潜水器耐压壳的选材

潜水器主要包括耐压结构、附体结构、内部框架平台结构3个部分。其中耐压结构抵抗海水压力，为内部仪器设备提供稳定的运行环境，为人员提供可靠的工作和生活空间，是潜水器的核心部件。

目前潜水器耐压壳结构材料一般为合金钢或钛合金，材料密度较大，导致耐压壳结构重量在总重量中占比较大，制约着潜水器的有效载荷。在当前大潜深、高承载的发展需求下，势必要对耐压壳结构开展轻量化设计，而纤维增强复合材料、陶瓷、玻璃等材料具有较高的比强度，为实现该目标提供一条有效技术途径。

现有潜水器的耐压壳结构大多采用合金钢或钛合金等金属材料制造而成，理论体系较为完善，材料性能研究的逐步深入以及制造工艺水平的不断提升使得金属材料能够满足大部分潜水器的性能需求。但随着对潜深与承载需求的进一步增大，潜水器耐压结构的发展受到金属材料性能的制约，因此各国开始探索具有更高比强度且兼具较好耐腐蚀性的纤维增强复合材料、陶瓷材料及玻璃材料等非金属材料在耐压壳体上的应用。表1展示了选用不同材料的典型潜水器及其性能参数，深度一栏斜体字表示最大下潜深度。

1 合金钢

合金钢是最早应用于潜水器耐压壳结构的材料之一，其应用可追溯至20世纪50年代，合金钢的高强度特性可以保证耐压壳承受一定的水压而不被破坏。采用合金钢制作耐压壳的典型应用有美国的Trieste号、Deepsea Challenger号、Alvin号和法国的Archimède号等。其中Deepsea Challenger号最大潜深为11 000 m，是一款仅容纳1人的潜水器，外形尺寸（长×宽×高）为2.3 m×1.7 m×8.1 m，耐压壳的内径为1.09 m，采用6.4 mm厚的合金钢制成。

2 钛合金

合金钢在拥有高强度的同时也具有较高的密度，导致由合金钢制成的耐压壳结构通常厚度和重量较大，尤其是在大潜深情况下，受结构自重和钢板厚度的限制，该类潜水器所能提供的有效载荷及空间不足，不利于装备的布置及人员的活动。钛合金的出现在一定程度上解决了这一问题，钛合金的强度虽稍弱于合金钢，但其密度则仅仅只有合金钢的1/2左右，具有较高的比强度。与此同时，钛合金具有优异的耐海洋环境性能，能够很好地满足水下装备的需求，是目前水下装备中最热门的金属材料，在役的潜水器耐压壳结构几乎都采用钛合金材料制造。法国的Nautile号、日本的Shinkai 6500号以及国内研发的“蛟龙”号、“深海勇士”号、“奋斗者”号等潜水器耐压壳结构均为钛合金材料。

美国Alvin号建成于1964年，最初使用合金钢作为圆形耐压壳结构的材料，最大潜深为1868 m,1972年通过将耐压壳材料更换为钛金属使得工作深度提升至4 500 m。在2012年的又一次改装中使用钛合金材料重新制造了耐压壳结构，同时增大了壳体内径，相较之前，有效载荷增大，设计深度也进一步提升至6 000 m。

Shinkai 6500号于1989年建造完成，长×宽×高分别为9.7 m×2.8 m×4.1 m，其中耐压球壳的内径为2.0 m，由73.5 mm厚的钛合金制造而成。Shinkai 6500号的设计水深为6 500 m，实际最大下潜至6 527 m，创造了当时载人潜水器的下潜记录。

