非金屬潛水器耐壓殼發(fā)展概況及展望

羅珊，李永勝，王緯波

1 中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫214082

2 船舶振動噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫214082

3 常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州213164

0 引 言

海洋已成為21 世紀(jì)各國爭奪戰(zhàn)略優(yōu)勢的制高點(diǎn)，而海斗深淵科學(xué)處于現(xiàn)階段海洋科學(xué)研究的最前沿，深海潛水器裝備的重要性日益凸顯。目前，各國都開始以“全海深”作為最新一代潛水器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，我國“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃也部署了萬米載人/無人深潛科技目標(biāo)［1-2］。潛水器屬于重量敏感型裝備，而耐壓殼是潛水器的核心部件，容重比（重量與排水量之比）是其設(shè)計(jì)時需要考慮的一個重要參數(shù)。耐壓殼的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是在滿足結(jié)構(gòu)力學(xué)性能要求的同時，盡可能減小容重比［3］，而高性能材料的選用是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要方式之一。

耐壓殼的材料特性主要取決于工作環(huán)境和受載情況。耐壓殼在水中工作，主要承受靜水壓力以及潛水器多次上升、下潛引起的周期性載荷，此外，還需要考慮在高鹽、高腐蝕的海洋環(huán)境浸泡時工作的因素，因此，耐壓殼材料應(yīng)該具有高比強(qiáng)度、高比剛度、抗疲勞、耐腐蝕等特性。目前，潛水器耐壓殼的制造主要選用金屬和非金屬材料。傳統(tǒng)的金屬材料，如高強(qiáng)度鋼、鈦合金、鋁合金等已在潛水器的耐壓殼中得到廣泛應(yīng)用；成功應(yīng)用于潛水器耐壓殼上的非金屬材料主要有復(fù)合材料、陶瓷、玻璃等，由于它們普遍具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕等特性，在現(xiàn)階段大深度和全海深潛水器耐壓殼的開發(fā)方面顯示出了極大的潛力［4］，得到了各國潛水器研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。本文擬針對深海裝備的材料需求，列舉復(fù)合材料、陶瓷、玻璃這幾種非金屬材料的特性，分析它們在潛水器耐壓殼上的應(yīng)用優(yōu)勢，概述各國潛水器耐壓殼中非金屬材料的應(yīng)用情況，總結(jié)應(yīng)用中需要解決的技術(shù)問題，并對該領(lǐng)域未來的研究方向提出建議。

1 非金屬材料在潛水器耐壓殼上的應(yīng)用優(yōu)勢

1.1 潛水器耐壓殼的技術(shù)發(fā)展對材料的需求

潛水器工作時，耐壓殼起著保障殼體內(nèi)部設(shè)備不因海水壓力和腐蝕而破壞的作用，對于載人潛水器，耐壓殼更是與艙內(nèi)人員的安全息息相關(guān)。作為潛水器浮力的主要提供者，耐壓殼占據(jù)了潛水器較大的重量。潛水器重量的節(jié)?。ū憩F(xiàn)為最小的重量排水量比值）是一項(xiàng)基本要求，它可轉(zhuǎn)化為更大的負(fù)載、更長的航程。毋庸置疑，潛水器的成功設(shè)計(jì)需要更加輕質(zhì)、高強(qiáng)的耐壓新材料和更加穩(wěn)定有效的耐壓結(jié)構(gòu)。隨著海斗深淵科學(xué)的發(fā)展，對潛水器各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求不斷提高，如更大的潛深、更小的容重比、更寬闊的視野以及更短的上浮、下潛時間等［5］。全海深潛水器工作在萬米深度下，耐壓殼的工作壓力大于110 MPa，如果仍然使用金屬材料，就必須加大殼厚以滿足強(qiáng)度要求，但這將顯著增加重量，導(dǎo)致耐壓殼不能為潛水器提供正浮力。因此，具有更優(yōu)異力學(xué)性能的新型材料的研發(fā)，是大深度和全海深潛水器研制中亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)。

非金屬材料在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用已開展多年，在船舶、海洋平臺、海底輸油管道上已有大量應(yīng)用實(shí)例。近年來，非金屬耐壓殼的研發(fā)已成為各國潛水器研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。適用于潛水器耐壓殼的非金屬材料主要包括纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料、陶瓷以及玻璃。

