加大量的空心玻璃微珠制作而成。這種材料具備較強(qiáng)的耐壓性，且吸水率極低，是當(dāng)前一種主流的浮力材料 [8] 。 

1.2　國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 

1.2.1　耐壓殼體材料

我國(guó)深潛裝備材料研究較國(guó)外起步較晚，但隨著深海資源勘探、深海安全及深海科學(xué)研究等領(lǐng)域的發(fā)展以及我國(guó)對(duì)海洋的重視度的不斷提高，我國(guó)在深海耐壓殼體材料方面的研究也逐漸追趕上來(lái)。隨著我國(guó)在鈦合金焊接技術(shù)方面的不斷進(jìn)步，開(kāi)始將鈦合金應(yīng)用于潛艇建造。在深潛器方面，我國(guó)于 2012 年和2017 年分別建造的“蛟龍”號(hào)和“深海勇士”號(hào)深潛器也采用鈦合金做耐壓殼體，其下潛深度已位居世界前列，各國(guó)深潛器設(shè)計(jì)參數(shù)如表 2 所示。

雖然鈦合金材料具備優(yōu)良的機(jī)械性能，但由于其成型工藝復(fù)雜，在一定程度上限制了鈦合金的使用。尤其是用于深潛器建造的鈦合金，其屈服強(qiáng)度都在800 MPa 左右，而隨著屈服強(qiáng)度的提高，其塑性、延伸性及焊接性都隨之降低，必須采用適當(dāng)?shù)某尚头椒ê秃附邮侄尾拍芡瓿赦伜辖鸩牧系募庸?。目前，世界上只有少?shù)國(guó)家掌握了鈦合金的制備工藝和焊接方法，世界上典型鈦合金深潛器殼體的成型工藝及機(jī)械特性如表 3 所示。 

1.2.2　固體浮力材料

我國(guó)初期所用的浮力材料一般為軟木、浮力筒、浮力球、合成橡膠以及合成泡沫等，這類(lèi)材料耐壓性差，且極易吸水。到 80 年代后期，我國(guó)開(kāi)始對(duì)固體浮力材料進(jìn)行探索性研究，與發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大。如早期使用的合成泡沫塑料密度為 0.5～0.6 g/cm³ ，作業(yè)水深 400 m。后來(lái)發(fā)展為聚氨酯泡沫和環(huán)氧樹(shù)脂泡沫等其他類(lèi)型的復(fù)合泡沫，但抗壓強(qiáng)度和吸水率均未得到較大改善，可靠性也較差。2000 年以來(lái)，國(guó)內(nèi)高校及科研院所開(kāi)始嘗試深海固體浮力材料的研制，但大部分都處于研究階段。

哈爾濱工程大學(xué)曾用直徑 3～4 mm 中空玻璃球與不同尺寸的玻璃微珠按照最佳比例混合，并用環(huán)氧樹(shù)脂做基體，制備出密度為 0.55 g/cm³ 的固體浮力材料，作業(yè)深度為 500～600 m。此外，哈爾濱工程大學(xué)歷時(shí)10 年研究的深水浮力材料已于 2014 年正式投入自動(dòng)化生產(chǎn)，這是中國(guó)第一次實(shí)現(xiàn)了深海用固體浮力材料的全面自動(dòng)化生產(chǎn)，打破了國(guó)際市場(chǎng)壟斷的局面[9] 。

1995 年，海洋化工研究院用化學(xué)發(fā)泡法研制了密度為0.33 g/cm³的固體浮力材料，作業(yè)深度可達(dá) 500 m，已成功應(yīng)用于水下機(jī)器人等設(shè)備中。其后來(lái)研發(fā)的密度為 0.35～0.53 g/cm³ 的固體浮力材料作業(yè)深度為 4500 m，主要用于海底設(shè)施建設(shè)，其還對(duì) 6000 m 水深固體浮力材料進(jìn)行過(guò)探索性試驗(yàn)，并取得如破性進(jìn)展，其研發(fā)的典型浮力材料性能如表 4 所示。

