固體浮力材料在深海裝備中的設計應用

李東梁,陳 江,丁建龍,高建洲

(中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

0 引言

深海是地球上尚未被人類充分認識的最大的潛在戰略資源寶庫，隨著各國深海探索的不斷深入，水下機器人、深?？臻g站、深海ROV等裝備設施對相關的浮力材料的要求也在逐步提高。深海裝備在深海作業時不僅需要抵抗海水的腐蝕，還要承受變載荷對結構的考驗及深海環境的高壓強，因而優異的抗腐蝕性能和高的強度/重量比是深海裝備材料所必須滿足的條件[1-2]。

GFC固體浮力材料屬于輕質高強度復合材料，主要成分是環氧樹脂與空心玻璃微球組成。這種材料的化學性質穩定，具有耐油、耐候性、耐老化、耐鹽霧、耐海水腐蝕等優良特性；與其他材料對比，具有耐腐蝕、耐高壓、低吸水率、高透聲性等優良特性，滿足深海裝備的大深度耐壓、長時間耐腐蝕的使用要求，可有效地保障深海裝備安全可靠性工作，且還能降低產品重量，從而在海洋領域應用中具有無可比擬的優越性[2]。

1 固體浮力材料的特性及選擇

固體浮力材料一般是由無機輕質填充料——玻璃微球，按照一定的比例填充到有機高分子材料——環氧樹脂中，經過化學反應得到的復合材料。現階段深海固體浮力材料由高強度的粘接劑、固化劑為基材填充輕質空心微球為骨架組成，根據不同的使用水深，調配基材和空心微球的比例參數，在一定溫度、壓力下固化成型。性能指標參數見表1。

表1 固體浮力材料的性能指標參數

其中，深潛浮力材料的基體材料一般具備強度高、密度小、與無機空心微球有良好的浸潤性，且固化前粘度小的特性，其中良好的浸潤性和固化前粘度小的特性有利于空心球的均勻分散和高比例填充[3-4]。環氧樹脂的壓縮強度一般為100～120 MPa，密度為1.15～1.5 g/cm3。目前，應用較好的材料為環氧樹脂類高分子材料。

空心微球的耐壓強度是固體浮力材料應用深度的主要因素之一，而微球本身的耐壓強度取決于材料的許用應力、球的直徑和壁厚[4]。試驗表明:經過改性樹脂加強后的微球，強度可以大大提高，當空心玻璃微球耐壓強度達到100 MPa后，完全可以承受注射、擠出等成型加工過程中的剪切應力[5-6]。若對玻璃微球進行鋼化處理或制備微晶玻璃微球，抗壓強度可達到600 MPa。經過樹脂加強后的一般微球，強度即可有較大的提高，所以對空心微球的選取需要按照使用深度選取性價比最佳的微球[7-8]。

由于固體浮力材料的性能不僅取決于基體樹脂的結構與性能、微球本身的結構強度，還與固化劑、添加劑的結構與性能及它們之間的配比，以及其成型固化歷程的工藝參數有關[9]。目前常用的方法為在對材料選擇設計的基礎上，優化工藝參數提高固體浮力材料的整體使用性能。

2 固體浮力材料的結構及設計

固體浮力材料是由無機輕質填充料，填充到有機高分子材料中，經過化學反應得到的固態化合物，一定的工藝制作出固體浮力材料。而組成深海裝備外形的固體浮力材料由多塊浮力材料粘接而成，主要為裝備提供正浮力，同時滿足載體的穩定性和水動性能，并起到圍護耐壓殼體及內部儀器設備直接與外界物體碰撞的作用[10]。設計固體浮力材料的整體結構時需要考慮浮力塊在載體中的總體布置情況，成形后載體的總體流線型、重心平衡及各外部結構之間的相互影響關系等因素。

2.1 總體配置及要求

本文以某探測載體成形為例進行說明。其中載體使用的環境溫度為-8～50 ℃，工作水深為1 000 m，介質為海水和海洋大氣環境，自重不大于1 500 kg，可提供正浮力不小于100 kg。探測載體整體結構如圖1所示。

探測載體整外形由固體材料GFC-400加工后粘接而成，內部由不銹鋼316L焊接一體的框架，固體浮力材料提供正浮力，框架用來搭載傳感器和控制部分，內部骨架結構如圖2所示。

采用固體浮力材料與框架的結構設計提高浮心的位置，并通過增大穩心高度(浮心與重心的位置差)來提高探測載體的姿態穩定性。經計算載體的穩心為72 mm，重心及浮心如圖3所示。

