众所周知，深海环境比较复杂，而且在水下，随着下降的深度，压力逐渐增大，这对深海装备的压力也提出了很高的要求。今天小编就带大家了解一下深海装备材料。

 

　　一、深海装备的耐压壳材料技术

 

　　深海这种特殊环境对深海装备的耐压壳材料提出了特殊要求。深海装备耐压壳材料既要有一定的抗蚀性，在一定温度范围内还要有相当稳定的物理性能和适当的延展性，此外还应具有较高的屈服强度和较高的弹性模量。从而使深海装备能够承受住由其工作深度产生的静压强和深海装备在整个服役期内多次下潜和上浮产生的周期性载荷对耐压壳的影响。

 

　　目前深海装备耐压壳使用的材料分两种：金属材料和非金属材料。金属材料主要在潜艇和深潜器上使用，非金属材料主要在深潜器上使用。

 

　　1、金属材料

 

　　目前深海装备耐压壳使用的金属材料主要有两种：钢和钛合金。美、日、英和俄等国潜艇都使用钢为耐压壳体材料，这些国家的一部分潜器使用钛合金作耐压壳体。俄罗斯有四级潜艇使用了钛合金作耐压壳材料，其余潜艇均采用高强度钢作耐压壳体材料。

 

　　（1）美海军深海装备耐压壳使用的材料

 

　　美海军潜艇的耐压壳主要使用 Hy系列调质钢。20 世纪 60 年代以前，美海军潜艇耐压壳的标准用钢为 Hy-80.为提高焊接性和焊件韧性美海军曾多次修订了 Hy-80 钢的军用规范。美海军的“洛杉矶”级潜艇的耐压壳就使用了Hy-80 钢。由于在相等重量下 Hy-l00钢的屈服强度大于 Hy-80 钢，因此 Hy-l00 钢现已成为美国海军潜艇耐压壳的标准用钢。美海军现役的“海狼”级潜艇的耐压壳材料就为 Hy-l00 钢。美海军最新型核潜艇“弗吉尼亚”级的耐压壳材料计划使用 Hy-l00 钢。美海军还研制了 Hy-l30 钢，计划用 Hy-l30 取代Hy-l00 作潜艇耐压壳材料。美海军还在20 世纪 80 年代用 Hy-l30 钢建造常规动力深海试验潜艇“海豚”号分段和另一艘潜艇的三个分段。

 

　　美海军使用 Hy 系列调质钢和钛合金制造潜器的耐压壳。1969 年美海军用Hy-l30 钢建造深海救援艇“DSRV-I”号，不久又用于建造“DSRV- Ⅱ”号和核动力深潜器“NR-l”号。美海军的先进蛙人输送系统（ASDS）的前两艘艇 ASDS Ⅰ和 ASDS Ⅱ的耐压壳材料使用的是 Hy-80 钢。美海军的“海崖”号深潜器使用钛合金（Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo）作耐压壳材料，该潜器下潜深度为 6100m.

 

　　（2）日本海上自卫队深海装备耐压壳使用的材料

 

　　日本海上自卫队潜艇用钢有 NS-30、NS-46、NS-63、NS-80、NS-90和 NS-110.二次大战后至 20 世纪 60年代初日本海上自卫队潜艇耐压壳材料使用 NS-30 和 NS-46 钢。此后，研制成了 NS-63（Hy-80 的改进型）、NS-80、NS-90（仿制 Hy-l30）钢。NS-90钢除用于潜深达 2000m 的深海调查船外，NS-63 和 NS-80 钢都已用于建造潜艇。“夕潮”级潜艇的耐压壳使用的是NS-80 钢。20 世纪 80 年代日本又研制了强度级别更高的潜艇用钢 NS-110.

