馬利斌，王 平，廖 斌，施東春，嚴(yán)開祺，張敬杰

(1.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082；2.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京 100190)

0 引 言

固體浮力材料是現(xiàn)代深潛技術(shù)的重要組成部分之一，是深潛器設(shè)計(jì)裝備的六大關(guān)鍵技術(shù)之一，也是海洋勘察及深海工程中最普遍應(yīng)用的一種材料。這種材料主要是為深海裝置提供浮力，以實(shí)現(xiàn)深海裝置的懸浮定位，無動(dòng)力上浮下潛，增大有效載荷，減少外型尺寸。它不僅廣泛應(yīng)用于深潛器，還在深水采油及采礦中如海底深水浮式生產(chǎn)系統(tǒng)、海底管線、鉆井管道等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，對深海的勘探與開發(fā)具有非常重要的作用[1-4]。

固體浮力材料一般是由環(huán)氧樹脂和空心玻璃微球經(jīng)混合和熱固化形成的復(fù)合材料，其中，環(huán)氧樹脂作為基體，空心玻璃微球作為密度調(diào)節(jié)劑?？招牟Ａ⑶蚓哂忻芏鹊?、強(qiáng)度高、流動(dòng)性好、隔熱、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，是制備固體浮力材料的核心原材料，其主要成分是硼硅酸鹽，其是一種微米級的球形粉體，粒徑一般在10～120 μm，壁厚在0.5～2.0 μm，真密度一般在0.1～0.5 g/cm3。空心玻璃微球的密度和強(qiáng)度決定了固體浮力材料的密度和強(qiáng)度，因此，高性能空心玻璃微球是制備大深度固體浮力材料的關(guān)鍵一環(huán)[5-7]?？招牟Ａ⑶虻闹苽湓趪H上是一個(gè)技術(shù)難題，僅被少數(shù)國家掌握，高性能產(chǎn)品對我國禁售。目前，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)多品種型號空心玻璃微球的公司主要有美國3 M公司和PQ 公司，所使用的方法分別為固相粉末法和液相霧化法。在國內(nèi)，張敬杰等[8-9]通過自主研制的“軟化學(xué)”法制備出了高性能空心玻璃微球，為制備大深度固體浮力材料奠定了基礎(chǔ)。

1 體積彈性模量介紹及意義

固體浮力材料在應(yīng)用到深水裝備之前，需要對其關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，以保證深水裝備的安全使用。衡量固體浮力材料性能的關(guān)鍵指標(biāo)包括密度、高壓吸水率和體積彈性模量等。其中，密度和高壓吸水率都可以通過現(xiàn)有的儀器測定，而體積彈性模量的檢驗(yàn)則是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

固體浮力材料的體積彈性模量是衡量其在水下高壓環(huán)境中體積變化的關(guān)鍵指標(biāo)，浮力材料的體積變化直接影響其所能提供的凈浮力[10]。該凈浮力是深潛器在服役水深設(shè)計(jì)時(shí)所涉及的關(guān)鍵參數(shù)，直接影響到深水潛器、深水設(shè)備和深水平臺(tái)的水下安全，尤其對載人深潛器來說，固體浮力材料的設(shè)計(jì)安裝事關(guān)潛水員及隨行科學(xué)家的人身安全，因此必須對固體浮力材料的體積彈性模量進(jìn)行準(zhǔn)確檢驗(yàn)，以保證潛水器在服役水深具有足夠的凈浮力。目前，固體浮力材料的體積彈性模量的準(zhǔn)確測量仍是一個(gè)難點(diǎn)，這主要是由于固體浮力材料在高水壓下的體積形變量非常小，很難進(jìn)行準(zhǔn)確測量。同時(shí)，期望的是固體浮力材料的體積彈性模量盡可能小，這樣浮力損失小，剩余浮力大，潛水器越安全，這對體積彈性模量的準(zhǔn)確測量帶來了更大的挑戰(zhàn)。鑒于此，本文綜述國內(nèi)外固體浮力材料體積彈性模量的測試方法，為水下裝備設(shè)計(jì)開發(fā)人員提供參考。

