金屬基復合材料性能及其在耐壓殼體設計中的應用

王中平，鐘立才

（蘭州資源環境職業技術學院 甘肅 蘭州 730021）

1 引言

深海是人類未知的領域，海面3 000米以下不僅具有豐富的資源，而且有很多未知的生命。長期以來，深海一直是人們研究的熱點與重點，人類對深海的研究與開發離不開相應深海潛水設備的支持，在深海下潛中由于海水壓力、腐蝕等各種因素影響，在潛水器耐壓殼體設計與建造中必須要增強其抗壓強度，減少海水腐蝕，選擇具有高強度、高韌性、比重輕、耐腐蝕的新型材料。例如目最常使用的包括金屬和非金屬材料作為耐壓殼體的設計與使用材料，滿足深海潛水器對高性能設備的要求，希望本文研究能夠為耐壓殼體材料選用與設計提供一定參考與理論依據。

2 金屬基復合材料分類與性能

復合材料即是將兩種或者兩種以上不同性能的材料進行混合，形成一種更高性能的材料。最早被開發出的復合材料即是玻璃纖維，隨后出現碳纖維、芳綸纖維、石墨纖維等各種高強度的復合型材料，許多復合型材料不僅具有優良的性能，而且建造工藝簡單，具有很強的實用性。從目前技術發展與材料組成情況看，復合材料可以分為以下幾種。

首先是金屬基復合材料，如鐵基復合材料、鋁合金材料、鈦合金材料、銅合金材料等。例如鐵在大氣環境下十分容易生銹，在加入20%左右的鉻元素后制備而成的不銹鋼，就具有很好地防腐蝕性能。又如鈦合金其耐腐蝕性、耐壓強度都是最高的，但是其生產成本較高，因此沒有得到有效推廣。鋁基復合材料中的碳纖維增強復合材料有效增強了鋁基材料的抗腐蝕性。銅基復合材料則具有良好的熱傳導性；而且在海水中會與海水產生化學反應，防止各種海洋生物的攀附，減少對海洋設備的影響[1]。其次是非金屬復合材料，主要包括先進樹脂基復合材料和結構陶瓷材料。例如澳大利亞制造的深海潛水器深海挑戰者號即是使用環氧樹脂玻璃微球體制成耐壓殼體。結構陶瓷材料的特點是強度和彈性模量高，而且耐高溫、耐腐蝕、非磁性，在船舶耐壓殼體中應用廣泛且具有很高的發展潛力。

可見，非金屬復合材料與金屬基復合材料各具優勢，所以在船舶、潛水器等方面有著不同的應用，需要結合設備設計性能要求進行針對性地選擇，切實保障設備性能。由于耐壓殼體應用于較深海域，更需要選擇強度高、抗腐蝕性強的材料進行設計建造。

3 耐壓殼體概念與材料選擇要求

深海潛水器耐壓殼體是潛水器的主要組成部分，其性能、結構形式對于潛水器性能有著決定性的影響。必須滿足潛水器重量、抗壓、抗腐蝕等要求，保障潛水人員與設備的安全。所以保證耐壓殼體的強度與穩定性是其設計的重點，而如何選擇強度高、抗腐蝕性能強的材料則成為提升耐壓殼體質量的關鍵。考慮在一定水深壓力下，耐壓殼體能夠不因外力而產生結構性的損壞。在相關研究中從耐壓殼體材料的比強度、比剛度、可設計性、可裝配性、可生產性、經濟性和重量排水比等方面進行評價[2]。例如目前常用的耐壓殼體材料包括鋼、鋁、鈦、玻璃等。鋼的屈服強度與比強度較高，所以在淺海耐壓殼體的制造中應用較為廣泛。而在深海，則需要具備更優質抗壓能力的鈦合金材料，鈦合金材料強度、密度都具優勢，所以是最佳的耐壓殼體材料，但鈦合金材料的可焊接性不具備優勢。

金屬基復合材料主要是以金屬及其合金為基體，與一種或幾種金屬或非金屬增強相人工結合成的復合材料。增強材料可以是纖維狀、顆粒狀和晶須狀的碳化硅、硼、氧化鋁及碳纖維[3]。金屬基復合材料不僅具有與其他非金屬復合材料相同的高強度、高模量外；還具有耐高溫、耐高壓、抗輻射等優勢，所以在許多高端設備中應用廣泛。

