非金屬潛水器耐壓殼發展概況及展望

羅珊，李永勝，王緯波

1 中國船舶科學研究中心，江蘇無錫214082

2 船舶振動噪聲重點實驗室，江蘇無錫214082

3 常州工程職業技術學院，江蘇常州213164

0 引 言

海洋已成為21 世紀各國爭奪戰略優勢的制高點，而海斗深淵科學處于現階段海洋科學研究的最前沿，深海潛水器裝備的重要性日益凸顯。目前，各國都開始以“全海深”作為最新一代潛水器的設計目標，我國“十三五”重點研發計劃也部署了萬米載人/無人深潛科技目標［1-2］。潛水器屬于重量敏感型裝備，而耐壓殼是潛水器的核心部件，容重比（重量與排水量之比）是其設計時需要考慮的一個重要參數。耐壓殼的主要設計目標是在滿足結構力學性能要求的同時，盡可能減小容重比［3］，而高性能材料的選用是實現這一目標的主要方式之一。

耐壓殼的材料特性主要取決于工作環境和受載情況。耐壓殼在水中工作，主要承受靜水壓力以及潛水器多次上升、下潛引起的周期性載荷，此外，還需要考慮在高鹽、高腐蝕的海洋環境浸泡時工作的因素，因此，耐壓殼材料應該具有高比強度、高比剛度、抗疲勞、耐腐蝕等特性。目前，潛水器耐壓殼的制造主要選用金屬和非金屬材料。傳統的金屬材料，如高強度鋼、鈦合金、鋁合金等已在潛水器的耐壓殼中得到廣泛應用；成功應用于潛水器耐壓殼上的非金屬材料主要有復合材料、陶瓷、玻璃等，由于它們普遍具有質量輕、強度高、耐腐蝕等特性，在現階段大深度和全海深潛水器耐壓殼的開發方面顯示出了極大的潛力［4］，得到了各國潛水器研究機構的廣泛關注。本文擬針對深海裝備的材料需求，列舉復合材料、陶瓷、玻璃這幾種非金屬材料的特性，分析它們在潛水器耐壓殼上的應用優勢，概述各國潛水器耐壓殼中非金屬材料的應用情況，總結應用中需要解決的技術問題，并對該領域未來的研究方向提出建議。

1 非金屬材料在潛水器耐壓殼上的應用優勢

1.1 潛水器耐壓殼的技術發展對材料的需求

潛水器工作時，耐壓殼起著保障殼體內部設備不因海水壓力和腐蝕而破壞的作用，對于載人潛水器，耐壓殼更是與艙內人員的安全息息相關。作為潛水器浮力的主要提供者，耐壓殼占據了潛水器較大的重量。潛水器重量的節省（表現為最小的重量排水量比值）是一項基本要求，它可轉化為更大的負載、更長的航程。毋庸置疑，潛水器的成功設計需要更加輕質、高強的耐壓新材料和更加穩定有效的耐壓結構。隨著海斗深淵科學的發展，對潛水器各項性能指標的要求不斷提高，如更大的潛深、更小的容重比、更寬闊的視野以及更短的上浮、下潛時間等［5］。全海深潛水器工作在萬米深度下，耐壓殼的工作壓力大于110 MPa，如果仍然使用金屬材料，就必須加大殼厚以滿足強度要求，但這將顯著增加重量，導致耐壓殼不能為潛水器提供正浮力。因此，具有更優異力學性能的新型材料的研發，是大深度和全海深潛水器研制中亟待突破的關鍵技術。

非金屬材料在海洋工程領域的應用已開展多年，在船舶、海洋平臺、海底輸油管道上已有大量應用實例。近年來，非金屬耐壓殼的研發已成為各國潛水器研究領域的熱點。適用于潛水器耐壓殼的非金屬材料主要包括纖維增強樹脂基復合材料、陶瓷以及玻璃。

