21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，世界各國正在調(diào)整自己的海洋政策以及海洋領(lǐng)域的種種舉措，加大對于海洋資源的開發(fā)與利用。對深海資源進(jìn)行勘探開發(fā)，主要依賴于水下開采作業(yè)裝備的研宄和制造。浮力材料能為深海水下作業(yè)裝置提供盡可能大的凈浮力，在水下起到浮力補(bǔ)償?shù)淖饔茫巧詈ｉ_發(fā)裝置的重要配置材料。

    浮力材料簡介

    浮力材料具備高強(qiáng)度、低密度、低吸水率等優(yōu)異的性能，因此廣泛應(yīng)用在海洋、航空航天等領(lǐng)域[1]，其中，最重要的應(yīng)用是裝配在深海裝備上，為其提供浮力和保證設(shè)備的平衡。海下環(huán)境復(fù)雜多端，海深每增加1000 m，壓力就相應(yīng)的增加10 MPa，因此，根據(jù)應(yīng)用海深的不同，所采用的浮力材料密度、強(qiáng)度等性能均有所不同。

    我們通常把固體浮力材料一般分為兩類：

    一類是包括常見的浮筒、浮球及木材或橡膠制作的浮力材料，我們統(tǒng)稱為傳統(tǒng)浮力材料；傳統(tǒng)的浮力材料一般低密度汽油、氨、硅油等液體浮桶、泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫鋁、金屬鋰、木材和聚烯烴材料等。封裝的液體浮桶易漏，容易污染海域，泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫鋁和木材的模量、強(qiáng)度較小，不能滿足深海使用。金屬鋰的強(qiáng)度和模量能滿足深海使用，但是其與水反應(yīng)，且價格較貴。淺海用浮力材料通常采用軟木、浮力球、浮力筒及具有一定強(qiáng)的合成泡沫塑料或合成橡膠。

    另一類是一種強(qiáng)度高、密度低的材料，我們稱其為高強(qiáng)輕質(zhì)浮力材料，它是先進(jìn)復(fù)合材料的范圍之中的，固體浮力材料的浮力調(diào)節(jié)介質(zhì)包括氣體空穴、空心微球、中空塑料球或大徑玻璃球組合[2]。根據(jù)浮力調(diào)節(jié)介質(zhì)的不同可以分為以下三大類：

    化學(xué)發(fā)泡法浮力材料

    化學(xué)發(fā)泡法浮力材料是利用化學(xué)發(fā)泡法制成的一類泡沫復(fù)合材料，即利用樹脂固化熱使化學(xué)發(fā)泡劑分解產(chǎn)生氣體，分散于樹脂中發(fā)泡，然后澆鑄成型[3];

    特點(diǎn)：可根據(jù)使用要求調(diào)整發(fā)泡劑用量形成不同密度的化學(xué)發(fā)泡法固體浮力材料，具有質(zhì)輕、隔熱、隔音、減震等優(yōu)良性能。

    常用的材料：主要有聚氨醋泡沫、環(huán)氧泡沬塑料、聚氨酷環(huán)氧硬質(zhì)泡沬、聚甲基丙酰亞胺泡沬等。

    主要應(yīng)用領(lǐng)域：水面或淺海等領(lǐng)域。

    中空微球復(fù)合泡沫浮力材料

    中空微球復(fù)合泡沫浮力材料是由樹脂作為基體材料，填充浮力調(diào)節(jié)機(jī)制，經(jīng)加熱固化成型得到的復(fù)合材料[4]。目前性能優(yōu)良，使用最廣泛的浮力調(diào)節(jié)機(jī)制是空心玻璃微珠。

    特點(diǎn)：

    1、純復(fù)合泡沫固體浮力材料具有可設(shè)計性，通過調(diào)整空心微球的粒徑大小以及填充量可設(shè)計出不同密度和力學(xué)性能的固體浮力材料；

    2、具有低密度、高壓縮強(qiáng)度、低蠕變和良好的耐水性能以及優(yōu)越的隔熱隔音和電性能等特性，可滿足不同使用的要求；

    主要應(yīng)用領(lǐng)域：主要應(yīng)用在海軍艦艇、水下平臺、深海探測設(shè)備、深水設(shè)備的保護(hù)罩、水下管道連接和電纜牽引。

    輕質(zhì)合成復(fù)合泡沬浮力材料

    為了使浮力材料的密度進(jìn)一步降低，在復(fù)合泡沫浮力材料中加入了一些大直徑由高強(qiáng)度纖維合成的空心球，由空心球﹑空心玻璃微珠和環(huán)氧樹脂組成的復(fù)合泡沫材料稱為輕質(zhì)合成復(fù)合泡沫材料，又名三相復(fù)合泡沫材料[5]。

    特點(diǎn)：相比于兩相復(fù)合泡沫材料，三相復(fù)合泡沫材料的密度更低，同時意味著耐壓強(qiáng)度低，這是由于三相復(fù)合泡沫材料的微球填充量增大，填充的環(huán)氧樹脂減少，使得材料的性能主要取決于微球，但其強(qiáng)度要高于一般的化學(xué)發(fā)泡浮力材料。