1.2 非金屬材料用于潛水器耐壓殼的性能優(yōu)勢

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性能、不同形態(tài)的組分材料通過物理或化學(xué)作用制成的一種多相的新材料，它可以通過復(fù)合效應(yīng)獲得組分材料所不具備的性能，還可以通過材料設(shè)計(jì)使各組分的性能互補(bǔ)關(guān)聯(lián)，從而獲得更新的優(yōu)越性能［6-7］。在耐壓殼中采用復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)很多，如減輕重量、實(shí)現(xiàn)更小的容重比、提高工作深度、增強(qiáng)耐腐蝕性、改善水動力性能等［8］。試驗(yàn)表明，采用1∶2 的復(fù)合材料建造的潛艇耐壓殼與鋼質(zhì)耐壓殼相比，下潛深度可提高3～4倍［9］。復(fù)合材料具有力學(xué)性能可設(shè)計(jì)性，通過選擇合適的原材料和合理的鋪層形式，可以對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行多樣性的設(shè)計(jì)和優(yōu)化；另外，復(fù)合材料還具有良好的抗疲勞特性，其疲勞斷裂是從基體開始，逐漸擴(kuò)展到纖維和基體界面上，沒有突發(fā)性的變化，且在破壞前有預(yù)兆，便于發(fā)現(xiàn)以及補(bǔ)救。

目前，用于潛水器的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料主要包括玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（GFRP）和碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）。GFRP 的密度僅為鋼材的1/4～1/5，而比強(qiáng)度卻可以與高強(qiáng)度鋼比擬；與GFRP 相比，CFRP 的比強(qiáng)度更高，是普通鋼材的4～6 倍，高的比強(qiáng)度就意味著纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相比金屬材料可以實(shí)現(xiàn)顯著的減重效果。此外，GFRP 和CFRP 還具有耐腐蝕、材料可設(shè)計(jì)性好、工藝性能優(yōu)良等特點(diǎn)，尤其適用于深海環(huán)境下潛水器耐壓殼的制造［10-11］。在復(fù)合材料發(fā)展的早期，CFRP 的高成本和制造工藝的不成熟限制了它在潛水器耐壓殼上的應(yīng)用，而GFRP 作為耐壓殼材料，相對CFRP 具備一定的優(yōu)勢，如CFRP 是一種導(dǎo)電材料，與CFRP 接觸的金屬部件容易發(fā)生電腐蝕，需要專門的電絕緣處理，從而增加了工藝難度，而GFRP 則屬絕緣材料，其電絕緣性優(yōu)于CFRP；GFRP 的抗沖擊性能優(yōu)于CFRP，CFRP 的抗沖擊損傷性能較弱，GFRP 結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時有更大的損傷容限［12］。隨著復(fù)合材料產(chǎn)量的增長和制造技術(shù)的進(jìn)步，CFRP 在成本大幅降低的同時材料性能也得到了提高，其優(yōu)勢逐漸明顯，如玻璃纖維的剛性不足，要達(dá)到剛性要求需增加厚度，但這會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量的增加，而CFRP 具有更好的強(qiáng)度和剛度，用料更省，輕量化效果優(yōu)于GFRP，這一點(diǎn)對于大深度潛水器尤為重要；CFRP 還具有更好的抗疲勞特性以及耐磨特性；此外，玻璃纖維屬致癌物質(zhì)，國外已逐步禁用［13］。因此，潛水器耐壓殼的制造將逐漸由低成本的玻璃纖維復(fù)合材料向高性能的碳纖維復(fù)合材料過渡。

夾芯復(fù)合材料是在一對高強(qiáng)度、相對較薄的剛性面板之間粘結(jié)一種低密度、柔性夾芯的材料，芯材的加入可減輕結(jié)構(gòu)重量，增大結(jié)構(gòu)的截面慣性矩，從而提高結(jié)構(gòu)抵抗彎曲的能力。研究證明：在復(fù)合材料層合板殼中間加入芯材后，在相同的承載要求下，結(jié)構(gòu)僅增重6%，殼板剛度可增加37倍［14］。夾芯復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、彎曲剛度大、結(jié)構(gòu)效率高、耐久性高的特點(diǎn)，早期主要用于船體，面板采用鋼材，芯材采用波紋金屬板。隨著增強(qiáng)纖維復(fù)合材料的發(fā)展，出現(xiàn)了纖維面板夾芯復(fù)合材料，這種材料在輕質(zhì)、高強(qiáng)的特點(diǎn)上還增加了耐海水腐蝕、抗微生物附著、抗疲勞、抗沖擊的特征，尤其符合海洋環(huán)境下結(jié)構(gòu)的工作要求。纖維面板夾芯復(fù)合材料常用的面板材料主要是玻璃纖維和碳纖維，這2 種纖維既可以單獨(dú)使用，也可以混合使用；常用的芯材種類有泡沫、輕質(zhì)木材、諾梅克斯、鋁蜂窩等，芯材的結(jié)構(gòu)形式主要有實(shí)心、蜂窩和波紋等，選擇不同的芯材種類或者結(jié)構(gòu)可以使夾芯復(fù)合材料具有不同的力學(xué)特性，從而更好地適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)的要求。美國海軍研究所對比了纖維面板夾芯復(fù)合材料與金屬圓柱耐壓殼的性能，結(jié)果指出，在同等深度下，夾芯復(fù)合材料圓柱殼的容重比低于金屬圓柱殼，且深度越大，優(yōu)勢越明顯。其中，碳纖維面板夾芯復(fù)合材料圓柱殼的性能要優(yōu)于玻璃纖維面板圓柱殼，采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造潛水器的耐壓殼，可以實(shí)現(xiàn)潛水器的輕量化［12］。