2、深潛裝備材料發(fā)展趨勢(shì)與技術(shù)瓶頸

2.1　耐壓殼體材料

1）高強(qiáng)度鋼作為耐壓殼體材料的局限性

一直以來(lái)高強(qiáng)度鋼都是建造潛艇和深潛器的主要材料，作為應(yīng)用最廣泛一種耐壓殼體材料，其性能的好壞直接決定了深潛裝備的下潛深度。耐壓殼體的屈服強(qiáng)度在二戰(zhàn)結(jié)束以來(lái)的這段時(shí)間得到了突飛猛進(jìn)的提高，以美國(guó)、日本和英國(guó)的潛艇用鋼為例，其屈服強(qiáng)度幾乎每 10 年就會(huì)翻一倍。

σ sσ b然而，隨著人們對(duì)深潛裝備的設(shè)計(jì)深度不斷提高，高強(qiáng)度鋼的不足之處也逐漸凸顯出來(lái)。首先在疲勞強(qiáng)度方面，實(shí)驗(yàn)表明鋼材的斷裂韌度和屈服強(qiáng)度的平方根成正比，而以目前國(guó)內(nèi)高強(qiáng)度鋼的生產(chǎn)水平，還無(wú)法使得其疲勞強(qiáng)度等性能指標(biāo)在屈服強(qiáng)度提高的同時(shí)得到同等比例的提高，從而限制了其在深潛裝備中的應(yīng)用推廣。因此，研發(fā)一種綜合性能指標(biāo)均很優(yōu)越的高強(qiáng)度鋼是發(fā)展大深度深潛器面臨的一大挑戰(zhàn)。其次在塑性?xún)?chǔ)備方面，材料的屈強(qiáng)比（屈服強(qiáng)度 和極限拉伸強(qiáng)度 的比值）隨著屈服強(qiáng)度的增大而變大，在鋼材屈服強(qiáng)度為 800 MPa 時(shí)，其屈強(qiáng)比則達(dá)到了0.95，導(dǎo)致材料塑性?xún)?chǔ)備極低，嚴(yán)重影響了鋼材使用的安全系數(shù) [10] ，如圖 1 所示。材料的伸長(zhǎng)率也會(huì)隨著屈服強(qiáng)度的增強(qiáng)而降低，而伸長(zhǎng)率是材料韌性的體現(xiàn)，當(dāng)材料的韌性降低時(shí)，即使裝備結(jié)構(gòu)存在極小的裂紋或空隙等缺陷，都會(huì)引起巨大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致裝備結(jié)構(gòu)局部失效向外擴(kuò)展，從而使材料的破損率大大提高。此外，有研究人員通過(guò)有限元分析軟件對(duì)不同殼體材料，在不同容重比下計(jì)算得出了其破壞深度 [11] ，如圖 2 所示?？煽闯?，碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料在較小容重比下具有較強(qiáng)的耐壓強(qiáng)度，相較與其他殼體材料具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖 1   高強(qiáng)度鋼的屈強(qiáng)比和伸長(zhǎng)率隨屈服強(qiáng)度的變化曲線(xiàn)

Fig. 1    Curves of yield ratio and elongation of high strength steel changing with yield strength

綜上得出，現(xiàn)有高強(qiáng)度鋼的生產(chǎn)工藝已無(wú)法在提升屈服強(qiáng)度的同時(shí)兼顧其他性能參數(shù)，這是制約高鋼強(qiáng)度在深潛裝備領(lǐng)域開(kāi)展進(jìn)一步應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。此外，高強(qiáng)度鋼還存在加工工藝復(fù)雜、焊接性能差等問(wèn)題，未來(lái)必須克服上述難點(diǎn)才能發(fā)揮高強(qiáng)度鋼在深潛裝備領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

圖 2   不同殼體材料的破壞深度隨容重比的變化關(guān)系

Fig. 2    The relationship between the collapse depth of different shell materials and the unit weight ratio

