對于深海裝備來講，最重要的通用性材料有兩類，一是耐壓性好的結(jié)構(gòu)材料，一是深潛器上大量使用的作為浮力補償用的浮力材料。

深海裝備

    （1）深海裝備的耐壓殼材料技術(shù)

    深海這種特殊環(huán)境對深海裝備的耐壓殼材料提出了特殊要求。深海裝備耐壓殼材料既要有一定的抗蝕性，在一定溫度范圍內(nèi)還要有相當(dāng)穩(wěn)定的物理性能和適當(dāng)?shù)难诱剐裕送膺€應(yīng)具有較高的屈服強度和較高的彈性模量。從而使深海裝備能夠承受住由其工作深度產(chǎn)生的靜壓強和深海裝備在整個服役期內(nèi)多次下潛和上浮產(chǎn)生的周期性載荷對耐壓殼的影響。

    目前深海裝備耐壓殼使用的材料分兩種：金屬材料和非金屬材料。金屬材料主要在潛艇和深潛器上使用，非金屬材料主要在深潛器上使用。

    ① 金屬材料

    目前深海裝備耐壓殼使用的金屬材料主要有兩種：鋼和鈦合金。美、日、英和俄等國潛艇都使用鋼為耐壓殼體材料，這些國家的一部分潛器使用鈦合金作耐壓殼體。俄羅斯有四級潛艇使用了鈦合金作耐壓殼材料，其余潛艇均采用高強度鋼作耐壓殼體材料。

    美海軍深海裝備耐壓殼使用的材料

    美海軍潛艇的耐壓殼主要使用Hy系列調(diào)質(zhì)鋼。20世紀(jì)60年代以前，美海軍潛艇耐壓殼的標(biāo)準(zhǔn)用鋼為Hy-80。為提高焊接性和焊件韌性美海軍曾多次修訂了Hy-80鋼的軍用規(guī)范。美海軍的“洛杉磯”級潛艇的耐壓殼就使用了Hy-80鋼。由于在相等重量下Hy-l00鋼的屈服強度大于Hy-80鋼，因此Hy-l00鋼現(xiàn)已成為美國海軍潛艇耐壓殼的標(biāo)準(zhǔn)用鋼。美海軍現(xiàn)役的“海狼”級潛艇的耐壓殼材料就為Hy-l00鋼。美海軍最新型核潛艇“弗吉尼亞”級的耐壓殼材料計劃使用Hy-l00鋼。美海軍還研制了Hy-l30鋼，計劃用Hy-l30取代Hy-l00作潛艇耐壓殼材料。美海軍還在20世紀(jì)80年代用Hy-l30鋼建造常規(guī)動力深海試驗潛艇“海豚”號分段和另一艘潛艇的三個分段。

    美海軍使用Hy系列調(diào)質(zhì)鋼和鈦合金制造潛器的耐壓殼。1969年美海軍用Hy-l30鋼建造深海救援艇“DSRV-I”號，不久又用于建造“DSRV-Ⅱ”號和核動力深潛器“NR-l”號。美海軍的先進蛙人輸送系統(tǒng)（ASDS）的前兩艘艇ASDSⅠ和ASDSⅡ的耐壓殼材料使用的是Hy-80鋼。美海軍的“海崖”號深潛器使用鈦合金（Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo）作耐壓殼材料，該潛器下潛深度為6100m。

    日本海上自衛(wèi)隊深海裝備耐壓殼使用的材料

    日本海上自衛(wèi)隊潛艇用鋼有NS-30、NS-46、NS-63、NS-80、NS-90和NS-110。二次大戰(zhàn)后至20世紀(jì)60年代初日本海上自衛(wèi)隊潛艇耐壓殼材料使用NS-30和NS-46鋼。此后，研制成了NS-63（Hy-80的改進型）、NS-80、NS-90（仿制Hy-l30）鋼。NS-90鋼除用于潛深達2000m的深海調(diào)查船外，NS-63和NS-80鋼都已用于建造潛艇。“夕潮”級潛艇的耐壓殼使用的是NS-80鋼。20世紀(jì)80年代日本又研制了強度級別更高的潛艇用鋼NS-110。日本海上自衛(wèi)隊的“親潮”級潛艇的耐壓殼就是NS-110制成的。

