正在研制的全海深載人潛水器，將帶領(lǐng)中國(guó)的科學(xué)家到達(dá)地球上最大深度的洋底開展科學(xué)作業(yè)，這個(gè)深度超過了水下一萬(wàn)米。超萬(wàn)米的水深，對(duì)浮力材料，甚至潛水器來(lái)說，將帶來(lái)哪些挑戰(zhàn)？

    普通人背著壓縮空氣瓶能夠下降的深度一般是水下30-40米左右，而人類徒手潛水的極限也只有105米，倘若想潛得更深，就不得不利用各種裝備，而浮力材料則是保障深潛器財(cái)產(chǎn)及生命安全的“幕后英雄”。

    近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和對(duì)能源需求的不斷提高，人類對(duì)海洋的認(rèn)識(shí)和開發(fā)力度亦不斷增加，并逐步向深海擴(kuò)展，利用載人或無(wú)人潛器在深海中直接進(jìn)行觀察、攝影、測(cè)量、取樣，設(shè)置必要的儀器設(shè)施、水下作業(yè)等。為了給深潛拖體、深潛器和水下機(jī)器人等提供足夠的凈浮力，人們開始研制高強(qiáng)度輕質(zhì)復(fù)合材料以替代傳統(tǒng)的耐壓浮力球和浮力筒。水下用輕質(zhì)復(fù)合材料能承受數(shù)千米水下巨大的壓力，且自身的密度只有水的一半左右，可提供托起水下機(jī)器人及自身重量的浮力。當(dāng)機(jī)械動(dòng)力停止或發(fā)生意外如臍帶纜繩斷裂時(shí)，可保證下潛器自動(dòng)上浮，不至于丟失，以保證生命及財(cái)產(chǎn)安全，是發(fā)展現(xiàn)代深潛技術(shù)的重要組成部分。另外，水下用輕質(zhì)復(fù)合材料，對(duì)保證下潛器所必須的浮力，對(duì)提高下潛器的有效載荷，減少其外型尺寸，尤其是在建造大深度的下潛器中，有著重要的作用。

    「浮力材料的研究現(xiàn)狀」

    美、日、俄等工業(yè)先進(jìn)國(guó)家從上世紀(jì)60年代末開始研制高強(qiáng)度水下用輕質(zhì)復(fù)合材料，以用于大洋深海海底的開發(fā)事業(yè)。美國(guó)海軍應(yīng)用科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室研制的輕質(zhì)復(fù)合材料，當(dāng)密度為0.35g/cm3時(shí)，抗壓強(qiáng)度5.5MPa。美國(guó)洛克希德導(dǎo)彈空間公司研制了兩種用途的輕質(zhì)復(fù)合材料，一種是用于淺海的OPS（Offshore Petroleum system）級(jí)輕質(zhì)復(fù)合材料，密度為0.35g/cm3，壓縮強(qiáng)度5.6MPa，可潛水深540米；另一種是深潛用SPD級(jí)輕質(zhì)復(fù)合材料，密度為0.45-0.48g/cm3，壓縮強(qiáng)度25MPa，可潛水2430米。日本海洋技術(shù)中心對(duì)輕質(zhì)復(fù)合材料的研制開發(fā)大體上分3個(gè)時(shí)期，第1時(shí)期是1970年水深300米的潛水作業(yè)；第2時(shí)期是80年代初研制載人深潛器“深海6500”；第3時(shí)期是1987年開始研制10千米深的水下機(jī)器人。俄羅斯目前也研制出用于6千米水深輕質(zhì)復(fù)合材料，密度為0.7g/cm3，可耐壓70MPa。

    剛剛過去的幾年是人們對(duì)深海下潛發(fā)生濃厚興趣的階段，浮力材料和復(fù)合材料輕質(zhì)耐壓殼已獲得不可替代的地位。美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所研制的“海神號(hào)”機(jī)器人潛艇，在2010年5月潛入太平洋11000米海底，探秘世界上最深的馬里亞納海溝，使用了浮力材料。著名導(dǎo)演卡梅隆乘坐“深海挑戰(zhàn)者號(hào)”下潛器于2012年3月下潛至10898米深的馬里亞納海溝，由玻璃微球增強(qiáng)樹脂制造的浮力材料的體積占到整個(gè)下潛器的75%，由trelleborg公司生產(chǎn)。