1.2 非金屬材料用于潛水器耐壓殼的性能優勢

纖維增強樹脂基復合材料是由兩種或兩種以上不同性能、不同形態的組分材料通過物理或化學作用制成的一種多相的新材料，它可以通過復合效應獲得組分材料所不具備的性能，還可以通過材料設計使各組分的性能互補關聯，從而獲得更新的優越性能［6-7］。在耐壓殼中采用復合材料優點很多，如減輕重量、實現更小的容重比、提高工作深度、增強耐腐蝕性、改善水動力性能等［8］。試驗表明，采用1∶2 的復合材料建造的潛艇耐壓殼與鋼質耐壓殼相比，下潛深度可提高3～4倍［9］。復合材料具有力學性能可設計性，通過選擇合適的原材料和合理的鋪層形式，可以對復合材料結構進行多樣性的設計和優化；另外，復合材料還具有良好的抗疲勞特性，其疲勞斷裂是從基體開始，逐漸擴展到纖維和基體界面上，沒有突發性的變化，且在破壞前有預兆，便于發現以及補救。

目前，用于潛水器的纖維增強樹脂基復合材料主要包括玻璃纖維增強樹脂基復合材料（GFRP）和碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）。GFRP 的密度僅為鋼材的1/4～1/5，而比強度卻可以與高強度鋼比擬；與GFRP 相比，CFRP 的比強度更高，是普通鋼材的4～6 倍，高的比強度就意味著纖維增強復合材料相比金屬材料可以實現顯著的減重效果。此外，GFRP 和CFRP 還具有耐腐蝕、材料可設計性好、工藝性能優良等特點，尤其適用于深海環境下潛水器耐壓殼的制造［10-11］。在復合材料發展的早期，CFRP 的高成本和制造工藝的不成熟限制了它在潛水器耐壓殼上的應用，而GFRP 作為耐壓殼材料，相對CFRP 具備一定的優勢，如CFRP 是一種導電材料，與CFRP 接觸的金屬部件容易發生電腐蝕，需要專門的電絕緣處理，從而增加了工藝難度，而GFRP 則屬絕緣材料，其電絕緣性優于CFRP；GFRP 的抗沖擊性能優于CFRP，CFRP 的抗沖擊損傷性能較弱，GFRP 結構在設計時有更大的損傷容限［12］。隨著復合材料產量的增長和制造技術的進步，CFRP 在成本大幅降低的同時材料性能也得到了提高，其優勢逐漸明顯，如玻璃纖維的剛性不足，要達到剛性要求需增加厚度，但這會導致結構重量的增加，而CFRP 具有更好的強度和剛度，用料更省，輕量化效果優于GFRP，這一點對于大深度潛水器尤為重要；CFRP 還具有更好的抗疲勞特性以及耐磨特性；此外，玻璃纖維屬致癌物質，國外已逐步禁用［13］。因此，潛水器耐壓殼的制造將逐漸由低成本的玻璃纖維復合材料向高性能的碳纖維復合材料過渡。

夾芯復合材料是在一對高強度、相對較薄的剛性面板之間粘結一種低密度、柔性夾芯的材料，芯材的加入可減輕結構重量，增大結構的截面慣性矩，從而提高結構抵抗彎曲的能力。研究證明：在復合材料層合板殼中間加入芯材后，在相同的承載要求下，結構僅增重6%，殼板剛度可增加37倍［14］。夾芯復合材料具有質量輕、彎曲剛度大、結構效率高、耐久性高的特點，早期主要用于船體，面板采用鋼材，芯材采用波紋金屬板。隨著增強纖維復合材料的發展，出現了纖維面板夾芯復合材料，這種材料在輕質、高強的特點上還增加了耐海水腐蝕、抗微生物附著、抗疲勞、抗沖擊的特征，尤其符合海洋環境下結構的工作要求。纖維面板夾芯復合材料常用的面板材料主要是玻璃纖維和碳纖維，這2 種纖維既可以單獨使用，也可以混合使用；常用的芯材種類有泡沫、輕質木材、諾梅克斯、鋁蜂窩等，芯材的結構形式主要有實心、蜂窩和波紋等，選擇不同的芯材種類或者結構可以使夾芯復合材料具有不同的力學特性，從而更好地適應各種結構的要求。美國海軍研究所對比了纖維面板夾芯復合材料與金屬圓柱耐壓殼的性能，結果指出，在同等深度下，夾芯復合材料圓柱殼的容重比低于金屬圓柱殼，且深度越大，優勢越明顯。其中，碳纖維面板夾芯復合材料圓柱殼的性能要優于玻璃纖維面板圓柱殼，采用纖維增強復合材料制造潛水器的耐壓殼，可以實現潛水器的輕量化［12］。

