正在研制的全海深載人潛水器，將帶領中國的科學家到達地球上最大深度的洋底開展科學作業，這個深度超過了水下一萬米。超萬米的水深，對浮力材料，甚至潛水器來說，將帶來哪些挑戰？

    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產及生命安全的“幕后英雄”。

    近年來，隨著科學技術的發展和對能源需求的不斷提高，人類對海洋的認識和開發力度亦不斷增加，并逐步向深海擴展，利用載人或無人潛器在深海中直接進行觀察、攝影、測量、取樣，設置必要的儀器設施、水下作業等。為了給深潛拖體、深潛器和水下機器人等提供足夠的凈浮力，人們開始研制高強度輕質復合材料以替代傳統的耐壓浮力球和浮力筒。水下用輕質復合材料能承受數千米水下巨大的壓力，且自身的密度只有水的一半左右，可提供托起水下機器人及自身重量的浮力。當機械動力停止或發生意外如臍帶纜繩斷裂時，可保證下潛器自動上浮，不至于丟失，以保證生命及財產安全，是發展現代深潛技術的重要組成部分。另外，水下用輕質復合材料，對保證下潛器所必須的浮力，對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。

    「浮力材料的研究現狀」

    美、日、俄等工業先進國家從上世紀60年代末開始研制高強度水下用輕質復合材料，以用于大洋深海海底的開發事業。美國海軍應用科學研究實驗室研制的輕質復合材料，當密度為0.35g/cm3時，抗壓強度5.5MPa。美國洛克希德導彈空間公司研制了兩種用途的輕質復合材料，一種是用于淺海的OPS（Offshore Petroleum system）級輕質復合材料，密度為0.35g/cm3，壓縮強度5.6MPa，可潛水深540米；另一種是深潛用SPD級輕質復合材料，密度為0.45-0.48g/cm3，壓縮強度25MPa，可潛水2430米。日本海洋技術中心對輕質復合材料的研制開發大體上分3個時期，第1時期是1970年水深300米的潛水作業；第2時期是80年代初研制載人深潛器“深海6500”；第3時期是1987年開始研制10千米深的水下機器人。俄羅斯目前也研制出用于6千米水深輕質復合材料，密度為0.7g/cm3，可耐壓70MPa。

    剛剛過去的幾年是人們對深海下潛發生濃厚興趣的階段，浮力材料和復合材料輕質耐壓殼已獲得不可替代的地位。美國伍茲霍爾海洋研究所研制的“海神號”機器人潛艇，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。著名導演卡梅隆乘坐“深海挑戰者號”下潛器于2012年3月下潛至10898米深的馬里亞納海溝，由玻璃微球增強樹脂制造的浮力材料的體積占到整個下潛器的75%，由trelleborg公司生產。

    從上世紀九十年代起，我國開始對深海固體浮力材料進行自主研發，而在此之前一直依賴國外進口。中科院理化所是最早從事浮力材料研究的單位。在863計劃的支持下，“十五”期間，國內率先開展原創性“高性能空心玻璃微珠產業化關鍵技術”研發，掌握了原位氣化成形的核心技術。將高性能空心玻璃微珠用于固體浮力材料研究，利用致密堆積技術解決了微球在聚合物基材中的密堆積無缺陷的技術難題，研制出密度低、性能優的樣品。“十二五”期間，采用自主知識產權的軟化學制備技術，突破傳統固相法制備工藝的技術壁壘，解決了產品批次穩定性的技術問題，為固體浮力材料的規模生產奠定了堅實的技術基礎；2013年，自主研制的固體浮力材料模塊在南海成功進行了長達155天的海試試驗，樣品吸水率小于1%，性能達到國際水平，標志著我國自主掌握了4500米浮力材料的重要核心關鍵技術。2017年中科院理化所完成了4500米級載人潛水器用固體浮力材料生產線的籌建及調試，生產出批產穩定的產品，使我國成為世界上為數不多的生產深潛用固體浮力材料的國家之一。目前，隨著全海深載人潛水器重點專項工作的推進，2018年初中科院理化所也在開展萬米浮力材料的定型測試，不久的將來我國也會迎來萬米浮力材料的國產化。

    除了中科院理化所，深海固體浮力材料國內研發生產的另一“巨頭”就是海洋化工研究院。在“蛟龍”號之前的“海馬”號，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看，國產化的全面“開花”不僅擺脫了長期依賴進口的局面，而且節省了大量成本。像“蛟龍”號那種高性能載人深海固體浮力材料，從國外進口的價格每立方米就高達80萬元，而國產材料差不多每立方米20萬元。普通的深海固體浮力材料，從國外進口需要幾十萬元，國產材料只需要10萬元左右，價格相差近4倍。除了以上兩個巨頭，青島海洋新材、中國中材、上海尖端、上海衛藍、河南泛銳研究院等企業也能實現深海固體浮力材料的研發生產。目前浮力材料的正從特種專業的小眾市場逐漸走向大眾市場。

    「未來從“小眾”走向“大眾”」

    近年來，深海固體浮力材料不再是科考裝備的“專有產品”，雖然市場仍存在局限性，但其應用的方向已越來越廣，除了深潛器、水下機器人之外，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，油突然從地下出來時遇到0~5℃的海水會突然冷卻，所以需要隔水管為海底的金屬輸油管道保溫并提供浮力。而在海底鋪設輸油管道時也需要浮力材料。

    要承受深海的巨大壓力，潛器的密度與強度是關鍵，但偏偏這兩者又是一對”歡喜冤家“。人們都希望材料的強度越大越好，因為水越深壓力就越大。但強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人，或者多載些設備等。人們都希望深海設備的密度盡量低，耐壓強度盡量高。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的固體浮力材料可在任何海深條件下應用，甚至可以到達海底最深的11000米海溝，足以滿足海筒”幫忙“，為管道提供浮力，避免其因為自身重力而下沉。隨著市場的不斷擴大，浮力材料的產量能將增加20%~30%，但由于目前仍受限于特種專用材料，市場較小，所以各個公司的年產值約為300~500萬元。雖然年產值并不高，但隨著國產化的不斷推進和特種專用材料問題的不斷改進，目前固體浮力材料已應用到水下運載系統、海洋觀測系統、海底空間站、海洋石油勘探開發等多個領域，市場前景將日趨廣闊。