2）鈦合金作為耐壓殼體材料的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)局限性

鈦資源作為地球上儲(chǔ)量豐富的資源之一，僅次于鐵、鋁、鎂位居第 4 位。我國(guó)的鈦礦儲(chǔ)量極為豐富，約為 2.2 億噸，占全球鈦資源總儲(chǔ)量的 26.4%，位居世界首位。然而相比于國(guó)外鈦資源的消費(fèi)結(jié)構(gòu)比例，我國(guó)鈦資源消費(fèi)結(jié)構(gòu)尚處于低端化 [12] 。

鈦合金具備優(yōu)異的耐腐蝕性能和極高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，擁有“海洋金屬”的美譽(yù) [13] ，但隨著深海裝備對(duì)鈦合金強(qiáng)度要求的不斷提高，其應(yīng)用短板也逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。因此，為加大鈦合金材料在深潛裝備的應(yīng)用力度，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“鈦代鋼”的技術(shù)革命，就要優(yōu)先解決鈦合金在實(shí)際加工、制造以及使用過(guò)程中的系列缺陷和關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 [14] ：①目前高強(qiáng)度鈦合金尚未進(jìn)行系統(tǒng)化推廣應(yīng)用，其在高端產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面主要還是以航空航天領(lǐng)域?yàn)橹?，針?duì)海洋領(lǐng)域的生產(chǎn)配套設(shè)施還不健全。深海環(huán)境與太空環(huán)境迥然不同，深海裝備所面對(duì)的高壓、高溫、高鹽等環(huán)境極其復(fù)雜，對(duì)鈦合金的制備工藝、基礎(chǔ)配套設(shè)施要求極高?！皧^斗者”號(hào)深潛器采用了自主研發(fā)的 950 MPa 的高強(qiáng)度鈦合金，這是眾多科研人員合力技術(shù)攻關(guān)得以研制成功的。②缺乏大尺寸鈦合金板材制造能力，這無(wú)疑將制約深潛裝備整體化、大型化發(fā)展。目前針對(duì)鋼材的生產(chǎn)設(shè)備較為健全，擁有一大批制造寬尺寸、大厚度鋼材的生產(chǎn)設(shè)備，而對(duì)于鈦合金的大型生產(chǎn)設(shè)備相對(duì)匱乏。

雖然為建造“奮斗者”深潛器成功研制出寬 3 m、厚120 mm 的鈦合金板材，但尚未突破像海洋船舶用鋼那樣大尺寸超厚鈦合金板材制造工藝，這嚴(yán)重影響深潛裝備建造的整體化、大型化，每多一處拼接點(diǎn)，都將降低深潛裝備的可靠性和安全性。

③鈦合金焊接工藝復(fù)雜、難度高，導(dǎo)致焊接效率低下且極易發(fā)生焊接缺陷。當(dāng)前主流的鈦合金焊接方法包括鎢極氬弧焊工藝、等離子弧焊工藝、熔化極氬弧焊工藝、激光束鈦合金焊工藝以及電子束鈦合金焊工藝等，常規(guī)焊接方法對(duì)于大型鈦合金板材來(lái)說(shuō)容易出現(xiàn)渣塊、氣孔或熔融不成功等缺陷，成為深潛裝備最大的潛在安全隱患?！皧^斗者”號(hào)深潛器采用的是真空電子束焊接工藝，該焊接方法在有效降低焊接缺陷的同時(shí)大幅提升了焊接效率，但其對(duì)焊接環(huán)境要求苛刻，一般生產(chǎn)單位無(wú)法滿(mǎn)足要求，這將是制約鈦合金技術(shù)發(fā)展的另一道屏障。α④鈦合金在深潛裝備應(yīng)用中存在明顯的壓縮蠕變效應(yīng)。蠕變是金屬材料在恒定外力的作用下，其應(yīng)力與形變隨著時(shí)間慢慢變化的現(xiàn)象。相比于鋼材，鈦合金的壓縮蠕變現(xiàn)象較為嚴(yán)重，這會(huì)降低裝備的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。究其原因主要包括 2 個(gè)方面：一是鈦合金的彈性模量低，約為常規(guī)鋼材的一半，這就導(dǎo)致其在承受同等壓力的情況下，鈦合金發(fā)生的變形將是鋼材的兩倍，從而降低結(jié)構(gòu)的可靠性；二是鈦合金 相為密排六方結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)屬于各向異性，導(dǎo)致深潛裝備在受均布?jí)毫r(shí)，各項(xiàng)應(yīng)變不同，從而降低結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定