除纖維樹脂基復合材料外，陶瓷、玻璃等由于具有高壓縮強度、低密度、耐腐蝕等方面的性能優勢，也成為潛水器耐壓殼的可選結構材料。陶瓷以其重量輕、強度高、超硬度、耐磨損、耐腐蝕、電絕緣、非磁性和輻射可穿透等優點，已經在深潛器、潛艇、深海機器人等深海裝備上獲得應用，目前用作結構材料的陶瓷類型主要有碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化鋯陶瓷、氧化鋁陶瓷等。與金屬材料和復合材料相比，陶瓷的密度僅大于碳纖維樹脂基復合材料和鋁合金，但其壓縮強度高于金屬材料和纖維樹脂基復合材料，將其用于潛水器耐壓殼可顯著減輕潛水器的重量。世界各國潛水器研究機構都十分重視陶瓷在潛水器耐壓殼上的應用，多年來一直在進行相關研究和應用實踐。

玻璃除具有重量輕、抗壓性強、耐腐蝕、易于加工、成本低等特點外，還有一些獨特的優勢，如具有電磁惰性、無線電波和磁場可以無阻通過，且可以將攝像設備和傳感器等靈敏儀器都封裝在其內部。玻璃具有極高的透明度，可以為載人潛水器觀察員提供優越的水下視野，高質量的玻璃甚至還可以打磨，從而為其內部高分辨率數碼相機或傳感器提供視角界面。玻璃耐壓殼的結構主要為球殼形式［15］。玻璃球殼具備浮力材料和耐壓殼體的雙重用途，不僅能為深海研究設備提供浮力，還可以作為深海儀器的耐壓艙，從而使潛水器達到小型化和輕量化的要求。用于耐壓殼制作的玻璃類型主要有有機玻璃（PMMA 和亞克力）、硼硅酸鹽玻璃、強化玻璃等，其中硼硅酸鹽玻璃具有非常高的強度和很低的熱膨脹系數，約為普通玻璃的1/3，將其用于耐壓殼可以減少材料應力和溫度梯度應力，且在硼硅酸鹽玻璃殼上還可以直接進行孔加工，為殼體上貫穿件及其接口的安裝提供了便利。理論分析和大量的試驗證實，玻璃可以作為一種高效率和可靠的深海耐壓殼材料。

2 非金屬材料在潛水器耐壓殼上的應用及研究情況

2.1 纖維增強樹脂基復合材料在潛水器耐壓殼上的應用

將纖維增強樹脂基復合材料用于潛水器耐壓殼的設想始于20 世紀60 年代。GFRP 由于發展較早、成本較低且能夠滿足早期潛水器耐壓殼的力學性能要求，因而被首先用于耐壓殼的制造。自1960 年起，美國海軍聯合多家企業和研究機構建立了關于纖維增強復合材料用于潛水器耐壓殼的可行性研究項目，采用玻璃纖維環氧樹脂帶纏繞工藝，制作了多個圓柱耐壓殼模型，并通過水壓破壞試驗和蠕變試驗，與鋼、鈦合金及鋁合金這3 種金屬圓柱殼的耐壓-重量特性進行了對比，證實在同一破壞壓力下，GFRP 耐壓殼具有最小的容重比，表明GFRP 在滿足耐壓殼強度要求的同時，還可以實現潛水器的減重需求。1996 年，美國作業深度為1 000 m 的觀察型載人潛水器Deep Flight I下水，其耐壓艙采用的就是高強度的玻璃纖維/環氧樹脂復合材料，大幅降低了潛水器的重量［16-17］。

隨著海洋事業的發展和潛水器設計潛深的不斷增加，結構輕量化要求越來越高，對材料性能的要求也越來越高。而隨著CFRP 在航空航天領域的應用，其已積累大量成功經驗，材料成本有所降低，制造技術更加成熟，因而潛水器耐壓殼開始轉向性能更加優異的CFRP。1991 年，美國升級了先進的水下搜索系統AUSS，該系統為CFRP 單殼結構，采用纏繞工藝制造，結果顯示其容重比小于0.5，滿足浮力要求，而下潛深度可達到6 096 m。

英國南安普頓海洋研究中心研制的魚雷形自主式水下機器人（AUV）AUTOSUB 號，其耐壓艙體采用的就是CFRP 圓柱殼，兩端密封端蓋采用的是高強度鈦合金，這有效減輕了耐壓殼重量，使潛水器在大深度下也可以獲得更大的剩余浮力，下潛深度可達6 000 m。

