我国深海浮力材料的研究现状及其发展

本文介绍了浮力材料的分类,并分析了国内外深海浮力材料的研究现状,对我国浮力材料的发展方向作出了预期

期 末 论 文

我国深海浮力材料的研究现状及其发展

科 目： 材料科学前沿讲座

专业年级： 材料化学2010级

姓 名： 柳 倩

学 号： 140112010027

本文介绍了浮力材料的分类,并分析了国内外深海浮力材料的研究现状,对我国浮力材料的发展方向作出了预期

我国深海浮力材料的研究现状及其发展

【摘要】 高强度固体浮力材料是现代深潜技术的重要组成部分之一， 对保证潜器浮力、 增大潜器有效载荷有着重要作用。本文简要介绍了化学泡沫复合材料、微球复合泡沫材料和轻质复合材料三种固体浮力材料及国内外固体浮力材料的技术发展概况。分析了我国深海固体浮力材料开发过程中所存在的问题，并最后在此基础上展望了我国固体浮力材料的发展方向。

【关键词】 固体浮力材料、空心玻璃微珠、复合泡沫材料、发展历程、研究方向；

一、前言

海洋是资源和能源的宝库，尤其是深海领域。在海洋深处， 蕴藏着丰富的大洋多金属结核矿、石油、天然气、热液硫化物 天然气水合物及深海生物基因资源等。在陆地资源日益枯竭的情形下，向海洋开发已成必然趋势。21世纪将是海洋的世纪，世界各国正在调整自己的海洋政策以及海洋领域的种种举措，加大对于海洋资源的开发与利用。随着海洋开发科学的兴起，首先需要对大陆架以及深海进行勘探与考察。利用载人或无人深潜器在深海中进行直接观察、摄影、测量、取样以及设置必要的仪器设施、水下作业等深潜技术是海洋开发中所必不可少的。

深海勘探开发主要以深潜技术为基础，利用潜器、水下机器人等在深海进行观察、测量、取样、安装必要的仪器设施、进行水下作业等。深海潜水器由于下潜深、环境压力大，常采用无动力上浮技术，这就需要潜水器在耐压的同时，可以提供一定的浮力，从而保障潜水器和潜航员的安全。为了达到此目标，人们便开始研制轻质高强的固体浮力材料，并将其作为深海潜水器的外壳，对保证潜器浮力、增大潜器有效载荷和减小其外型尺寸等起到了重要作用。浮力材料实际使用时需长期浸泡在水中，要求其耐水、耐压、耐腐蚀和抗冲击。在水中的 使用深度不同，对它的强度要求也不同，水深增加，材料的强度亦增加，相对密度随之加大，但浮力系数降低。尤其是在海洋中每增加100m深度，物体受到的压强就将增加约10个大气压，即1MPa。因此，先进固体浮力材料应该既轻又强，即在保持密度较低的情况下，大幅提高耐压强度，但往往密度降低的同时，压强也随之降低。

本文介绍了浮力材料的分类,并分析了国内外深海浮力材料的研究现状,对我国浮力材料的发展方向作出了预期

高强度的浮力材料在民用、商业以及军事上有着广泛的应用，如水中设备的配重，漂浮于水面或悬浮于水中的浮缆、浮标，海底埋缆机械以及声多普勒流速剖面仪平台，零浮力拖体，无人遥控潜水器等。使用条件不同，对其性能的要求也不一样。随着海洋技术的开发，高强度浮力材料的应用前景非常广阔。

目前，先进固体浮力材料制备技术主要为美国、俄罗斯等国所掌握。其材料密度一般可在0. 4～0. 6 g/cm3，耐压强度则在40～100 MPa。国内浮力材料一般采用聚氨酯泡沫、环氧树脂泡沫或其他发泡塑料，与国外相比，材料成本低; 但耐压强度低，浸水一段时间后，失去浮力，可靠性能差，最大工作深度400m左右。虽然我国在该领域已开展了多年的相关研究，但在深潜用固体浮力材料性能方面仍落后于国外先进水平。

二、固体浮力材料分类

固体浮力材料是一种以胶黏剂为基体、气体空穴为浮力调节介质的复合材料。按照气体空穴来源的不同，固体浮力材料可以分为３大类：化学发泡浮力材料、空心微球浮力材料（也被称为两相复合泡沫材料）和复合轻质浮力材料（三相复合泡沫材料）。

