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        海洋觀測探測平臺關鍵材料發展與展望

        發布時間:2022-08-11 10:39:09  |  來源:中國網·中國發展門戶網  |  作者:楊銳 等  |  責任編輯:殷曉霞

        中國網/中國發展門戶網訊  黨的十八大以來,習近平總書記多次在講話中談及海洋強國建設,強調海洋事業關系民族生存發展狀態,關系國家興衰安危。黨的十九大報告進一步指出,堅持陸海統籌,加快建設海洋強國。2022年4月,習近平總書記在海南考察時再次強調,建設海洋強國是實現中華民族偉大復興的重大戰略任務。要推動海洋科技實現高水平自立自強,加強原創性、引領性科技攻關,把裝備制造牢牢抓在自己手里。建設海洋強國已成為實現中國夢的必然選擇。海洋觀測探測技術與裝備是進入海洋、開發海洋的基礎和保障?!笆濉币詠?,在前期基礎上,我國初步形成了以“奮斗者”號深海載人潛水器、“海斗”號全海深自主遙控水下機器人為突出代表的不同類型、覆蓋全海深的譜系化海洋觀測探測裝備,為認知海洋提供了重要技術支撐與裝備平臺。

        一代材料,一代裝備,材料是裝備的基石。多種類型的材料是支撐海洋觀測探測裝備“下得去、上得來、看得見”的基礎,材料的性能直接影響裝備的技術水平。新材料研發及應用一般要經歷需求分析、原理驗證、技術突破、應用驗證等階段,研發周期長、風險因素多,因此關鍵材料的研發需要根據技術應用趨勢進行前瞻性布局,避免未來成為拖后腿的“短板”或被“卡脖子”。需要說明的是,本文所討論的海洋觀測探測材料限于與海水接觸并受其壓力作用與腐蝕影響的觀測探測平臺用結構材料和結構功能一體化材料,不涉及聲學信號傳遞和傳感器用功能材料。本文將首先介紹海洋觀測探測材料的應用現狀,涵蓋金屬結構材料(鋼、鈦)、非金屬結構材料(高分子及其復合材料)、結構功能一體化材料(浮力材料、照明材料、密封及潤滑材料)。隨著海洋觀測探測深度、廣度及功能的拓展,裝備平臺對材料提出了更高綜合要求。本文還將分析海洋觀測探測新材料的發展趨勢及挑戰,并提出相關的發展建議。

        海洋觀探測材料應用現狀

        金屬及非金屬結構材料是耐海水壓力的裝備平臺的“筋骨”,以承載為其主要特性。而浮力材料、照明材料、密封及潤滑材料等結構功能一體化材料則除受海水壓力影響外,還為海洋裝備提供廣義的功能屬性。圖1中展示了深海觀測探測平臺應用的關鍵材料及部件。

        金屬結構材料實現從鋼到鈦合金轉變

        目前海洋裝備結構以鋼、鈦等金屬材料為主,并以鋼的應用最早。以載人深潛耐壓殼體為例,20世紀60年代,美國研制的Sea Cliff和Alvin潛水器的載人殼體均采用鋼建造。隨著潛水器下潛深度增加導致海水壓力增大,以及長期服役導致累積海水腐蝕的破壞作用增大,鋼的比強度(強度/密度的比值)和耐腐蝕性能逐漸不適應結構設計的要求。鈦及鈦合金具有較高的比強度和優異的耐腐蝕性能,被稱為“海洋金屬”,是海洋工程制造領域理想的結構材料。美國Sea Cliff和Alvin潛水器的載人艙體在后期被逐步替換為鈦合金。目前國際上主流載人潛水器載人艙基本采用800 MPa強度級別的Ti-6Al-4V鈦合金,包括我國在“十一五”“十二五”期間研制的“蛟龍”號和“深海勇士”號載人潛水器。

