大深度載人潛水器浮力材料的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

劉坤 王金 杜志元 沈鵬

摘要：在所有海洋裝備中，大深度載人潛水器代表深海技術(shù)的制高點(diǎn)，而大深度載人潛水器的研制所要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一就是浮力材料的選擇。文章概述浮力材料的分類(lèi)以及浮力材料在三代大深度載人潛水器上的應(yīng)用情況，并對(duì)能夠滿足大深度尤其是全海深載人潛水器需求的浮力材料進(jìn)行對(duì)比研究。研究結(jié)果表明：微珠復(fù)合泡沫雖然能滿足7 000 m載人潛水器的需求，但應(yīng)用在全海深載人潛水器時(shí)存在密度大和吸水率高的缺點(diǎn)，且不能滿足15倍安全壓力要求;陶瓷等新型浮力材料的密度小和吸水率低，是未來(lái)浮力材料的重要發(fā)展方向。本研究可為大深度載人潛水器浮力材料的選擇提供一定的理論支持。

關(guān)鍵詞：載人潛水器;固體浮力材料;微珠復(fù)合泡沫;陶瓷浮球;深海大洋

中圖分類(lèi)號(hào)：TB3;P7545文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1005-9857（2019）12-0067-04

Application Status and Developing Trend of Buoyancy Materials for Large Depth Manned Submersibles

LIU Kun1，WANG Jin2，DU Zhiyuan1，SHEN Peng1

（1Technology Department，National Deep Sea Center，Qingdao 266237，China;

2Qingdao Teltel New Energy Technology Co，Ltd，Qingdao 266100，China）

Abstract：Within all the deep sea investigation platforms，manned submersible represents the highest technology challenge.In the design of the large depth manned submersible，buoyancy material is one of the key issues to be solved.In this paper，the classification of buoyancy materials was summarized，the application of buoyancy materials on the threegeneration deep manned submersibles was discussed，and the buoyancy materials with large depths，especially those that met the requirements of deep sea manned submersibles was studied.Through research，the main conclusion was that although the microbead composite foam could meet the requirements of the 7 000 m manned submersible，it had the disadvantages of high density and high water absorption when it was applied to the whole sea deep manned submersible，and could not meet 15 times of safety factor requirements.New buoyancy materials such as ceramics have low density and low water absorption，which is an important developing direction of buoyancy materials in the future.This study may lay a foundation for selection of buoyancy materials of the large depth manned submersible.

Key words：Manned submersibles，Buoyancy material，Epoxy resin，F(xiàn)racture，Deep ocean

0引言

載人潛水器具有攜帶潛航員和科學(xué)家在海底近距離操縱和觀察的特點(diǎn)，已成為深海探測(cè)和研究的重要裝備之一。繼美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)和日本之后，我國(guó)也開(kāi)展了大深度載人潛水器的研究和應(yīng)用工作，目前已研制“蛟龍”號(hào)和“深海勇士”號(hào)2艘大深度載人潛水器。

載人潛水器具備上浮和下潛的能力，一般采用無(wú)動(dòng)力上浮技術(shù)，因此需要浮力材料提供上浮動(dòng)力[1]。作為重要的基礎(chǔ)材料，浮力材料是大深度載人潛水器的關(guān)鍵核心材料，其性能直接關(guān)系到大深度載人潛水器的可靠性和安全性，是大深度載人潛水器技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。因此，研制低密度、高強(qiáng)度和高可靠性的浮力材料具有重要意義。

1浮力材料的類(lèi)型

按照應(yīng)用時(shí)間、理化性能和結(jié)構(gòu)形態(tài)等特點(diǎn)，浮力材料主要分為三大類(lèi)，即傳統(tǒng)浮力材料、固體浮力材料和玻璃陶瓷浮球。

11傳統(tǒng)浮力材料

傳統(tǒng)浮力材料是早期用在水面或水下提供浮力的材料，主要包括輕質(zhì)液體、橡膠和泡沫。輕質(zhì)液體主要包括汽油、柴油和硅油等，須封裝在浮力桶中，密度較高，且易泄漏而造成污染;橡膠主要是中空的橡膠浮球，耐壓強(qiáng)度較低;泡沫主要包括泡沫塑料、泡沫玻璃和泡沫鋁等，重量輕，且耐壓強(qiáng)度低。除輕質(zhì)液體外，傳統(tǒng)浮力材料性都只能在淺海應(yīng)用，不能滿足大深度載人潛水器的需求（表1）。

12固體浮力材料

為更好地解決深海耐壓和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的問(wèn)題，低密度和高強(qiáng)度的固體浮力材料被研制出來(lái)，主要包括三大類(lèi)，即化學(xué)泡沫復(fù)合材料、輕質(zhì)合成復(fù)合材料和微珠復(fù)合泡沫材料[2]?；瘜W(xué)泡沫復(fù)合材料是采用化學(xué)發(fā)泡方法制成的低密度復(fù)合材料，耐壓強(qiáng)度極低，且易破裂吸水，僅能用在水面和淺海;輕質(zhì)合成復(fù)合材料由復(fù)合泡沫和低密度填料（如中空玻璃或塑料）組合改性而成，主要用在0～4 000 m的水深范圍[3];微珠復(fù)合泡沫材料是固體浮力材料的研究重點(diǎn)，由低密度調(diào)節(jié)劑和基體樹(shù)脂復(fù)合而成，其中基體樹(shù)脂主要包括環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂和聚氨酯，低密度調(diào)節(jié)劑主要包括玻璃陶瓷微珠以及碳、粉煤灰漂珠等[4]。

