[科普中國]-自然浮力材料

簡介

隨著科技進(jìn)步，人類不斷刷新能夠探測的海洋深度的記錄。眾所周知，在深海探測中每下潛100 m海水壓力就增加10個大氣壓，造成了人和普通設(shè)備在無任何防護(hù)和輔助的情況下無法直接在深海工作。目前，人類對深海一系列作業(yè)工作主要依賴于水下探測作業(yè)裝備的研究和制造，而新型浮力材料的開發(fā)則為水下作業(yè)裝備的開發(fā)和應(yīng)用提供重要支撐。1

深海工況對浮力材料的性能要求浮力材料需長期工作在海洋高壓、高腐蝕、變幻莫測的惡劣環(huán)境下，根據(jù)其不同的具體工作場合，在設(shè)計和使用時一定注意以下性能指標(biāo)要求。

(1)浮力系數(shù)。浮力系數(shù)一般可以用浮力材料的排水量與其質(zhì)量之比表征，也可用海水密度與其自身密度之比表征。浮力系數(shù)越大，材料單位體積可提供的浮力越大，從而提高材料的有效載荷能力。

(2)抗壓強(qiáng)度。是指在單向受壓力作用破壞時，單向面積上所承受的荷載。抗壓強(qiáng)度越高，材料的工作深度越深。

(3)吸水率。吸水率一般可采用材料浸入水中所吸收水的重量，對其浸水前實(shí)測重量的百分率來表征。材料吸水率越低，浮力系數(shù)越穩(wěn)定，從而保證深海工作設(shè)備的安全性和可靠性。

(4)體積彈性模量。體積模量一般是指材料在三向應(yīng)力作用下，平均正應(yīng)力與相應(yīng)的體積應(yīng)變之比，如果在材料彈性范圍內(nèi)則稱為體積彈性模量?？梢?，體積彈性模量越大，則浮力材料性能越穩(wěn)定。

(5)耐磨性。一般是指材料在一定摩擦條件下抵抗磨損的能力，以磨損率的倒數(shù)來評定。深海環(huán)境是一個動態(tài)的環(huán)境，要求浮力材料具有較高的耐磨性。

(6)耐候性。一般是指浮力材料抵御大氣和海水腐蝕的性能。固體浮力材料一般要具有較高的耐候性。

(7)剛度。一般是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抵抗彈性變形的能力，用產(chǎn)生單位應(yīng)變所需的力或力矩來量度。要求浮力材料具有較高的剛度。

(8)機(jī)加工性。浮力材料要具有良好的機(jī)加工性能，以滿足不同零部件設(shè)計加工要求。1

自然浮力材料分類傳統(tǒng)的浮力材料一般是指裝滿低密度汽油、氨、硅油等液體的浮桶、泡沫玻璃、泡沫塑料、泡沫鋁、木材、金屬鋰和聚烯烴材料等，主要用于淺海。這些材料存在各種各樣的缺陷，如工作深度淺、容易造成環(huán)境污染、吸水率高、價格昂貴以及提供的凈浮力小等，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)代深海工作的要求。為了解決水下作業(yè)裝備的耐壓性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提供足夠的凈浮力，人們采用研制高強(qiáng)度固體浮力材料以替代傳統(tǒng)的浮力材料。

固體浮力材料(Solid Buoyancy Material，SBM)實(shí)質(zhì)上是一種低密度、高強(qiáng)度的多孔結(jié)構(gòu)材料，屬復(fù)合材料的范疇。它是水下探測作業(yè)裝備重要的配重材料，為它們提供盡可能大的浮力。高強(qiáng)度固體浮力材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于民用、商業(yè)以及軍事中，如漂浮在水面或懸浮在水中的浮球、浮子、浮標(biāo)、浮纜，水下拖體，海上油氣田開采裝置；各種潛器(AUV、ROV、HOV)等，具有良好的開發(fā)應(yīng)用前景。固體浮力材料通常分三類：中空微珠復(fù)合材料、輕質(zhì)合成材料復(fù)合塑料和化學(xué)泡沫塑料復(fù)合材料。1

