高强度浮力材料在轻型渡河装备中的应用

2013-07-09牛思博赵建民邰文星

兵器装备工程学报 2013年2期

牛思博，赵建民，邰文星

(解放军理工大学野战工程学院，南京 210007)

固体浮力材料根据产品类别主要有浅海用浮力材料和深潜用浮力材料，前者在国内普遍采用软木、浮力球、浮力筒及合成泡沫塑料或合成橡胶，但由于其本身的局限性使它并不被看好。相反，深潜用浮力材料以其优异的特性为人们所接受，高强度浮力材料便是其中具有代表性的，目前主要为水下作业装备提供所需的浮力，2011 年被国家列入“十二五新材料发展计划”，它广泛用于水下深潜器、水下机器人、水下集矿机、救生舱等深海潜水领域，若应用到军用轻型渡河装备上，将会大大提高舟桥等装备的浮力特性，改善装备的浅水适应性，同时也为其实现空运、空降等要求创造了有益条件。

1 高强度浮力材料性能特点及国内外应用现状

1.1 高强度浮力材料性能

固体浮力材料是将无机轻质填充材料，填充到有机高分子材料中，经物理化学反应得到的固态化合物。运用于深海研究的固体浮力材料就是一种低密度、高强度、具有耐静水外压、耐海水腐蚀、低吸水率等特性的复合泡沫材料。它是现代海洋深潜技术必不可少的基础性材料，为潜器提供必需的浮力，对提高潜器的有效载荷、减少其外形尺寸、提供其水下运动性能起着重要的作用［1］。

1.2 高强度浮力材料国内外应用现状

高强度浮力材料在民用、商业及军事上有着广泛的应用，如水中设备的配重，漂浮于水面的或悬浮于水中的浮缆、浮标、海底埋缆机械及声多普勒流速剖面仪(ADCP)平台、零浮力拖体、无人遥控潜水器(ROV)等，使用条件不同，对其性能要求也不一样［2］。

1)国外应用现状。美国、法国、俄罗斯等国家从20 世纪60 年代末就开始研制高强度浮力材料，以用于大洋深海海底的开发事业。美国洛克希德导弹空间公司研制了两种用途的固体浮力材料，一种是用于浅海的OPS(offshore petroleum system)级固体浮力材料，密度为0.35 g/cm3，抗压强度为5.6 MPa，可潜水540 m;另一种是深潜用SPD(submersible deep quest)级固体浮力材料，密度为0.45 ～0.48 g/cm3，抗压强度为25 MPa，可潜水深2 430 m［3］。俄罗斯也已研制出用于6 000 m水深的固体浮力材料。利用这些浮力材料，美国研制了“阿尔文”号、“的里雅斯特”号等深潜器，俄罗斯也有“和平一号”、“和平二号”两艘6 000 m 级深潜器，如图1 所示。另外，法国的“鹦鹉螺”号、德国的DeepC 自主潜航器也是具有优异的深潜能力。

图1 “阿尔文号”深潜器

2)国内应用现状。国内的浮力材料研制起步较晚，早期的固体浮力材料属于浅海领域产品，如软木，金属浮筒和合成橡胶制品，其形状固定，提供浮力较小。20 世纪90 年代，海洋化工研究所研制的“化学发泡固体浮力材料”提高了固体浮力材料的性能。近几年来，我国在深潜领域取得了巨大进展，“蛟龙号”载人深潜器便是其中的佼佼者，它是我国首台自主设计、自主集成研制的，设计最大下潜深度为7 000 m级，也是目前世界上下潜能力最深的作业型载人潜水器，其外壳由直径渺小的空心玻璃微珠和环氧树脂制作而成，如图2 所示。“蛟龙号”可在占世界海洋面积99.8%的广阔海域中使用，对于我国开发利用深海的资源有着重要的意义。

