眾所周知，深海環(huán)境比較復(fù)雜，而且在水下，隨著下降的深度，壓力逐漸增大，這對(duì)深海裝備的壓力也提出了很高的要求。今天小編就帶大家了解一下深海裝備材料。

    一、深海裝備的耐壓殼材料技術(shù)

    深海這種特殊環(huán)境對(duì)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(qiáng)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(qiáng)和深海裝備在整個(gè)服役期內(nèi)多次下潛和上浮產(chǎn)生的周期性載荷對(duì)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(guó)潛艇都使用鋼為耐壓殼體材料，這些國(guó)家的一部分潛器使用鈦合金作耐壓殼體。俄羅斯有四級(jí)潛艇使用了鈦合金作耐壓殼材料，其余潛艇均采用高強(qiáng)度鋼作耐壓殼體材料。

    （1）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(jí)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(qiáng)度大于 Hy-80 鋼，因此 Hy-l00 鋼現(xiàn)已成為美國(guó)海軍潛艇耐壓殼的標(biāo)準(zhǔn)用鋼。美海軍現(xiàn)役的“海狼”級(jí)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(jí)的耐壓殼材料計(jì)劃使用 Hy-l00 鋼。美海軍還研制了 Hy-l30 鋼，計(jì)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(dòng)力深海試驗(yàn)潛艇“海豚”號(hào)分段和另一艘潛艇的三個(gè)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(hào)，不久又用于建造“DSRV- Ⅱ”號(hào)和核動(dòng)力深潛器“NR-l”號(hào)。美海軍的先進(jìn)蛙人輸送系統(tǒng)（ASDS）的前兩艘艇 ASDS Ⅰ和 ASDS Ⅱ的耐壓殼材料使用的是 Hy-80 鋼。美海軍的“海崖”號(hào)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。

    （2）日本海上自衛(wèi)隊(duì)深海裝備耐壓殼使用的材料

    日本海上自衛(wèi)隊(duì)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(duì)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(jìn)型）、NS-80、NS-90（仿制 Hy-l30）鋼。NS-90鋼除用于潛深達(dá) 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(jí)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(qiáng)度級(jí)別更高的潛艇用鋼 NS-110。

    日本海上自衛(wèi)隊(duì)的“親潮”級(jí)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。

    （3）英國(guó)海軍深海裝備耐壓殼使用的材料

    英國(guó)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(guó)還仿制了 Hy-l00 和 Hy-l30，并分別命名為Q2 （N） 和Q3 （N） 鋼。 英國(guó) “機(jī)敏”級(jí)潛艇計(jì)劃使用 Q2（N）作耐壓殼材料。

    （4）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(gè)用鈦合金建造潛艇耐壓殼的國(guó)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(jí)鈦合金做耐壓殼的潛艇。A 級(jí) 6艘，P 級(jí) 1 艘，M 級(jí) 1 艘，S 級(jí) 4 艘。由于鈦合金價(jià)格昂貴，俄羅斯的這四級(jí)潛艇僅建了 11 艘。鈦合金具有強(qiáng)度高、重量輕、低磁性和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。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(jìn)樹脂基復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)陶瓷材料。

    （1）先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料

    先進(jìn)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(qiáng)的聚合物復(fù)合材料。先進(jìn)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(qiáng)的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的密度為 1.4 ～ 2.0g ／ cm，抗拉強(qiáng)度為 1.5 ～ 1.8GPa，略高于普通鋼材，而比強(qiáng)度則為鋼材的 4 ～ 6 倍，比模量為鋼材的 2 ～ 3 倍。先進(jìn)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(dòng)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(guó)海軍用石墨纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料成功地制造出自動(dòng)無(wú)人深潛器AUSSMOD2 的耐壓殼體。該艇的下潛深度為 6096m，按照設(shè)計(jì)，其耐壓殼體的重量／排水量比率不能超過 10.5。美海軍計(jì)劃用石墨纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料代替鈦合金制造耐壓殼體封頭。

    （2）結(jié)構(gòu)陶瓷材料

    陶瓷的強(qiáng)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(diǎn)，密度又比一般金屬材料低，是很有發(fā)展?jié)摿Φ母弑葟?qiáng)度材料。但陶瓷固有的脆性使其應(yīng)用范圍受到很大的限制。先進(jìn)陶瓷材料的研究取得很大進(jìn)展。用高純度超細(xì)粉料經(jīng)特殊加工工藝而制成的陶瓷材料顯微組織精細(xì)，性能優(yōu)良，如碳化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鋯等先進(jìn)陶瓷材料已逐步進(jìn)入實(shí)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(qiáng)度制造大深度潛水器的耐壓殼體。