空心微球浮力材料是由空心玻璃小球混杂在树脂中形成的，空心玻璃小球占60%~70%的体积。复合轻质浮力材料是由复合泡沫和低密度填料组合改性而成。其气体空穴除了由空心微球（大多为空心玻璃微珠）提供，还来自低密度填料，如中空塑料球或大径玻璃球等。化学发泡浮力材料是利用化学发泡法制成的泡沫复合材料。这三种浮力材料由于材质的不同，有着各自的性能特点，因此在海洋环境中有着不同的应用范围。其中，空心微球浮力材料的最低密度极限是0.5g/cm3,复合轻质浮力材料的最低密度极限是0.32g/cm3,而化学发泡浮力材料的最低密度极限是0.24g/cm3，这些极限值不包括用于海面浮力的材料。且上述极限值仅仅是理想值，在实际情况中较难实现。目前，空心玻璃微珠浮力材料是国内外报道最多的一类固体浮力材料，已成功地应用于深海载人潜水器的制备当中。

三．制备方法

制备浮力材料的方法通常有浇注法、真空浸渍法、液体传递模塑法、颗粒堆积法以及压塑法等。其中浇注法和液体传递模塑法填充量较低，制品的密度较大；

本文介绍了浮力材料的分类,并分析了国内外深海浮力材料的研究现状,对我国浮力材料的发展方向作出了预期

而其他方法虽然填充率都较高，但也都有各自的应用限制。真空浸渍法生产规模有限，制造大型产品困难；颗粒堆积法要求基体为粉末，且树脂含量较低，产品的强度也会因此降低；压塑法是较为理想也是目前最常用的成型方法，但空心玻璃微珠在一定压力下会破碎，因此对控制成型压力的要求十分严格。总之，研发高性能的空心玻璃微珠，做到用最少的胶黏剂将其粘结成型，以获取最大的η和φ值，是制备低密度空心玻璃微珠浮力材料的主要研究方向。

四、国内外发展概况

1.国外技术发展概况

美、日、俄等国家从20世纪60年代末开始研制高强度固体浮力材料，以用于大洋深海海底的开发事业。美国海军应用科学研究实验室研制的轻质复合材料，当密度为 0. 35 g/cm3时，抗压强度 5. 5 MPa。美国洛克希德导弹空间公司研制的深潜用 SPD ( Submersible Deep Quest) 级轻质复合材料，密度为0.45～0. 48 g / cm3，压缩强度 25 MPa，可潜水深2430 m。美国艾默生和康明复合材料公司 (简称ECCM) 最近开发了 TG和 DS 型两种新型的两相复合泡沫材料。TG 型材料，密度在0.38～0.45g/cm3，可以在0～4000 m水深区域使用; DS 型材料的密度则在 0.5～0.56g/cm3，最大使用深度超过11000 m。其中TG 型新型两相复合泡沫材料由于密度小，具有更好的耐压性能及安全性，所以正逐渐取代三相复合泡沫材料在0～4000m水深的应用.虽然TG和DS型两相泡沫属 ECCM公司的核心技术,无法查询到相关制备方法，但它们作为空心玻璃微珠与聚合物树脂的复合物，性能的改善必然与这两种原料及其复合工艺有关。

日本海洋技术中心对固体浮力材料的研制开发大体上分三个时期，第一个时期是1970年水深300 m的潜水作业;第二个时期是20世纪80年代初研制载人深潜器“深海6500”;第三个时期是1987年开始研制10 km深的水下机器人。俄罗斯目前也研制出用于6km水深固体浮力材料，密度为0. 7 g/cm3，可耐压70 MPa。

美国、日本和俄罗斯等国家已经解决了水下6000m用低比重浮力、材料的技术难题，并已形成系列标准。客户可以选用标准部件，也可根据需要提出要求，由公司的专业人员根据使用条件，设计满足耐压要求的各种复杂形状的结构件。固体浮力材料的主要制造商有: 美国的 Emerson ＆ Cuming 公司，Flo-tec 公 …… 此处隐藏：8332字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……