金屬基復(fù)合材料性能及其在耐壓殼體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王中平，鐘立才

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院 甘肅 蘭州 730021）

1 引言

深海是人類未知的領(lǐng)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(zhǎng)期以來(lái)，深海一直是人們研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)，人類對(duì)深海的研究與開(kāi)發(fā)離不開(kāi)相應(yīng)深海潛水設(shè)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(shè)計(jì)與建造中必須要增強(qiáng)其抗壓強(qiáng)度，減少海水腐蝕，選擇具有高強(qiáng)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(shè)計(jì)與使用材料，滿足深海潛水器對(duì)高性能設(shè)備的要求，希望本文研究能夠?yàn)槟蛪簹んw材料選用與設(shè)計(jì)提供一定參考與理論依據(jù)。

2 金屬基復(fù)合材料分類與性能

復(fù)合材料即是將兩種或者兩種以上不同性能的材料進(jìn)行混合，形成一種更高性能的材料。最早被開(kāi)發(fā)出的復(fù)合材料即是玻璃纖維，隨后出現(xiàn)碳纖維、芳綸纖維、石墨纖維等各種高強(qiáng)度的復(fù)合型材料，許多復(fù)合型材料不僅具有優(yōu)良的性能，而且建造工藝簡(jiǎn)單，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。從目前技術(shù)發(fā)展與材料組成情況看，復(fù)合材料可以分為以下幾種。

首先是金屬基復(fù)合材料，如鐵基復(fù)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(huán)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(qiáng)度都是最高的，但是其生產(chǎn)成本較高，因此沒(méi)有得到有效推廣。鋁基復(fù)合材料中的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有效增強(qiáng)了鋁基材料的抗腐蝕性。銅基復(fù)合材料則具有良好的熱傳導(dǎo)性；而且在海水中會(huì)與海水產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，防止各種海洋生物的攀附，減少對(duì)海洋設(shè)備的影響[1]。其次是非金屬?gòu)?fù)合材料，主要包括先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)陶瓷材料。例如澳大利亞制造的深海潛水器深海挑戰(zhàn)者號(hào)即是使用環(huán)氧樹脂玻璃微球體制成耐壓殼體。結(jié)構(gòu)陶瓷材料的特點(diǎn)是強(qiáng)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(yīng)用廣泛且具有很高的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

可見(jiàn)，非金屬?gòu)?fù)合材料與金屬基復(fù)合材料各具優(yōu)勢(shì)，所以在船舶、潛水器等方面有著不同的應(yīng)用，需要結(jié)合設(shè)備設(shè)計(jì)性能要求進(jìn)行針對(duì)性地選擇，切實(shí)保障設(shè)備性能。由于耐壓殼體應(yīng)用于較深海域，更需要選擇強(qiáng)度高、抗腐蝕性強(qiáng)的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)形式對(duì)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(shè)備的安全。所以保證耐壓殼體的強(qiáng)度與穩(wěn)定性是其設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，而如何選擇強(qiáng)度高、抗腐蝕性能強(qiáng)的材料則成為提升耐壓殼體質(zhì)量的關(guān)鍵?？紤]在一定水深壓力下，耐壓殼體能夠不因外力而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性的損壞。在相關(guān)研究中從耐壓殼體材料的比強(qiáng)度、比剛度、可設(shè)計(jì)性、可裝配性、可生產(chǎn)性、經(jīng)濟(jì)性和重量排水比等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)[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(qiáng)度與比強(qiáng)度較高，所以在淺海耐壓殼體的制造中應(yīng)用較為廣泛。而在深海，則需要具備更優(yōu)質(zhì)抗壓能力的鈦合金材料，鈦合金材料強(qiáng)度、密度都具優(yōu)勢(shì)，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(yōu)勢(shì)。