        與航空、航天對結構減重的要求一致,深海裝備的結構減重效益明顯,減重后可增大海洋探測裝備的航行敏捷度、減少浮力材料用量、降低能源消耗、提升裝備作業周期。結構減重設計要求采用更高強度鈦合金,然而結構材料普遍存在強度-韌性“倒置”現象,提升強度后往往導致韌性降低,引發脆性斷裂并降低結構的可靠性及服役壽命,因此兼具高強度、高韌性的鈦合金往往成為裝備研制的瓶頸問題。美國Limiting Factor全海深載人潛水器在2019年完成了海試,其載人艙一反常態地選擇搭載2人而非以往3人的設計方案,同時其載人艙采用了800 MPa Ti-6Al-4V鈦合金?!笆濉逼陂g,中國科學院金屬研究所(以下簡稱“金屬所”)自主研發了950 MPa級別高強韌鈦合金,組建載人艙技術攻關“國家隊”,研制了國際上首個載3人全海深鈦合金球艙,使“奮斗者”號深海載人潛水器在2020年創造了10909m的我國載人深潛紀錄。自2021年起,“奮斗者”號開展了系列常規科考作業,使我國成為國際上萬米深潛次數和人數最多的國家。

        高分子材料和復合材料實現耐壓應用

        由于無機非金屬材料因韌性較低難以滿足耐壓結構的可靠性要求,本文中涉及的非金屬結構材料限于承載的高分子復合材料,以結構承載為主、兼顧透光功能特性的材料,主要是高分子透明材料。

        (1)高分子復合材料。纖維增強樹脂基復合材料以其高比強度、高比模量、耐腐蝕、提供靜浮力等特性,成為深海輕量化耐壓艙體的候選材料之一。2002年,美國千米級潛水器Deep Flight I采用玻璃纖維/環氧樹脂復合材料制備了耐壓殼體。近期,中國科學院空間應用中心采用纖維增強樹脂基復合材料制備了全海深輕量化復合材料耐壓艙體,較Ti-6Al-4V鈦合金結構減重20%以上。

        (2)高分子透明材料。聚甲基丙烯酸甲酯(有機玻璃)高分子透明材料具有密度小、透明度高等物理特性。在力學性能方面,有機玻璃表現出應變速率強化、高應變速率脆化等特征,在準靜態載荷作用下呈現延性破壞,高速動態作用下表現出明顯的脆性斷裂?;谝陨系奈锢韺W和力學特征,有機玻璃在低應變載荷下的水下透明耐壓結構領域得到了廣泛應用。20世紀30年代開始,美國的載人潛水器觀察窗即開始采用有機玻璃,近100年來,國際上主流的載人潛水器觀察窗一直采用有機玻璃的主導方案?;趯Υ笞鳂I視野的追求,國外研制的Deep Rover、Triton 3300/3系列載人潛水器的載人艙體也采用有機玻璃。受有機玻璃材料特性及工藝制備水平的制約,目前有機玻璃載人耐壓艙體下潛深度一般不超過2000m。

        結構功能一體化材料發展迅速

        (1)輕量化固體浮力材料。深海裝備用固體浮力材料是為深海裝備提供必要浮力的核心材料,主要由空心玻璃微球與樹脂基材通過熱固化成型制備。浮力材料的抗水壓強度(與水深有關)和密度的綜合匹配是其核心的性能指標。美國研制的浮力材料密度為0.40—0.73 g/cm3,應用水深2000—11000m,其中密度為0.56 g/cm3能用于7000m水深,被我國“蛟龍號”載人潛水器所采用。我國固體浮力材料在早期依靠進口,成為深海裝備的“卡脖子”材料技術?!笆濉逼陂g,中國科學院理化技術研究所(以下簡稱“理化所”)自主研制的固體浮力材料模塊在南海進行了155天的海試試驗,樣品吸水率小于1%,滿足使用要求,并為“深海勇士”號4500m載人潛水器提供了密度為0.54 g/cm3的浮力材料?!笆濉逼陂g,理化所研制了新型空心玻璃微球和樹脂基體,為“奮斗者”號研制并提供了密度為0.69g/cm3的浮力材料。目前我國已基本實現了覆蓋全海深應用的密度0.40—0.70 g/cm3浮力材料的自主可控保障,浮力材料性能與國際先進水平相當。