    日本的“深海2000” 深潛器使用鈦合金（Ti-6Al-2Nb-4VELI）作耐壓殼材料。

    英國海軍深海裝備耐壓殼使用的材料

    英國海軍在二次大戰(zhàn)后研制了QT系列潛艇用鋼QT-28、QT-35和QT-42。20世紀(jì)50年代用QT-28建造潛艇。1958～1965年間廣泛使用QT-35鋼建造潛艇。1968年制訂了Q1（N）鋼的規(guī)范。英國還仿制了Hy-l00和Hy-l30，并分別命名為Q2（N）和Q3（N）鋼。英國“機敏”級潛艇計劃使用Q2 （N）作耐壓殼材料。

    俄羅斯深海裝備耐壓殼使用的材料

    俄羅斯是世界上第一個用鈦合金建造潛艇耐壓殼的國家，其用鈦合金建造潛艇的技術(shù)世界領(lǐng)先。俄羅斯先后制造了四級鈦合金做耐壓殼的潛艇。A級6艘，P級1艘，M級1艘，S級4艘。由于鈦合金價格昂貴，俄羅斯的這四級潛艇僅建了11艘。鈦合金具有強度高、重量輕、低磁性和耐腐蝕等優(yōu)點。用鈦合金作耐壓殼材料可降低潛艇排水量、增大潛深和提高艇的隱蔽性。俄羅斯某些潛艇的耐壓殼材料采用CB-2鋼。

    ② 非金屬材料

    深海潛器的耐壓殼上使用的非金屬材料主要有：先進樹脂基復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)陶瓷材料。

    先進樹脂基復(fù)合材料

    先進樹脂基復(fù)合材料是指用碳纖維、陶瓷纖維、芳綸纖維等增強的聚合物復(fù)合材料。先進樹脂基復(fù)合材料具有比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料優(yōu)越得多的力學(xué)性能。例如，分別用碳纖維、芳綸纖維和碳化硅纖維增強的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的密度為1.4～2.0g／cm，抗拉強度為l.5～l.8GPa，略高于普通鋼材，而比強度則為鋼材的4～6倍，比模量為鋼材的2～3倍。先進樹脂基復(fù)合材料除優(yōu)越的力學(xué)性能外，往往還兼有耐腐蝕、振動阻尼和吸收電磁波等功能，因此，在艦船上有廣闊的使用前景。

    美國海軍用石墨纖維增強環(huán)氧樹脂材料成功地制造出自動無人深潛器AUSSMOD2的耐壓殼體。該艇的下潛深度為6096m，按照設(shè)計，其耐壓殼體的重量／排水量比率不能超過l 0.5。美海軍計劃用石墨纖維增強環(huán)氧樹脂材料代替鈦合金制造耐壓殼體封頭。

    結(jié)構(gòu)陶瓷材料

    陶瓷的強度和彈性模量很高，而且具有耐腐蝕、耐磨損、耐高溫的優(yōu)點，密度又比一般金屬材料低，是很有發(fā)展?jié)摿Φ母弑葟姸炔牧稀５沾晒逃械拇嘈允蛊鋺?yīng)用范圍受到很大的限制。先進陶瓷材料的研究取得很大進展。用高純度超細粉料經(jīng)特殊加工工藝而制成的陶瓷材料顯微組織精細，性能優(yōu)良，如碳化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鋯等先進陶瓷材料已逐步進入實用領(lǐng)域。陶瓷增韌的研究也取得一定的成果，為結(jié)構(gòu)陶瓷材料的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了條件。利用結(jié)構(gòu)瓷材料的高強度制造大深度潛水器的耐壓殼體。

    美國海軍為建造無人深海潛水器而對若干耐壓殼體候選材料進行了對比分析。結(jié)果表明，對于6096m的潛深，氧化鋁陶瓷耐壓殼體的重量／排水量比率小于0.60，而同樣設(shè)計深度的鈦殼的該比率則超過0.85。盡管氧化鋁陶瓷在幾種陶瓷材料中并不是給出最低重量／排水量比率的材料，但由于它成本較低，而且制作工藝比較成熟，故被選中用于制造635mm直徑的深潛器耐壓殼體。美海軍1993年對635mm直徑的氧化鋁陶瓷耐壓殼體并進行了試驗。實踐證明，在同樣排水量（454kg）的情況下，氧化鋁陶瓷殼體比Ti-6A-4V殼體的有效載荷高166％；為達到同樣的有效載荷，鈦殼體的排水量必須增加50％，其重量增加83％。除此而外，陶瓷殼體還具有耐腐蝕、電絕緣、非磁性和可透過輻射等優(yōu)點。