固體浮力材料及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀美國、日本、俄羅斯等國家從20世紀(jì)60年代末就開始研制固體浮力材料，己解決了水下6000 m用低比重浮力材料的技術(shù)難題，形成了系列化、標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，廣泛地應(yīng)用于深海海底的開發(fā)事業(yè)中。美國洛克希德導(dǎo)彈空間公司早期研究開發(fā)的固體浮力材料可用于水深2430 m的環(huán)境中。我國7000 m載人潛水器采用的輕質(zhì)復(fù)合材料，密度達(dá)到了0.52～0.56 g/cm3的水平，破壞壓力超過90 MPa。日本海洋技術(shù)中心20世紀(jì)80年代初研制開發(fā)出“深海6500”，90年代初研制出萬米級無人深潛器“海溝號”。俄羅斯海洋技術(shù)研究所也研制出用于6000 m水深自動潛水器用固體浮力材料。美國伍茲霍爾海洋研究所研制的“海神”號機(jī)器人潛艇已潛入太平洋11000 m深海探秘。

我國最初多采用金屬浮筒和玻璃浮球為海洋裝置提供浮力，其提供的凈浮力小，并且形狀固定，只適用于淺?；蛩妗腆w浮力材料的研究起步較晚，技術(shù)明顯落后于國外。20世紀(jì)80年代初，哈爾濱船舶工程學(xué)院采用環(huán)氧樹脂黏結(jié)直徑在3～5 mm的空心玻璃小球，制成了密度0.58 g/cm3，耐壓5.5 MPa的固體浮力材料。1995年，海洋化工研究院研制成功了密度為0.33 g/cm3，可耐壓5 MPa的化學(xué)發(fā)泡法浮力材料。20世紀(jì)90年代中期，海洋化工研究院開始研究非發(fā)泡可加工浮力材料。浙江大學(xué)2005年實(shí)驗室制備的空心玻璃微珠填充環(huán)氧樹脂材料密度為0.68 g/cm3，壓縮強(qiáng)度為75.9 MPa。青島海洋化工研究院的吳則華、陳先等人2008年制備的固體浮力材料密度為0.506 g/cm3，耐壓強(qiáng)度66.4 MPa，可耐靜水壓70 MPa，在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平。1

傳統(tǒng)浮力材料傳統(tǒng)浮力材料包括浮力球、浮力筒、泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫鋁、金屬鋰、木材和聚烴材料等，在人類探測開發(fā)海洋的歷史過程中起著不可或缺的重要作用，即使是在材料科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，依然有著廣泛的應(yīng)用。

浮力球經(jīng)常應(yīng)用于海面或是海面以下不深場合，如海上錨定系統(tǒng)(見圖1)或拖曳系統(tǒng)中，為水下裝備提供浮力，直徑一般從幾十厘米到幾米。

浮力球要求具有良好的密封性、耐磨性和耐腐蝕性，一般可采用不銹鋼、塑料(見圖2)等材料制成。

在海洋石油及天然氣開采系統(tǒng)中，浮筒通常安裝在剛性立管的外部，為其減輕重量的同時，還起到絕熱及保護(hù)的作用。浮筒材料主要有三種：聚氨酯泡沫材料、共聚物泡沫材料和復(fù)合泡沫材料(見圖3)。大部分浮筒的兩端面設(shè)計成套筒式，每組套筒一端設(shè)計成凸端，一端設(shè)計成凹端，這樣有利于安裝時形成一個浮筒串(見圖4)。1

空心玻璃微珠及其復(fù)合材料深海高強(qiáng)度固體浮力材料一般采用浮力調(diào)節(jié)介質(zhì)(中空微球)與高強(qiáng)度樹脂復(fù)合而成，國際上可達(dá)到材料密度為0.4～0.6 g/cm3，耐壓強(qiáng)度則在40M～100MPa，已經(jīng)在各種深海裝備中得到廣泛的應(yīng)用。中空微球是一種內(nèi)部充滿氣體的特殊結(jié)構(gòu)材料，根據(jù)其材料不同，主要分為有機(jī)質(zhì)復(fù)合微球和無機(jī)質(zhì)復(fù)合微球兩類。有機(jī)質(zhì)復(fù)合微球研究比較活躍，見過的報道有聚苯乙烯空心微球、聚甲基丙烯酸甲酯空心微球等。無機(jī)質(zhì)微球的制備材料主要有玻璃、陶瓷、硼酸鹽、碳、飛灰漂珠等。1