        (2)照明材料。透明陶瓷具有優異的光學、力學和熱學特性,在高溫高壓可視化窗口、高功率密度固態照明和固體激光器等光學和光子學領域都受到青睞。近年來,在我國海洋光學探測需求迅速增長的背景下,石榴石透明陶瓷在深海光學窗口和照明領域的應用技術研究取得了一定進展。在深海光學方面,中國科學院上海硅酸鹽研究所攻克了復雜形狀透明陶瓷的成型和致密化關鍵技術,研制出直徑40—120mm系列通光口徑的半球形Y3Al5O12透明陶瓷,成功用于深海視頻采集系統、海洋照明和光通信裝備;在光子學應用方面,研究人員圍繞稀土摻雜石榴石透明陶瓷的能帶工程和微觀組織結構調控開展了系統研究,作為新型光轉換材料用于深海高功率LED和靜態激光照明裝置。

        (3)密封、潤滑材料。①深海密封材料。目前深海耐壓結構主要采用橡膠密封,但橡膠材料存在長期使用老化、溫度適應性差和易磨損等密封隱患。與橡膠相比,金屬密封具有更加優異的耐久性、溫度適應性和耐磨性,例如銅、鋁密封等,但此類金屬易發生自身腐蝕和接觸電化學腐蝕,不適于海洋環境應用。近年來,具有低模超彈、可形狀自回復、耐腐蝕、耐磨損特征的鈦鎳形狀記憶合金成為備受關注的新型類橡膠金屬密封材料。金屬所設計了鈦鎳合金多種密封結構,通過了相應的耐壓考核試驗及搭載海試試驗,率先驗證了鈦鎳合金在深海密封應用的可行性,目前已應用于萬米水下滑翔機浮力調節系統和深海工藝孔的密封結構。②深海潤滑材料。深海裝備機械部件服役過程中摩擦磨損與海洋腐蝕耦合作用嚴重影響裝備的可靠性和服役壽命。例如,深海高端柱塞液壓泵的核心液壓元件(關鍵摩擦副)表現出顯著的摩擦腐蝕失效,目前主要以熱噴涂WC-Co-Ni3Cr2為防護潤滑涂層,但由于防護涂層存在致密性低、腐蝕通道多、易磨損等“先天缺陷”,難以滿足深海裝備長期穩定服役需求。中國科學院寧波材料技術與工程研究所以深海柱塞泵關鍵摩擦副為應用目標,利用磁控濺射制備了兼具高硬度、減摩耐磨、耐蝕等特性的碳基涂層,初步獲得了良好的試驗及應用效果。

        海洋觀探測新材料技術發展趨勢及挑戰

        海洋觀測探測是高投入的領域,未來對觀測、認知需求最多的仍是上層水體。對這類觀測探測作業,裝備成本控制是決定該領域能否快速發展的關鍵因素??蓴y帶的有限能源仍然要求采用像鈦合金和纖維增強高分子復合材料等輕質高強材料制造裝備的主體耐壓結構,因為這類材料的用量最大,降低裝備總體成本的潛力也更大。纖維增強高分子復合材料成本比鈦合金更高,近中期降低成本的空間較小。這類需求有望牽引低成本鈦合金相關技術的發展,如返回料電子束熔煉技術、短流程制備工藝、氫化法粉末制備技術、近凈成形技術、針對我國鈦礦資源特色的合金成分設計技術。

        海洋觀測探測裝備和技術的另一個重要發展趨勢是大型化、大深度、長周期、全海域、多功能。馬來西亞MH370客機失蹤原因至今撲朔迷離,充分說明全海域大深度探測需求的重要性和技術難度。這類探測、作業裝備是海洋強國建設的核心內容,對材料的主要性能、大規格制備、長壽命服役、寬溫域適應性、多功能特性等提出了更高的總體要求,但不同類型的海洋工程新材料的差異明顯,具體發展趨勢和技術挑戰也不盡相同。下面對這類材料需求進行簡要討論。