2.2 工藝設計

組成探測載體外形浮力塊的成形結構設計原則主要為：

1)滿足載體穩定性的原則。設計計算確保浮力塊與內置骨架相結合后的浮心在載體的上部，粘接后的浮力塊外表面按探測載體的線形加工，這樣既提高了載體的穩心又滿足載體的水動性能。

2)采用標準塊與復雜形狀塊相結合的原則。為了減少浮力塊的加工難度和降低加工成本，設計布置在載體框架內部的浮力塊時，需采用標準塊和復雜形狀相結合的方式粘接；而布置在載體框架外部的浮力塊外表面要滿足相應部位要求的線型。

3) 利用受力的方向性，方便對浮力塊粘結的原則。尾翼采用X型布置，浮力塊對稱布置，使浮力塊與載體框架設計融為一體，互相依托方便浮力塊的粘結成形。

探測載體的成形工藝，由標準塊與復雜形狀粘結后加工成載體各部分的尺寸，然后按照工藝要求粘接成形為一整體。成形的工藝設計方案如圖4所示。

如圖4 所示，在粘接前，首先把內部骨架表面擦洗干凈，然后依次粘接舯段、艏段和艉段。浮力塊之間的間隙用同型號的浮力材料調粘結劑進行填補，固化后對表面的不平處進行磨平并在外表面噴涂防水層。成形后，載體整體排水V0=1 500 kg，空重M空=1 380±10 kg，拋載后理論正浮力F0=120±10 kg，滿足載體使用要求。

2.3 固體浮力材料浮力損失的對策

固體浮力材料是一種脆性材料，其內部材料是均勻的實體，安全性是浮力材料結構設計中的重要問題。在較大靜水壓的作用下，固體浮力材料的浮力損失主要由體積收縮和吸水2個因素引起，常用浮力材料體積收縮和吸水率2個指標來表示。

2.3.1 體積收縮率的影響及對策

在靜水壓力作用下,體積收縮率與浮力材料塊的形狀和體積大小無關，與靜水壓力P和體積彈性模量有關，體積收縮率與彈性模量近似成反比例函數關系，彈性模量可以通過檢測得出。

利用ANSYS軟件，模擬深海靜水壓力環境，對固體浮力材料試塊進行受力分析和計算。載體工作最大水深為1 000 m，即使用最大水壓P0=10 MPa，不載人固體浮力材料按實際使用水深的1.1～1.2倍計算其耐水壓強度，安全系數取1.2，加載載荷PJ=12 MPa，體積彈性模量E=2.73 GPa，泊松比μ=0.3。為保障在ANSYS中建模和網格劃分階段的可靠性及可預測性，對模型進行簡化并忽略小的倒角，網格劃分后節點數55 208，單元數31 513，如圖5所示。

計算結果顯示，載體排水量V0=1 500 kg，載體最大應變ε=0.001 795，體積變化ΔV=3ε·V0=7.1 kg，即由體積收縮率引起的浮力損失F損=7.1 kg，對于一定深度來說，通過計算體積的最大變化量額外增加一定數量的浮力材料進行補償體積收縮引起的浮力損失，針對本載體在最大水深環境中因體積收縮率引起的浮力損失的對策是增加7.1 kg的浮力抵抗體積變化引起的浮力損失。

2.3.2 吸水率的影響及對策

在靜水壓力作用下，吸水率與浮力材料所受外壓有關，也近似與浮力材料表面積和加壓時間成正比。文獻中試驗顯示，吸水率與固體浮力材料的使用次數無關，但會影響縮短浮力材料的使用壽命。吸水率(滿足≤1%的技術指標)可保證載體在大深度靜水壓工作條件下浮力的影響較小[11]。

吸水率引起浮力損失的對策：針對吸水率的影響，現有技術常采用的方法是在固體浮力材料表面噴涂阻水層。其中聚脲彈性體阻水層熱穩定性好、附著力好、耐候性好、固化快、無毒害作用，可保障固體浮力材料在長時間條件下基本不吸收水分，提高其在水中使用的安全性和可靠性[2,11]。

綜上分析，總的浮力損失約為7.1 kg，理論上固體浮力材料提供正浮力F0=120±10 kg，減去浮力損失，提供正浮力約為F實=113±10 kg，滿足使用指標大于100 kg正浮力的要求。

3 結束語

本文通過對固體浮力材料的研究應用，首先介紹了固體浮力材料的特性及選擇使用要求，然后結合具體案例分析固體浮力材料成形的一些設計原則，針對固體浮力材料在深海中使用時的浮力損失，提出相應的解決對策，最后按照設計選擇制做出符合要求的載體。該載體交付并服役多個航次，工作正常。