2013 年，美國OceanGate 公司開始了載人潛水器（HOV）Cyclops 的研究計劃，包括CyclopsⅠ和CyclopsⅡ這2個型號，如圖1所示。其中，CyclopsⅠ采用了厚實的碳纖維復合材料船體外殼，厚178 mm，并引入了180°硼硅酸鹽玻璃圓頂設計，潛深500 m；Cyclops Ⅱ的船體主要由碳纖維復合材料船身和一個帶觀察窗的鈦合金半球組裝而成，潛深4 000 m。殼體制造采用自動鋪絲技術，碳纖維的使用在顯著減輕潛水器重量的同時，極大地提高了載人艙的舒適度和可靠性。

圖1 Cyclops Ⅰ和Cyclops Ⅱ載人潛水器Fig.1 Cyclops Ⅰ& ⅡHOV

由于纖維復合材料在結構制造工藝上的靈活性，使其在水下滑翔機（UG）領域也展現出了良好的應用前景。為了實現向全海深領域擴展［18］的目標，涌現出了各種新型滑翔機，如碟形滑翔機、“鰩魚”型滑翔機、海龜撲翼型滑翔機等，這些都需要耐壓殼對自身結構形狀進行調整以適應滑翔機的仿生外形，有些特殊形狀對于金屬材料來說難以加工，而纖維增強復合材料則可以通過多種工藝實現金屬材料難以達到的靈活多樣的殼體造型，同時，還可以提供全海深、長航程所需要的足夠的強重比［19］。因此，越來越多的UG 開始采用碳纖維耐壓殼結構。

華盛頓大學用于深海環境監測的大深度深海滑翔機DeepGlider，選擇采用的是碳纖維復合材料制造的耐壓殼體，實現了近6 000 m的工作深度［20］。美國Webb 實驗室研制成功的新一代水下滑翔機G2 Slocum，除傳感器艙和艏部艙室外，全部采用碳纖維增強復合材料制造，得到了重量更輕、負載能力更大的新型UG［21］。我國“海翼-7000”水下滑翔機實現了碳纖維復合材料大深度耐壓結構的核心技術突破，最大下潛深度達6 329 m，刷新了美國保持的水下滑翔機最大下潛深度6 003 m 的世界紀錄。韓國在研的200 m 級“魟魚”型UG，采用T700 碳纖維耐壓殼取代了傳統的高強度鋁材料耐壓殼，使其在保持力學強度的同時還減重40%［22］。

2.2 陶瓷在潛水器耐壓殼上的應用

20 世紀60 年代，美國軍械研究實驗室建立了陶瓷耐壓殼研究項目，其采用94%的氧化鋁和耐高溫陶瓷制作了多個用于20 000 ft 海深潛水裝置的圓柱形耐壓殼。1984 年，美國海軍海洋系統中心發起了深海遙控式水下機器人（ROV）和AUV陶瓷耐壓殼研究項目，之后，又開展了用于6 100 m AUV 的全尺度陶瓷耐壓殼模型研究，最終得到了在選材、結構設計和制造等各方面經濟而合理的方案［23］。2004，美國WHOI（Woods Hole Oceano?graphic Institution）啟動了11 000 m 級深淵ROV/AUV 研究；2008 年，WHOI 又研制成功了全海深混合型潛水器HROV“海神”號（Nereus），在該型潛水器耐壓殼和浮力模塊材料中，96%采用的是氧化鋁陶瓷，封頭和一些連接件選擇的則是鈦合金［24］。圖2 所示為“海神”號的一個主要陶瓷耐壓殼。“海神”號所選用的高性能材料使其具有高強重比和非常好的抗腐蝕性能，并于2009 年下潛到了馬里亞納海溝海底10 912 m 處，證實了陶瓷耐壓殼的力學性能。“海神”號的研制推動了陶瓷殼體設計在多個方面的顯著進步，如強度和疲勞極限、陶瓷部件的連接、端蓋形狀、陶瓷凸臺要求等。在“海神”號項目進行的同時，WHOI 還啟動了6 000 m級AUV Sentry 的研制，該型潛水器的電池耐壓殼由氧化鋁陶瓷制作，如圖3 所示，Sentry 已于2010年研制成功，至今仍在服役中［25］。

