眾所周知，深海環境比較復雜，而且在水下，隨著下降的深度，壓力逐漸增大，這對深海裝備的壓力也提出了很高的要求。今天小編就帶大家了解一下深海裝備材料。

    一、深海裝備的耐壓殼材料技術

    深海這種特殊環境對深海裝備的耐壓殼材料提出了特殊要求。深海裝備耐壓殼材料既要有一定的抗蝕性，在一定溫度范圍內還要有相當穩定的物理性能和適當的延展性，此外還應具有較高的屈服強度和較高的彈性模量。從而使深海裝備能夠承受住由其工作深度產生的靜壓強和深海裝備在整個服役期內多次下潛和上浮產生的周期性載荷對耐壓殼的影響。

    目前深海裝備耐壓殼使用的材料分兩種：金屬材料和非金屬材料。金屬材料主要在潛艇和深潛器上使用，非金屬材料主要在深潛器上使用。

    1、金屬材料

    目前深海裝備耐壓殼使用的金屬材料主要有兩種：鋼和鈦合金。美、日、英和俄等國潛艇都使用鋼為耐壓殼體材料，這些國家的一部分潛器使用鈦合金作耐壓殼體。俄羅斯有四級潛艇使用了鈦合金作耐壓殼材料，其余潛艇均采用高強度鋼作耐壓殼體材料。

    （1）美海軍深海裝備耐壓殼使用的材料

    美海軍潛艇的耐壓殼主要使用 Hy系列調質鋼。20 世紀 60 年代以前，美海軍潛艇耐壓殼的標準用鋼為 Hy-80。為提高焊接性和焊件韌性美海軍曾多次修訂了 Hy-80 鋼的軍用規范。美海軍的“洛杉磯”級潛艇的耐壓殼就使用了Hy-80 鋼。由于在相等重量下 Hy-l00鋼的屈服強度大于 Hy-80 鋼，因此 Hy-l00 鋼現已成為美國海軍潛艇耐壓殼的標準用鋼。美海軍現役的“海狼”級潛艇的耐壓殼材料就為 Hy-l00 鋼。美海軍最新型核潛艇“弗吉尼亞”級的耐壓殼材料計劃使用 Hy-l00 鋼。美海軍還研制了 Hy-l30 鋼，計劃用 Hy-l30 取代Hy-l00 作潛艇耐壓殼材料。美海軍還在20 世紀 80 年代用 Hy-l30 鋼建造常規動力深海試驗潛艇“海豚”號分段和另一艘潛艇的三個分段。

    美海軍使用 Hy 系列調質鋼和鈦合金制造潛器的耐壓殼。1969 年美海軍用Hy-l30 鋼建造深海救援艇“DSRV-I”號，不久又用于建造“DSRV- Ⅱ”號和核動力深潛器“NR-l”號。美海軍的先進蛙人輸送系統（ASDS）的前兩艘艇 ASDS Ⅰ和 ASDS Ⅱ的耐壓殼材料使用的是 Hy-80 鋼。美海軍的“海崖”號深潛器使用鈦合金（Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo）作耐壓殼材料，該潛器下潛深度為 6100m。

    （2）日本海上自衛隊深海裝備耐壓殼使用的材料

    日本海上自衛隊潛艇用鋼有 NS-30、NS-46、NS-63、NS-80、NS-90和 NS-110。二次大戰后至 20 世紀 60年代初日本海上自衛隊潛艇耐壓殼材料使用 NS-30 和 NS-46 鋼。此后，研制成了 NS-63（Hy-80 的改進型）、NS-80、NS-90（仿制 Hy-l30）鋼。NS-90鋼除用于潛深達 2000m 的深海調查船外，NS-63 和 NS-80 鋼都已用于建造潛艇。“夕潮”級潛艇的耐壓殼使用的是NS-80 鋼。20 世紀 80 年代日本又研制了強度級別更高的潛艇用鋼 NS-110。

    日本海上自衛隊的“親潮”級潛艇的耐壓殼就是 NS-110 制成的。日本的“深海 2000”深潛器使用鈦合金（Ti-6Al-2Nb-4VELI）作耐壓殼材料。

    （3）英國海軍深海裝備耐壓殼使用的材料

    英國海軍在二次大戰后研制了 QT 系列潛艇用鋼 QT-28、QT-35 和 QT-42。20 世紀 50 年代用 QT-28 建造潛艇。1958 ～ 1965 年間廣泛使用 QT-35 鋼建造潛艇。 1968年制訂了Q1 （N） 鋼的規范。英國還仿制了 Hy-l00 和 Hy-l30，并分別命名為Q2 （N） 和Q3 （N） 鋼。 英國 “機敏”級潛艇計劃使用 Q2（N）作耐壓殼材料。

