羅珊，李永勝，王緯波

1 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無(wú)錫214082

2 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)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(guó)爭(zhēng)奪戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)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(guó)都開(kāi)始以“全海深”作為最新一代潛水器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，我國(guó)“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃也部署了萬(wàn)米載人/無(wú)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(shí)需要考慮的一個(gè)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(shí)，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(shí)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(kāi)發(fā)方面顯示出了極大的潛力［4］，得到了各國(guó)潛水器研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。本文擬針對(duì)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?cè)跐撍髂蛪簹ど系膽?yīng)用優(yōu)勢(shì)，概述各國(guó)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(wèn)題，并對(duì)該領(lǐng)域未來(lái)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(shì)

1.1 潛水器耐壓殼的技術(shù)發(fā)展對(duì)材料的需求

潛水器工作時(shí)，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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(shí)間等［5］。全海深潛水器工作在萬(wàn)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(kāi)展多年，在船舶、海洋平臺(tái)、海底輸油管道上已有大量應(yīng)用實(shí)例。近年來(lái)，非金屬耐壓殼的研發(fā)已成為各國(guó)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(shù)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(shì)

纖維增強(qiáng)樹(shù)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(guò)物理或化學(xué)作用制成的一種多相的新材料，它可以通過(guò)復(fù)合效應(yīng)獲得組分材料所不具備的性能，還可以通過(guò)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(dòng)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(guò)選擇合適的原材料和合理的鋪層形式，可以對(duì)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(kāi)始，逐漸擴(kuò)展到纖維和基體界面上，沒(méi)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(shù)脂基復(fù)合材料主要包括玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（GFRP）和碳纖維增強(qiáng)樹(shù)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(duì)CFRP 具備一定的優(yōu)勢(shì)，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(zhuān)門(mén)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(shí)有更大的損傷容限［12］。隨著復(fù)合材料產(chǎn)量的增長(zhǎng)和制造技術(shù)的進(jìn)步，CFRP 在成本大幅降低的同時(shí)材料性能也得到了提高，其優(yōu)勢(shì)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(huì)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(duì)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(guó)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(guò)渡。

夾芯復(fù)合材料是在一對(duì)高強(qiáng)度、相對(duì)較薄的剛性面板之間粘結(jié)一種低密度、柔性?shī)A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(lèi)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(lèi)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(guó)海軍研究所對(duì)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(shì)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(shù)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(shì)，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(lèi)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(shù)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(shù)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(guó)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(lái)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(shì)，如具有電磁惰性、無(wú)線電波和磁場(chǎng)可以無(wú)阻通過(guò)，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(lèi)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(shù)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(shù)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(guó)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(shù)脂帶纏繞工藝，制作了多個(gè)圓柱耐壓殼模型，并通過(guò)水壓破壞試驗(yàn)和蠕變?cè)囼?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(duì)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(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)潛水器的減重需求。1996 年，美國(guó)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(shù)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(lái)越高，對(duì)材料性能的要求也越來(lái)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(kāi)始轉(zhuǎn)向性能更加優(yōu)異的CFRP。1991 年，美國(guó)升級(jí)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(guó)南安普頓海洋研究中心研制的魚(yú)雷形自主式水下機(jī)器人（AUV）AUTOSUB 號(hào)，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(guó)OceanGate 公司開(kāi)始了載人潛水器（HOV）Cyclops 的研究計(jì)劃，包括CyclopsⅠ和CyclopsⅡ這2個(gè)型號(hào)，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(gè)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(dòng)鋪絲技術(shù)，碳纖維的使用在顯著減輕潛水器重量的同時(shí)，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(yú)”型滑翔機(jī)、海龜撲翼型滑翔機(jī)等，這些都需要耐壓殼對(duì)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(duì)于金屬材料來(lái)說(shuō)難以加工，而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料則可以通過(guò)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(shí)，還可以提供全海深、長(zhǎng)航程所需要的足夠的強(qiáng)重比［19］。因此，越來(lái)越多的UG 開(kāi)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(cè)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(guó)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(guó)“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(guó)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(guó)在研的200 m 級(jí)“魟魚(yú)”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(shí)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(guó)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(gè)用于20 000 ft 海深潛水裝置的圓柱形耐壓殼。1984 年，美國(guó)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(kāi)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(guó)WHOI（Woods Hole Oceano?graphic Institution）啟動(dòng)了11 000 m 級(jí)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(hào)（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(hào)的一個(gè)主要陶瓷耐壓殼?！昂Ｉ瘛碧?hào)所選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(hào)的研制推動(dòng)了陶瓷殼體設(shè)計(jì)在多個(gè)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(tái)要求等。在“海神”號(hào)項(xiàng)目進(jìn)行的同時(shí)，WHOI 還啟動(dòng)了6 000 m級(jí)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(gè)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(kāi)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(wàn)米級(jí)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(jí)AUV Jellyfish catcher 上采用了該設(shè)計(jì)，同時(shí)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(jí)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(cè)試階段。