13玻璃陶瓷浮球

球體表面在受力時(shí)壓力呈均勻分布，且內(nèi)部壓力最小，是理想的承壓結(jié)構(gòu)體，因此空心玻璃陶瓷浮球作為深海浮力體被研制出來(lái)。雖然二者都是脆性無(wú)機(jī)材料，但其彈性模量和耐壓強(qiáng)度均遠(yuǎn)高于金屬材料，密度也更小。外徑為0432 m的玻璃浮球的質(zhì)量排水比約為600 kgm3，單個(gè)玻璃浮球提供的凈浮力約為178 N。陶瓷浮球的質(zhì)量排水比更低，約為340 kgm3，比微珠復(fù)合泡沫材料和玻璃浮球都低得多，是理想的浮力材料。此外，玻璃陶瓷浮球的空腔可作為儀器設(shè)備的耐壓容器，以節(jié)約潛水器空間。但玻璃陶瓷浮球?qū)儆诖嘈圆牧?，在水下有?nèi)爆失效的風(fēng)險(xiǎn)，且一旦內(nèi)爆往往引起連鎖反應(yīng)，并帶來(lái)災(zāi)難性后果，因此主要在無(wú)人潛水器上使用。

2浮力材料在大深度載人潛水器上的應(yīng)用

目前大深度載人潛水器已發(fā)展到第三代，由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平等的限制，各代載人潛水器的結(jié)構(gòu)、機(jī)動(dòng)范圍、操縱性能、作業(yè)能力和下潛深度各不相同，應(yīng)用的浮力材料也有差別，其中浮力材料在一定意義上可作為載人潛水器劃代的重要標(biāo)志。

21第一代載人潛水器浮力材料

為滿足深?？茖W(xué)研究的需求，自20世紀(jì)20年代起人類(lèi)開(kāi)始建造第一代深海載人潛水器，代表包括美國(guó)“Trieste”號(hào)和法國(guó)“Archimède”號(hào)，其中“Trieste”號(hào)于1960年1月23日在太平洋馬里亞納海溝下潛到10 916 m，創(chuàng)造人類(lèi)下潛深度的紀(jì)錄[5]REF_Ref6211064＼r＼h＼*MERGEFORMAT。第一代深海載人潛水器的顯著特點(diǎn)為依靠專(zhuān)門(mén)的浮力艙提供浮力，浮力艙內(nèi)填充汽油和煤油等輕質(zhì)、耐壓的液體，但體積較大，不方便建造和運(yùn)輸。

22第二代載人潛水器浮力材料

鑒于第一代載人潛水器的諸多不足，自20世紀(jì)60年代起各國(guó)開(kāi)始第二代大深度載人潛水器的設(shè)計(jì)和建造工作。第二代載人潛水器的顯著特征是能夠完成自由航行、上浮和下潛等運(yùn)動(dòng)，并且作業(yè)能力顯著提高，是目前應(yīng)用最廣泛的深海載人潛水器。第二代載人潛水器的代表包括美國(guó)“Alvin”號(hào)、法國(guó)“Nautile”號(hào)、俄羅斯“MIR”號(hào)、日本“Shinkai 6500”號(hào)和我國(guó)“蛟龍”號(hào)（表2）。

第二代載人潛水器使用微珠復(fù)合泡沫材料作為浮力體，使?jié)撍鞯闹亓看蟠鬁p輕，體積更小，外部流線型也更好，因此機(jī)動(dòng)性能和作業(yè)能力遠(yuǎn)優(yōu)于第一代載人潛水器，能夠滿足攜帶科學(xué)家進(jìn)行深海觀察和作業(yè)等的需求[6]REF_Ref6258367＼r＼h＼*MERGEFORMAT。第二代載人潛水器已獲得廣泛應(yīng)用，如美國(guó)“Alvin”號(hào)年平均下潛180次，目前已下潛超過(guò)5 000次。

23第三代載人潛水器浮力材料

第三代載人潛水器又稱(chēng)全海深載人潛水器，由技術(shù)國(guó)際領(lǐng)先的水下工程公司和探險(xiǎn)機(jī)構(gòu)相繼研制，主要包括卡梅隆團(tuán)隊(duì)的 Deepsea Challenge，DOER Marine公司的 Deepsearch，Hawkes Ocean Technologies 公司的 Deep Flight Challenger等[7]。第三代載人潛水器的主要技術(shù)特點(diǎn)包括：下潛速度明顯提高，平均下潛和上浮速度超過(guò)5 kn[8];重量明顯減輕，第二代載人潛水器均為20噸級(jí)，而第三代載人潛水器被控制在10噸級(jí)。為滿足上述要求，第三代載人潛水器的浮力材料須具有極低密度、較高強(qiáng)度和較高可靠性，然而能夠在全海深使用的微珠復(fù)合泡沫材料普遍存在密度偏高和吸水率大的缺點(diǎn)，因此須開(kāi)發(fā)新型浮力材料。