圖2 Nereus 的一個主要陶瓷耐壓殼Fig.2 A main ceramic pressure shell for Nereus

圖3 Sentry 的主要組件［25］Fig.3 Main components of Sentry［25］

日本的研究機構和學者也開展了多項有關陶瓷耐壓殼的研究，并且相關成果已在AUV 和ROV上得到應用。JAMEST（Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology）建立了一套陶瓷耐壓殼制造方法，制造出的陶瓷球形耐壓殼的強重比顯著高于萬米級KAIKO 潛水器的復合泡沫塑料浮力材料，證實陶瓷材料可用于深海ROV 的電子設備耐壓殼。之后，JAMEST 又給出了在陶瓷耐壓殼體上安裝貫穿件的新方案，并在日本東京大學研制的7 300 m 級AUV Jellyfish catcher 上采用了該設計，同時選擇氮化硅陶瓷材料SN-1000制作耐壓殼的圓柱形殼身和兩端的半球封頭，使用氮化硅陶瓷材料SN-240 制作連接法蘭，實現了大深度AUV 的強度要求和減重要求［26-27］。

Asakawa 等［28-31］提出了一種可用于深海裝備的陶瓷耐壓殼新方案，其氧化鋁陶瓷耐壓殼已成功應用于超大深度自由落體海底地震儀（OBS），目前，Asakawa 及其團隊正在進行陶瓷耐壓殼在6 000 m 級水下滑翔機上的應用研究，該項目仍在設計和測試階段。

我國海斗深淵考察隊的“海角”號全海深著陸器配備有全海深陶瓷耐壓艙高清攝像系統，該攝像系統的視窗材料首次采用了透明陶瓷材料。2018年10月，“海角”號實現了最大工作水深10 910 m，是國際上將陶瓷材料作為攝像機耐壓艙體的最大工作水深。

2.3 玻璃在潛水器耐壓殼上的應用

在觀光和探險型載人潛水器上，大多使用全透明的有機玻璃載人艙。例如，美國Triton 公司的Triton 系列潛水器、荷蘭U-Boat Worx 公司的C-Quester 和C-Explorer 系列產品、加拿大Nuytco Research 公司具有代表性的載人潛水器Deep Rover 1 和Deep Rover 2 以及其與NASA 聯合定制的DW2000 和DDW2000 載人潛水器、Hawkes 海洋技術公司的DeepFlight 系列產品等，如圖4 所示，它們的共同特點是其載人球殼由部分或完全透明的有機玻璃制成，具備優秀的觀察視野，非常適合海底觀光。

美國個人潛水艇制造商SEAmagine Hydro?spaceCorporation于2016年發布了AURORA-6HOV，如圖5 所示，其將4 個內徑很大、超過90°的亞克力半球形通過金屬環連接在一起構成載人艙，為乘員提供了非常寬敞的環境和極佳的水下視野。

圖4 觀光和探險型潛水器中的玻璃載人艙Fig.4 Glass manned cabin in sightseeing and exploratory submersibles

圖5 AURORA-6 HOVFig.5 AURORA-6 HOV

日本于2013 年啟動了全海深潛水器“深海12000”研究計劃，該潛水器計劃配備一個直徑約2 m、厚約5～10 cm 的強化玻璃載人球殼，以極大地提升海底作業的視景作業效果。該潛水器預計2023 年投入海試。我國于2015 年投入運營的“寰島蛟龍”號觀光潛水器（圖6）采用了1 段球形有機玻璃和3 段圓柱形有機玻璃作為載人艙，是目前世界上最大型的全通透載客潛水器。

圖6 “寰島蛟龍”號觀光潛水器Fig.6 Huandao Jiaolong sightseeing submersible

3 非金屬在潛水器耐壓殼應用中需進一步解決的問題

雖然非金屬材料的研究和應用已進行了幾十年，但在潛水器耐壓殼上采用非金屬材料來代替金屬材料仍是一個艱難而緩慢的過程。金屬材料性能良好，設計經驗豐富，制造工藝成熟，結構可靠性高，是潛水器設計師和制造者的首選材料，相比于金屬材料，非金屬材料耐壓殼在設計和制造方面還存在許多亟待解決的問題。