2 體積彈性模量測試方法

固體浮力材料的體積彈性模量測量的主要難點(diǎn)是測量高水壓下固體浮力材料的微小形變量。一般來說，固體浮力材料的體積彈性模量測試方法主要有：仿真計(jì)算法、超聲測量法、高壓原位測試法等。

2.1 仿真計(jì)算法

仿真計(jì)算法是通過建立固體浮力材料的微觀結(jié)構(gòu)模型，包括空心玻璃微球和樹脂基體，根據(jù)2 種材料的物理性質(zhì)和復(fù)合結(jié)構(gòu)，基于有限元法對微觀模型施加邊界條件（溫度、壓強(qiáng)等）進(jìn)行計(jì)算，得到體積彈性模量。

陳鹿等[11]針對固體浮力材料建立了體心立方單胞的微觀力學(xué)模型，通過Ansys 有限元軟件，對不同玻璃微珠體積分?jǐn)?shù)和不同玻璃微珠壁厚組合的浮力材料進(jìn)行了力學(xué)分析，獲得了玻璃微珠厚度、體積分?jǐn)?shù)與有效彈性模量及浮力材料比重之間的關(guān)系圖，為高性能全海深浮力材料的研制提供了理論依據(jù)。

Prabhakar 等[12]采用解析和數(shù)值方法研究了空心微球填充復(fù)合材料的宏觀彈性行為。在解析模型中，首先估計(jì)了復(fù)合材料的有效體模量，然后利用適合于單軸拉伸的固體諧波，確定了復(fù)合材料的有效泊松比。利用代表性單元的有限元分析，估算了材料的宏觀性能。利用該解析模型，評價(jià)了單胞有限元法在估算復(fù)合泡沫材料有效彈性性能中的適用性。

MingYu 等[13]提出一種基于微觀結(jié)構(gòu)的有限元模擬方法來預(yù)測空心球填充復(fù)合泡沫材料的彈性力學(xué)行為。采用內(nèi)聚力單元模擬界面，建立了三維立方單元界面模型，以獲取細(xì)觀微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)力應(yīng)變場。采用均勻化方法計(jì)算了復(fù)合泡沫材料的有效彈性性能-楊氏模量和泊松比，為復(fù)合泡沫的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了有力的工具。

2.2 超聲測量法

固體材料中的超聲波傳播的速度與其彈性模量和密度直接相關(guān)。在固體材料的密度確定之后，通過測量超聲波在固體材料中的傳播速度，可以計(jì)算得到材料的彈性模量及泊松比。超聲測量法是一種快速無損表征固體材料彈性模量的方法，已形成相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 38897-2020）。

固體浮力材料是一種固體復(fù)合泡沫，也屬于固體材料。對于一定密度的復(fù)合泡沫，也可以利用超聲的方法在測試聲波在材料中的傳播速度，進(jìn)而計(jì)算得到材料的模量。

Phani 等[14]研究了超聲波在24 種不同復(fù)合泡沫的傳輸特性，對比了不同微球在不同體積填充比例（10%～60%）下的超聲回波性能，進(jìn)而根據(jù)復(fù)合泡沫的密度計(jì)算出彈性模量，如下式：

其中：VL為縱波聲速；ν為泊松比；ρ為密度。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)超聲波的衰減系數(shù)，聲傳播速度和彈性模量取決于微球的半徑/壁厚比和體積分?jǐn)?shù)。典型的復(fù)合泡沫超聲回波-時(shí)間曲線如圖1 所示。

圖1 典型的復(fù)合泡沫超聲回波-時(shí)間曲線[14]Fig.1 Typical composite foam ultrasonic echo-time curve[14]

