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干貨 | 海洋新材料之深海浮力材料

2017-11-23 10:50:09 作者：本網發布來源：《腐蝕防護之友》分享至：

21 世紀是海洋的世紀，世界各國正在調整自己的海洋政策以及海洋領域的種種舉措，加大對于海洋資源的開發與利用。對深海資源進行勘探開發，主要依賴于水下開采作業裝備的研究和制造。浮力材料能為深海水下作業裝置提供盡可能大的凈浮力，在水下起到浮力補償的作用，是深海開發裝置的重要配置材料。

浮力材料簡介

浮力材料具備高強度、低密度、低吸水率等優異的性能，因此廣泛應用在海洋、航空航天等領域，其中，最重要的應用是裝配在深海裝備上，為其提供浮力和保證設備的平衡。海下環境復雜多端，海深每增加 1000 m，壓力就相應的增加 10 MPa，因此，根據應用海深的不同，所采用的浮力材料密度、強度等性能均有所不同。

我們通常把固體浮力材料分為兩類：

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，我們統稱為傳統浮力材料；傳統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、強度較小，不能滿足深海使用。金屬鋰的強度和模量能滿足深海使用，但是其與水反應，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的合成泡沫塑料或合成橡膠。

另一類是一種強度高、密度低的材料，我們稱其為高強輕質浮力材料，它是先進復合材料的范圍之中的，固體浮力材料的浮力調節介質包括氣體空穴、空心微球、中空塑料球或大徑玻璃球組合。根據浮力調節介質的不同可以分為以下三大類：

化學發泡法浮力材料

化學發泡法浮力材料是利用化學發泡法制成的一類泡沫復合材料，即利用樹脂固化熱使化學發泡劑分解產生氣體，分散于樹脂中發泡，然后澆鑄成型。

特點：可根據使用要求調整發泡劑用量形成不同密度的化學發泡法固體浮力材料，具有質輕、隔熱、隔音、減震等優良性能。

常用的材料：主要有聚氨醋泡沫、環氧泡沫塑料、聚氨酷環氧硬質泡沫、聚甲基丙酰亞胺泡沫等。

主要應用領域：水面或淺海等領域。

中空微球復合泡沫浮力材料

中空微球復合泡沫浮力材料是由樹脂作為基體材料，填充浮力調節機制，經加熱固化成型得到的復合材料。目前性能優良，使用最廣泛的浮力調節機制是空心玻璃微珠。

特點：

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

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

主要應用領域：主要應用在海軍艦艇、水下平臺、深海探測設備、深水設備的保護罩、水下管道連接和電纜牽引。

輕質合成復合泡沫浮力材料

為了使浮力材料的密度進一步降低，在復合泡沫浮力材料中加入了一些大直徑由高強度纖維合成的空心球，由空心球﹑空心玻璃微珠和環氧樹脂組成的復合泡沫材料稱為輕質合成復合泡沫材料，又名三相復合泡沫材料。

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

主要應用領域：三相復合泡沫材料可以應用于強度要求不是很高的場合，一般在水下 4000 m 內水深區適用。

由于材料的不同，固體浮力材料各有各的特點，在不同的領域中發揮著不同的用途，化學發泡材料、輕質合成復合塑料較多的應用于海面或者淺海勘探設備，而中空玻璃微珠和樹脂基體復合而成的復合泡沫材料則更多的用于深海勘探設備上，因為它的密度相對較小，強度相對較大，比較適用于深海環境。

深海用浮力材料的性能要求

深海裝備使用的材料應具有耐水、耐壓、耐腐蝕和抗沖擊的特性。根據深海開發裝置的性能、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），不會在規定的使用深度以內造成破壞，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系統至關重要，在海洋探測與海洋開發實際應用中，通常主要有三種：聚氨酯泡沫材料、共聚物泡沫材料和復合泡沫材料。三種常用固體浮力材料的特性和應用特性對比見下表。

國內外浮力材料研究概況

高強度浮力材料在深海作業系統中起到極為關鍵的作用，所以美、英、日、俄等工業強國在二十世紀 60 年代就開始進行研制，并已在民用、商業及軍事領域得到了廣泛應用，如海底埋纜機、聲學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，Flotec 公司，歐洲 Trelleborg?Offshore 公司、Flotation?Technologies 公司、Marine?Subsea?Group 公司、英國CRP集團、法國LA?SEYNE?SUR?MER、烏克蘭國立海洋技術大學、日本海洋技術中心、俄羅斯海洋技術研究所等。