        高強韌鈦合金需突破大規格制備技術和高魯棒性焊接技術

        以往我國高性能鈦合金的研發及應用主要圍繞航空、航天兩大領域,鈦合金的材料體系、性能及制造技術均以滿足航空、航天要求為主。而海洋服役環境迥異于航空航天,對鈦合金材料性能及制造技術具有特色鮮明的要求,結合海洋觀測探測技術的發展趨勢,目前制約我國未來海洋裝備的鈦合金材料瓶頸問題主要體現在3個方面:①高強韌鈦合金缺乏系統化、規?;瘧?。高強韌鈦合金應用雖然可以帶來顯著的減重效益,但受制于制備技術難度、配套的工藝及規模應用成本等綜合因素,尚未在我國深海裝備上實現系統化、規?;瘧??!皧^斗者”號載人艙是高強韌鈦合金在深海裝備核心部件上的典型應用,我國在國際上率先突破的領先技術只有通過發揮“以點帶面”的引領作用才能產生更大效應。②缺乏寬幅超厚鈦合金板材制備能力,制約海洋裝備的大型化、整體化建造。海洋裝備大型化、整體化建造對結構材料的規格尺寸具有較高要求。以鋼為例,大潛深裝備采用的鋼板寬度可超過4m、厚度可達200mm,單張板材質量達到20t?!笆濉逼陂g,我國研制了寬度3m、厚度120mm、質量約8t的鈦合金板材,應用于“奮斗者”號潛水器。然而,我國目前尚未突破與海洋用鋼規格相當的寬幅超厚鈦合金板材制備技術,成為海洋工程“鈦替代鋼”過程中的關鍵技術瓶頸之一。③焊接技術及配套裝備無法滿足深海大型鈦合金耐壓殼體建造需求。焊接是制造深海大型鈦合金耐壓殼體必不可少的工藝方法,通常包括氣體保護窄間隙焊接、真空高能束如電子束焊接。對于制造直徑3m、厚度50mm的大型鈦合金耐壓殼體,采用逐層堆積的窄間隙焊接施工周期漫長,單個環縫焊接花費數月。真空電子束焊接效率大幅度提升,但對焊接真空環境要求苛刻,目前超大規格結構采用真空電子束焊接工程化實施難度極高,將成為未來制約超大規格鈦合金耐壓結構制造的另一項瓶頸技術。

        非金屬結構材料需進一步發展缺陷控制技術

        (1)有機玻璃。在觀測視角方面,相比于金屬耐壓殼體,有機玻璃殼體具有明顯的視角優勢,但其黏彈性力學特征和缺陷敏感性對結構設計、大尺度部件制備均提出了挑戰。①蠕變和延遲恢復。有機玻璃兼具彈性和黏性形變特征,表現為受力后發生隨時間的蠕變行為,卸載后則發生延遲恢復。蠕變和延遲恢復特性給有機玻璃耐壓部件的長期、往復使用帶來了技術挑戰。②大尺寸有機玻璃缺陷控制。有機玻璃的斷裂韌性較低,—40oC—40oC溫度范圍內其斷裂韌性在1.45—2.90MPa·m1/2之間,制造工藝缺陷(微裂紋、氣孔等)對有機玻璃的承載能力具有顯著影響,增加了大尺寸有機玻璃耐壓殼體的制造難度?;谟袡C玻璃的黏彈性力學特征及缺陷敏感性,其作為耐壓殼體,在結構設計、壽命預測方法及大尺寸部件缺陷控制等技術方面有待進一步發展。

        (2)高分子復合材料。纖維增強樹脂基復合材料耐壓艙體由內膽/承力層/防水層多種材料復合而成,艙體在長期服役過程中多層材料界面應力演化,以及樹脂基體防水、抗沖擊性能是下一步關注、提升的重點。