Pradeep 等[15]在Phani 的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了PE/微球復(fù)合材料的超聲傳播特性，提出了泊松比、剪切模量、體積模量和楊氏模量的計(jì)算方法，并對5 種不同微球含量的復(fù)合泡沫進(jìn)行了測試計(jì)算。研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合泡沫的體積模量隨著微球含量先增加后減小，微球含量為14.8%時(shí)體積模量到達(dá)最大值5.43 GPa。計(jì)算公式如下式：

其中：VS為橫波聲速；VL為縱波聲速；ν為泊松比；G為剪切模量；K為體積模量；E為楊氏模量；ρ為密度。

另外，在4 500 m 載人潛水器“深海勇士”號浮力材料的研制過程中，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所聯(lián)合中國科學(xué)院聲學(xué)研究所通過聲速法對固體浮力材料的彈性模量進(jìn)行測定，根據(jù)聲波在浮力材料內(nèi)的傳播速度和浮力材料的密度進(jìn)行計(jì)算而得，測試方法如下：

1）測試中，用超聲分析儀激勵(lì)超聲探頭，使其發(fā)射超聲波，并沿著被測試固體浮力材料樣塊傳播，到底面反射被超聲探頭接收，根據(jù)接收的回波到時(shí)及樣塊厚度，計(jì)算聲波在該樣塊中的聲速。分別用縱波直探頭和橫波直探頭測試，即可得到縱波聲速和橫波聲速。

2）通過測量固體浮力材料樣塊的縱波聲速（CL）和橫波聲速（CS），再結(jié)合其密度（ρ），模量（M）利用下式計(jì)算：

其中：M為彈性模量，GPa；ρ為材料密度；CL和CS分別為測試的縱波聲速和橫波聲速，m/s。

2.3 高壓原位測試法

高壓原位測試法是一種通過實(shí)驗(yàn)裝置直接測量固體浮力材料樣品的體積彈性模量的方法，其主要原理是測量固體浮力材料在一定壓強(qiáng)下的體積變形量。實(shí)現(xiàn)該形變量的精確測量是難點(diǎn)。國際上的測試方法普遍參考美軍標(biāo)。近年來，隨著我國對深海的高度關(guān)注，浮力材料的應(yīng)用逐漸增加，其體積彈性模量測試也得到了相應(yīng)發(fā)展。

國外Trelleborg Offshore 公司、Emerson&Cuming 公司等制造加工的固體浮力材料產(chǎn)品均符合美國軍標(biāo)MIL-S-24154A[16]，該規(guī)范適用于為深海水下探索機(jī)器人及相關(guān)用途的水下裝置提供浮力的硬質(zhì)合成泡沫浮力材料。該軍標(biāo)用柱塞體積排量（排水量，位移）法測定復(fù)合泡沫浮力材料體積彈性模量，測試過程如下：

首先將一定體積的水和一塊確定尺寸的長方體不銹鋼塊放入液壓缸體中，通過柱塞加壓至目標(biāo)壓強(qiáng)，其中，不銹鋼塊為基準(zhǔn)樣品，視為在壓強(qiáng)下無形變。加壓過程中，柱塞的位移和由此引起的水的體積變化被記錄在儀表上。此部分水的體積變化為水在目標(biāo)壓強(qiáng)下的壓縮量，記為ΔVw。然后，取出鋼塊，將同樣尺寸的固體浮力材料稱重，并和同樣體積的水放入液壓缸體中，通過柱塞加壓至目標(biāo)壓強(qiáng)，由此引起的水的體積變化為固體浮力材料與水一起時(shí)的體積變化，記為ΔVc。最后，取出固體浮力材料再次稱重，與壓前的重量的差值，為固體浮力材料的吸水重量，以此計(jì)算出固體浮力材料的吸水體積。對吸水進(jìn)行修正后的固體浮力材料的體積變化記為ΔVs。通過下式計(jì)算可得到固體浮力材料的體積彈性模量EB。

其中：K為壓縮比；ΔP為壓力變化；ΔVs為固體浮力材料的體積變化（對吸水進(jìn)行修正）；ΔVc為固體浮力材料與水一起時(shí)的體積變化；ΔVw為水的體積變化；Vs為固體浮力材料初始體積。

