牛思博，趙建民，邰文星

(解放軍理工大學 野戰(zhàn)工程學院，南京 210007)

固體浮力材料根據產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域，若應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性，同時也為其實現空運、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外應用現狀

1.1 高強度浮力材料性能

固體浮力材料是將無機輕質填充材料，填充到有機高分子材料中，經物理化學反應得到的固態(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合泡沫材料。它是現代海洋深潛技術必不可少的基礎性材料，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外應用現狀

高強度浮力材料在民用、商業(yè)及軍事上有著廣泛的應用，如水中設備的配重，漂浮于水面的或懸浮于水中的浮纜、浮標、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)國外應用現狀。美國、法國、俄羅斯等國家從20 世紀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)國內應用現狀。國內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域產品，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90 年代，海洋化工研究所研制的“化學發(fā)泡固體浮力材料”提高了固體浮力材料的性能。近幾年來，我國在深潛領域取得了巨大進展，“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計、自主集成研制的，設計最大下潛深度為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。“蛟龍?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 浮力材料應用前景分析

發(fā)達國家在舟艇等渡河器材的研制與開發(fā)上廣泛的應用了浮力材料，使舟艇性能得到很大的提高。2011 年，一艘內河用多功能消防救援艇列入俄羅斯消防部隊戰(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，在抗震救災等任務中發(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、鋁合金和復合材料。鋼材優(yōu)點在于強度高、塑性韌性好，缺點為質量大、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。復合材料制成的渡河裝備具有質量輕、強度高，可減輕結構質量;機動性好、運輸架設方便;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，比鋼質舟體省工，造價低，使用壽命長，維修保養(yǎng)方便［4］。

我軍現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合結構，已在輕型門橋和沖鋒舟上得到成功應用。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，它具有質輕、低導熱、強度高和良好的化學穩(wěn)定性等優(yōu)點，經過特殊處理，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廣泛用于玻璃鋼、人造大理石、人造瑪瑙等復合材料中，具有明顯的減輕質量和隔音保溫效果，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、隔熱涂料等領域得到廣泛應用，并起到了良好的作用。

圖3 空心玻璃微珠

深潛器的關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上添加空心玻璃微珠，利用其質輕、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、熱傳導系數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，可以很好的保護舟體內的作戰(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制造，也是作為深潛用高強度浮力材料的重要填充劑，國內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，而一旦出現材料損壞對附近生態(tài)環(huán)境影響較小。

3 結束語

綜上所述，三種重要的填充劑對于提高渡河器材技術性能有重要的作用，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。

［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］.精細化工，2005，22(3):174-176.

［2］國內外高強度浮力材料的現狀［J］.聲學與電子工程，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.復合材料在軍用橋梁器材中的應用研究［J］.玻璃鋼/復合材料，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合材料性能［J］.上海交通大學學報，2011(9):1332-1335.