         結構功能一體化材料有待強化多功能特性

        (1)輕量化浮力材料。我國深潛浮力材料長期以來以跟蹤研究為主,近10年來,我國實現了從依賴進口到部分型號國產化,但還缺乏系統的基礎研究積淀,一定程度上存在知其然、不知其所以然的問題,制約了譜系化浮力材料向更高水平邁進。此外,在浮力材料多功能化方面,國際上已開展兼具聲學、電磁、絕熱功能的浮力材料研制,而國內目前基本處于空白狀態。

        (2)照明材料。面向深海光學探測需求,提高透明陶瓷尺寸、光效和結構穩定性是關鍵。透明陶瓷尺寸局限性對光電探測效率和載荷空間形成了明顯制約,提升深海光電系統高效運行的關鍵在于發展大尺度和復雜形狀石榴石透明陶瓷的制造技術。稀土摻雜石榴石熒光陶瓷材料在高功率密度激光輻照下存在光效驟降和結構失效的潛在問題,提升其在極端服役條件下的光效和熱管理水平是透明陶瓷光子學應用研究領域的重要目標。

        (3)密封、潤滑材料。①深海密封材料。海洋裝備長壽命發展趨勢,對密封材料及密封件結構設計均提出了更高要求。類橡膠鈦鎳形狀記憶合金作為密封材料的綜合優勢已經得到初步驗證,但相關的應用技術研究還處于起步階段,特別是在密封材料的抗蠕變性能及密封結構設計方面還需開展系統工作,以適應海洋裝備多種結構密封需求。②深海潤滑材料。傳統熱噴涂潤滑涂層在機械磨損和海洋腐蝕耦合作用下表現出顯著的摩擦腐蝕失效,是制約深海柱塞液壓泵等動力裝備長期服役的瓶頸。磁控濺射碳基涂層兼具高硬度、減摩耐磨、耐蝕等特性,已在航空航天、汽車等領域獲得應用,但其在腐蝕、摩擦以及摩擦-腐蝕交互等作用下適用性尚未得到系統驗證,相關材料在海洋工程方面的設計準則、服役評價方法在國內基本屬空白。

        發展建議

        裝備制造,材料先行。材料作為裝備的基石,其規劃、布局及研發、生產直接關乎未來海洋核心裝備的有無和自主可控水平?;趯Q筇綔y觀測新材料的應用現狀、發展趨勢及挑戰的分析,提出3點建議。

        (1)加強頂層設計,以國家重大任務為牽引,帶動系列新材料技術整體升級跨代。未來更大結構、更長壽命、更高安全性的海洋觀測探測裝備應由國家和行業統一規劃,組織國內材料領域的戰略力量聚焦重大需求、重點攻關,快速突破技術瓶頸,提供系列化海洋關鍵材料技術供給,協助骨干企業實現大規格結構材料生產。

        (2)動員社會力量參與,多措并舉,有效發揮市場機制作用,建立海洋材料持續發展長效機制。對于需求量大的上層水體觀測探測裝備,鼓勵中小企業和高校參與研發,以社會力量解決材料“多、小、散、雜”特點易導致的供應短板,促進海洋新材料產業健康發展。

        (3)不斷凝練材料領域與海洋環境交叉的基礎科學問題,前瞻部署研究項目。關注并力圖解決海洋環境下關鍵材料的主要基礎科學問題,如:鈦合金高能束焊縫增韌原理;鈦合金氫脆與應力腐蝕開裂傾向的關系;耐腐蝕高韌性MAX相陶瓷制備方法;低成本浮力材料成分體系。只有這樣才能真正做到材料先行,盡量消除可能遲滯新一代海洋裝備發展的材料短板,為海洋強國戰略奠定厚實的物質基礎。

         

        (作者:楊銳、馬英杰,中國科學院金屬研究所;程世婧,中國科學院重大科技任務局?!吨袊茖W院院刊》供稿)

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