    主要應(yīng)用領(lǐng)域：三相復(fù)合泡沫材料可以應(yīng)用于強(qiáng)度要求不是很高的場合，一般在水下 4000m 內(nèi)水深區(qū)適用。

    由于材料的不同，固體浮力材料各有各的特點(diǎn)，在不同的領(lǐng)域中發(fā)揮著不同的用途，化學(xué)發(fā)泡材料、輕質(zhì)合成復(fù)合塑料較多的應(yīng)用于海面或者淺海勘探設(shè)備，而中空玻璃微珠和樹脂基體復(fù)合而成的復(fù)合泡沫材料則更多的用于深海勘探設(shè)備上，因?yàn)樗拿芏认鄬^小，強(qiáng)度相對較大，比較適用于深海環(huán)境。

    深海用浮力材料的性能要求

    深海裝備使用的材料應(yīng)具有耐水、耐壓、耐腐蝕和抗沖擊的特性。根據(jù)深海開發(fā)裝置的性能、使用條件，深海探測用浮力材料必須滿足如下要求：

    （1）靜水壓力（潛器每潛深100m,水壓增加1Mpa），不會在規(guī)定的使用深度以內(nèi)造成破壞，即抗壓條件；

    （2）浮力材料的密度盡可能的小，使其單位體積提供盡可能大的浮力。從而提高無人潛器的工作性能；

    （3）低的吸水率和高體積彈性模量，使它在較大的水壓下能提供穩(wěn)定的浮力，保證潛器安全可靠的工作。

    通常浮力材料的選擇對于整個水下作業(yè)系統(tǒng)至關(guān)重要，在海洋探測與海洋開發(fā)實(shí)際應(yīng)用中，通常主要有三種：聚氨酯泡沫材料、共聚物泡沫材料和復(fù)合泡沫材料。三種常用固體浮力材料的特性和應(yīng)用特性對比見下表。

    國內(nèi)外浮力材料研究概況

    高強(qiáng)度浮力材料在深海作業(yè)系統(tǒng)中起到極為關(guān)鍵的作用，所以美、英、日、俄等工業(yè)強(qiáng)國在二十世紀(jì)60年代就開始進(jìn)行研制，并已在民用、商業(yè)及軍事領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如海底埋纜機(jī)、聲學(xué)多普勒流速剖面儀平臺、零浮力拖體、無人遙控潛水器、載人潛水器等。

    國外的固體浮力材料的主要制造商有： 美國的 Emerson＆Cuming 公司，F(xiàn)lotec 公司，歐洲 Trelleborg Offshore 公司、Flotation Technologies 公司、Marine Subsea Group公司、英國CRP集團(tuán)、法國 LA SEYNE SUR MER、烏克蘭國立海洋技術(shù)大學(xué)、日本海洋技術(shù)中心、俄羅斯海洋技術(shù)研究所等[6]。

    目前，深水浮力材料制備技術(shù)主要為美國、俄羅斯、日本等國所掌握，在市場上形成壟斷銷售。國內(nèi)浮力材料與國外相比，耐壓強(qiáng)度低，可靠性能差，最大工作深度與國外產(chǎn)品有巨大差距。

    在國家的鼓勵支持下，2000年以來國內(nèi)相關(guān)科研院所及高校許多學(xué)者采用輕質(zhì)材料（陶瓷微珠、空心微珠）研制了多種類型固體浮力材料，比如：哈爾濱工程大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)、北京科技大學(xué)、中國海洋大學(xué)、武漢理工大學(xué)、國家海洋技術(shù)中心、西北工業(yè)大學(xué)、中科院理化技術(shù)研究所、中國船舶重工集團(tuán)七一零研究所和七二五研究所等，大多處在實(shí)驗(yàn)室研究階段[7]。

    雖然我國在該領(lǐng)域已開展了多年的相關(guān)研究，但在深潛用固體浮力材料性能方面仍落后于國外先進(jìn)水平。近年，國內(nèi)能夠批量生產(chǎn)的有以下幾家：青島海洋化工研究院、湖北海山科技有限公司、臺州中浮新材料科技股份有限公司、河南泛銳復(fù)合材料研究院。隨著海洋技術(shù)的開發(fā)，深水浮力材料的應(yīng)用前景非常廣闊，開展高性能深水浮力材料及應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，替代進(jìn)口產(chǎn)品，具有較大的市場機(jī)會，且更具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)經(jīng)濟(jì)意義。