3.1 非金屬耐壓殼結構設計技術

復合材料的各向異性和結構的層合特性在給結構設計帶來靈活性的同時，也帶來了困難。和金屬材料相比，復合材料的結構設計復雜得多：首先，所需要的信息和工具不全面，纖維、樹脂和先進復合材料數據庫不夠豐富，經驗數據不足，缺少能直接使用的、可對結構進行優化的簡單模型；其次，耐壓殼的基本結構設計涉及強度設計和穩定性設計，而復合材料耐壓殼設計在此基礎之上還需要進行單層材料設計、鋪層設計及工藝設計等，設計難度增加，對設計人員的要求更高；再次，缺乏設計規范，在進行復合材料結構設計時，常用的方法是采用比鋼材設計高得多的安全系數，但這將導致耐壓殼的重量增加，從而抵消了復合材料比強度高的優點。可見，復合材料耐壓殼的設計技術還有待進一步的發展和完善。

陶瓷用于潛水器耐壓殼的吸引力是巨大的，但其存在的問題也不容忽視。陶瓷是一種非常易碎的材料，在抵抗拉伸應力和沖擊應力方面相當不足，如果結構設計不合理，在受力時會產生裂紋或是碎裂［26］。陶瓷的機加工特性不佳，在機加工過程中容易引入裂紋等非本征缺陷和殘余應力等機加工缺陷，從而造成材料損傷［32］。陶瓷材料的物理特性偏差大于金屬材料，目前，還缺少明確的設計準則［27］。另外重要的一點是，陶瓷不同于金屬材料，在其發生破壞時沒有塑性金屬材料變形階段，可能會發生災難性的崩潰。2014 年5 月10日，“海神”號在新西蘭的克馬德克海溝9 990 m 深度處丟失，根據在事故附近海域打撈的碎片推測，“海神”號的耐壓殼可能發生了內爆［33］。該事故證明，有必要對脆性材料耐壓殼進行增韌設計，其在使用壽命期間的性能也需要及時檢測和維護。提高陶瓷材料的韌性及使用性能的可靠性、降低制造成本這3 個因素是關系到先進陶瓷材料在高科技領域應用的關鍵［34］，陶瓷材料在潛水器耐壓殼方面的應用仍然有待探索。

相對于陶瓷材料目前僅限用于無人潛水器中，玻璃耐壓殼則常用于載人潛水器的載人艙，其安全性和可靠性與艙內人員息息相關。玻璃作為一種脆性材料，其表面上極小的傷痕都有可能導致潛水器的損壞，如何確保玻璃耐壓殼的強度是研發的關鍵［16］。此外，在耐壓殼上存在多處開孔，如人員出入的人孔、觀察窗和一些外接儀器設備的線纜接口等，在這些位置處，會因開孔而產生應力集中，從而對強度和穩定性造成破壞，因此，需特別注意玻璃耐壓殼上開孔處的強度和密封性能，進行開孔設計時需要不斷優化并進行細致的校核［5，35］。美國DOER Marine 公司在設計潛水器Deep search 時提出了一種新型的艙口設計概念，即通過改變玻璃開孔的補強形式來避免玻璃和金屬連接處的應力集中。其利用脆性力學技術測試玻璃觀察窗的結構形式，評估玻璃材質的性能和結構可靠性，為全玻璃耐壓殼設計做出了嘗試［36-37］。我國尚未制造出大深度的全透明球形丙烯酸樹脂載人耐壓殼，在高透明度和大直徑球狀有機玻璃的研制、制造加工工藝等方面還有待解決，未來可考慮應用于萬米級潛水器和一些小型載人潛水器上。

3.2 復合材料耐壓殼損傷力學性能分析技術

復合材料偏低的層間強度與較差的層間斷裂韌性成為其工程應用的瓶頸，當用于潛水器耐壓殼時，會導致結構強度與穩定性設計目標的實現間出現偏差。潛水器耐壓殼在工作時，不可避免地會受到沖擊，由于復合材料層間強度弱，有可能會引起耐壓殼內部損傷，出現諸如脫層、纖維斷裂、脫膠等情況，從而使受損結構在較低的壓縮載荷下發生分層失穩和擴展，導致結構提前失效。在水壓破壞試驗中觀察到，纖維增強復合材料耐壓殼通常并未完全實現其設計深度，其在遠低于設計強度時即發生破壞，其中很重要的原因是內部損傷降低了結構的承載能力。目前，還沒有明確的損傷模擬模型、失效判定準則和分析工具，需進一步研究和明確損傷與結構承載的關系，發展復合材料耐壓殼損傷力學性能分析技術，提高設計的安全性和可靠性。