除纖維樹脂基復(fù)合材料外，陶瓷、玻璃等由于具有高壓縮強(qiáng)度、低密度、耐腐蝕等方面的性能優(yōu)勢，也成為潛水器耐壓殼的可選結(jié)構(gòu)材料。陶瓷以其重量輕、強(qiáng)度高、超硬度、耐磨損、耐腐蝕、電絕緣、非磁性和輻射可穿透等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在深潛器、潛艇、深海機(jī)器人等深海裝備上獲得應(yīng)用，目前用作結(jié)構(gòu)材料的陶瓷類型主要有碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化鋯陶瓷、氧化鋁陶瓷等。與金屬材料和復(fù)合材料相比，陶瓷的密度僅大于碳纖維樹脂基復(fù)合材料和鋁合金，但其壓縮強(qiáng)度高于金屬材料和纖維樹脂基復(fù)合材料，將其用于潛水器耐壓殼可顯著減輕潛水器的重量。世界各國潛水器研究機(jī)構(gòu)都十分重視陶瓷在潛水器耐壓殼上的應(yīng)用，多年來一直在進(jìn)行相關(guān)研究和應(yīng)用實(shí)踐。

玻璃除具有重量輕、抗壓性強(qiáng)、耐腐蝕、易于加工、成本低等特點(diǎn)外，還有一些獨(dú)特的優(yōu)勢，如具有電磁惰性、無線電波和磁場可以無阻通過，且可以將攝像設(shè)備和傳感器等靈敏儀器都封裝在其內(nèi)部。玻璃具有極高的透明度，可以為載人潛水器觀察員提供優(yōu)越的水下視野，高質(zhì)量的玻璃甚至還可以打磨，從而為其內(nèi)部高分辨率數(shù)碼相機(jī)或傳感器提供視角界面。玻璃耐壓殼的結(jié)構(gòu)主要為球殼形式［15］。玻璃球殼具備浮力材料和耐壓殼體的雙重用途，不僅能為深海研究設(shè)備提供浮力，還可以作為深海儀器的耐壓艙，從而使?jié)撍鬟_(dá)到小型化和輕量化的要求。用于耐壓殼制作的玻璃類型主要有有機(jī)玻璃（PMMA 和亞克力）、硼硅酸鹽玻璃、強(qiáng)化玻璃等，其中硼硅酸鹽玻璃具有非常高的強(qiáng)度和很低的熱膨脹系數(shù)，約為普通玻璃的1/3，將其用于耐壓殼可以減少材料應(yīng)力和溫度梯度應(yīng)力，且在硼硅酸鹽玻璃殼上還可以直接進(jìn)行孔加工，為殼體上貫穿件及其接口的安裝提供了便利。理論分析和大量的試驗(yàn)證實(shí)，玻璃可以作為一種高效率和可靠的深海耐壓殼材料。

2 非金屬材料在潛水器耐壓殼上的應(yīng)用及研究情況

2.1 纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在潛水器耐壓殼上的應(yīng)用

將纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料用于潛水器耐壓殼的設(shè)想始于20 世紀(jì)60 年代。GFRP 由于發(fā)展較早、成本較低且能夠滿足早期潛水器耐壓殼的力學(xué)性能要求，因而被首先用于耐壓殼的制造。自1960 年起，美國海軍聯(lián)合多家企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)建立了關(guān)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用于潛水器耐壓殼的可行性研究項(xiàng)目，采用玻璃纖維環(huán)氧樹脂帶纏繞工藝，制作了多個圓柱耐壓殼模型，并通過水壓破壞試驗(yàn)和蠕變試驗(yàn)，與鋼、鈦合金及鋁合金這3 種金屬圓柱殼的耐壓-重量特性進(jìn)行了對比，證實(shí)在同一破壞壓力下，GFRP 耐壓殼具有最小的容重比，表明GFRP 在滿足耐壓殼強(qiáng)度要求的同時，還可以實(shí)現(xiàn)潛水器的減重需求。1996 年，美國作業(yè)深度為1 000 m 的觀察型載人潛水器Deep Flight I下水，其耐壓艙采用的就是高強(qiáng)度的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，大幅降低了潛水器的重量［16-17］。