    （2）  深海裝備的浮力材料技術(shù)

    為了解決深潛拖體、深潛器和水下機器人等的耐壓性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題，并提供足夠的凈浮力，人們開始研制高強度固體浮力材料（簡稱SBM）以替代傳統(tǒng)的耐壓浮力球和浮力筒。SBM是發(fā)展現(xiàn)代深潛技術(shù)的重要組成部分，對保證潛器所必須的浮力，提高潛器的有效載荷，減少其外型尺寸，尤其是在建造大深度的潛器中，有著重要的作用。

    深海裝備使用的固體浮力材料應(yīng)具有耐水、耐壓、耐腐蝕和抗沖擊的特性。對于在不同深度使用的固體浮力材料的強度要求不同，水深增加，浮力材料的強度相應(yīng)增加，密度隨之增大，但浮力系數(shù)減小。此外，深海裝備上使用的高強度浮力材料還應(yīng)具有吸水率低、吸水平衡的時間短等特點。在浮力材料本身不能滿足防水要求的前提下，還需在浮力材料外表面包敷防水層。同時還要保證外表面包敷材料耐腐蝕和抗沖擊，以延長深海裝備浮力材料的使用壽命。

    近年來世界上許多國家都對深海浮力材料開展了廣泛的研究工作。已研制出一些深海裝備上使用的浮力材料，這些高強度的浮力材料已在民用、商業(yè)及軍事領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如在水中設(shè)備的配重，漂浮于水面或懸浮于水中的浮纜、浮標(biāo)、海底埋纜機械及聲多卜勒流速剖面儀（ADCP）平臺、零浮力拖體和無人遙控潛水器（ROV）等上使用。

    深海裝備上使用的浮力材料實質(zhì)上是一種低密度、高強度的多孔結(jié)構(gòu)材料，屬復(fù)合材料的范疇。共分三大類：中空玻璃微珠復(fù)合材料、輕質(zhì)合成材料復(fù)合塑料和化學(xué)泡沫塑料復(fù)合材料。中空玻璃微珠復(fù)合泡沫是由空心玻璃小球混雜在樹脂中形成的，其中空心玻璃小球占60%～70%的體積；復(fù)合塑料由復(fù)合泡沫與低密度填料比如中空塑料或大直徑玻璃球組合改性而成；化學(xué)泡沫塑料復(fù)合材料是利用化學(xué)發(fā)泡法制成的泡沫復(fù)合材料。其中，玻璃復(fù)合泡沫的最低密度極限是0.5g/cm3，復(fù)合塑料的最低密度極限是0.32g/cm3 ，而化學(xué)泡沫塑料的最低密度極限是0.24g/cm3。化學(xué)泡沫塑料技術(shù)和工藝上還有兩個技術(shù)難點需要解決： ①泡沫材料的強度和可靠性；②阻水面材的選擇及工藝技術(shù)。

    美、日、俄等國家從60 年代末開始研制高強度固體浮力材料，以用于大洋深海海底的開發(fā)事業(yè)。美國海軍應(yīng)用科學(xué)實驗室研制的固體浮力材，當(dāng)密度為0.35g/ cm3 時，抗壓強度為5.5MPa。美國洛克希德導(dǎo)彈空間公司研制了兩種用途的固體浮力材料是一種用于淺海的OPS（offshore petroleum system）級固體浮力材料，密度0.35g/cm3，抗壓強度5.6Mpa，可潛水深540m；另一種是深潛用SPD（submersible deep quest）級固體浮力材料，密度為0.45～0. 48g/cm3 ，抗壓強度25MPa，可潛水深2430m。美國Flotec公司生產(chǎn)的浮力材料，由高強度環(huán)氧基材料作基材，根據(jù)不同的使用水深，填充不同的浮力調(diào)節(jié)介質(zhì)，選用適當(dāng)?shù)暮铣煞椒庸ざ伞樘岣呖箾_擊性和耐侵蝕，其外表面澆注聚乙烯或ABS外殼，外殼厚度為13～15mm。日本海洋技術(shù)中心對固體浮力材料的研制開發(fā)大體上分三個時期，第一時期是1970年水深300m的潛水作業(yè)；第二時期是80年代初研制載人深潛器“深海6500”；第三時期是1987年開始研制10000m 深的水下機器人。俄羅斯目前也研制出用于6000m 水深固體浮力材料，密度為0.7g/cm3、耐壓70MPa。

責(zé)任編輯：班英飛

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