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。深海載人潛水器在海洋開發中具有無可比擬的優越性。由于深海載人潛水器的特殊地位和作用，美、法、日、俄等國早已開展了深海載人潛水器的研制工作。美國建造了“Alvin”4 500m載人潛水器，法國建造了“Nautile”6 000m載人潛水器，日本建造了“Shinkai 6 500”6 500m載人潛水器，俄羅斯建造了“Consul”6 000m載人潛水器。目前，我國正在進行大深度載人潛水器的研制工作。載人潛水器結構中，除了能承受深水壓力的耐壓殼外，還有輕外殼。輕外殼除形成并保持潛水器的外形，以提高潛水器的水動力性能之外，還承擔著保護潛水器內部設備的重要使命。當潛水器潛入水下時，輕外殼所包絡的內部空間進水，與外部海水相連通，內、外壓力平衡，故輕外殼結構內、外側僅承受深海靜水壓力；但在水面時須要具有一定的抗沖擊能力。輕外殼結構主要是由外部殼板和內部構架組成。外部殼板形成潛水器外形；內部構架為外部殼板提供支承，并固定在載體主框架上。

    上述大深度載人潛水器都無一例外地使用了各種復合材料作為潛水器輕外殼殼板。這是由于與其它材料相比，復合材料具有很多優異的性能：無磁透波、輕質高強、成型方便、結構可設計等。眾所周知，玻璃鋼（FRP）是水下機器人常用的復合材料之一。在我國現有的潛水器規范中，僅涉及耐壓殼體的設計、材料、制造，而對潛水器輕外殼的結構設計、強度準則和加工建造要求均未提及。因此，本文以深海載人潛水器輕外殼的設計為工程背景，闡述了輕外殼的使用條件和技術要求，輕外殼材料選擇原則、輕外殼產品的成型工藝，以及應用實例分析，并通過深海模擬壓力筒保壓試驗，對其物理和機械性能進行試驗驗證。上述研究工作將為深海水下機器人（HOV，ROV，AUV）輕外殼結構的設計提供依據，并為編制我國大深度載人潛水器人級和建造規范奠定基礎。

“蛟龍號”深潛器

    輕外殼的使用條件和關鍵技術

    輕外殼的使用條件

    環境溫度為一2lC～50lC，介質為海水和海洋大氣環境；海況等級：4級布放，5級回收；工作區域為太平洋7 000m 以內海區；使用壽命為10年。

    關鍵技術要求

    根據輕外殼的使用條件，必須解決如下所述的幾個關鍵技術：

    ① 質量要輕，比強度、比剛度要高；

    ② 能夠承受潛水器布放和回收過程中的波浪沖擊載荷；

    ⑧ 布置和分塊合理，便于安裝、拆卸，維護方便；

    ④ 成型工藝性好，產品變形量小；

    ⑤ 耐腐蝕性。

    船用玻璃鋼材料的選擇

    船用玻璃鋼材料選擇的依據

    船用玻璃鋼材料的選擇既要滿足輕外殼的使用條件和關鍵技術要求，又要考慮我國船用玻璃鋼和高性能復合材料的生產及應用情況。我國船用玻璃鋼主要分為兩類：一類是通用型，另一類是高強型。此外，我國還研制出碳纖維及碳纖維與高強玻璃纖維混雜增強的復合材料，超高分子量聚乙烯纖維與高強玻璃纖維混雜增強的復合材料等。

    船用玻璃鋼材料的選擇原則和關鍵技術分析

    船用玻璃鋼材料的選擇原則

    根據輕外殼使用條件和技術要求，在選擇玻璃鋼材料時應重點考慮以下幾種情況：

    ① 樹脂基體應具有優良的耐水性和較高的斷裂伸長率；

    ② 樹脂基體應具有良好的工藝性能；

    ⑧ 增強纖維選擇高模高強玻璃纖維，必要時選擇一定量的碳纖維，以提高材料的強度和剛度；

    ④ 通過試驗確定玻璃鋼在大深度水下的物理和力學性能。

    關鍵技術分析

    ① 降低玻璃鋼材料內部空隙含量技術；

    ② 提高玻璃鋼制品在大深度水下濕態強度保留率技術；

    ⑧ 確定提高玻璃鋼制品剛度的措施，其中包括采用合理的結構型式；

    ④ 降低玻璃鋼制品收縮及變形技術。

    玻璃鋼材料選擇考慮

    根據輕外殼使用條件和技術要求中的玻璃鋼技術性能指標（干態）要求，結合國內現有船用復合材料研制應用情況，選擇船用高強玻璃鋼材料比較合適。高強玻璃鋼的一些主要性能均可滿足上述的技術要求，但其彈性模量偏低達不到要求，相差比較大。