隨著海洋事業(yè)的發(fā)展和潛水器設(shè)計(jì)潛深的不斷增加，結(jié)構(gòu)輕量化要求越來越高，對材料性能的要求也越來越高。而隨著CFRP 在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，其已積累大量成功經(jīng)驗(yàn)，材料成本有所降低，制造技術(shù)更加成熟，因而潛水器耐壓殼開始轉(zhuǎn)向性能更加優(yōu)異的CFRP。1991 年，美國升級了先進(jìn)的水下搜索系統(tǒng)AUSS，該系統(tǒng)為CFRP 單殼結(jié)構(gòu)，采用纏繞工藝制造，結(jié)果顯示其容重比小于0.5，滿足浮力要求，而下潛深度可達(dá)到6 096 m。

英國南安普頓海洋研究中心研制的魚雷形自主式水下機(jī)器人（AUV）AUTOSUB 號，其耐壓艙體采用的就是CFRP 圓柱殼，兩端密封端蓋采用的是高強(qiáng)度鈦合金，這有效減輕了耐壓殼重量，使?jié)撍髟诖笊疃认乱部梢垣@得更大的剩余浮力，下潛深度可達(dá)6 000 m。

2013 年，美國OceanGate 公司開始了載人潛水器（HOV）Cyclops 的研究計(jì)劃，包括CyclopsⅠ和CyclopsⅡ這2個型號，如圖1所示。其中，CyclopsⅠ采用了厚實(shí)的碳纖維復(fù)合材料船體外殼，厚178 mm，并引入了180°硼硅酸鹽玻璃圓頂設(shè)計(jì)，潛深500 m；Cyclops Ⅱ的船體主要由碳纖維復(fù)合材料船身和一個帶觀察窗的鈦合金半球組裝而成，潛深4 000 m。殼體制造采用自動鋪絲技術(shù)，碳纖維的使用在顯著減輕潛水器重量的同時，極大地提高了載人艙的舒適度和可靠性。

圖1 Cyclops Ⅰ和Cyclops Ⅱ載人潛水器Fig.1 Cyclops Ⅰ& ⅡHOV

由于纖維復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)制造工藝上的靈活性，使其在水下滑翔機(jī)（UG）領(lǐng)域也展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。為了實(shí)現(xiàn)向全海深領(lǐng)域擴(kuò)展［18］的目標(biāo)，涌現(xiàn)出了各種新型滑翔機(jī)，如碟形滑翔機(jī)、“鰩魚”型滑翔機(jī)、海龜撲翼型滑翔機(jī)等，這些都需要耐壓殼對自身結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)滑翔機(jī)的仿生外形，有些特殊形狀對于金屬材料來說難以加工，而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料則可以通過多種工藝實(shí)現(xiàn)金屬材料難以達(dá)到的靈活多樣的殼體造型，同時，還可以提供全海深、長航程所需要的足夠的強(qiáng)重比［19］。因此，越來越多的UG 開始采用碳纖維耐壓殼結(jié)構(gòu)。

華盛頓大學(xué)用于深海環(huán)境監(jiān)測的大深度深?；铏C(jī)DeepGlider，選擇采用的是碳纖維復(fù)合材料制造的耐壓殼體，實(shí)現(xiàn)了近6 000 m的工作深度［20］。美國Webb 實(shí)驗(yàn)室研制成功的新一代水下滑翔機(jī)G2 Slocum，除傳感器艙和艏部艙室外，全部采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造，得到了重量更輕、負(fù)載能力更大的新型UG［21］。我國“海翼-7000”水下滑翔機(jī)實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料大深度耐壓結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)突破，最大下潛深度達(dá)6 329 m，刷新了美國保持的水下滑翔機(jī)最大下潛深度6 003 m 的世界紀(jì)錄。韓國在研的200 m 級“魟魚”型UG，采用T700 碳纖維耐壓殼取代了傳統(tǒng)的高強(qiáng)度鋁材料耐壓殼，使其在保持力學(xué)強(qiáng)度的同時還減重40%［22］。