    （4）俄羅斯深海裝備耐壓殼使用的材料

    俄羅斯是世界上第一個用鈦合金建造潛艇耐壓殼的國家，其用鈦合金建造潛艇的技術世界領先。俄羅斯先后制造了四級鈦合金做耐壓殼的潛艇。A 級 6艘，P 級 1 艘，M 級 1 艘，S 級 4 艘。由于鈦合金價格昂貴，俄羅斯的這四級潛艇僅建了 11 艘。鈦合金具有強度高、重量輕、低磁性和耐腐蝕等優點。用鈦合金作耐壓殼材料可降低潛艇排水量、增大潛深和提高艇的隱蔽性。俄羅斯某些潛艇的耐壓殼材料采用 CB-2 鋼。

    2、非金屬材料

    深海潛器的耐壓殼上使用的非金屬材料主要有：先進樹脂基復合材料和結構陶瓷材料。

    （1）先進樹脂基復合材料

    先進樹脂基復合材料是指用碳纖維、陶瓷纖維、芳綸纖維等增強的聚合物復合材料。先進樹脂基復合材料具有比傳統結構材料優越得多的力學性能。例如，分別用碳纖維、芳綸纖維和碳化硅纖維增強的環氧樹脂復合材料的密度為 1.4 ～ 2.0g ／ cm，抗拉強度為 1.5 ～ 1.8GPa，略高于普通鋼材，而比強度則為鋼材的 4 ～ 6 倍，比模量為鋼材的 2 ～ 3 倍。先進樹脂基復合材料除優越的力學性能外，往往還兼有耐腐蝕、振動阻尼和吸收電磁波等功能，因此 ，在艦船上有廣闊的使用前景。

    美國海軍用石墨纖維增強環氧樹脂材料成功地制造出自動無人深潛器AUSSMOD2 的耐壓殼體。該艇的下潛深度為 6096m，按照設計，其耐壓殼體的重量／排水量比率不能超過 10.5。美海軍計劃用石墨纖維增強環氧樹脂材料代替鈦合金制造耐壓殼體封頭。

    （2）結構陶瓷材料

    陶瓷的強度和彈性模量很高，而且具有耐腐蝕、耐磨損、耐高溫的優點，密度又比一般金屬材料低，是很有發展潛力的高比強度材料。但陶瓷固有的脆性使其應用范圍受到很大的限制。先進陶瓷材料的研究取得很大進展。用高純度超細粉料經特殊加工工藝而制成的陶瓷材料顯微組織精細，性能優良，如碳化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鋯等先進陶瓷材料已逐步進入實用領域。陶瓷增韌的研究也取得一定的成果，為結構陶瓷材料的推廣應用創造了條件。利用結構瓷材料的高強度制造大深度潛水器的耐壓殼體。

    美國海軍為建造無人深海潛水器而對若干耐壓殼體候選材料進行了對比分析。結果表明，對于 6096m 的潛深，氧化鋁陶瓷耐壓殼體的重量／排水量比率小于 0.60，而同樣設計深度的鈦殼的該比率則超過 0.85。盡管氧化鋁陶瓷在幾種陶瓷材料中并不是給出最低重量／排水量比率的材料，但由于它成本較低，而且制作工藝比較成熟，故被選中用于制造 635mm 直徑的深潛器耐壓殼體。

    美海軍 1993 年對 635mm 直徑的氧化鋁陶瓷耐壓殼體并進行了試驗。實踐證明，在同樣排水量（454kg）的情況下，氧化鋁陶瓷殼體比 Ti-6A-4V 殼體的有效載荷高166％；為達到同樣的有效載荷，鈦殼體的排水量必須增加 50％，其重量增加 83％。除此而外，陶瓷殼體還具有耐腐蝕、電絕緣、非磁性和可透過輻射等優點。