4 金屬基復合材料在耐壓殼體設計中的應用

深海潛水器所用的耐壓殼體由于對抗壓要求、防腐蝕要求較高，所以必須對材料進行周密選擇與嚴格的檢測，以確保耐壓殼體滿足深海研究的要求。前文研究中主要對耐壓殼體特點與設計要求以及金屬基復合材料的特性進行研究，可見金屬基復合材料很好地滿足深海用耐壓殼體的性能要求。本節主要結合實際情況，以鈦合金與鋁合金為例，對金屬基復合材料在耐壓殼體設計中的性能等進行研究，提出可行的應用策略。

4.1 鈦合金在耐壓殼體設計中的應用

鈦基體是一種物理性能優秀、化學性穩定的合金材料，在耐壓殼體設計與制造中具有很多的優勢。尤其是在抗腐蝕方面，鈦合金與其他材料相比更是優異，因此被認為是最好的深海耐腐蝕材料。鈦基符合材料主要能夠分為顆粒增強鈦基復合材料和連續纖維增強鈦基復合材料兩大類[3]。首先，顆粒增強鈦基復合材料的增強材料主要有TiC、TiB與TiAl等多種，在增強之后鈦材料的硬度、剛度都得到很好提升。其次，連續纖維增強鈦基復合材料的增強纖維主要有SiC、TiC以及耐高溫的金屬纖維，增強后的鈦合金抗拉強度和彈性模量有較大提高[4]。所以使用鈦基復合材料制造耐壓殼體，其加強肋一般用其他密度較低的金屬制造，能夠有效降低耐壓殼體的重量。

4.2 鋁合金在耐壓殼體設計中的應用

鋁及其合成金屬很多都適用于制造金屬基復合材料，鋁基金屬復合材料的增強材料既可以是連續性的纖維，也可以是不規則形狀的顆粒增強物。例如連續性的纖維包括長纖維與短纖維，長纖維增強物又有硼纖維、碳纖維等，通過增強有效提升鋁金屬強度與耐磨性，但是塑性受之影響有所降低。顆粒增強物有主要有SiC顆粒、Al2O3顆粒、BC4顆粒等[5]。在復雜的海水環境中，碳纖維增強的鋁基復合材料抗腐蝕效果更好，尤其是添加了Sc的Al-Mg-Zr-Sc，表現出更好地耐海水腐蝕性。

4.3 銅基復合材料在耐壓殼體設計中的應用

銅基復合材料可以分為顆粒增強與纖維增強兩種，具有較強的抗腐蝕性與耐磨性。例如在銅合金中加入TiB2作為增強體制備的TiB2增強銅基復合材料后，銅合金的剛度、硬度都得到明顯的提升。但是從實際情況看，銅基復合材料目前制備與應用較少，雖然能夠滿足海洋潛水中耐壓殼體設計要求，但是應用較少，在未來工作中需要進一步的研究。

除了以上幾種常見金屬基復合材料能夠應用于船舶、深海潛水器等設備耐壓殼的制造中，碳纖維復合材料在耐壓殼體制造中也有著較多的應用。碳纖維復合材料在耐壓殼體選材中的應用主要是考慮高強度玻璃鋼，可以滿足耐壓殼強度的要求與彈性模量，當然與深海潛水器所需要的耐高壓殼體還存在一定差距。一般情況下，耐壓殼體所承受的壓力主要根據靜水壓柱進行確定，然后根據所受壓力來選擇玻璃鋼的厚度。另外，海水對耐壓殼的腐蝕主要分為兩種，一種是海水的化學腐蝕；二是海水的電化學腐蝕。日本新研制的碳纖維復合材料中加入Cr、NI、MO、C等成分，其抗腐蝕性接近鈦合金，而且制造成本低，力學性能優異。能夠滿足耐壓殼體對抗腐蝕性的要求[6]。

5 小結

隨著探索深海腳步的提速，我國深海潛水器也得到快速的發展，一步步突破多個深度瓶頸。耐壓殼體設計的強度與穩定性則是確保下潛深度穩固提升的重要基礎。目前國內針對耐壓殼體材料進行諸多研究，產生許多富有成效的研究結果。采用金屬基復合材料制作耐壓殼體，相對于非金屬纖維復合材料具有更高的強度與耐腐蝕性，能夠更好地應對深海惡劣的高壓環境，促進深海探測工作的進行。