2.2 陶瓷在潛水器耐壓殼上的應(yīng)用

20 世紀(jì)60 年代，美國軍械研究實(shí)驗(yàn)室建立了陶瓷耐壓殼研究項(xiàng)目，其采用94%的氧化鋁和耐高溫陶瓷制作了多個用于20 000 ft 海深潛水裝置的圓柱形耐壓殼。1984 年，美國海軍海洋系統(tǒng)中心發(fā)起了深海遙控式水下機(jī)器人（ROV）和AUV陶瓷耐壓殼研究項(xiàng)目，之后，又開展了用于6 100 m AUV 的全尺度陶瓷耐壓殼模型研究，最終得到了在選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造等各方面經(jīng)濟(jì)而合理的方案［23］。2004，美國WHOI（Woods Hole Oceano?graphic Institution）啟動了11 000 m 級深淵ROV/AUV 研究；2008 年，WHOI 又研制成功了全海深混合型潛水器HROV“海神”號（Nereus），在該型潛水器耐壓殼和浮力模塊材料中，96%采用的是氧化鋁陶瓷，封頭和一些連接件選擇的則是鈦合金［24］。圖2 所示為“海神”號的一個主要陶瓷耐壓殼?！昂Ｉ瘛碧査x用的高性能材料使其具有高強(qiáng)重比和非常好的抗腐蝕性能，并于2009 年下潛到了馬里亞納海溝海底10 912 m 處，證實(shí)了陶瓷耐壓殼的力學(xué)性能。“海神”號的研制推動了陶瓷殼體設(shè)計(jì)在多個方面的顯著進(jìn)步，如強(qiáng)度和疲勞極限、陶瓷部件的連接、端蓋形狀、陶瓷凸臺要求等。在“海神”號項(xiàng)目進(jìn)行的同時，WHOI 還啟動了6 000 m級AUV Sentry 的研制，該型潛水器的電池耐壓殼由氧化鋁陶瓷制作，如圖3 所示，Sentry 已于2010年研制成功，至今仍在服役中［25］。

圖2 Nereus 的一個主要陶瓷耐壓殼Fig.2 A main ceramic pressure shell for Nereus

圖3 Sentry 的主要組件［25］Fig.3 Main components of Sentry［25］

日本的研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者也開展了多項(xiàng)有關(guān)陶瓷耐壓殼的研究，并且相關(guān)成果已在AUV 和ROV上得到應(yīng)用。JAMEST（Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology）建立了一套陶瓷耐壓殼制造方法，制造出的陶瓷球形耐壓殼的強(qiáng)重比顯著高于萬米級KAIKO 潛水器的復(fù)合泡沫塑料浮力材料，證實(shí)陶瓷材料可用于深海ROV 的電子設(shè)備耐壓殼。之后，JAMEST 又給出了在陶瓷耐壓殼體上安裝貫穿件的新方案，并在日本東京大學(xué)研制的7 300 m 級AUV Jellyfish catcher 上采用了該設(shè)計(jì)，同時選擇氮化硅陶瓷材料SN-1000制作耐壓殼的圓柱形殼身和兩端的半球封頭，使用氮化硅陶瓷材料SN-240 制作連接法蘭，實(shí)現(xiàn)了大深度AUV 的強(qiáng)度要求和減重要求［26-27］。

Asakawa 等［28-31］提出了一種可用于深海裝備的陶瓷耐壓殼新方案，其氧化鋁陶瓷耐壓殼已成功應(yīng)用于超大深度自由落體海底地震儀（OBS），目前，Asakawa 及其團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行陶瓷耐壓殼在6 000 m 級水下滑翔機(jī)上的應(yīng)用研究，該項(xiàng)目仍在設(shè)計(jì)和測試階段。

我國海斗深淵考察隊(duì)的“海角”號全海深著陸器配備有全海深陶瓷耐壓艙高清攝像系統(tǒng)，該攝像系統(tǒng)的視窗材料首次采用了透明陶瓷材料。2018年10月，“海角”號實(shí)現(xiàn)了最大工作水深10 910 m，是國際上將陶瓷材料作為攝像機(jī)耐壓艙體的最大工作水深。

2.3 玻璃在潛水器耐壓殼上的應(yīng)用

在觀光和探險型載人潛水器上，大多使用全透明的有機(jī)玻璃載人艙。例如，美國Triton 公司的Triton 系列潛水器、荷蘭U-Boat Worx 公司的C-Quester 和C-Explorer 系列產(chǎn)品、加拿大Nuytco Research 公司具有代表性的載人潛水器Deep Rover 1 和Deep Rover 2 以及其與NASA 聯(lián)合定制的DW2000 和DDW2000 載人潛水器、Hawkes 海洋技術(shù)公司的DeepFlight 系列產(chǎn)品等，如圖4 所示，它們的共同特點(diǎn)是其載人球殼由部分或完全透明的有機(jī)玻璃制成，具備優(yōu)秀的觀察視野，非常適合海底觀光。