    美國(guó)海軍為建造無(wú)人深海潛水器而對(duì)若干耐壓殼體候選材料進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，對(duì)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(jì)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(duì) 635mm 直徑的氧化鋁陶瓷耐壓殼體并進(jìn)行了試驗(yàn)。實(shí)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(dá)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(diǎn)。

    二、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(jī)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(qiáng)度固體浮力材料（簡(jiǎn)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(duì)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(duì)于在不同深度使用的固體浮力材料的強(qiáng)度要求不同，水深增加，浮力材料的強(qiáng)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(qiáng)度浮力材料還應(yīng)具有吸水率低、吸水平衡的時(shí)間短等特點(diǎn)。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(shí)還要保證外表面包敷材料耐腐蝕和抗沖擊，以延長(zhǎng)深海裝備浮力材料的使用壽命。

    近年來世界上許多國(guó)家都對(duì)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(qiáng)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(jī)械及聲多卜勒流速剖面儀（ADCP）平臺(tái)、零浮力拖體和無(wú)人遙控潛水器（ROV）等上使用。

    目前，國(guó)內(nèi)是中船重工 725 所，青島海化所，中科院理化所，中船重工702 所，701 所等從事浮力材料的研究，能生產(chǎn)制備的公司有臺(tái)州中浮新材料，河南泛銳復(fù)合材料研究院等。

    深海裝備上使用的浮力材料實(shí)質(zhì)上是一種低密度、高強(qiáng)度的多孔結(jié)構(gòu)材料，屬?gòu)?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/cm ³ ，復(fù)合塑料的最低密度極限是 0.32g/cm ³，而化學(xué)泡沫塑料的最低密度極限是 0.24g/cm ³ 。

    化學(xué)泡沫塑料技術(shù)和工藝上還有兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)需要解決：①泡沫材料的強(qiáng)度和可靠性；②阻水面材的選擇及工藝技術(shù)。

    美、日、俄等國(guó)家從 60 年代末開始研制高強(qiáng)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(guó)海軍應(yīng)用科學(xué)實(shí)驗(yàn)室研制的固體浮力材，當(dāng)密度為 0.35g/cm 3 時(shí)，抗壓強(qiáng)度為 5.5MPa。

    美國(guó)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(jí)固體浮力材料，密度 0.35g/cm 3 ，抗壓強(qiáng)度5.6Mpa，可潛水深 540m；另一種是深潛用 SPD（submersible deep quest）級(jí)固體浮力材料，密度為 0.45 ～ 0.48g/cm 3 ，抗壓強(qiáng)度 25MPa，可潛水深 2430m。美國(guó) Flotec 公司生產(chǎn)的浮力材料，由高強(qiáng)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(duì)固體浮力材料的研制開發(fā)大體上分三個(gè)時(shí)期，第一時(shí)期是 1970 年水深 300m 的潛水作業(yè)；第二時(shí)期是 80 年代初研制載人深潛器“深海 6500”；第三時(shí)期是 1987 年開始研制 10000m 深的水下機(jī)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/cm 3 、耐壓 70MPa。

    總之，深海裝備材料的優(yōu)異性能決定了深海作業(yè)工作的變異性和深入性。因此，我們?cè)诖罅﹂_展深海探索工作的同時(shí)，全力推進(jìn)相應(yīng)先進(jìn)材料的研發(fā)和研制。也實(shí)現(xiàn)我國(guó)在海洋領(lǐng)域的重要地位。

    三、大深度材料技術(shù)

    大潛深平臺(tái)及潛器等深海裝備在水下活動(dòng)，要承受巨大壓力，潛得越深，壓力越大。為保證其安全，對(duì)它們的殼體材料在強(qiáng)度、韌性、塑性、耐疲勞性、耐海水腐蝕性、可焊性、工藝性等方面皆有較高的要求。

    就潛艇來說，二次大戰(zhàn)前，耐壓殼體材料一般采用強(qiáng)度屈服極限為 45 千克力/cm 2 級(jí)鋼材， 下潛深度不大。 二戰(zhàn)后，人們開始采用屈服極限為 60 千克力 /cm 2級(jí)高強(qiáng)度合金鋼，下潛深度逐漸增大。

    現(xiàn)代潛艇采用的殼體鋼材強(qiáng)度更高，屈服極限將近 100 千克力 /cm 2 ，有的甚至更高，因而下潛深度大大增加。

    1、高強(qiáng)度合金鋼

    高強(qiáng)度合金鋼是目前大潛深潛艇建造最重要、最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)材料，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到潛艇戰(zhàn)術(shù)性能的提高。