3 陶瓷材料

非金属材料在海洋工程领域中的应用已开展多年，且已有很多应用实例，近年来非金属材料在耐压壳结构中的应用已成为潜水器领域研究的热点。陶瓷材料作为其中的一种，具有较高的比强度、较好的耐腐蚀性以及耐磨损和电绝缘特性，在水下装备中应用较多的有氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷等。20世纪60年代开始，美国逐步展开对使用陶瓷材料的小尺寸圆柱形耐压壳、6 100米级AUV的全尺寸陶瓷耐压壳模型以及11 000米级深渊ROV/AUV的研究，并于2008年成功研制出全海深复合型无人潜水器Nereus号。Nereus号耐压壳结构主体部分材料为氧化铝陶瓷，长4.25 m，宽2.3 m，密封部位采用钛合金材料制成。2009年5月，Nereus号成功下潜至马里亚纳海沟10 902 m的海底，证实陶瓷材料可以满足潜水器在全海深条件下的承载要求。

4 玻璃材料

现有潜水器的观察窗通常尺寸较小，限制了潜水器内的视野。为了扩大潜水器内人员在水中观察、作业的视野，国内外正在研制采用高强度透明玻璃材料作为耐压壳体的潜水器。玻璃材料在重量轻、耐腐蚀性能优异的基础上，具有卓越的透光性，可为载人潜水器中的人员提供宽阔的水下视野。此外，玻璃材料也具有较好的密封性能。国内的“寰岛蛟龙”号是世界最大型的全通透载人潜水器，耐压舱壳体结构由一段球形有机玻璃和三段圆柱形有机玻璃构成，视野开阔，一次性可承载11人，但其设计深度只有40 m，仅适合浅水观光。日本的Shinkai 12000号潜水器耐压壳计划采用玻璃材料取代Shinkai 6500号中使用的钛合金材料，该设计通过建立玻璃球壳提高抗压能力、增大潜水器内视野，提升海底作业效率。美国在研的Triton 36 000/3号预计也将选用玻璃材料作为耐压壳结构材料，承载3人下潜至11 000 m水深。但是Shinkai12000号与Triton 36000/3号目前仍处于设计阶段，暂未通过试验验证，所以关于大深度下玻璃材料在耐压壳结构上的应用还需要进一步探索。

5 碳纤维增强复合材料

碳纤维增强复合材料在拥有高比强度、比刚度以及优异耐腐蚀性能的同时，也具有较好的抗疲劳、耐磨损性能、性能可设计等优点，目前在航空航天领域应用广泛，理论分析方法已有一定的基础。国内外也对碳纤维增强复合材料应用于水下耐压壳结构的可行性进行了初步探索。OceanGate公司的Cyclops系列、华盛顿大学研制的Deep Glider号以及国内中科院沈阳自动化研究所自主研发的“海翼”号深海滑翔机的耐压壳均采用碳纤维缠绕复合材料。Titan号是OceanGate公司联合华盛顿大学应用物理实验室研发的Cyclops级载人深潜器，长×宽×高为6.7 m×2.8 m×2.5 m，重10.4 t，有效负载0.685 t，设计深度为6 000 m，由一个内径1 420 mm、长2 400 mm的碳纤维圆柱壳与2个钛半球，2个匹配的钛界面环组成。该圆柱壳由800多层碳纤维材料缠绕而成，约100 mm厚，这是当前应用于潜水器中最大型的碳纤维圆柱壳。与其他材质的潜水器耐压壳相比，碳纤维材质耐压壳的使用降低了整体重量。该潜水器已于2018年12月完成单人4 000 m潜水试验，并于2019年4月完成4人3 760 m潜深的试验。

6 玻璃纤维增强复合材料

玻璃纤维增强复合材料即俗称的玻璃钢，20世纪40、50年代开始应用于水面舰船及潜艇部件中，具有较高的比强度、较好的耐腐蚀特性与抗冲击性能。同时玻璃纤维增强复合材料属于非磁性材料，具有良好的绝缘性能。美国霍克斯海洋技术公司一直致力于研发观光类潜水器Deep Flight系列，1996年，采用玻璃纤维/环氧树脂复合材料的Deep Flight I成功下潜至1 000 m。

本公司产品分类：钛棒、钛管、钛板、钛阳极、钛箔钛带、钛法兰、钛丝、钛靶材、钛设备、钛饼钛环、钛标准件、钛加工件