該方法通過柱塞加壓測量液壓缸體中分別裝有不銹鋼塊和固體浮力材料時(shí)的水的體積變化，減去固體浮力材料的吸水體積，得到固體浮力材料的體積彈性模量。

海洋化工研究院參考了美國軍標(biāo)MIL-S-24154A，制定了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/HHY221-2005，并申請了申請?zhí)枮?00810158754.4 的《固體浮力材料體積彈性模量測量裝置及測試方法》發(fā)明專利[17]，其測量裝置示意圖如圖2 所示。

圖2 固體浮力材料體積彈性模量測量裝置的示意圖Fig.2 Schematic diagram of measuring device for bulk modulus of elasticity of solid buoyancy materials

趙俊海等對固體浮力材料在高靜水壓力下的浮力損失進(jìn)行了測量，并申請了申請?zhí)枮?00810022677.X的《高靜水壓力下浮力材料的浮力損失測試裝置及方法》發(fā)明專利[18]。一般來說，固體浮力材料在高靜水壓力下的浮力損失由兩部分構(gòu)成，一部分是由固體浮力材料在高壓下的體積收縮引起，即體積彈性模量；另一部分是由固體浮力材料在高壓下的吸水引起。趙俊海等[19]將兩部分綜合考慮，研制了浮力材料的浮力損失測試裝置，其示意圖如圖3 所示。該方法用應(yīng)變片測量吊裝有浮力材料試件和壓載塊的板條梁從零到一定壓強(qiáng)下的應(yīng)變變化，換算為應(yīng)力變化，通過公式計(jì)算確定浮力材料的浮力損失。具體方法是：

1）選取板條梁樣品，測量其應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到板條梁的楊氏模量E；

2）標(biāo)定板條梁，測定其應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線性和重復(fù)性，擇優(yōu)取用；

3）將板條梁、吊桿、應(yīng)變片、浮力材料和壓載塊按照圖3 所示組裝，放入壓力筒中，待穩(wěn)定后，讀取應(yīng)變片的應(yīng)變值，加壓到目標(biāo)壓力，再次讀取應(yīng)變片的應(yīng)變值；

圖3 高靜水壓力下浮力材料浮力損失測試裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of buoyancy loss test device for buoyancy materials under high hydrostatic pressure

4）根據(jù)上述測定的板條梁的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，把板條梁的應(yīng)變變化換算為應(yīng)力變化；

5）根據(jù)板條梁跨中截面的彎矩和應(yīng)力計(jì)算公式得到浮力材料的浮力損失。

該浮力損失測試裝置和方法將固體浮力材料在高靜水壓力下的收縮引起浮力損失和吸水引起的浮力損失綜合考慮，更貼近于浮力材料應(yīng)用時(shí)產(chǎn)生的浮力。考慮到美國軍標(biāo)和海洋化工研究院的方法是將測試后的浮力材料取出稱重，由于失去了靜水壓的作用，部分水會(huì)從浮力材料內(nèi)部溢出和蒸發(fā)，使得浮力材料的吸水偏小，進(jìn)而影響到浮力損失的測試精度。該方法在目標(biāo)壓力下綜合考慮兩部分引起的浮力損失，提高了浮力損失的測試精度。

為了準(zhǔn)確測量高靜水壓力下浮力材料的體積收縮率，馬利斌等研制了測量裝置和方法，并申請了申請?zhí)枮?01010559527.X的《高靜水壓力下浮力材料的體積收縮率測試方法》發(fā)明專利[20]，測試裝置示意圖如圖4 所示。該方法通過浮力材料表面貼應(yīng)變片的方法表征從零到一定壓強(qiáng)下浮力材料的體積收縮率，根據(jù)應(yīng)變片的應(yīng)變值換算得到浮力材料的體積收縮率。具體方法是：

圖4 高靜水壓力下浮力材料的體積收縮率測試裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of measurement device for volume shrinkage of buoyancy material under high hydrostatic pressure