美國個人潛水艇制造商SEAmagine Hydro?spaceCorporation于2016年發(fā)布了AURORA-6HOV，如圖5 所示，其將4 個內(nèi)徑很大、超過90°的亞克力半球形通過金屬環(huán)連接在一起構(gòu)成載人艙，為乘員提供了非常寬敞的環(huán)境和極佳的水下視野。

圖4 觀光和探險型潛水器中的玻璃載人艙Fig.4 Glass manned cabin in sightseeing and exploratory submersibles

圖5 AURORA-6 HOVFig.5 AURORA-6 HOV

日本于2013 年啟動了全海深潛水器“深海12000”研究計(jì)劃，該潛水器計(jì)劃配備一個直徑約2 m、厚約5～10 cm 的強(qiáng)化玻璃載人球殼，以極大地提升海底作業(yè)的視景作業(yè)效果。該潛水器預(yù)計(jì)2023 年投入海試。我國于2015 年投入運(yùn)營的“寰島蛟龍”號觀光潛水器（圖6）采用了1 段球形有機(jī)玻璃和3 段圓柱形有機(jī)玻璃作為載人艙，是目前世界上最大型的全通透載客潛水器。

圖6 “寰島蛟龍”號觀光潛水器Fig.6 Huandao Jiaolong sightseeing submersible

3 非金屬在潛水器耐壓殼應(yīng)用中需進(jìn)一步解決的問題

雖然非金屬材料的研究和應(yīng)用已進(jìn)行了幾十年，但在潛水器耐壓殼上采用非金屬材料來代替金屬材料仍是一個艱難而緩慢的過程。金屬材料性能良好，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)豐富，制造工藝成熟，結(jié)構(gòu)可靠性高，是潛水器設(shè)計(jì)師和制造者的首選材料，相比于金屬材料，非金屬材料耐壓殼在設(shè)計(jì)和制造方面還存在許多亟待解決的問題。

3.1 非金屬耐壓殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

復(fù)合材料的各向異性和結(jié)構(gòu)的層合特性在給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來靈活性的同時，也帶來了困難。和金屬材料相比，復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜得多：首先，所需要的信息和工具不全面，纖維、樹脂和先進(jìn)復(fù)合材料數(shù)據(jù)庫不夠豐富，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)不足，缺少能直接使用的、可對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的簡單模型；其次，耐壓殼的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及強(qiáng)度設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，而復(fù)合材料耐壓殼設(shè)計(jì)在此基礎(chǔ)之上還需要進(jìn)行單層材料設(shè)計(jì)、鋪層設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)等，設(shè)計(jì)難度增加，對設(shè)計(jì)人員的要求更高；再次，缺乏設(shè)計(jì)規(guī)范，在進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，常用的方法是采用比鋼材設(shè)計(jì)高得多的安全系數(shù)，但這將導(dǎo)致耐壓殼的重量增加，從而抵消了復(fù)合材料比強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。可見，復(fù)合材料耐壓殼的設(shè)計(jì)技術(shù)還有待進(jìn)一步的發(fā)展和完善。

陶瓷用于潛水器耐壓殼的吸引力是巨大的，但其存在的問題也不容忽視。陶瓷是一種非常易碎的材料，在抵抗拉伸應(yīng)力和沖擊應(yīng)力方面相當(dāng)不足，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，在受力時會產(chǎn)生裂紋或是碎裂［26］。陶瓷的機(jī)加工特性不佳，在機(jī)加工過程中容易引入裂紋等非本征缺陷和殘余應(yīng)力等機(jī)加工缺陷，從而造成材料損傷［32］。陶瓷材料的物理特性偏差大于金屬材料，目前，還缺少明確的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則［27］。另外重要的一點(diǎn)是，陶瓷不同于金屬材料，在其發(fā)生破壞時沒有塑性金屬材料變形階段，可能會發(fā)生災(zāi)難性的崩潰。2014 年5 月10日，“海神”號在新西蘭的克馬德克海溝9 990 m 深度處丟失，根據(jù)在事故附近海域打撈的碎片推測，“海神”號的耐壓殼可能發(fā)生了內(nèi)爆［33］。該事故證明，有必要對脆性材料耐壓殼進(jìn)行增韌設(shè)計(jì)，其在使用壽命期間的性能也需要及時檢測和維護(hù)。提高陶瓷材料的韌性及使用性能的可靠性、降低制造成本這3 個因素是關(guān)系到先進(jìn)陶瓷材料在高科技領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵［34］，陶瓷材料在潛水器耐壓殼方面的應(yīng)用仍然有待探索。