3.3 復合材料耐壓殼結構連接及密封問題

復合材料部件之間的組合裝配，以及復合材料部件與鄰近金屬零部件的連接固定，是復合材料結構設計尚未解決的一個難點，目前常用的機械連接和膠接都有一定的弊端。例如，機械連接方式（螺栓或鉚釘連接）需要在結構上鉆孔，這將破壞層合結構內增強纖維的連續性，引起應力集中，降低連接效率；膠接連接方式容易因較弱的膠接層發生破壞而導致結構失效，存在老化問題，且一般不可拆卸［38］。耐壓殼作為一種水密結構，連接問題關系到其密封性能和安全性能，是在結構設計時必須妥善解決的問題。

4 復合材料耐壓殼研究方向展望

為進一步發展復合材料在潛水器耐壓殼上的應用，可以從以下幾方面入手：

1）加強復合材料基礎研究，合理利用已有的金屬結構設計經驗，積累復合材料潛水器耐壓殼試驗與應用數據，進一步研究復合材料耐壓殼在深海環境下的力學特性，提高耐壓殼碰撞和沖擊性能分析、以及含層間缺陷復合材料耐壓殼力學性能分析的準確度，加強對結構失效模式的預測，發展復合材料耐壓殼簡化分析方法，確定并優化復合材料耐壓殼設計的安全系數，完善復合材料結構與金屬結構間連接強度計算方法，探索更加合理的連接型式，從而提高復合材料耐壓殼設計的準確性和可靠性。

2）增強復合材料耐壓殼的層間性能，提高抗沖擊損傷能力。可以考慮通過提高復合材料層間斷裂韌性來提高層間強度。因層間韌性首先取決于復合材料的基體韌性，因此對基體增韌可有效提高復合材料的沖擊損傷阻抗和抗分層能力。此外，也可以從制造技術方面入手。潛水器耐壓殼以回轉殼形狀居多，目前常用的制造工藝主要有手糊、模壓成型、纏繞成型、自動鋪放技術等，這些都屬于傳統的低維工藝，成型過程主要是逐層鋪設、堆積，層與層之間僅依靠粘結，層間強度遠低于纖維增強方向。但隨著尖端領域軍事技術的發展，出現了三維編織、縫合和z-pinning 增強技術等新的復合材料設計方法和制備工藝，通過在厚度方向上引入增強纖維，提高了層間韌性，可以實現傳統復合材料工藝無法達到的高性能，如抗分層、抗沖擊、抗損傷、各向性能可設計性強等優點［39-41］。同時，這些新工藝不僅是一種增強技術，還是一種連接技術，在連接性能上有獨特的優勢，更便于各類結構一體化成型。研究結果表明，縫合后的復合材料連接結構強度遠高于未縫合的接頭，有時甚至還會高于金屬鉚釘鉚接的接頭［42-43］。縫合和z-pinning 增強技術已應用于夾芯泡沫復合材料，其可以有效阻止泡沫芯子的塌陷及面板與面芯分層的發生［44］。新技術的出現為潛水器耐壓殼的設計和制備提供了新的方向，目前，這些技術還未普及，在水下結構中應用較少，其力學性能仍有待進一步的研究。

5 結 語

深海探測和深海開發已成為世界各國深海戰略的目標指向，隨著海洋研究進入“全海深”科考時代，對深海裝備的需求勢必越來越迫切，潛水器的設計深度將會越來越大，高性能材料研究的重要性將越來越突出。從上述復合材料、陶瓷、玻璃幾種非金屬材料在潛水器耐壓殼上的發展和應用來看，各國都在不遺余力地嘗試在深海裝備上最大可能地發揮這些材料的性能優勢，然而相對于金屬材料在海洋領域的成熟應用，非金屬材料在設計、制造、經濟性等方面都還存在著一些關鍵的待解決問題，其在潛水器耐壓殼上的應用仍處于探索階段。迄今為止，美、英、日、意等國仍在海洋材料領域保持著強勁的發展勢頭，而我國在高技術新材料方面起步較晚，為了適應未來世界海洋研究領域的發展格局，我國加大了在海洋科考方面的投入力度，布置了一系列前瞻性的海洋科研項目，同時也重視對高性能新材料的研發，提高了海洋裝備材料研究的水平和檔次，并取得了一些成果和突破。隨著時間的推移，在基礎理論發展、試驗測試技術進步、制造工藝提升的引領之下，高性能材料在海洋領域的應用必然向著深度和廣度方面不斷發展。