1）根據(jù)浮力塊的體積換算壓載塊的重量，將浮力塊和壓載塊固定到試驗(yàn)工裝上；

2）在浮力塊表面不同位置貼應(yīng)變片，并連接應(yīng)變片與水面監(jiān)視器之間的電路；

3）將上述工裝放入壓力筒中加壓，通過水面監(jiān)視器獲取浮力塊在不同壓力條件下的應(yīng)變值；

4）通過體積收縮率等于3 倍應(yīng)變值，換算得到浮力塊在不同試驗(yàn)壓力下的體積收縮率。

該方法可計(jì)算在目標(biāo)壓力下由于浮力材料的體積收縮所引起的浮力損失。

李東梁等[21]研究了浮力材料浮力損失的測試裝置和方法，并申請了申請?zhí)枮?01811569359.5 的《一種模擬深海環(huán)境下浮力材料浮力損失的測量方法》發(fā)明專利。該測試裝置與上述浮力損失測試裝置類似，有所不同的是該裝置取消了板條梁的使用，將浮力材料和配重通過拉桿與框架連接，拉桿上安裝應(yīng)變片，可測量從零到目標(biāo)壓強(qiáng)下拉桿的應(yīng)變變化，通過計(jì)算得到浮力材料的浮力損失，其測試裝置如圖5 所示。該方法取消了板條梁的使用，使浮力損失的測量更加簡便。

圖5 浮力損失測量裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of buoyancy loss measuring device

張敬杰等通過自主研制的“軟化學(xué)”法制備出高性能空心玻璃微球，又通過基體配方的調(diào)整優(yōu)化，制備出了國產(chǎn)大深度固體浮力材料。目前已應(yīng)用于“深海勇士”號和“奮斗者”號載人潛水器，以及一系列無人深潛器上。為了研究固體浮力材料在深海下的浮力損失及體積彈性模量，張敬杰團(tuán)隊(duì)的嚴(yán)開祺等研究了一系列裝置和方法，并申請了專利。

在固體浮力材料浮力損失的測試裝置和方法上，嚴(yán)開祺等[22]研究的裝置和方法與傳統(tǒng)應(yīng)變片法不同，通過測量測試倉內(nèi)分別裝有標(biāo)定鋼塊和待測浮力材料樣品時(shí)，在一定壓強(qiáng)下壓入測試倉內(nèi)的水的體積差，得到質(zhì)量差，通過簡單計(jì)算得到固體浮力材料的浮力損失，包括由浮力材料的體積收縮和吸水共同引起的浮力損失。相比于應(yīng)變片法，該方法的主要優(yōu)勢有：1）測試裝置和方法簡便易行，誤差較小；測試過程中，沒有線纜穿過測試倉，更利于高壓下壓強(qiáng)的穩(wěn)定；3）該方法引入了測試工裝，測試工裝可占據(jù)測試倉內(nèi)絕大部分空間，減少了測試流體的充入，使測試過程中水的壓縮比帶來的影響盡可能降低，測試結(jié)果更加準(zhǔn)確。測試倉及測試倉內(nèi)部測試工裝和浮力材料樣品的剖面示意圖如圖6 所示。

圖6 測試倉的剖面示意圖Fig.6 Section diagram of the test chamber

為了精確測量固體浮力材料的體積彈性模量，嚴(yán)開祺等[23]進(jìn)行了測試裝置和方法的研究。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，美國軍標(biāo)和海洋化工研究院的體積彈性模量測試方法沒有考慮水的壓縮比，這會(huì)為深海浮力材料體積彈性模量的測量帶來較大的誤差。嚴(yán)開祺等通過測量測試倉內(nèi)分別裝有標(biāo)定鋼塊和待測浮力材料樣品時(shí)，在一定壓強(qiáng)下壓入測試倉內(nèi)的水的體積差，除以該壓強(qiáng)下的水的壓縮比，得到固體浮力材料在該壓強(qiáng)下的真實(shí)收縮體積。該壓縮比是通過測試倉內(nèi)裝有標(biāo)定鋼塊時(shí)從零到一定壓強(qiáng)下壓入測試倉的水的體積計(jì)算得到的。該方法雖然能準(zhǔn)確獲得浮力材料的體積彈性模量，但是其只能測量目標(biāo)壓力下的體積彈性模量，測試點(diǎn)較為單一。由于固體浮力材料在不同壓強(qiáng)下的吸水率不同，該方法是通過測量壓前和壓后的浮力材料的質(zhì)量差計(jì)算吸水體積，再將吸水體積扣除得到體積彈性模量。