    二、深海裝備的浮力材料技術

    為了解決深潛拖體、深潛器和水下機器人等的耐壓性、結構穩定性問題，并提供足夠的凈浮力，人們開始研制高強度固體浮力材料（簡稱 SBM）以替代傳統的耐壓浮力球和浮力筒。SBM 是發展現代深潛技術的重要組成部分，對保證潛器所必須的浮力，提高潛器的有效載荷，減少其外型尺寸，尤其是在建造大深度的潛器中，有著重要的作用。

    深海裝備使用的固體浮力材料應具有耐水、耐壓、耐腐蝕和抗沖擊的特性。

    對于在不同深度使用的固體浮力材料的強度要求不同，水深增加，浮力材料的強度相應增加，密度隨之增大，但浮力系數減小。此外，深海裝備上使用的高強度浮力材料還應具有吸水率低、吸水平衡的時間短等特點。在浮力材料本身不能滿足防水要求的前提下，還需在浮力材料外表面包敷防水層。同時還要保證外表面包敷材料耐腐蝕和抗沖擊，以延長深海裝備浮力材料的使用壽命。

    近年來世界上許多國家都對深海浮力材料開展了廣泛的研究工作。已研制出一些深海裝備上使用的浮力材料，這些高強度的浮力材料已在民用、商業及軍事領域廣泛應用，如在水中設備的配重，漂浮于水面或懸浮于水中的浮纜、浮標、海底埋纜機械及聲多卜勒流速剖面儀（ADCP）平臺、零浮力拖體和無人遙控潛水器（ROV）等上使用。

    目前，國內是中船重工 725 所，青島海化所，中科院理化所，中船重工702 所，701 所等從事浮力材料的研究，能生產制備的公司有臺州中浮新材料，河南泛銳復合材料研究院等。

    深海裝備上使用的浮力材料實質上是一種低密度、高強度的多孔結構材料，屬復合材料的范疇。共分三大類：中空玻璃微珠復合材料、輕質合成材料復合塑料和化學泡沫塑料復合材料。中空玻璃微珠復合泡沫是由空心玻璃小球混雜在樹脂中形成的，其中空心玻璃小球占60% ～ 70% 的體積；復合塑料由復合泡沫與低密度填料比如中空塑料或大直徑玻璃球組合改性而成；化學泡沫塑料復合材料是利用化學發泡法制成的泡沫復合材料。其中，玻璃復合泡沫的最低密度極限是 0.5g/cm ³ ，復合塑料的最低密度極限是 0.32g/cm ³，而化學泡沫塑料的最低密度極限是 0.24g/cm ³ 。

    化學泡沫塑料技術和工藝上還有兩個技術難點需要解決：①泡沫材料的強度和可靠性；②阻水面材的選擇及工藝技術。

    美、日、俄等國家從 60 年代末開始研制高強度固體浮力材料，以用于大洋深海海底的開發事業。美國海軍應用科學實驗室研制的固體浮力材，當密度為 0.35g/cm 3 時，抗壓強度為 5.5MPa。

    美國洛克希德導彈空間公司研制了兩種用途的固體浮力材料是一種用于淺海的OPS（offshore petroleum system）級固體浮力材料，密度 0.35g/cm 3 ，抗壓強度5.6Mpa，可潛水深 540m；另一種是深潛用 SPD（submersible deep quest）級固體浮力材料，密度為 0.45 ～ 0.48g/cm 3 ，抗壓強度 25MPa，可潛水深 2430m。美國 Flotec 公司生產的浮力材料，由高強度環氧基材料作基材，根據不同的使用水深，填充不同的浮力調節介質，選用適當的合成方法加工而成。為提高抗沖擊性和耐侵蝕，其外表面澆注聚乙烯或ABS 外殼，外殼厚度為 13 ～ 15mm。

    日本海洋技術中心對固體浮力材料的研制開發大體上分三個時期，第一時期是 1970 年水深 300m 的潛水作業；第二時期是 80 年代初研制載人深潛器“深海 6500”；第三時期是 1987 年開始研制 10000m 深的水下機器人。俄羅斯目前也研制出用于 6000m 水深固體浮力材料，密度為 0.7g/cm 3 、耐壓 70MPa。

    總之，深海裝備材料的優異性能決定了深海作業工作的變異性和深入性。因此，我們在大力開展深海探索工作的同時，全力推進相應先進材料的研發和研制。也實現我國在海洋領域的重要地位。

    三、大深度材料技術

    大潛深平臺及潛器等深海裝備在水下活動，要承受巨大壓力，潛得越深，壓力越大。為保證其安全，對它們的殼體材料在強度、韌性、塑性、耐疲勞性、耐海水腐蝕性、可焊性、工藝性等方面皆有較高的要求。