 

　　日本海上自卫队的“亲潮”级潜艇的耐压壳就是 NS-110 制成的。日本的“深海 2000”深潜器使用钛合金（Ti-6Al-2Nb-4VELI）作耐压壳材料。

 

　　（3）英国海军深海装备耐压壳使用的材料

 

　　英国海军在二次大战后研制了 QT 系列潜艇用钢 QT-28、QT-35 和 QT-42.20 世纪 50 年代用 QT-28 建造潜艇。1958 ~ 1965 年间广泛使用 QT-35 钢建造潜艇。 1968年制订了Q1 （N） 钢的规范。英国还仿制了 Hy-l00 和 Hy-l30,并分别命名为Q2 （N） 和Q3 （N） 钢。 英国 “机敏”级潜艇计划使用 Q2（N）作耐压壳材料。

 

　　（4）俄罗斯深海装备耐压壳使用的材料

 

　　俄罗斯是世界上第一个用钛合金建造潜艇耐压壳的国家，其用钛合金建造潜艇的技术世界领先。俄罗斯先后制造了四级钛合金做耐压壳的潜艇。A 级 6艘，P 级 1 艘，M 级 1 艘，S 级 4 艘。由于钛合金价格昂贵，俄罗斯的这四级潜艇仅建了 11 艘。钛合金具有强度高、重量轻、低磁性和耐腐蚀等优点。用钛合金作耐压壳材料可降低潜艇排水量、增大潜深和提高艇的隐蔽性。俄罗斯某些潜艇的耐压壳材料采用 CB-2 钢。

 

　　2、非金属材料

 

　　深海潜器的耐压壳上使用的非金属材料主要有：先进树脂基复合材料和结构陶瓷材料。

 

　　（1）先进树脂基复合材料

 

　　先进树脂基复合材料是指用碳纤维、陶瓷纤维、芳纶纤维等增强的聚合物复合材料。先进树脂基复合材料具有比传统结构材料优越得多的力学性能。例如，分别用碳纤维、芳纶纤维和碳化硅纤维增强的环氧树脂复合材料的密度为 1.4 ~ 2.0g / cm,抗拉强度为 1.5 ~ 1.8GPa,略高于普通钢材，而比强度则为钢材的 4 ~ 6 倍，比模量为钢材的 2 ~ 3 倍。先进树脂基复合材料除优越的力学性能外，往往还兼有耐腐蚀、振动阻尼和吸收电磁波等功能，因此 ,在舰船上有广阔的使用前景。

 

　　美国海军用石墨纤维增强环氧树脂材料成功地制造出自动无人深潜器AUSSMOD2 的耐压壳体。该艇的下潜深度为 6096m,按照设计，其耐压壳体的重量/排水量比率不能超过 10.5.美海军计划用石墨纤维增强环氧树脂材料代替钛合金制造耐压壳体封头。

 

　　（2）结构陶瓷材料

 

　　陶瓷的强度和弹性模量很高，而且具有耐腐蚀、耐磨损、耐高温的优点，密度又比一般金属材料低，是很有发展潜力的高比强度材料。但陶瓷固有的脆性使其应用范围受到很大的限制。先进陶瓷材料的研究取得很大进展。用高纯度超细粉料经特殊加工工艺而制成的陶瓷材料显微组织精细，性能优良，如碳化硅、氮化硅、氧化铝、氧化锆等先进陶瓷材料已逐步进入实用领域。陶瓷增韧的研究也取得一定的成果，为结构陶瓷材料的推广应用创造了条件。利用结构瓷材料的高强度制造大深度潜水器的耐压壳体。

 

　　美国海军为建造无人深海潜水器而对若干耐压壳体候选材料进行了对比分析。结果表明，对于 6096m 的潜深，氧化铝陶瓷耐压壳体的重量/排水量比率小于 0.60,而同样设计深度的钛壳的该比率则超过 0.85.尽管氧化铝陶瓷在几种陶瓷材料中并不是给出最低重量/排水量比率的材料，但由于它成本较低，而且制作工艺比较成熟，故被选中用于制造 635mm 直径的深潜器耐压壳体。

 

