摘 要: 殼體材料是深海武器和探測裝備的核心構件，其力學性能決定著裝備負載和下潛深度。文章針對全海深水中兵器對輕質殼體材料的需求，分析了傳統殼體材料性能的不足以及國內外殼體材料研究的最新進展，展望了未來殼體材料的發展趨勢。 

關鍵詞: 殼體材料；力學性能；水中兵器；輕質；研究進展

引言 

近年來國際矛盾和利益紛爭不斷，維護國內主權和國際安全在海洋方面的特殊需要日益迫切。而海洋安全及開發利用也在朝著深遠海方向不斷在發展，維護和發展遠海經濟航道以及建立海陸空天多維一體權益對水下裝備發展提出了更高更新的要求。深海資源的探索研究和開發利用， 要求深潛器殼體材料具有高的比強度、比模量、耐壓穩定性好等性能。水下大深度發射對相關武器裝備也有類似的要求。隨著我國材料研究不斷的革新發展，涌現出了一些可適用于深海裝備的殼體材料，但是材料的最終選擇，考慮的因素是多方面的，既要考慮材料的強度、模量、密度， 耐蝕性，還要考慮材料的可塑性，能否滿足復雜 殼體的成形需求。本文回顧了近年來輕質高強高模量殼體材料的研究最新進展，為深海武器裝備在材料設計方面提供參考。 

1  海洋裝備對殼體材料的要求 

殼體作為水中武器裝備的重要和主要組成部分，其材料性質、結構形式對于裝備的最終服役性能有著決定性的影響。裝備要在深海中長期進行服役，殼體材料就要滿足在輕質、耐壓、耐腐蝕等方面的要求，要能夠經受住高強的外海水 壓力以及具有一定的隱身功能，保障裝備的安全性和有效性。除了考慮材料的力學、腐蝕以及阻尼性能外，從裝備的角度，還要考慮材料的可加 工以及連接性能，如車削、銑磨、焊接等。另外，材料的成本也很重要，材料的性能高，成本還要低，可規模化生產應用。

2  海洋環境用殼體材料分類及研究進展

海洋環境用殼體材料的種類眾多，有鋁合金、合金鋼、鈦合金以及非金屬復合材料等。合金鋼由于有著高的彈性模量和強度，可滿足水中兵器的一般需求，但是合金鋼的密度大，具有磁性，耐蝕性較差，限制了其在水中兵器中的應用。鈦合金的彈性模量和抗拉強度高，耐蝕性好，但是材料密度大的問題需要進一步解決。目前滿足深海環境下對材料的要求材料主要有鈦合金、陶瓷、非金屬復合材料以及金屬基復合材料。各類材料的性能見表 1 。

表 1 水中兵器用材料性能比較

2.1 鋁合金 

鋁合金的密度小，比強度高，能夠提高裝備的負載能力，增強裝備的威力，因此鋁合金已經被廣泛用于各類中、小型水中兵器殼體的制造。 

美國海軍將鋁合金應用在水中兵器中的時間比較早，而且還在發展新型的鋁合金材料，美國采用曾經采用 606l-T6 鋁合金作為水中兵器外殼材料，其耐蝕性較好，但強度稍低。近些年美軍又將 7175-T73 高強耐蝕鋁合金應用在水中兵 器上，并在 MK48 魚雷燃料艙段得到了大量應用。為了進一步提高水中兵器殼體材料的比強度，美國還發展研究了 AA5091 鋁合金，密度為 2.57 g/cm3 ， 抗拉強度為 412 MPa，彈性模量為 79.2 GPa[4-6]。為了進一步提升鋁合金的耐蝕性，通常采用陽極氧化和微弧氧化的方法進行表面防腐處理。 