    從上世紀(jì)九十年代起，我國(guó)開始對(duì)深海固體浮力材料進(jìn)行自主研發(fā)，而在此之前一直依賴國(guó)外進(jìn)口。中科院理化所是最早從事浮力材料研究的單位。在863計(jì)劃的支持下，“十五”期間，國(guó)內(nèi)率先開展原創(chuàng)性“高性能空心玻璃微珠產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)”研發(fā)，掌握了原位氣化成形的核心技術(shù)。將高性能空心玻璃微珠用于固體浮力材料研究，利用致密堆積技術(shù)解決了微球在聚合物基材中的密堆積無(wú)缺陷的技術(shù)難題，研制出密度低、性能優(yōu)的樣品。“十二五”期間，采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟化學(xué)制備技術(shù)，突破傳統(tǒng)固相法制備工藝的技術(shù)壁壘，解決了產(chǎn)品批次穩(wěn)定性的技術(shù)問題，為固體浮力材料的規(guī)模生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)；2013年，自主研制的固體浮力材料模塊在南海成功進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)155天的海試試驗(yàn)，樣品吸水率小于1%，性能達(dá)到國(guó)際水平，標(biāo)志著我國(guó)自主掌握了4500米浮力材料的重要核心關(guān)鍵技術(shù)。2017年中科院理化所完成了4500米級(jí)載人潛水器用固體浮力材料生產(chǎn)線的籌建及調(diào)試，生產(chǎn)出批產(chǎn)穩(wěn)定的產(chǎn)品，使我國(guó)成為世界上為數(shù)不多的生產(chǎn)深潛用固體浮力材料的國(guó)家之一。目前，隨著全海深載人潛水器重點(diǎn)專項(xiàng)工作的推進(jìn)，2018年初中科院理化所也在開展萬(wàn)米浮力材料的定型測(cè)試，不久的將來(lái)我國(guó)也會(huì)迎來(lái)萬(wàn)米浮力材料的國(guó)產(chǎn)化。

    除了中科院理化所，深海固體浮力材料國(guó)內(nèi)研發(fā)生產(chǎn)的另一“巨頭”就是海洋化工研究院。在“蛟龍”號(hào)之前的“海馬”號(hào)，就是使用的海化院的浮力材料。從中科院理化所和海化院來(lái)看，國(guó)產(chǎn)化的全面“開花”不僅擺脫了長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的局面，而且節(jié)省了大量成本。像“蛟龍”號(hào)那種高性能載人深海固體浮力材料，從國(guó)外進(jìn)口的價(jià)格每立方米就高達(dá)80萬(wàn)元，而國(guó)產(chǎn)材料差不多每立方米20萬(wàn)元。普通的深海固體浮力材料，從國(guó)外進(jìn)口需要幾十萬(wàn)元，國(guó)產(chǎn)材料只需要10萬(wàn)元左右，價(jià)格相差近4倍。除了以上兩個(gè)巨頭，青島海洋新材、中國(guó)中材、上海尖端、上海衛(wèi)藍(lán)、河南泛銳研究院等企業(yè)也能實(shí)現(xiàn)深海固體浮力材料的研發(fā)生產(chǎn)。目前浮力材料的正從特種專業(yè)的小眾市場(chǎng)逐漸走向大眾市場(chǎng)。

    「未來(lái)從“小眾”走向“大眾”」

    近年來(lái)，深海固體浮力材料不再是科考裝備的“專有產(chǎn)品”，雖然市場(chǎng)仍存在局限性，但其應(yīng)用的方向已越來(lái)越廣，除了深潛器、水下機(jī)器人之外，海上石油勘探等海工裝備的需求量也在日益增加。“在水下開采石油，油突然從地下出來(lái)時(shí)遇到0~5℃的海水會(huì)突然冷卻，所以需要隔水管為海底的金屬輸油管道保溫并提供浮力。而在海底鋪設(shè)輸油管道時(shí)也需要浮力材料。

    要承受深海的巨大壓力，潛器的密度與強(qiáng)度是關(guān)鍵，但偏偏這兩者又是一對(duì)”歡喜冤家“。人們都希望材料的強(qiáng)度越大越好，因?yàn)樗缴顗毫驮酱蟆５珡?qiáng)度越大密度也就越大，用戶又希望浮力材料的密度越小越好，這樣就可以多載幾個(gè)人，或者多載些設(shè)備等。人們都希望深海設(shè)備的密度盡量低，耐壓強(qiáng)度盡量高。為了解決這一矛盾，新型固體浮力材料通常使用環(huán)氧樹脂和空心玻璃微珠做成的浮力材料，通過增加浮力材料的體積，減小浮力材料的密度，從而增加浮體的排水量，起到增大浮力的作用。而且這種新型工藝生產(chǎn)的固體浮力材料可在任何海深條件下應(yīng)用，甚至可以到達(dá)海底最深的11000米海溝，足以滿足海筒”幫忙“，為管道提供浮力，避免其因?yàn)樽陨碇亓Χ鲁痢ｋS著市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，浮力材料的產(chǎn)量能將增加20%~30%，但由于目前仍受限于特種專用材料，市場(chǎng)較小，所以各個(gè)公司的年產(chǎn)值約為300~500萬(wàn)元。雖然年產(chǎn)值并不高，但隨著國(guó)產(chǎn)化的不斷推進(jìn)和特種專用材料問題的不斷改進(jìn)，目前固體浮力材料已應(yīng)用到水下運(yùn)載系統(tǒng)、海洋觀測(cè)系統(tǒng)、海底空間站、海洋石油勘探開發(fā)等多個(gè)領(lǐng)域，市場(chǎng)前景將日趨廣闊。