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

在國家的鼓勵支持下，2000 年以來國內相關科研院所及高校許多學者采用輕質材料（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、北京航空航天大學、浙江大學、北京科技大學、中國海洋大學、武漢理工大學、國家海洋技術中心、西北工業大學、中科院理化技術研究所、中國船舶重工集團七一零研究所和七二五研究所等，大多處在實驗室研究階段。

雖然我國在該領域已開展了多年的相關研究，但在深潛用固體浮力材料性能方面仍落后于國外先進水平。近年，國內能夠批量生產的有以下幾家：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、河南泛銳復合材料研究院。隨著海洋技術的開發，深水浮力材料的應用前景非常廣闊，開展高性能深水浮力材料及應用技術的研發和產業化生產，替代進口產品，具有較大的市場機會，且更具有重要的科學意義和現實經濟意義。

固體浮力材料應用領域

與傳統浮力材料相比，密度小﹑耐壓強度高﹑耐候性好﹑吸水率少﹑穩定性好的固體浮力材料，一經問世就在海洋技術領域顯示出無可比擬的優勢。此外，固體浮力材料還具有優異的可加工性能，通過鋸﹑刨﹑車等加工手段，可加工成任意形狀，滿足實際使用要求，這不僅大大的提高了效率，而且節約了成本，解決了傳統浮力材料不可再加工的特點，成為 21 世紀的新型特種海洋工程材料，廣泛應用于深海運載和作業裝備﹑海上石油系統﹑海洋調查監測系統﹑海洋采礦系統﹑浮標系統等海洋領域。

固體浮力材料在深海運載和作業裝備的應用

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

為了滿足在深海工作的使用要求，水下運載系統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載系統，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定的工作狀態，是 21世紀深潛技術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的應用

為了保證石油勘探裝置在深水中的穩定工作，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用于水下浮體模塊﹑管線彎曲保護浮體﹑海纜及管線保護﹑海洋鉆井立管浮體﹑電纜及管線保護浮體﹑隔水管浮體﹑井口保護蓋浮體﹑水面浮體﹑平臺浮體﹑儲油罐浮體等海洋石油開采當中。

固體浮力材料在海洋調查監測系統的應用

海洋觀測儀器長期在惡劣的海洋環境中工作，這就需要對其提供必要的保護以及能夠持續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﹑玻璃球提供保護和浮力，但存在使用不便﹑浮力小等缺點。固體浮力材料不僅密度小，能夠提供超群的浮力，而且耐壓強度高，對儀器起到保護作用。因此，固體浮力材料已經逐漸取代傳統材料，成為海洋調查檢測系統重要的組成部分。

固體浮力材料在海洋采礦系統的應用

海洋礦產資源十分豐富，僅僅太平洋的儲存量就高達 1.7萬億噸，其中包含大量錳﹑鎳﹑銅﹑鈷等珍貴金屬資源。因此，深海開采技術已經得到各國越來越多的重視。深海開采包括礦產的采集﹑輸送系統﹑制備裝載系統和檢測系統等，是一個多環節復雜的系統工程。

固體浮力材料在海洋采礦系統中主要為機重調節部件，調節裝置的浮力狀態，保證裝置在水下正常穩定工作。因此，固體浮力材料在海洋采礦系統中發揮重要的作用。

固體浮力材料在浮標系統中的應用

海洋浮標是以在海上的觀測浮標為主體保證水上運輸和航行安全的重要觀測站。由高強固體浮力材料構成的浮標具有耐候性好﹑無污染﹑實用性強﹑便于維護﹑經濟性高等特點，廣泛應用于浮標系統中。

結語

浮力材料是深海探測與海洋開發重要的配套材料，是發展現代深潛技術的重要組成部分。經過多年的不懈努力，我國已經形成了具有自主知識產權的浮力材料系列產品，并得到了廣泛的應用。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，且規模化程度小，生產效率低。下一步研究方向是研制出高性能的商品化的浮力材料，與世界先進水平保持同步，更好地服務于國家深海探測和海洋資源的勘探開發。

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