    美國(guó)從 20 世紀(jì) 50 年代就開始建立HY 系列艦艇結(jié)構(gòu)鋼的體系平臺(tái)，目前該系列鋼包括 HY80、HY100 和 HY130等高強(qiáng)度合金鋼。美國(guó)“大青花魚”

    號(hào)試驗(yàn)潛艇是應(yīng)用 HY80 高強(qiáng)度鋼的第一艘潛艇，HY80 高強(qiáng)度鋼屈服強(qiáng)度為56 ～ 66.5 千克力 /cm 2 ，可保證核潛艇下潛深度達(dá)到 300 米，HY80 鋼隨后被美國(guó)各級(jí)核潛艇采用達(dá) 30 年之久，美國(guó)海軍目前在役的“洛杉磯”級(jí)攻擊型核潛艇就采用 HY80 型高強(qiáng)度合金鋼建造。為了適應(yīng)其“海狼”級(jí)攻擊型核潛艇下潛深度增加的需要，美國(guó)海軍原打算采用正在研制的 HY130 高強(qiáng)度鋼，該鋼的屈服強(qiáng)度為 91 千克力 /cm 2 ，但由于 HY130 鋼的焊接工藝方面還有一些問題沒有解決，除少量結(jié)構(gòu)及海水管路經(jīng)過嚴(yán)格的檢驗(yàn)仍采用 HY130 鋼外，“海狼”級(jí)攻擊型核潛艇主要的 19 種結(jié)構(gòu)的構(gòu)架、構(gòu)件均改用已研制成功的既能抗震又能抗海水壓力的 HY100 高強(qiáng)度鋼制造。此種鋼屈服強(qiáng)度為 82 千克力 /cm 2 。“海狼”級(jí)核潛艇采用此種鋼后，其下潛深度比采用屈服強(qiáng)度為56 ～ 66.5 千克力 /cm 2 的 HY80 鋼建造的“洛杉磯”級(jí)核潛艇增加了 25％以上。

    “洛杉磯”級(jí)的下潛深度為 450 米，“海狼”級(jí)的下潛深度達(dá)到 610 米。美國(guó)海軍目前正在建造的面向 21 世紀(jì)的“弗吉尼亞”級(jí)攻擊型核潛艇艇體仍將采用HY100 鋼。法國(guó)核潛艇采用的 HELS80 鋼和英國(guó)核潛艇采用的 QN-1 型鋼均和美國(guó)的HY80 鋼性能相似。

    2、鈦合金鋼

    鈦合金在潛艇上的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，它具有重量輕、強(qiáng)度大、耐熱性強(qiáng)、耐腐蝕等許多特性， 被譽(yù)為 “未來的金屬” ，是具有發(fā)展前途的新型結(jié)構(gòu)材料。鈦合金的比強(qiáng)度（強(qiáng)度與重量比）在金屬結(jié)構(gòu)材料中是很高的，它的強(qiáng)度與鋼材相當(dāng)，但其重量?jī)H為低碳鋼的 57% 左右。

    俄羅斯在鈦合金核潛艇的研究和制造技術(shù)上，處于國(guó)際領(lǐng)先地位，也是用鈦合金建造耐壓殼體的唯一國(guó)家。冷戰(zhàn)時(shí)期，蘇聯(lián)海軍為了抗衡美國(guó)海上力量，追求核潛艇的大潛深、高機(jī)動(dòng)性，根據(jù)與美國(guó)海軍對(duì)抗的實(shí)際情況，蘇聯(lián)海軍認(rèn)為，其核潛艇應(yīng)具有 1000 米的深潛能力，因?yàn)楫?dāng)時(shí)世界各國(guó)尚無(wú)任何潛艇和武器能在 1000 米的深度上作戰(zhàn)，且在該深度上潛艇還可以有效地躲避敵人的探測(cè)和攻擊。到 20 世紀(jì) 60 年代后期，蘇聯(lián)由于在新型結(jié)構(gòu)材料的試驗(yàn)研究，特別是關(guān)于高強(qiáng)度鈦合金的制造工藝已經(jīng)逐漸成熟，已有能力建造出滿足這種大潛深要求的核潛艇，于是，蘇聯(lián)海軍開始大量應(yīng)用鈦合金建造潛艇艇殼。水下排水量 3600 噸的“阿爾法”級(jí)攻擊型核潛艇采用雙層殼體建造，每艘用鈦量高達(dá)650噸， 下潛深度達(dá)到900米。 “塞拉”級(jí)多用途核潛艇也采用耐壓殼體鈦合金建造，工作深度 700 米，極限下潛深度達(dá) 800 米。這些高強(qiáng)度合金鋼和鈦合金鋼對(duì)大潛深潛艇以外的其它深海裝備同樣適用。