空心玻璃微珠定義及分類空心玻璃微珠是一種無機(jī)非金屬球形微粉新材料，具有粒度小、球形、質(zhì)輕、隔音、隔熱、耐磨、耐高溫等多種優(yōu)良特性。已廣泛應(yīng)用于航空航天材料、儲氫材料、固體浮力材料、保溫材料、建筑材料、油漆涂料等?？招牟Ａ⒅橐话惴謨深悾孩倨?，主要成分為SiO2和金屬氧化物，可從火電廠發(fā)電過程中產(chǎn)生的粉煤灰中分選得到。漂珠雖然成本較低，但是純度差、粒度分布寬，特別是粒子密度一般大于0.6 g/cm3，不適于制備深潛用浮力材料。②人工合成的玻璃微珠，可通過采用調(diào)整工藝參數(shù)、原料配方等方法，控制微珠的強(qiáng)度、密度及其他物理化學(xué)性能。價格雖然較高，但應(yīng)用范圍更為廣闊。1

空心玻璃微珠的特點(diǎn)空心玻璃微珠在固體浮力材料中得到廣泛的應(yīng)用，與其自身優(yōu)秀的特點(diǎn)是分不開的。①空心玻璃微珠內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕、密度小、導(dǎo)熱率低。不但可以大幅降低復(fù)合材料的密度，也可賦予其優(yōu)異的隔熱、隔音、電絕緣和光學(xué)等方面的性能。②空心玻璃微珠外形為球形，具有理想填料的低孔隙率、珠體吸收聚合物基材少等優(yōu)點(diǎn)，對基體流動性和黏度影響小。這些特性使得復(fù)合材料的應(yīng)力分布合理，從而改善其硬度、剛度以及尺寸穩(wěn)定性。③空心玻璃微珠強(qiáng)度高。空心玻璃微珠實(shí)質(zhì)上是一種薄壁密封殼球體，殼壁主要成分為玻璃，具有很高的強(qiáng)度，在保證復(fù)合材料具有較低密度的前提下增大其強(qiáng)度。1

空心玻璃微珠的制備方法制備方法主要有三種：

①粉末法。先將玻璃基體粉碎，加入發(fā)泡劑，然后將這些小顆粒通過高溫爐，當(dāng)顆粒軟化或熔化時在玻璃中產(chǎn)生氣體，隨著氣體體積的膨脹顆粒變成空心球體，最后經(jīng)旋風(fēng)分離器或袋式收集器收集而得。

②液滴法。在一定溫度下，將含低熔點(diǎn)物質(zhì)的溶液于噴霧干燥或通過高溫立式爐加熱，比如高堿性微珠的制備。

③干燥凝膠法(見圖5)。即以有機(jī)醇鹽為原料，經(jīng)過制備干凝膠一粉碎一高溫下發(fā)泡三個流程而得。這三種方法都有一定的缺點(diǎn)：如粉末法成珠率低，液滴法制備的微珠強(qiáng)度差，干燥凝膠法原料成本太高等。

除此三種方法之外，還有其他一些制備空心玻璃微珠的方法，如我國中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所以軟化學(xué)法為基礎(chǔ)，制備出性能不錯的空心玻璃微珠，如圖6所示。1

空心玻璃微珠復(fù)合材料基材及復(fù)合方法要與空心玻璃微珠復(fù)合形成高強(qiáng)度固體浮力材料，基體材料必須具備良好的性能，如密度小、強(qiáng)度高、黏度小以及與微珠之間具有良好的潤滑性等。目前應(yīng)用的基體材料包括環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂等。其中環(huán)氧樹脂以其強(qiáng)度高、密度小、吸水性小、固化收縮小等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中得到最廣泛的應(yīng)用。玻璃微珠與基體材料可通過澆注法、真空浸漬法、液體傳遞模塑法、顆粒堆積法和壓塑法等成形工藝進(jìn)行復(fù)合，需要強(qiáng)調(diào)的是，為了提高微珠與基體間的界面狀況，還需要對微珠表面進(jìn)行改性，從而提高復(fù)合材料的整體性能。1