　　美海军 1993 年对 635mm 直径的氧化铝陶瓷耐压壳体并进行了试验。实践证明，在同样排水量（454kg）的情况下，氧化铝陶瓷壳体比 Ti-6A-4V 壳体的有效载荷高166%;为达到同样的有效载荷，钛壳体的排水量必须增加 50%,其重量增加 83%.除此而外，陶瓷壳体还具有耐腐蚀、电绝缘、非磁性和可透过辐射等优点。

 

　　二、深海装备的浮力材料技术

 

　　为了解决深潜拖体、深潜器和水下机器人等的耐压性、结构稳定性问题，并提供足够的净浮力，人们开始研制高强度固体浮力材料（简称 SBM）以替代传统的耐压浮力球和浮力筒。SBM 是发展现代深潜技术的重要组成部分，对保证潜器所必须的浮力，提高潜器的有效载荷，减少其外型尺寸，尤其是在建造大深度的潜器中，有着重要的作用。

 

　　深海装备使用的固体浮力材料应具有耐水、耐压、耐腐蚀和抗冲击的特性。

 

　　对于在不同深度使用的固体浮力材料的强度要求不同，水深增加，浮力材料的强度相应增加，密度随之增大，但浮力系数减小。此外，深海装备上使用的高强度浮力材料还应具有吸水率低、吸水平衡的时间短等特点。在浮力材料本身不能满足防水要求的前提下，还需在浮力材料外表面包敷防水层。同时还要保证外表面包敷材料耐腐蚀和抗冲击，以延长深海装备浮力材料的使用寿命。

 

　　近年来世界上许多国家都对深海浮力材料开展了广泛的研究工作。已研制出一些深海装备上使用的浮力材料，这些高强度的浮力材料已在民用、商业及军事领域广泛应用，如在水中设备的配重，漂浮于水面或悬浮于水中的浮缆、浮标、海底埋缆机械及声多卜勒流速剖面仪（ADCP）平台、零浮力拖体和无人遥控潜水器（ROV）等上使用。

 

　　目前，国内是中船重工 725 所，青岛海化所，中科院理化所，中船重工702 所，701 所等从事浮力材料的研究，能生产制备的公司有台州中浮新材料，河南泛锐复合材料研究院等。

 

　　深海装备上使用的浮力材料实质上是一种低密度、高强度的多孔结构材料，属复合材料的范畴。共分三大类：中空玻璃微珠复合材料、轻质合成材料复合塑料和化学泡沫塑料复合材料。中空玻璃微珠复合泡沫是由空心玻璃小球混杂在树脂中形成的，其中空心玻璃小球占60% ~ 70% 的体积；复合塑料由复合泡沫与低密度填料比如中空塑料或大直径玻璃球组合改性而成；化学泡沫塑料复合材料是利用化学发泡法制成的泡沫复合材料。其中，玻璃复合泡沫的最低密度极限是 0.5g/cm 3 ,复合塑料的最低密度极限是 0.32g/cm 3 ,而化学泡沫塑料的最低密度极限是 0.24g/cm 3 .

 

　　化学泡沫塑料技术和工艺上还有两个技术难点需要解决：①泡沫材料的强度和可靠性；②阻水面材的选择及工艺技术。

 

　　美、日、俄等国家从 60 年代末开始研制高强度固体浮力材料，以用于大洋深海海底的开发事业。美国海军应用科学实验室研制的固体浮力材，当密度为 0.35g/cm 3 时，抗压强度为 5.5MPa.

 

　　美国洛克希德导弹空间公司研制了两种用途的固体浮力材料是一种用于浅海的OPS（offshore petroleum system）级固体浮力材料，密度 0.35g/cm 3 ,抗压强度5.6Mpa,可潜水深 540m;另一种是深潜用 SPD（submersible deep quest）级固体浮力材料，密度为 0.45 ~ 0.48g/cm 3 ,抗压强度 25MPa,可潜水深 2430m.美国 Flotec 公司生产的浮力材料，由高强度环氧基材料作基材，根据不同的使用水深，填充不同的浮力调节介质，选用适当的合成方法加工而成。为提高抗冲击性和耐侵蚀，其外表面浇注聚乙烯或ABS 外壳，外壳厚度为 13 ~ 15mm.