金屬基復(fù)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(qiáng)相人工結(jié)合成的復(fù)合材料。增強(qiáng)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(fù)合材料不僅具有與其他非金屬?gòu)?fù)合材料相同的高強(qiáng)度、高模量外；還具有耐高溫、耐高壓、抗輻射等優(yōu)勢(shì)，所以在許多高端設(shè)備中應(yīng)用廣泛。

4 金屬基復(fù)合材料在耐壓殼體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

深海潛水器所用的耐壓殼體由于對(duì)抗壓要求、防腐蝕要求較高，所以必須對(duì)材料進(jìn)行周密選擇與嚴(yán)格的檢測(cè)，以確保耐壓殼體滿足深海研究的要求。前文研究中主要對(duì)耐壓殼體特點(diǎn)與設(shè)計(jì)要求以及金屬基復(fù)合材料的特性進(jìn)行研究，可見(jiàn)金屬基復(fù)合材料很好地滿足深海用耐壓殼體的性能要求。本節(jié)主要結(jié)合實(shí)際情況，以鈦合金與鋁合金為例，對(duì)金屬基復(fù)合材料在耐壓殼體設(shè)計(jì)中的性能等進(jìn)行研究，提出可行的應(yīng)用策略。

4.1 鈦合金在耐壓殼體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

鈦基體是一種物理性能優(yōu)秀、化學(xué)性穩(wěn)定的合金材料，在耐壓殼體設(shè)計(jì)與制造中具有很多的優(yōu)勢(shì)。尤其是在抗腐蝕方面，鈦合金與其他材料相比更是優(yōu)異，因此被認(rèn)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(qiáng)鈦基復(fù)合材料和連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料兩大類[3]。首先，顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料主要有TiC、TiB與TiAl等多種，在增強(qiáng)之后鈦材料的硬度、剛度都得到很好提升。其次，連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維主要有SiC、TiC以及耐高溫的金屬纖維，增強(qiáng)后的鈦合金抗拉強(qiáng)度和彈性模量有較大提高[4]。所以使用鈦基復(fù)合材料制造耐壓殼體，其加強(qiáng)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(shè)計(jì)中的應(yīng)用

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

4.3 銅基復(fù)合材料在耐壓殼體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

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

除了以上幾種常見(jiàn)金屬基復(fù)合材料能夠應(yīng)用于船舶、深海潛水器等設(shè)備耐壓殼的制造中，碳纖維復(fù)合材料在耐壓殼體制造中也有著較多的應(yīng)用。碳纖維復(fù)合材料在耐壓殼體選材中的應(yīng)用主要是考慮高強(qiáng)度玻璃鋼，可以滿足耐壓殼強(qiáng)度的要求與彈性模量，當(dāng)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(jù)靜水壓柱進(jìn)行確定，然后根據(jù)所受壓力來(lái)選擇玻璃鋼的厚度。另外，海水對(duì)耐壓殼的腐蝕主要分為兩種，一種是海水的化學(xué)腐蝕；二是海水的電化學(xué)腐蝕。日本新研制的碳纖維復(fù)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(xué)性能優(yōu)異。能夠滿足耐壓殼體對(duì)抗腐蝕性的要求[6]。

5 小結(jié)

隨著探索深海腳步的提速，我國(guó)深海潛水器也得到快速的發(fā)展，一步步突破多個(gè)深度瓶頸。耐壓殼體設(shè)計(jì)的強(qiáng)度與穩(wěn)定性則是確保下潛深度穩(wěn)固提升的重要基礎(chǔ)。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)耐壓殼體材料進(jìn)行諸多研究，產(chǎn)生許多富有成效的研究結(jié)果。采用金屬基復(fù)合材料制作耐壓殼體，相對(duì)于非金屬纖維復(fù)合材料具有更高的強(qiáng)度與耐腐蝕性，能夠更好地應(yīng)對(duì)深海惡劣的高壓環(huán)境，促進(jìn)深海探測(cè)工作的進(jìn)行。