我國(guó)海斗深淵考察隊(duì)的“海角”號(hào)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(hào)實(shí)現(xiàn)了最大工作水深10 910 m，是國(guó)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(xiǎn)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(guó)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(guó)個(gè)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(gè)內(nèi)徑很大、超過(guò)90°的亞克力半球形通過(guò)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(xiǎn)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(dòng)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(gè)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(guó)于2015 年投入運(yùn)營(yíng)的“寰島蛟龍”號(hào)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(hào)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(wèn)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(lái)代替金屬材料仍是一個(gè)艱難而緩慢的過(guò)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(wèn)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(lái)靈活性的同時(shí)，也帶來(lái)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(shù)脂和先進(jìn)復(fù)合材料數(shù)據(jù)庫(kù)不夠豐富，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)不足，缺少能直接使用的、可對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的簡(jiǎn)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(duì)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(shí)，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)?？梢?jiàn)，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(wèn)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(shí)會(huì)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(guò)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(shí)沒(méi)有塑性金屬材料變形階段，可能會(huì)發(fā)生災(zāi)難性的崩潰。2014 年5 月10日，“海神”號(hào)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(cè)，“海神”號(hào)的耐壓殼可能發(fā)生了內(nèi)爆［33］。該事故證明，有必要對(duì)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(shí)檢測(cè)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(gè)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(duì)于陶瓷材料目前僅限用于無(wú)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(kāi)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(huì)因開(kāi)孔而產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而對(duì)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(kāi)孔處的強(qiáng)度和密封性能，進(jìn)行開(kāi)孔設(shè)計(jì)時(shí)需要不斷優(yōu)化并進(jìn)行細(xì)致的校核［5，35］。美國(guó)DOER Marine 公司在設(shè)計(jì)潛水器Deep search 時(shí)提出了一種新型的艙口設(shè)計(jì)概念，即通過(guò)改變玻璃開(kāi)孔的補(bǔ)強(qiáng)形式來(lái)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(cè)試玻璃觀察窗的結(jié)構(gòu)形式，評(píng)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(guó)尚未制造出大深度的全透明球形丙烯酸樹(shù)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(lái)可考慮應(yīng)用于萬(wàn)米級(jí)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(shí)，會(huì)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(shí)，不可避免地會(huì)受到?jīng)_擊，由于復(fù)合材料層間強(qiáng)度弱，有可能會(huì)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(shí)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(méi)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(wèn)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(gè)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(wèn)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(wèn)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(shí)必須妥善解決的問(wèn)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(duì)結(jié)構(gòu)失效模式的預(yù)測(cè)，發(fā)展復(fù)合材料耐壓殼簡(jiǎn)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?？梢钥紤]通過(guò)提高復(fù)合材料層間斷裂韌性來(lái)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(duì)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(dòng)鋪放技術(shù)等，這些都屬于傳統(tǒng)的低維工藝，成型過(guò)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(guò)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(wú)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(shí)，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(shì)，更便于各類(lèi)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(shí)甚至還會(huì)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(yǔ)

深海探測(cè)和深海開(kāi)發(fā)已成為世界各國(guó)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(shí)代，對(duì)深海裝備的需求勢(shì)必越來(lái)越迫切，潛水器的設(shè)計(jì)深度將會(huì)越來(lái)越大，高性能材料研究的重要性將越來(lái)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(lái)看，各國(guó)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(shì)，然而相對(duì)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(wèn)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(guó)仍在海洋材料領(lǐng)域保持著強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭，而我國(guó)在高技術(shù)新材料方面起步較晚，為了適應(yīng)未來(lái)世界海洋研究領(lǐng)域的發(fā)展格局，我國(guó)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(shí)也重視對(duì)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(shí)間的推移，在基礎(chǔ)理論發(fā)展、試驗(yàn)測(cè)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。