3大深度載人潛水器浮力材料的發(fā)展趨勢(shì)

目前國(guó)際已商品化的全海深浮力材料主要包括Trelleborg Offshore生產(chǎn)的DS39，Engineered Syntactic Systems生產(chǎn)的HZ45，Ron Allum Deepsea Services生產(chǎn)的DR11，我國(guó)海洋化工研究院有限公司和中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所也在進(jìn)行全海深浮力材料的研制工作（表3）。

目前已研制成功的全海深浮力材料普遍密度大、吸水率高且不能滿足15倍耐壓安全系數(shù)要求，因此須進(jìn)一步發(fā)展新型的輕質(zhì)、高強(qiáng)度和高可靠性的浮力材料。較有發(fā)展前景的浮力材料包括陶瓷浮力材料、無(wú)縫陶瓷空心浮球和碳納米管增強(qiáng)復(fù)合泡沫浮力材料等。

31陶瓷浮力材料

陶瓷浮力材料目前受到廣泛關(guān)注，其由很多耐壓陶瓷圓筒組成，與傳統(tǒng)的微珠復(fù)合泡沫材料相比密度更低和強(qiáng)度更高，是具有良好發(fā)展前景的浮力材料，DOER Marine公司正在研究其使用可行性。

32無(wú)縫陶瓷空心浮球

采用旋轉(zhuǎn)注漿成型技術(shù)，以2個(gè)石膏半球充當(dāng)模具，向模具中注入定量陶瓷漿后進(jìn)行無(wú)規(guī)則旋轉(zhuǎn)，保證陶瓷漿均勻吸附在石膏模具上，最后燒制成中空的無(wú)縫陶瓷空心浮球。具備無(wú)縫陶瓷空心浮球生產(chǎn)能力的企業(yè)包括 Deep Sea Power & Light（DSPL）公司和 Custom Technical Ceramics（CTC）公司，其中 DSPL 公司生產(chǎn)的無(wú)縫陶瓷空心浮球的外徑為91 mm，壁厚為15 mm，材料為999%氧化鋁陶瓷，單個(gè)浮球的質(zhì)量為140 g，排水量為404 g，質(zhì)量排水比為035，可承受約210 MPa的外部外壓，每個(gè)浮球外面包裹5 mm厚的聚氯乙烯（PVC）材料以提供抗沖擊防護(hù)。

美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）研制的全海深無(wú)人潛水器“海神”號(hào)安裝1 670個(gè)DSPL公司生產(chǎn)的陶瓷浮球作為浮體單元[9-10]，無(wú)縫陶瓷空心浮球在“海神”號(hào)上的使用證明了其可行性。與此同時(shí)，有專(zhuān)家質(zhì)疑“海神”號(hào)的故障是由陶瓷浮球破碎導(dǎo)致的，但原因尚未查明。因此，無(wú)縫陶瓷空心浮球的安全性和可靠性尚須驗(yàn)證，這是其在全海深載人潛水器上應(yīng)用的首要問(wèn)題。

33碳納米管增強(qiáng)復(fù)合泡沫浮力材料

自1991年被發(fā)現(xiàn)至今，碳納米管被持續(xù)研究，因其具有優(yōu)異的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，被認(rèn)為是復(fù)合材料理想的增強(qiáng)體[11-12]。通過(guò)對(duì)微珠復(fù)合泡沫材料的制備進(jìn)行改進(jìn)，在空心玻璃微球的表面生長(zhǎng)碳納米管，然后將其添加至環(huán)氧樹(shù)脂基體中，從而制備成碳納米管增強(qiáng)復(fù)合泡沫浮力材料。研究顯示，碳納米管的質(zhì)量百分比為0%～08%時(shí)，碳納米管增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料的壓縮模量比簡(jiǎn)單復(fù)合泡沫塑料提高35%～40%[13]。

4結(jié)語(yǔ)

目前應(yīng)用最廣泛的浮力材料是微珠復(fù)合泡沫浮力材料，其基本能滿足7 000 m以內(nèi)深度的深海載人潛水器的需求，但因其密度大和吸水率高等缺點(diǎn)，不能滿足全海深載人潛水器的設(shè)計(jì)需求。因此，亟須開(kāi)發(fā)能夠滿足全海深載人潛水器需求的新型浮力材料，可對(duì)現(xiàn)有的微珠復(fù)合泡沫浮力材料進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步減小材料的密度，以獲得更高的耐壓強(qiáng)度，同時(shí)保持較低的吸水率，如碳納米管增強(qiáng)復(fù)合泡沫浮力材料即通過(guò)添加碳納米管增強(qiáng)浮力材料的性能，此外，可開(kāi)發(fā)新型浮力材料，如陶瓷浮力材料和無(wú)縫陶瓷浮球等，但其可靠性有待進(jìn)一步提高。

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