相對于陶瓷材料目前僅限用于無人潛水器中，玻璃耐壓殼則常用于載人潛水器的載人艙，其安全性和可靠性與艙內(nèi)人員息息相關(guān)。玻璃作為一種脆性材料，其表面上極小的傷痕都有可能導(dǎo)致潛水器的損壞，如何確保玻璃耐壓殼的強(qiáng)度是研發(fā)的關(guān)鍵［16］。此外，在耐壓殼上存在多處開孔，如人員出入的人孔、觀察窗和一些外接儀器設(shè)備的線纜接口等，在這些位置處，會因開孔而產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而對強(qiáng)度和穩(wěn)定性造成破壞，因此，需特別注意玻璃耐壓殼上開孔處的強(qiáng)度和密封性能，進(jìn)行開孔設(shè)計(jì)時需要不斷優(yōu)化并進(jìn)行細(xì)致的校核［5，35］。美國DOER Marine 公司在設(shè)計(jì)潛水器Deep search 時提出了一種新型的艙口設(shè)計(jì)概念，即通過改變玻璃開孔的補(bǔ)強(qiáng)形式來避免玻璃和金屬連接處的應(yīng)力集中。其利用脆性力學(xué)技術(shù)測試玻璃觀察窗的結(jié)構(gòu)形式，評估玻璃材質(zhì)的性能和結(jié)構(gòu)可靠性，為全玻璃耐壓殼設(shè)計(jì)做出了嘗試［36-37］。我國尚未制造出大深度的全透明球形丙烯酸樹脂載人耐壓殼，在高透明度和大直徑球狀有機(jī)玻璃的研制、制造加工工藝等方面還有待解決，未來可考慮應(yīng)用于萬米級潛水器和一些小型載人潛水器上。

3.2 復(fù)合材料耐壓殼損傷力學(xué)性能分析技術(shù)

復(fù)合材料偏低的層間強(qiáng)度與較差的層間斷裂韌性成為其工程應(yīng)用的瓶頸，當(dāng)用于潛水器耐壓殼時，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)間出現(xiàn)偏差。潛水器耐壓殼在工作時，不可避免地會受到?jīng)_擊，由于復(fù)合材料層間強(qiáng)度弱，有可能會引起耐壓殼內(nèi)部損傷，出現(xiàn)諸如脫層、纖維斷裂、脫膠等情況，從而使受損結(jié)構(gòu)在較低的壓縮載荷下發(fā)生分層失穩(wěn)和擴(kuò)展，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)提前失效。在水壓破壞試驗(yàn)中觀察到，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料耐壓殼通常并未完全實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)深度，其在遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度時即發(fā)生破壞，其中很重要的原因是內(nèi)部損傷降低了結(jié)構(gòu)的承載能力。目前，還沒有明確的損傷模擬模型、失效判定準(zhǔn)則和分析工具，需進(jìn)一步研究和明確損傷與結(jié)構(gòu)承載的關(guān)系，發(fā)展復(fù)合材料耐壓殼損傷力學(xué)性能分析技術(shù)，提高設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。

3.3 復(fù)合材料耐壓殼結(jié)構(gòu)連接及密封問題

復(fù)合材料部件之間的組合裝配，以及復(fù)合材料部件與鄰近金屬零部件的連接固定，是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尚未解決的一個難點(diǎn)，目前常用的機(jī)械連接和膠接都有一定的弊端。例如，機(jī)械連接方式（螺栓或鉚釘連接）需要在結(jié)構(gòu)上鉆孔，這將破壞層合結(jié)構(gòu)內(nèi)增強(qiáng)纖維的連續(xù)性，引起應(yīng)力集中，降低連接效率；膠接連接方式容易因較弱的膠接層發(fā)生破壞而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，存在老化問題，且一般不可拆卸［38］。耐壓殼作為一種水密結(jié)構(gòu)，連接問題關(guān)系到其密封性能和安全性能，是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時必須妥善解決的問題。