    欲提高高強玻璃鋼材料的彈性模量，可采用下述方法：

    ① 在玻璃纖維增強材料中配置一定比例的碳纖維；

    ② 提高加強筋的剛度，選擇合適的結構要素；

    ③ 采用模壓工藝成型。

    如果采用方法① ，須作混雜比試驗，以便確定碳纖維與高強玻璃纖維的混雜比，但碳纖維與一些低電位金屬（如鋁、鐵）會發生電化學腐蝕；如果采用方法② ，須計算所需剛度及加強筋布置；如果采用方法⑧ ，須耗費較大資金作金屬模具及采用大工作臺面的加壓設備。本文暫不考慮方法⑧ 。根據上述分析，本文采用方法② 來提高玻璃鋼材料的彈性模量。樹脂基體應選擇具有較高韌性，耐水性優良的乙烯基酯樹脂，如3201 ，411 等。乙烯基酯樹脂的特點是：具有不飽和聚酯樹脂的優良工藝性，同時還具有環氧樹脂高的粘結性能，所以現在一般要求較高的玻璃鋼制品，采用該類樹脂是比較合適的。增強材料的選擇，由于復合材料的彈性模量較低，如果常溫常壓下（干態）玻璃鋼材料的彈性模量要求在20GPa左右，則可完全采用高模量玻璃布或高強度玻璃布。從鋪層角度考慮應選擇Mw一220或SW一220為宜，織紋為4枚緞，表面浸潤劑為JF45。

    耐腐蝕性

    海水的腐蝕作用分為兩類：化學腐蝕和電化學腐蝕。化學腐蝕可用適當的保護層和預防性保養使之減至最小；電化學腐蝕可以靠材料的選擇及陽極保護使之減至最小。深海載人潛水器輕外殼選材時，首先必須注意到金屬與復合材料之間的電位差，因為電位差的存在會發生電偶腐蝕問題。

    ① 由于玻璃纖維是不導電的，因而它是一種理想的電絕緣體，它能起到某種隔斷電化學腐蝕回路的功能，不會引起任何金屬材料出現電化學腐蝕，因此，它是輕外殼結構材料的理想選擇。

    ② 碳纖維復合材料是以碳絲為增強劑的新型材料。碳能導電，碳的電化學特性與貴金屬相似，在許多電介質溶液中呈現出正電位，當它與大多數金屬連接時，由于電位差將引起金屬材料出現電化學腐蝕的潛在危險。盡管鈦合金與碳復合材料的電位較接近（表2），但在潛水器上安裝的設備（如機械手及其電子閥箱、螺旋槳葉等）中，還有鋁合金和不銹鋼等低電位的金屬存在，所以不推薦碳纖維復合材料作為輕外殼的結構材料。

    ③ 機械連接是輕外殼的主要連接形式，考慮到復合材料連接接頭的接觸腐蝕問題，所有連接緊固件（螺栓、螺釘、螺母和墊圈）必須選用鈦合金材料。

    結論

    玻璃鋼輕外殼選材原則，不僅要滿足強度和剛度等要求，還要考慮到復合材料與其它低電位金屬材料發生電化學腐蝕的潛在危險，這是水下產品選材的特點之一。對于嵌入到復合材料內部的金屬件，當二者共固化時，金屬件的布置應處于對稱位置，并盡量選用電位和熱膨脹系數與復合材料相近的材料。由于玻璃鋼彈性模量和層間剪切強度較低，耐久性也差，這將使結構件的連接強度降低、剛性結構設計的形式和分塊難度增加，設計者必須進行綜合均衡，優化設計。

更多關于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等等方面的國內外最新動態，我們網站會不斷更新。希望大家一直關注中國腐蝕與防護網http://www.ecorr.org

責任編輯：王元

《中國腐蝕與防護網電子期刊》征訂啟事
投稿聯系：編輯部
電話：010-62313558-801
郵箱：ecorr_org@163.com
中國腐蝕與防護網官方 QQ群：140808414