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的制高點，而大深度載人潛水器的研制所要解決的關鍵問題之一就是浮力材料的選擇。文章概述浮力材料的分類以及浮力材料在三代大深度載人潛水器上的應用情況，并對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行對比研究。研究結果表明：微珠復合泡沫雖然能滿足7 000 m載人潛水器的需求，但應用在全海深載人潛水器時存在密度大和吸水率高的缺點，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。

關鍵詞：載人潛水器;固體浮力材料;微珠復合泡沫;陶瓷浮球;深海大洋

中圖分類號：TB3;P7545文獻標志碼：A文章編號：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家在海底近距離操縱和觀察的特點，已成為深海探測和研究的重要裝備之一。繼美國、俄羅斯、法國和日本之后，我國也開展了大深度載人潛水器的研究和應用工作，目前已研制“蛟龍”號和“深海勇士”號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，一般采用無動力上浮技術，因此需要浮力材料提供上浮動力[1]。作為重要的基礎材料，浮力材料是大深度載人潛水器的關鍵核心材料，其性能直接關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水平的重要標志之一。因此，研制低密度、高強度和高可靠性的浮力材料具有重要意義。

1浮力材料的類型

按照應用時間、理化性能和結構形態(tài)等特點，浮力材料主要分為三大類，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，主要包括輕質液體、橡膠和泡沫。輕質液體主要包括汽油、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，且耐壓強度低。除輕質液體外，傳統(tǒng)浮力材料性都只能在淺海應用，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構穩(wěn)定性的問題，低密度和高強度的固體浮力材料被研制出來，主要包括三大類，即化學泡沫復合材料、輕質合成復合材料和微珠復合泡沫材料[2]?；瘜W泡沫復合材料是采用化學發(fā)泡方法制成的低密度復合材料，耐壓強度極低，且易破裂吸水，僅能用在水面和淺海;輕質合成復合材料由復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];微珠復合泡沫材料是固體浮力材料的研究重點，由低密度調節(jié)劑和基體樹脂復合而成，其中基體樹脂主要包括環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚氨酯，低密度調節(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

球體表面在受力時壓力呈均勻分布，且內部壓力最小，是理想的承壓結構體，因此空心玻璃陶瓷浮球作為深海浮力體被研制出來。雖然二者都是脆性無機材料，但其彈性模量和耐壓強度均遠高于金屬材料，密度也更小。外徑為0432 m的玻璃浮球的質量排水比約為600 kgm3，單個玻璃浮球提供的凈浮力約為178 N。陶瓷浮球的質量排水比更低，約為340 kgm3，比微珠復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備的耐壓容器，以節(jié)約潛水器空間。但玻璃陶瓷浮球屬于脆性材料，在水下有內爆失效的風險，且一旦內爆往往引起連鎖反應，并帶來災難性后果，因此主要在無人潛水器上使用。

2浮力材料在大深度載人潛水器上的應用

目前大深度載人潛水器已發(fā)展到第三代，由于受當時技術水平等的限制，各代載人潛水器的結構、機動范圍、操縱性能、作業(yè)能力和下潛深度各不相同，應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志。

21第一代載人潛水器浮力材料

為滿足深海科學研究的需求，自20世紀20年代起人類開始建造第一代深海載人潛水器，代表包括美國“Trieste”號和法國“Archimède”號，其中“Trieste”號于1960年1月23日在太平洋馬里亞納海溝下潛到10 916 m，創(chuàng)造人類下潛深度的紀錄[5]REF_Ref6211064＼r＼h＼*MERGEFORMAT。第一代深海載人潛水器的顯著特點為依靠專門的浮力艙提供浮力，浮力艙內填充汽油和煤油等輕質、耐壓的液體，但體積較大，不方便建造和運輸。

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60年代起各國開始第二代大深度載人潛水器的設計和建造工作。第二代載人潛水器的顯著特征是能夠完成自由航行、上浮和下潛等運動，并且作業(yè)能力顯著提高，是目前應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“Alvin”號、法國“Nautile”號、俄羅斯“MIR”號、日本“Shinkai 6500”號和我國“蛟龍”號（表2）。