4 復(fù)合材料耐壓殼研究方向展望

為進(jìn)一步發(fā)展復(fù)合材料在潛水器耐壓殼上的應(yīng)用，可以從以下幾方面入手：

1）加強(qiáng)復(fù)合材料基礎(chǔ)研究，合理利用已有的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，積累復(fù)合材料潛水器耐壓殼試驗(yàn)與應(yīng)用數(shù)據(jù)，進(jìn)一步研究復(fù)合材料耐壓殼在深海環(huán)境下的力學(xué)特性，提高耐壓殼碰撞和沖擊性能分析、以及含層間缺陷復(fù)合材料耐壓殼力學(xué)性能分析的準(zhǔn)確度，加強(qiáng)對結(jié)構(gòu)失效模式的預(yù)測，發(fā)展復(fù)合材料耐壓殼簡化分析方法，確定并優(yōu)化復(fù)合材料耐壓殼設(shè)計(jì)的安全系數(shù)，完善復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu)間連接強(qiáng)度計(jì)算方法，探索更加合理的連接型式，從而提高復(fù)合材料耐壓殼設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性。

2）增強(qiáng)復(fù)合材料耐壓殼的層間性能，提高抗沖擊損傷能力。可以考慮通過提高復(fù)合材料層間斷裂韌性來提高層間強(qiáng)度。因?qū)娱g韌性首先取決于復(fù)合材料的基體韌性，因此對基體增韌可有效提高復(fù)合材料的沖擊損傷阻抗和抗分層能力。此外，也可以從制造技術(shù)方面入手。潛水器耐壓殼以回轉(zhuǎn)殼形狀居多，目前常用的制造工藝主要有手糊、模壓成型、纏繞成型、自動鋪放技術(shù)等，這些都屬于傳統(tǒng)的低維工藝，成型過程主要是逐層鋪設(shè)、堆積，層與層之間僅依靠粘結(jié)，層間強(qiáng)度遠(yuǎn)低于纖維增強(qiáng)方向。但隨著尖端領(lǐng)域軍事技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了三維編織、縫合和z-pinning 增強(qiáng)技術(shù)等新的復(fù)合材料設(shè)計(jì)方法和制備工藝，通過在厚度方向上引入增強(qiáng)纖維，提高了層間韌性，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)復(fù)合材料工藝無法達(dá)到的高性能，如抗分層、抗沖擊、抗損傷、各向性能可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［39-41］。同時，這些新工藝不僅是一種增強(qiáng)技術(shù)，還是一種連接技術(shù)，在連接性能上有獨(dú)特的優(yōu)勢，更便于各類結(jié)構(gòu)一體化成型。研究結(jié)果表明，縫合后的復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于未縫合的接頭，有時甚至還會高于金屬鉚釘鉚接的接頭［42-43］?？p合和z-pinning 增強(qiáng)技術(shù)已應(yīng)用于夾芯泡沫復(fù)合材料，其可以有效阻止泡沫芯子的塌陷及面板與面芯分層的發(fā)生［44］。新技術(shù)的出現(xiàn)為潛水器耐壓殼的設(shè)計(jì)和制備提供了新的方向，目前，這些技術(shù)還未普及，在水下結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較少，其力學(xué)性能仍有待進(jìn)一步的研究。

5 結(jié) 語

深海探測和深海開發(fā)已成為世界各國深海戰(zhàn)略的目標(biāo)指向，隨著海洋研究進(jìn)入“全海深”科考時代，對深海裝備的需求勢必越來越迫切，潛水器的設(shè)計(jì)深度將會越來越大，高性能材料研究的重要性將越來越突出。從上述復(fù)合材料、陶瓷、玻璃幾種非金屬材料在潛水器耐壓殼上的發(fā)展和應(yīng)用來看，各國都在不遺余力地嘗試在深海裝備上最大可能地發(fā)揮這些材料的性能優(yōu)勢，然而相對于金屬材料在海洋領(lǐng)域的成熟應(yīng)用，非金屬材料在設(shè)計(jì)、制造、經(jīng)濟(jì)性等方面都還存在著一些關(guān)鍵的待解決問題，其在潛水器耐壓殼上的應(yīng)用仍處于探索階段。迄今為止，美、英、日、意等國仍在海洋材料領(lǐng)域保持著強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭，而我國在高技術(shù)新材料方面起步較晚，為了適應(yīng)未來世界海洋研究領(lǐng)域的發(fā)展格局，我國加大了在海洋科考方面的投入力度，布置了一系列前瞻性的海洋科研項(xiàng)目，同時也重視對高性能新材料的研發(fā)，提高了海洋裝備材料研究的水平和檔次，并取得了一些成果和突破。隨著時間的推移，在基礎(chǔ)理論發(fā)展、試驗(yàn)測試技術(shù)進(jìn)步、制造工藝提升的引領(lǐng)之下，高性能材料在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用必然向著深度和廣度方面不斷發(fā)展。