性。因鈦合金首先被應(yīng)用到航空航天領(lǐng)域，關(guān)于鈦合金蠕變現(xiàn)象的研究主要集中在航空航天領(lǐng)域，針對(duì)深海環(huán)境的鈦合金蠕變研究較少，這將是其下一步研究的重點(diǎn)方向 [15-16] 。

3）耐壓殼體材料未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，陶瓷基復(fù)合材料因其具備高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、電絕緣和非磁性等優(yōu)點(diǎn)，成為極具發(fā)展?jié)摿Φ纳顫撗b備殼體材料之一。但由于陶瓷材料固有的脆性導(dǎo)致其在水下應(yīng)用受到很大限制，研究人員正通過(guò)各種增韌機(jī)制對(duì)其進(jìn)行增韌，目前主要增韌方法有纖維增韌、晶須增韌和顆粒增韌，增韌后的陶瓷結(jié)構(gòu)材料擁有更高的斷裂強(qiáng)度 [17-18] 。美國(guó)海軍研制的氧化鋁陶瓷基復(fù)合材料在 6   000 m 水深下的重量/排水量比小于 0.6，而同水深的鈦合金殼體比率為 0.85。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氧化鋁陶瓷基殼體比 Ti-6A-4V 殼體的有效

載荷高 166%，性能比鈦合金更優(yōu)，是一種比鈦合金更具發(fā)展?jié)摿Φ纳顫撗b備結(jié)構(gòu)殼體材料。美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所研制的“海神”號(hào)深潛器便是采用了新型陶瓷基復(fù)合材料做耐壓殼體，并成功下潛到 10   902 m的海深，可見(jiàn)陶瓷基復(fù)合材料是一種很有發(fā)展前景的深潛裝備殼體材料。 

2.2　固體浮力材料

1）固體浮力材料發(fā)展的技術(shù)瓶頸

自 20 世紀(jì) 20 年代人類(lèi)建造第一代深海潛水器起，耐壓浮力材料便隨之產(chǎn)生。截至目前，浮力材料的發(fā)展已經(jīng)歷了 3 個(gè)階段，分別為耐壓油、微珠復(fù)合泡沫和擁有極低密度、較高強(qiáng)度的固體浮力材料。當(dāng)前應(yīng)用于深潛裝備的浮力材料以固體浮力材料為主，而影響其性能的主要因素包括 2 個(gè)方面，分別如下：

①固體浮力材料選用的填料和基體對(duì)性能的影響

目前的固體浮力材料多采用環(huán)氧樹(shù)脂體系的制備技術(shù)，這一制備技術(shù)存在易爆聚、內(nèi)部熱量集中、聚合速度快等缺陷，導(dǎo)致固體浮力材料在制備過(guò)程中易產(chǎn)生氣孔從而降低其抗壓性能。基于此，國(guó)內(nèi)科研人員對(duì)填充物進(jìn)行改性處理并添加緩釋劑，實(shí)驗(yàn)表明這種手段可有效改善固體浮力材料的抗壓性能 [19 ? 21] 。然而這種傳統(tǒng)固體浮力材料存在一個(gè)普遍的問(wèn)題，那就是在現(xiàn)有制作工藝下它們的密度已接近極限，且吸水率很難再降低，面對(duì)這一技術(shù)問(wèn)題，急需開(kāi)發(fā)一種新型的深海固體浮力材料 [22 ? 25] ，來(lái)滿(mǎn)足深潛裝備的建造需求。目前，最有發(fā)展前景的浮力材料有陶瓷浮力材料、無(wú)縫陶瓷空心浮球以及碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料等 [26-27] 。陶瓷浮力材料近年來(lái)受到關(guān)注度較高，主要由耐壓的陶瓷浮力圓筒構(gòu)成，具備低密度、高強(qiáng)度的特點(diǎn)。而無(wú)縫陶瓷空心浮球則是由特殊工藝制備而成，其密度更低、強(qiáng)度更高，如 DSPL 公司生產(chǎn)的無(wú)縫陶瓷浮的質(zhì)量-排水量比為 0.35，抗壓強(qiáng)度為 210 MPa，可滿(mǎn)足全海深使用需求 [9,28] 。瑞士的研究人員制造的一種陶瓷空心玻璃微球是在 1   600 ℃ 的高溫下燒結(jié)而成，壁厚為 1 mm，承受壓強(qiáng)為 150 MPa，擁有比其他固體浮力材料更優(yōu)的浮力性能，是一種非常理想的深海用浮力材料，具備極大應(yīng)用前景，將在未來(lái)浮力材料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