 

　　日本海洋技术中心对固体浮力材料的研制开发大体上分三个时期，第一时期是 1970 年水深 300m 的潜水作业；第二时期是 80 年代初研制载人深潜器“深海 6500”;第三时期是 1987 年开始研制 10000m 深的水下机器人。俄罗斯目前也研制出用于 6000m 水深固体浮力材料，密度为 0.7g/cm 3 、耐压 70MPa.

 

　　总之，深海装备材料的优异性能决定了深海作业工作的变异性和深入性。因此，我们在大力开展深海探索工作的同时，全力推进相应先进材料的研发和研制。也实现我国在海洋领域的重要地位。

 

　　三、大深度材料技术

 

　　大潜深平台及潜器等深海装备在水下活动，要承受巨大压力，潜得越深，压力越大。为保证其安全，对它们的壳体材料在强度、韧性、塑性、耐疲劳性、耐海水腐蚀性、可焊性、工艺性等方面皆有较高的要求。

 

　　就潜艇来说，二次大战前，耐压壳体材料一般采用强度屈服极限为 45 千克力/cm 2 级钢材， 下潜深度不大。 二战后，人们开始采用屈服极限为 60 千克力 /cm 2级高强度合金钢，下潜深度逐渐增大。

 

　　现代潜艇采用的壳体钢材强度更高，屈服极限将近 100 千克力 /cm 2 ,有的甚至更高，因而下潜深度大大增加。

 

　　1、高强度合金钢

 

　　高强度合金钢是目前大潜深潜艇建造最重要、最关键的结构材料，其性能优劣直接关系到潜艇战术性能的提高。

 

　　美国从 20 世纪 50 年代就开始建立HY 系列舰艇结构钢的体系平台，目前该系列钢包括 HY80、HY100 和 HY130等高强度合金钢。美国“大青花鱼”

 

　　号试验潜艇是应用 HY80 高强度钢的第一艘潜艇，HY80 高强度钢屈服强度为56 ~ 66.5 千克力 /cm 2 ,可保证核潜艇下潜深度达到 300 米，HY80 钢随后被美国各级核潜艇采用达 30 年之久，美国海军目前在役的“洛杉矶”级攻击型核潜艇就采用 HY80 型高强度合金钢建造。为了适应其“海狼”级攻击型核潜艇下潜深度增加的需要，美国海军原打算采用正在研制的 HY130 高强度钢，该钢的屈服强度为 91 千克力 /cm 2 ,但由于 HY130 钢的焊接工艺方面还有一些问题没有解决，除少量结构及海水管路经过严格的检验仍采用 HY130 钢外，“海狼”级攻击型核潜艇主要的 19 种结构的构架、构件均改用已研制成功的既能抗震又能抗海水压力的 HY100 高强度钢制造。此种钢屈服强度为 82 千克力 /cm 2 .“海狼”级核潜艇采用此种钢后，其下潜深度比采用屈服强度为56 ~ 66.5 千克力 /cm 2 的 HY80 钢建造的“洛杉矶”级核潜艇增加了 25%以上。

 

　　“洛杉矶”级的下潜深度为 450 米，“海狼”级的下潜深度达到 610 米。美国海军目前正在建造的面向 21 世纪的“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇艇体仍将采用HY100 钢。法国核潜艇采用的 HELS80 钢和英国核潜艇采用的 QN-1 型钢均和美国的HY80 钢性能相似。

 

 

　　2、钛合金钢

 

　　钛合金在潜艇上的应用相当广泛，它具有重量轻、强度大、耐热性强、耐腐蚀等许多特性， 被誉为 “未来的金属” ,是具有发展前途的新型结构材料。钛合金的比强度（强度与重量比）在金属结构材料中是很高的，它的强度与钢材相当，但其重量仅为低碳钢的 57% 左右。