第二代載人潛水器使用微珠復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，因此機動性能和作業(yè)能力遠優(yōu)于第一代載人潛水器，能夠滿足攜帶科學家進行深海觀察和作業(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用，如美國“Alvin”號年平均下潛180次，目前已下潛超過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全海深載人潛水器，由技術國際領先的水下工程公司和探險機構相繼研制，主要包括卡梅隆團隊的 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特點包括：下潛速度明顯提高，平均下潛和上浮速度超過5 kn[8];重量明顯減輕，第二代載人潛水器均為20噸級，而第三代載人潛水器被控制在10噸級。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、較高強度和較高可靠性，然而能夠在全海深使用的微珠復合泡沫材料普遍存在密度偏高和吸水率大的缺點，因此須開發(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

目前國際已商品化的全海深浮力材料主要包括Trelleborg Offshore生產的DS39，Engineered Syntactic Systems生產的HZ45，Ron Allum Deepsea Services生產的DR11，我國海洋化工研究院有限公司和中國科學院理化技術研究所也在進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倍耐壓安全系數要求，因此須進一步發(fā)展新型的輕質、高強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、無縫陶瓷空心浮球和碳納米管增強復合泡沫浮力材料等。

31陶瓷浮力材料

陶瓷浮力材料目前受到廣泛關注，其由很多耐壓陶瓷圓筒組成，與傳統(tǒng)的微珠復合泡沫材料相比密度更低和強度更高，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無縫陶瓷空心浮球

采用旋轉注漿成型技術，以2個石膏半球充當模具，向模具中注入定量陶瓷漿后進行無規(guī)則旋轉，保證陶瓷漿均勻吸附在石膏模具上，最后燒制成中空的無縫陶瓷空心浮球。具備無縫陶瓷空心浮球生產能力的企業(yè)包括 Deep Sea Power & Light（DSPL）公司和 Custom Technical Ceramics（CTC）公司，其中 DSPL 公司生產的無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，單個浮球的質量為140 g，排水量為404 g，質量排水比為035，可承受約210 MPa的外部外壓，每個浮球外面包裹5 mm厚的聚氯乙烯（PVC）材料以提供抗沖擊防護。

美國伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）研制的全海深無人潛水器“海神”號安裝1 670個DSPL公司生產的陶瓷浮球作為浮體單元[9-10]，無縫陶瓷空心浮球在“海神”號上的使用證明了其可行性。與此同時，有專家質疑“海神”號的故障是由陶瓷浮球破碎導致的，但原因尚未查明。因此，無縫陶瓷空心浮球的安全性和可靠性尚須驗證，這是其在全海深載人潛水器上應用的首要問題。

33碳納米管增強復合泡沫浮力材料

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)異的力學性能、物理性能和化學性能，被認為是復合材料理想的增強體[11-12]。通過對微珠復合泡沫材料的制備進行改進，在空心玻璃微球的表面生長碳納米管，然后將其添加至環(huán)氧樹脂基體中，從而制備成碳納米管增強復合泡沫浮力材料。研究顯示，碳納米管的質量百分比為0%～08%時，碳納米管增強復合泡沫塑料的壓縮模量比簡單復合泡沫塑料提高35%～40%[13]。

4結語

目前應用最廣泛的浮力材料是微珠復合泡沫浮力材料，其基本能滿足7 000 m以內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，不能滿足全海深載人潛水器的設計需求。因此，亟須開發(fā)能夠滿足全海深載人潛水器需求的新型浮力材料，可對現(xiàn)有的微珠復合泡沫浮力材料進行改進，進一步減小材料的密度，以獲得更高的耐壓強度，同時保持較低的吸水率，如碳納米管增強復合泡沫浮力材料即通過添加碳納米管增強浮力材料的性能，此外，可開發(fā)新型浮力材料，如陶瓷浮力材料和無縫陶瓷浮球等，但其可靠性有待進一步提高。

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