图2 “蛟龙号”深潜器

2 浮力材料应用前景分析

发达国家在舟艇等渡河器材的研制与开发上广泛的应用了浮力材料，使舟艇性能得到很大的提高。2011 年，一艘内河用多功能消防救援艇列入俄罗斯消防部队战斗装备，它可以完成救援工作中的多种作业。这种救援艇艇身采用了新型的材料，并涂上轻质的防火涂料，利用其耐火性和保温绝热性使救援人员免受火灾的威胁。

目前，我国的轻型渡河器材主要包括冲锋舟、汽艇、轻型舟桥等，在抗震救灾等任务中发挥了重要作用。在材料使用方面基本采用钢材，也有部分采用木材、铝合金和复合材料。钢材优点在于强度高、塑性韧性好，缺点为质量大、机动性差、克服水障碍潜力小、耐腐蚀性差、维修保养费用高;铝合金虽具有质量轻、强度高、不易锈蚀的优点，但造价较高，刚度比钢材小，铝材的焊接性能仍需研究改善。复合材料制成的渡河装备具有质量轻、强度高，可减轻结构质量;机动性好、运输架设方便;能吸收高能量、冲击韧性好、抗损性强;整体性好，舟体成型简便，比钢质舟体省工，造价低，使用寿命长，维修保养方便［4］。

我军现阶段在舟体的研制上主要采用的是玻璃钢与高强度钢材的复合结构，已在轻型门桥和冲锋舟上得到成功应用。在民用方面，我国已广泛采用玻璃钢制造各种小型汽艇、游艇、救生艇等。通过分析深潜用的固体浮力材料，以空心玻璃微珠为代表的填充剂为研究角度，分析在舟体等器材研制方面的应用前景。

2.1 空心玻璃微珠

空心玻璃微珠是近年来发展起来的一种用途广泛、性能优异的新型材料，该产品的主要成分是硼硅酸盐，粒度为10 ～250 μm、壁厚为1 ～2 μm 的空心球体，它具有质轻、低导热、强度高和良好的化学稳定性等优点，经过特殊处理，具有亲油、憎水性能，非常容易分散于树脂等有机材料中，如图3所示。现广泛用于玻璃钢、人造大理石、人造玛瑙等复合材料中，具有明显的减轻质量和隔音保温效果，使制品具有很好的抗龟裂性能和再加工性能。在航空、航天、新型高速列车、豪华游艇、隔热涂料等领域得到广泛应用，并起到了良好的作用。

图3 空心玻璃微珠

深潜器的关键部件就属于可加工的固体浮力材料，由高强度环氧树脂作为基体，与经分级筛选、表面处理的耐压玻璃微珠、固化剂及其他助剂共混、采用加压高温固化而成［5］。由此可见，在我军舟体的制造工艺上可在原有玻璃钢或者合成泡沫的基础上添加空心玻璃微珠，利用其质轻、强度高的特性可以增加舟体浮力、增加轻型门桥的承载能力;利用其熔点高、热传导系数小的特点可在舟艇在受到袭击时不会轻易烧伤毁坏，同时具有减震绝缘等功效，提高了它们的生存能力。目前，在民用方面我国一些生产舟艇的企业已较为普遍的采用了这种填充剂，但在军用渡河器材上很少采用，这也是今后的发展方向。

2.2 陶瓷微珠

陶瓷微珠是一种非金属多功能材料，主要成分是SiO2和Al2O3，直径在1 ～5 μm 之间，外观为白色，松散、球性率高、流动性好、熔点高，被誉为“空间时代新材料”，如图4所示。

图4 陶瓷微珠

作为球形颗粒，它可提高涂料的吸附性、耐久性、耐擦洗、耐腐蚀及耐高温性，改善漆膜的机械性能，增加透明度，提高防火性能，可用于防腐、防火、耐高温、粉末、建筑涂料及各种工业、民用涂料。由此可见，它可作为防火涂料，涂在冲锋舟、汽艇艇身上，面对敌火袭击时，可以很好的保护舟体内的作战人员，同时利用其保温绝热性可维持舟体正常温度，也为战斗人员提供了较好的战场生存环境。