我國水中兵器殼體根據型號及性能要求，對耐蝕性和強度要求均高的殼體采用 7XXX 系超高強度鋁合金，如制訂了 CB 1191-2014《魚雷殼體用 7A19 鋁合金厚壁擠壓管》和 CB 1192-2018《魚雷用 7A19 鋁合金鍛件規范》等材料標準。7A19 屬可變性高強鋁合金，其熱處理后的抗拉強度可達 450 MPa 以上。對強度要求不高的殼體采用鑄造鋁合金，并制定了 CB 1249-1994《魚雷用 ZAlSi7Mg 高強度鑄造鋁合金》材料標準。 

但是鋁合金材料的比模量較低，難以在大深度環境中應用。隨著水中兵器對鋁合金越來越高的要求，鋁合金在水中兵器中的應用正在向輕質、 高強度，高模量的方向發展。

2.2 鈦合金 

鈦合金的密度較鋁合金高，具有強度高、模量高、耐蝕性好等特點，適合制作低航速的水中兵器殼體。 

國外發達國家對海洋環境用鈦合金研究的起步較早，俄羅斯和美國在這一研究領域處于世界領先水平。俄羅斯是世界上研制和使用艦用鈦合金最早、使用范圍最廣、使用數量最多的國家， 在 30 年使用經驗和長期研發成果基礎上，已經建立了包括 пT-1M、пT-7M、OT4、2B、пT-3B、5B 等強度級別包括 490 MPa 級、585 MPa 級、 700 MPa 級、835 MPa 級的艦用鈦合金體系。美國艦用鈦合金主要包括 Gr2、Gr3、Gr5、Gr9、 Gr23、Gr32 等牌號，涵蓋了 275～828 MPa 強度級別，均建立了系列材料標準。雖然上述鈦合金均建立了系列材料標準，但由于與我國海洋環境用鈦合金材料的合金成分不同，所以無法適用和指導我國進行相關裝備的建造。

圖 1 鋁合金殼體材料及其應用

我國現行的海洋環境用鈦合金標準主要包括船體結構用標準以及海水管路系統用標準。其中船體結構用鈦合金標準主要為國家軍用標準， 包括鈦及鈦合金棒材、鑄件、鍛件、板材等。 

我國鈦合金歷經多年發展，已經形成了自己的材料體系，在潛水器領域，鈦合金材料的研制技術已經處于世界前列。表 2 列舉了世界各國深潛器技術性能，我國的奮斗者號已經可坐底亞里亞納海溝最深處。奮斗者號在研制過程中采用 Ti62A 鈦合金，改良了傳統鈦合金設計加工方案， 完善纖維結構，解決了超強、高韌、大尺寸，超厚天合金材料成形均勻性、力學性能穩定性、可焊性等一系列難題，使得新型鈦合金綜合性能得到大幅提升。

表 2 世界各國深潛器技術性能

圖 2 采用鈦合金作為殼體的深潛器

2.3 金屬基復合材料

金屬基復合材料是為了彌補金屬材料的比強度、比模量不足在近年來發展起來的一種材料， 它是以金屬及其合金為基體，以陶瓷顆粒、晶須、 纖維為增強體，能夠顯著提升材料的比模量，并使得材料保持一定的塑性。目前金屬基復合材料應用比較成熟的是顆粒增強金屬基復合材料。其具有增強體體積分數可調、塑性高、各向同性等特點。晶須以及纖維增強金屬基復合材料目前在航空航天領域有一定的應用，在海洋環境中的應用鮮有報道。 

顆粒增強金屬基復合材料，基體可選用鎂合金、鋁合金、鈦合金以及銅合金，鎂基復合材料的比強度高，但是模量低，耐蝕性較差；鈦基以及銅基復合材料其密度相比鋁基復合材料大的多，材料成本也高。因此在在水中兵器領域，鋁基復合材料應用較為廣泛。美國海軍自 80 年代就開始規劃鋁基復合材料在水中兵器領域中的應用研究，研制出了 MK48 燃料艙殼體。國內目前也在加緊金屬基復合材料在海洋環境中的應用研究，并制定了相關標準，相信未來金屬基復合材料可取代鋁合金、鈦合金在水中兵器中得到更廣泛的應用。

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