    固體浮力材料應(yīng)用領(lǐng)域

    與傳統(tǒng)浮力材料相比，密度小﹑耐壓強(qiáng)度高﹑耐候性好﹑吸水率少﹑穩(wěn)定性好的固體浮力材料，一經(jīng)問世就在海洋技術(shù)領(lǐng)域顯示出無可比擬的優(yōu)勢。此外，固體浮力材料還具有優(yōu)異的可加工性能，通過鋸﹑刨﹑車等加工手段，可加工成任意形狀，滿足實(shí)際使用要求，這不僅大大的提高了效率，而且節(jié)約了成本，解決了傳統(tǒng)浮力材料不可再加工的特點(diǎn)，成為 21 世紀(jì)的新型特種海洋工程材料，廣泛應(yīng)用于深海運(yùn)載和作業(yè)裝備﹑海上石油系統(tǒng)[8, 9]﹑海洋調(diào)查監(jiān)測系統(tǒng)﹑海洋采礦系統(tǒng)﹑浮標(biāo)系統(tǒng)[10, 11]等海洋領(lǐng)域。

    固體浮力材料在深海運(yùn)載和作業(yè)裝備的應(yīng)用

    “海龍?zhí)?rdquo;水下機(jī)器人

    近幾年，隨著海洋戰(zhàn)略資源地位的不斷提高，世界各國開始紛紛研制深海運(yùn)載和作業(yè)裝置，如水下機(jī)器人﹑載人潛水器等。水下運(yùn)載系統(tǒng)對于海洋開發(fā)和利用具有重要的意義。

    “海馬”號無人潛水器

    為了滿足在深海工作的使用要求，水下運(yùn)載系統(tǒng)的浮力材料一般為高性能固體浮力材料。由高性能固體浮力材料制備的水下運(yùn)載系統(tǒng)，不僅能夠下潛到更大的深度，提高有效載荷，減少能耗，而且還能保持水下穩(wěn)定的工作狀態(tài)，是21世紀(jì)深潛技術(shù)中不可或缺的重要組成部分。

    固體浮力材料在海洋石油系統(tǒng)的應(yīng)用

    為了保證石油勘探裝置在深水中的穩(wěn)定工作，需要安裝固體浮力材料，為其提夠足夠的靜浮力。因此，固體浮力材料廣泛應(yīng)用于水下浮體模塊﹑管線彎曲保護(hù)浮體﹑海纜及管線保護(hù)﹑海洋鉆井立管浮體﹑電纜及管線保護(hù)浮體﹑隔水管浮體﹑井口保護(hù)蓋浮體﹑水面浮體﹑平臺浮體﹑儲油罐浮體等海洋石油開采當(dāng)中。

    固體浮力材料在海洋調(diào)查監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

    海洋觀測儀器長期在惡劣的海洋環(huán)境中工作，這就需要對其提供必要的保護(hù)以及能夠持續(xù)提供靜浮力的浮力裝置。前期的海洋觀測儀器一般通過空心金屬桶﹑玻璃球提供保護(hù)和浮力，但存在使用不便﹑浮力小等缺點(diǎn)。固體浮力材料不僅密度小，能夠提供超群的浮力，而且耐壓強(qiáng)度高，對儀器起到保護(hù)作用。因此，固體浮力材料已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)材料，成為海洋調(diào)查檢測系統(tǒng)重要的組成部分。

    固體浮力材料在海洋采礦系統(tǒng)的應(yīng)用

    海洋礦產(chǎn)資源十分豐富，僅僅太平洋的儲存量就高達(dá) 1.7 萬億噸，其中包含大量錳﹑鎳﹑銅﹑鈷等珍貴金屬資源。因此，深海開采技術(shù)已經(jīng)得到各國越來越多的重視。深海開采包括礦產(chǎn)的采集﹑輸送系統(tǒng)﹑制備裝載系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)等，是一個多環(huán)節(jié)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

    固體浮力材料在海洋采礦系統(tǒng)中主要為機(jī)重調(diào)節(jié)部件，調(diào)節(jié)裝置的浮力狀態(tài)，保證裝置在水下正常穩(wěn)定工作。因此，固體浮力材料在海洋采礦系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。

    固體浮力材料在浮標(biāo)系統(tǒng)中的應(yīng)用

    海洋浮標(biāo)是以在海上的觀測浮標(biāo)為主體保證水上運(yùn)輸和航行安全的重要觀測站。由高強(qiáng)固體浮力材料構(gòu)成的浮標(biāo)具有耐候性好﹑無污染﹑實(shí)用性強(qiáng)﹑便于維護(hù)﹑經(jīng)濟(jì)性高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于浮標(biāo)系統(tǒng)中。

    結(jié)語

    浮力材料是深海探測與海洋開發(fā)重要的配套材料，是發(fā)展現(xiàn)代深潛技術(shù)的重要組成部分。經(jīng)過多年的不懈努力，我國已經(jīng)形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的浮力材料系列產(chǎn)品，并得到了廣泛的應(yīng)用。但由于其核心原料——高性能空心玻璃微珠的缺乏，使得浮力材料性能與國外相比仍有一定的差距，且規(guī)模化程度小，生產(chǎn)效率低。下一步研究方向是研制出高性能的商品化的浮力材料，與世界先進(jìn)水平保持同步，更好地服務(wù)于國家深海探測和海洋資源的勘探開發(fā)。

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責(zé)任編輯：王元

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