    就潛艇來說，二次大戰前，耐壓殼體材料一般采用強度屈服極限為 45 千克力/cm 2 級鋼材， 下潛深度不大。 二戰后，人們開始采用屈服極限為 60 千克力 /cm 2級高強度合金鋼，下潛深度逐漸增大。

    現代潛艇采用的殼體鋼材強度更高，屈服極限將近 100 千克力 /cm 2 ，有的甚至更高，因而下潛深度大大增加。

    1、高強度合金鋼

    高強度合金鋼是目前大潛深潛艇建造最重要、最關鍵的結構材料，其性能優劣直接關系到潛艇戰術性能的提高。

    美國從 20 世紀 50 年代就開始建立HY 系列艦艇結構鋼的體系平臺，目前該系列鋼包括 HY80、HY100 和 HY130等高強度合金鋼。美國“大青花魚”

    號試驗潛艇是應用 HY80 高強度鋼的第一艘潛艇，HY80 高強度鋼屈服強度為56 ～ 66.5 千克力 /cm 2 ，可保證核潛艇下潛深度達到 300 米，HY80 鋼隨后被美國各級核潛艇采用達 30 年之久，美國海軍目前在役的“洛杉磯”級攻擊型核潛艇就采用 HY80 型高強度合金鋼建造。為了適應其“海狼”級攻擊型核潛艇下潛深度增加的需要，美國海軍原打算采用正在研制的 HY130 高強度鋼，該鋼的屈服強度為 91 千克力 /cm 2 ，但由于 HY130 鋼的焊接工藝方面還有一些問題沒有解決，除少量結構及海水管路經過嚴格的檢驗仍采用 HY130 鋼外，“海狼”級攻擊型核潛艇主要的 19 種結構的構架、構件均改用已研制成功的既能抗震又能抗海水壓力的 HY100 高強度鋼制造。此種鋼屈服強度為 82 千克力 /cm 2 。“海狼”級核潛艇采用此種鋼后，其下潛深度比采用屈服強度為56 ～ 66.5 千克力 /cm 2 的 HY80 鋼建造的“洛杉磯”級核潛艇增加了 25％以上。

    “洛杉磯”級的下潛深度為 450 米，“海狼”級的下潛深度達到 610 米。美國海軍目前正在建造的面向 21 世紀的“弗吉尼亞”級攻擊型核潛艇艇體仍將采用HY100 鋼。法國核潛艇采用的 HELS80 鋼和英國核潛艇采用的 QN-1 型鋼均和美國的HY80 鋼性能相似。

    2、鈦合金鋼

    鈦合金在潛艇上的應用相當廣泛，它具有重量輕、強度大、耐熱性強、耐腐蝕等許多特性， 被譽為 “未來的金屬” ，是具有發展前途的新型結構材料。鈦合金的比強度（強度與重量比）在金屬結構材料中是很高的，它的強度與鋼材相當，但其重量僅為低碳鋼的 57% 左右。

    俄羅斯在鈦合金核潛艇的研究和制造技術上，處于國際領先地位，也是用鈦合金建造耐壓殼體的唯一國家。冷戰時期，蘇聯海軍為了抗衡美國海上力量，追求核潛艇的大潛深、高機動性，根據與美國海軍對抗的實際情況，蘇聯海軍認為，其核潛艇應具有 1000 米的深潛能力，因為當時世界各國尚無任何潛艇和武器能在 1000 米的深度上作戰，且在該深度上潛艇還可以有效地躲避敵人的探測和攻擊。到 20 世紀 60 年代后期，蘇聯由于在新型結構材料的試驗研究，特別是關于高強度鈦合金的制造工藝已經逐漸成熟，已有能力建造出滿足這種大潛深要求的核潛艇，于是，蘇聯海軍開始大量應用鈦合金建造潛艇艇殼。水下排水量 3600 噸的“阿爾法”級攻擊型核潛艇采用雙層殼體建造，每艘用鈦量高達650噸， 下潛深度達到900米。 “塞拉”級多用途核潛艇也采用耐壓殼體鈦合金建造，工作深度 700 米，極限下潛深度達 800 米。這些高強度合金鋼和鈦合金鋼對大潛深潛艇以外的其它深海裝備同樣適用。