②固體浮力材料制備工藝對(duì)材料性能的影響

除浮力材料的填料和基體對(duì)其性能影響較大之外，其填料和基體的配比、結(jié)合性以及在混合過(guò)程中引入汽包的數(shù)量等因素對(duì)性能的影響也至關(guān)重要，這些關(guān)鍵點(diǎn)已成為當(dāng)前深海固體浮力材料研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。因此，固體浮力材料制備工藝的成熟與否是決定其性能能否滿(mǎn)足要求的關(guān)鍵因素，目前主流的固體浮力材料制備工藝包括澆注法、液體傳遞模塑法、真空浸漬法以及模壓成型法等 [29] ，工藝流程如圖 3 所示。大致方法都是將填料和基體混合之后加入固化劑等材料，然后壓入模型之內(nèi)，通過(guò)不同的成型方法壓制而成，具體工藝參數(shù)指標(biāo)的設(shè)定是決定材料成型后性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。

圖 3   固體浮力材料制備工藝流程

Fig. 3    Manufacturing process flow of solid buoyancy materials

如今，僅依靠工藝流程的優(yōu)化已很難再提高材料的性能，因此出現(xiàn)了關(guān)于浮力材料的填料和基體的最佳配比的相關(guān)研究，且研究人員已基本掌握了不同材料配比對(duì)其性能影響的關(guān)系曲線(xiàn) [30] （見(jiàn)圖 4），針對(duì)該方向的研究技術(shù)也已趨于成熟，若要使固體浮力材料的性能取得新的突破，必須開(kāi)展新的關(guān)鍵技術(shù)研究。

圖 4   不同體積比的材料吸水率隨靜水壓力變化曲線(xiàn)

Fig. 4    Water absorption curves of materials with different volume ratios versus hydrostatic pressure

目前，固體浮力材料新的研究熱點(diǎn)主要聚焦在基體與固化劑的配比、材料表面涂層、表面改性處理以及碳纖維添加等方面。合適的基體與固化劑比例不僅易于填料混合，還可以增加基體的強(qiáng)度。而高強(qiáng)度涂層的應(yīng)用，也給固體浮力材料帶來(lái)了眾多益處，其不僅可以降低材料的吸水率，還能一定程度提高材料的耐壓強(qiáng)度 [29] 。

2）固體浮力材料未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

從當(dāng)前固體浮力材料的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，其未來(lái)發(fā)展方向?qū)⒅饕獓@兩方面展開(kāi)：一是新材料新工藝的應(yīng)用，這將助力固體浮力材料性能的大幅提升；二是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用，通過(guò)構(gòu)建仿真模型可有效模擬和預(yù)測(cè)固體浮力材料的性能指標(biāo)。

①新材料及工藝在固體浮力材料中的應(yīng)用

21 世紀(jì)以來(lái)，碳納米管在復(fù)合浮力材料的應(yīng)用成為熱門(mén)話(huà)題，研究人員發(fā)現(xiàn)將表面生長(zhǎng)了碳納米管的空心玻璃微珠填充到環(huán)氧樹(shù)脂基體中，在其質(zhì)量百分的壓縮模量比傳統(tǒng)復(fù)合材料提高 35%～40%，是一種極具潛在研究?jī)r(jià)值的浮力材料 [31-32] 。除了對(duì)空心玻璃微珠進(jìn)行增強(qiáng)外，另有科研人員對(duì)固體浮力材料的基體進(jìn)行碳纖維增強(qiáng)，通過(guò)調(diào)整碳纖維的長(zhǎng)度和質(zhì)量配比，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度性能可提升2～3倍，因此如果對(duì)填充材料空心玻璃微珠和基體材料同時(shí)進(jìn)行增強(qiáng)，則可大大提升固體浮力材料的性能 [33 ? 35] 。

