高強度浮力材料在輕型渡河裝備中的應(yīng)用

牛思博，趙建民，邰文星

(解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，南京 210007)

固體浮力材料根據(jù)產(chǎn)品類別主要有淺海用浮力材料和深潛用浮力材料，前者在國內(nèi)普遍采用軟木、浮力球、浮力筒及合成泡沫塑料或合成橡膠，但由于其本身的局限性使它并不被看好。相反，深潛用浮力材料以其優(yōu)異的特性為人們所接受，高強度浮力材料便是其中具有代表性的，目前主要為水下作業(yè)裝備提供所需的浮力，2011 年被國家列入“十二五新材料發(fā)展計劃”，它廣泛用于水下深潛器、水下機器人、水下集礦機、救生艙等深海潛水領(lǐng)域，若應(yīng)用到軍用輕型渡河裝備上，將會大大提高舟橋等裝備的浮力特性，改善裝備的淺水適應(yīng)性，同時也為其實現(xiàn)空運、空降等要求創(chuàng)造了有益條件。

1 高強度浮力材料性能特點及國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 高強度浮力材料性能

固體浮力材料是將無機輕質(zhì)填充材料，填充到有機高分子材料中，經(jīng)物理化學(xué)反應(yīng)得到的固態(tài)化合物。運用于深海研究的固體浮力材料就是一種低密度、高強度、具有耐靜水外壓、耐海水腐蝕、低吸水率等特性的復(fù)合泡沫材料。它是現(xiàn)代海洋深潛技術(shù)必不可少的基礎(chǔ)性材料，為潛器提供必需的浮力，對提高潛器的有效載荷、減少其外形尺寸、提供其水下運動性能起著重要的作用［1］。

1.2 高強度浮力材料國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

高強度浮力材料在民用、商業(yè)及軍事上有著廣泛的應(yīng)用，如水中設(shè)備的配重，漂浮于水面的或懸浮于水中的浮纜、浮標(biāo)、海底埋纜機械及聲多普勒流速剖面儀(ADCP)平臺、零浮力拖體、無人遙控潛水器(ROV)等，使用條件不同，對其性能要求也不一樣［2］。

1)國外應(yīng)用現(xiàn)狀。美國、法國、俄羅斯等國家從20 世紀(jì)60 年代末就開始研制高強度浮力材料，以用于大洋深海海底的開發(fā)事業(yè)。美國洛克希德導(dǎo)彈空間公司研制了兩種用途的固體浮力材料，一種是用于淺海的OPS(offshore petroleum system)級固體浮力材料，密度為0.35 g/cm3，抗壓強度為5.6 MPa，可潛水540 m;另一種是深潛用SPD(submersible deep quest)級固體浮力材料，密度為0.45 ～0.48 g/cm3，抗壓強度為25 MPa，可潛水深2 430 m［3］。俄羅斯也已研制出用于6 000 m水深的固體浮力材料。利用這些浮力材料，美國研制了“阿爾文”號、“的里雅斯特”號等深潛器，俄羅斯也有“和平一號”、“和平二號”兩艘6 000 m 級深潛器，如圖1 所示。另外，法國的“鸚鵡螺”號、德國的DeepC 自主潛航器也是具有優(yōu)異的深潛能力。

圖1 “阿爾文號”深潛器

2)國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀。國內(nèi)的浮力材料研制起步較晚，早期的固體浮力材料屬于淺海領(lǐng)域產(chǎn)品，如軟木，金屬浮筒和合成橡膠制品，其形狀固定，提供浮力較小。20 世紀(jì)90 年代，海洋化工研究所研制的“化學(xué)發(fā)泡固體浮力材料”提高了固體浮力材料的性能。近幾年來，我國在深潛領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)展，“蛟龍?zhí)枴陛d人深潛器便是其中的佼佼者，它是我國首臺自主設(shè)計、自主集成研制的，設(shè)計最大下潛深度為7 000 m級，也是目前世界上下潛能力最深的作業(yè)型載人潛水器，其外殼由直徑渺小的空心玻璃微珠和環(huán)氧樹脂制作而成，如圖2 所示?！膀札?zhí)枴笨稍谡际澜绾Ｑ竺娣e99.8%的廣闊海域中使用，對于我國開發(fā)利用深海的資源有著重要的意義。

圖2 “蛟龍?zhí)枴鄙顫撈?/p>

2 浮力材料應(yīng)用前景分析

發(fā)達(dá)國家在舟艇等渡河器材的研制與開發(fā)上廣泛的應(yīng)用了浮力材料，使舟艇性能得到很大的提高。2011 年，一艘內(nèi)河用多功能消防救援艇列入俄羅斯消防部隊?wèi)?zhàn)斗裝備，它可以完成救援工作中的多種作業(yè)。這種救援艇艇身采用了新型的材料，并涂上輕質(zhì)的防火涂料，利用其耐火性和保溫絕熱性使救援人員免受火災(zāi)的威脅。

目前，我國的輕型渡河器材主要包括沖鋒舟、汽艇、輕型舟橋等，在抗震救災(zāi)等任務(wù)中發(fā)揮了重要作用。在材料使用方面基本采用鋼材，也有部分采用木材、鋁合金和復(fù)合材料。鋼材優(yōu)點在于強度高、塑性韌性好，缺點為質(zhì)量大、機動性差、克服水障礙潛力小、耐腐蝕性差、維修保養(yǎng)費用高;鋁合金雖具有質(zhì)量輕、強度高、不易銹蝕的優(yōu)點，但造價較高，剛度比鋼材小，鋁材的焊接性能仍需研究改善。復(fù)合材料制成的渡河裝備具有質(zhì)量輕、強度高，可減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量;機動性好、運輸架設(shè)方便;能吸收高能量、沖擊韌性好、抗損性強;整體性好，舟體成型簡便，比鋼質(zhì)舟體省工，造價低，使用壽命長，維修保養(yǎng)方便［4］。