為了提高浮力材料體積彈性模量的測試效率，通過一次測量就可得到一系列壓強(qiáng)下浮力材料的體積彈性模量，同時(shí)確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，嚴(yán)開祺等[24]研究了固體浮力材料體積彈性模量的原位測量方法。該方法通過將高壓引伸計(jì)成對布放在長方體或立方體形狀的固體浮力材料表面，同軸上的2 個(gè)引伸計(jì)為一對，通過零到目標(biāo)壓強(qiáng)一系列壓強(qiáng)下的引伸計(jì)數(shù)據(jù)的采集，可得到浮力材料在零到目標(biāo)壓強(qiáng)下任一壓強(qiáng)的體積收縮量，進(jìn)而得到浮力材料的體積彈性模量。若要實(shí)現(xiàn)精確測量，可在2 個(gè)平行面上多布放幾對引伸計(jì)。此外，該方法還設(shè)置了專用的浮力材料樣品夾具，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖7 所示。該夾具不但有固定浮力材料的作用，還是引伸計(jì)的支架，使浮力材料的形變測量更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確。該方法通過高壓引伸計(jì)測量浮力材料的體積彈性模量，極大簡化了操作，提高了測試效率，使我們對浮力材料在不同深度所造成的浮力損失實(shí)現(xiàn)了更加直觀的把握。

圖7 引伸計(jì)法浮力材料體積彈性模量測試夾具Fig.7 Fixture for measuring bulk modulus of buoyancy material by extensometer method

在固體浮力材料的性能檢測中，其吸水率的測量也是重要指標(biāo)。吸水率不但與水深有關(guān)，也與材料的性能有較大關(guān)系。通常測量浮力材料吸水率的方法是測量浮力材料壓前和壓后的質(zhì)量差，計(jì)算得到吸水率。嚴(yán)開祺等[25]將上述壓縮比法和引伸計(jì)法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了零到目標(biāo)壓強(qiáng)一系列壓強(qiáng)下固體浮力材料吸水率的實(shí)時(shí)測量。通過引伸計(jì)的原位測量值進(jìn)行反算，得到吸水率的實(shí)時(shí)測量值。

張敬杰團(tuán)隊(duì)以固體浮力材料研究為基礎(chǔ)，以實(shí)際應(yīng)用需求為導(dǎo)向，配備了一系列固體浮力材料性能檢測裝置，包括固體浮力材料浮力損失測試裝置、壓縮比法體積彈性模量測試裝置、引伸計(jì)法體積彈性模量測試裝置、吸水率實(shí)時(shí)測量裝置等。為固體浮力材料在不同因素引起的浮力損失進(jìn)行定量描述，為高性能固體浮力材料的制備和潛水器凈浮力及有效載荷的設(shè)計(jì)提供參考。

3 結(jié) 語

近年來，隨著我國對深海的高度關(guān)注，固體浮力材料的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸增加，應(yīng)用深度也逐漸增加，其體積彈性模量檢測也得到了快速發(fā)展?；诠腆w浮力材料體積彈性模量在實(shí)際應(yīng)用中的重要性，本文對浮力材料體積彈性模量相關(guān)內(nèi)容的裝置和方法進(jìn)行了綜述，包括浮力損失、體積彈性模量和吸水率等，為水下裝備設(shè)計(jì)開發(fā)人員提供參考和借鑒。