②計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在固體浮力材料中的應(yīng)用

在固體浮力材料的設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中，用于浮力材料制備的填料多為玻璃微珠或者陶瓷微珠，因其在填充過(guò)程中具有隨機(jī)性、無(wú)序性以及非均質(zhì)性等特性，且極易摻雜氣泡，導(dǎo)致無(wú)法精確預(yù)估固體浮力材料的性能指標(biāo)。針對(duì)這一問(wèn)題，近年來(lái)開(kāi)始嘗試采用數(shù)值模擬和理論預(yù)測(cè)等手段，從設(shè)計(jì)、加工以及微觀力學(xué)等方面對(duì)固體浮力材料進(jìn)行更加精確的性能仿真和破壞機(jī)理模擬。通過(guò)建立包含基體、填料、氣泡以及配比等參數(shù)的三維有限元模型，利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)來(lái)精確分析預(yù)測(cè)材料的性能，從而大幅降低材料試驗(yàn)成本和研發(fā)周期，提高固體浮力材料的更新迭代效率 [29] 。 

3、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)深潛裝備材料進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，隨著裝備材料的不斷發(fā)展，各國(guó)在對(duì)潛艇、水下機(jī)器人和載人深潛器等深潛裝備殼體進(jìn)行選材時(shí)，必然會(huì)傾向屈服強(qiáng)度更高的耐壓殼體材料。然而一味提高材料的屈服強(qiáng)度，必然會(huì)導(dǎo)致其他性能指標(biāo)如疲勞強(qiáng)度、塑性、韌性及焊接性能等出現(xiàn)不同程度的下降。為避免因材料缺陷而導(dǎo)致深潛裝備出現(xiàn)強(qiáng)度破壞，在研發(fā)過(guò)程中需要對(duì)材料進(jìn)行充分的試驗(yàn)，并建立準(zhǔn)確的產(chǎn)品模型和嚴(yán)格的工藝過(guò)程，才能突破因屈服強(qiáng)度增加引起的材料加工和焊接難點(diǎn)問(wèn)題。同時(shí)，陶瓷基復(fù)合材料作為能，是可成為替代鈦合金的廉價(jià)材料之一，但其與高強(qiáng)度鋼和鈦合金相比抗沖擊能力較差，還需進(jìn)一步優(yōu)化制備方法和工藝，提高陶瓷基復(fù)合材料強(qiáng)韌性，不斷擴(kuò)大其在深潛裝備領(lǐng)域中的應(yīng)用，其必將成為繼高強(qiáng)度鋼和鈦合金之后的又一深潛裝備結(jié)構(gòu)殼體的主要選材。

在深海浮力材料方面，目前國(guó)產(chǎn)的固體浮力材料難以滿(mǎn)足深海應(yīng)用，絕大部分仍依賴(lài)進(jìn)口，而當(dāng)今國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的固體浮力材料當(dāng)屬空心玻璃微珠復(fù)合材料，可基本滿(mǎn)足 7   000 米級(jí)深潛器使用需求。但其仍存在密度大、強(qiáng)度低和吸水率高等缺點(diǎn)，無(wú)法滿(mǎn)足全海深潛水器使用需求，因而陶瓷浮力材料和碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料等一些新型浮力材料相繼出現(xiàn)。無(wú)縫陶瓷微球抗壓強(qiáng)度高、密度低、吸水率低，是未來(lái)理想的固體浮力材料填充體。碳納米管因具備優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)等性能成為金屬基和聚合物基復(fù)合材料的理想增強(qiáng)體，在很大程度上提高了固體浮力材料的基體強(qiáng)度，為全海深深潛裝備的發(fā)展帶來(lái)新的契機(jī)，是未來(lái)高性能浮力材料的發(fā)展趨勢(shì)。

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