我軍現(xiàn)階段在舟體的研制上主要采用的是玻璃鋼與高強度鋼材的復(fù)合結(jié)構(gòu)，已在輕型門橋和沖鋒舟上得到成功應(yīng)用。在民用方面，我國已廣泛采用玻璃鋼制造各種小型汽艇、游艇、救生艇等。通過分析深潛用的固體浮力材料，以空心玻璃微珠為代表的填充劑為研究角度，分析在舟體等器材研制方面的應(yīng)用前景。

2.1 空心玻璃微珠

空心玻璃微珠是近年來發(fā)展起來的一種用途廣泛、性能優(yōu)異的新型材料，該產(chǎn)品的主要成分是硼硅酸鹽，粒度為10 ～250 μm、壁厚為1 ～2 μm 的空心球體，它具有質(zhì)輕、低導(dǎo)熱、強度高和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點，經(jīng)過特殊處理，具有親油、憎水性能，非常容易分散于樹脂等有機材料中，如圖3所示?，F(xiàn)廣泛用于玻璃鋼、人造大理石、人造瑪瑙等復(fù)合材料中，具有明顯的減輕質(zhì)量和隔音保溫效果，使制品具有很好的抗龜裂性能和再加工性能。在航空、航天、新型高速列車、豪華游艇、隔熱涂料等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并起到了良好的作用。

圖3 空心玻璃微珠

深潛器的關(guān)鍵部件就屬于可加工的固體浮力材料，由高強度環(huán)氧樹脂作為基體，與經(jīng)分級篩選、表面處理的耐壓玻璃微珠、固化劑及其他助劑共混、采用加壓高溫固化而成［5］。由此可見，在我軍舟體的制造工藝上可在原有玻璃鋼或者合成泡沫的基礎(chǔ)上添加空心玻璃微珠，利用其質(zhì)輕、強度高的特性可以增加舟體浮力、增加輕型門橋的承載能力;利用其熔點高、熱傳導(dǎo)系數(shù)小的特點可在舟艇在受到襲擊時不會輕易燒傷毀壞，同時具有減震絕緣等功效，提高了它們的生存能力。目前，在民用方面我國一些生產(chǎn)舟艇的企業(yè)已較為普遍的采用了這種填充劑，但在軍用渡河器材上很少采用，這也是今后的發(fā)展方向。

2.2 陶瓷微珠

陶瓷微珠是一種非金屬多功能材料，主要成分是SiO2和Al2O3，直徑在1 ～5 μm 之間，外觀為白色，松散、球性率高、流動性好、熔點高，被譽為“空間時代新材料”，如圖4所示。

圖4 陶瓷微珠

作為球形顆粒，它可提高涂料的吸附性、耐久性、耐擦洗、耐腐蝕及耐高溫性，改善漆膜的機械性能，增加透明度，提高防火性能，可用于防腐、防火、耐高溫、粉末、建筑涂料及各種工業(yè)、民用涂料。由此可見，它可作為防火涂料，涂在沖鋒舟、汽艇艇身上，面對敵火襲擊時，可以很好的保護(hù)舟體內(nèi)的作戰(zhàn)人員，同時利用其保溫絕熱性可維持舟體正常溫度，也為戰(zhàn)斗人員提供了較好的戰(zhàn)場生存環(huán)境。

2.3 玻璃浮球

目前這種浮球主要由美國公司生產(chǎn)制造，也是作為深潛用高強度浮力材料的重要填充劑，國內(nèi)對此類材料研究較少，但對于我軍輕型渡河器材仍有借鑒意義。例如其防腐蝕、無污染的特點，在提高浮力同時防止侵蝕，而一旦出現(xiàn)材料損壞對附近生態(tài)環(huán)境影響較小。

3 結(jié)束語

綜上所述，三種重要的填充劑對于提高渡河器材技術(shù)性能有重要的作用，在民用方面較為廣泛，軍用仍屬起步階段，在近幾年也開始將一些新型材料應(yīng)用到渡河器材方面，但仍以鋼材、鋁合金、玻璃鋼為主，未來發(fā)展空間仍然很大，在今后材料制作工藝上還需不斷改進(jìn)。

［1］王啟鋒，杜竹瑋.環(huán)氧樹脂基固體浮力材料的研制及表征［J］.精細(xì)化工，2005，22(3):174-176.

［2］國內(nèi)外高強度浮力材料的現(xiàn)狀［J］.聲學(xué)與電子工程，2003，71(3):45-47.

［3］陳先，張樹華.新型深潛用固體浮力材料［J］.化工新型材料，1999(7):15-17.

［4］夏凌輝，常春偉，張艷萍.復(fù)合材料在軍用橋梁器材中的應(yīng)用研究［J］.玻璃鋼/復(fù)合材料，2006(2):51-52.

［5］顏翚，葛彤，趙敏，等.全深海環(huán)境下高強度空心玻璃微珠復(fù)合材料性能［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報，2011(9):1332-1335.