金属基复合材料性能及其在耐压壳体设计中的应用

王中平，钟立才

（兰州资源环境职业技术学院 甘肃 兰州 730021）

1 引言

深海是人类未知的领域，海面3 000米以下不仅具有丰富的资源，而且有很多未知的生命。长期以来，深海一直是人们研究的热点与重点，人类对深海的研究与开发离不开相应深海潜水设备的支持，在深海下潜中由于海水压力、腐蚀等各种因素影响，在潜水器耐压壳体设计与建造中必须要增强其抗压强度，减少海水腐蚀，选择具有高强度、高韧性、比重轻、耐腐蚀的新型材料。例如目最常使用的包括金属和非金属材料作为耐压壳体的设计与使用材料，满足深海潜水器对高性能设备的要求，希望本文研究能够为耐压壳体材料选用与设计提供一定参考与理论依据。

2 金属基复合材料分类与性能

复合材料即是将两种或者两种以上不同性能的材料进行混合，形成一种更高性能的材料。最早被开发出的复合材料即是玻璃纤维，随后出现碳纤维、芳纶纤维、石墨纤维等各种高强度的复合型材料，许多复合型材料不仅具有优良的性能，而且建造工艺简单，具有很强的实用性。从目前技术发展与材料组成情况看，复合材料可以分为以下几种。

首先是金属基复合材料，如铁基复合材料、铝合金材料、钛合金材料、铜合金材料等。例如铁在大气环境下十分容易生锈，在加入20%左右的铬元素后制备而成的不锈钢，就具有很好地防腐蚀性能。又如钛合金其耐腐蚀性、耐压强度都是最高的，但是其生产成本较高，因此没有得到有效推广。铝基复合材料中的碳纤维增强复合材料有效增强了铝基材料的抗腐蚀性。铜基复合材料则具有良好的热传导性；而且在海水中会与海水产生化学反应，防止各种海洋生物的攀附，减少对海洋设备的影响[1]。其次是非金属复合材料，主要包括先进树脂基复合材料和结构陶瓷材料。例如澳大利亚制造的深海潜水器深海挑战者号即是使用环氧树脂玻璃微球体制成耐压壳体。结构陶瓷材料的特点是强度和弹性模量高，而且耐高温、耐腐蚀、非磁性，在船舶耐压壳体中应用广泛且具有很高的发展潜力。

可见，非金属复合材料与金属基复合材料各具优势，所以在船舶、潜水器等方面有着不同的应用，需要结合设备设计性能要求进行针对性地选择，切实保障设备性能。由于耐压壳体应用于较深海域，更需要选择强度高、抗腐蚀性强的材料进行设计建造。

3 耐压壳体概念与材料选择要求

深海潜水器耐压壳体是潜水器的主要组成部分，其性能、结构形式对于潜水器性能有着决定性的影响。必须满足潜水器重量、抗压、抗腐蚀等要求，保障潜水人员与设备的安全。所以保证耐压壳体的强度与稳定性是其设计的重点，而如何选择强度高、抗腐蚀性能强的材料则成为提升耐压壳体质量的关键。考虑在一定水深压力下，耐压壳体能够不因外力而产生结构性的损坏。在相关研究中从耐压壳体材料的比强度、比刚度、可设计性、可装配性、可生产性、经济性和重量排水比等方面进行评价[2]。例如目前常用的耐压壳体材料包括钢、铝、钛、玻璃等。钢的屈服强度与比强度较高，所以在浅海耐压壳体的制造中应用较为广泛。而在深海，则需要具备更优质抗压能力的钛合金材料，钛合金材料强度、密度都具优势，所以是最佳的耐压壳体材料，但钛合金材料的可焊接性不具备优势。

金属基复合材料主要是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料。增强材料可以是纤维状、颗粒状和晶须状的碳化硅、硼、氧化铝及碳纤维[3]。金属基复合材料不仅具有与其他非金属复合材料相同的高强度、高模量外；还具有耐高温、耐高压、抗辐射等优势，所以在许多高端设备中应用广泛。

4 金属基复合材料在耐压壳体设计中的应用

深海潜水器所用的耐压壳体由于对抗压要求、防腐蚀要求较高，所以必须对材料进行周密选择与严格的检测，以确保耐压壳体满足深海研究的要求。前文研究中主要对耐压壳体特点与设计要求以及金属基复合材料的特性进行研究，可见金属基复合材料很好地满足深海用耐压壳体的性能要求。本节主要结合实际情况，以钛合金与铝合金为例，对金属基复合材料在耐压壳体设计中的性能等进行研究，提出可行的应用策略。

4.1 钛合金在耐压壳体设计中的应用

钛基体是一种物理性能优秀、化学性稳定的合金材料，在耐压壳体设计与制造中具有很多的优势。尤其是在抗腐蚀方面，钛合金与其他材料相比更是优异，因此被认为是最好的深海耐腐蚀材料。钛基符合材料主要能够分为颗粒增强钛基复合材料和连续纤维增强钛基复合材料两大类[3]。首先，颗粒增强钛基复合材料的增强材料主要有TiC、TiB与TiAl等多种，在增强之后钛材料的硬度、刚度都得到很好提升。其次，连续纤维增强钛基复合材料的增强纤维主要有SiC、TiC以及耐高温的金属纤维，增强后的钛合金抗拉强度和弹性模量有较大提高[4]。所以使用钛基复合材料制造耐压壳体，其加强肋一般用其他密度较低的金属制造，能够有效降低耐压壳体的重量。

4.2 铝合金在耐压壳体设计中的应用

铝及其合成金属很多都适用于制造金属基复合材料，铝基金属复合材料的增强材料既可以是连续性的纤维，也可以是不规则形状的颗粒增强物。例如连续性的纤维包括长纤维与短纤维，长纤维增强物又有硼纤维、碳纤维等，通过增强有效提升铝金属强度与耐磨性，但是塑性受之影响有所降低。颗粒增强物有主要有SiC颗粒、Al2O3颗粒、BC4颗粒等[5]。在复杂的海水环境中，碳纤维增强的铝基复合材料抗腐蚀效果更好，尤其是添加了Sc的Al-Mg-Zr-Sc，表现出更好地耐海水腐蚀性。

4.3 铜基复合材料在耐压壳体设计中的应用

铜基复合材料可以分为颗粒增强与纤维增强两种，具有较强的抗腐蚀性与耐磨性。例如在铜合金中加入TiB2作为增强体制备的TiB2增强铜基复合材料后，铜合金的刚度、硬度都得到明显的提升。但是从实际情况看，铜基复合材料目前制备与应用较少，虽然能够满足海洋潜水中耐压壳体设计要求，但是应用较少，在未来工作中需要进一步的研究。

除了以上几种常见金属基复合材料能够应用于船舶、深海潜水器等设备耐压壳的制造中，碳纤维复合材料在耐压壳体制造中也有着较多的应用。碳纤维复合材料在耐压壳体选材中的应用主要是考虑高强度玻璃钢，可以满足耐压壳强度的要求与弹性模量，当然与深海潜水器所需要的耐高压壳体还存在一定差距。一般情况下，耐压壳体所承受的压力主要根据静水压柱进行确定，然后根据所受压力来选择玻璃钢的厚度。另外，海水对耐压壳的腐蚀主要分为两种，一种是海水的化学腐蚀；二是海水的电化学腐蚀。日本新研制的碳纤维复合材料中加入Cr、NI、MO、C等成分，其抗腐蚀性接近钛合金，而且制造成本低，力学性能优异。能够满足耐压壳体对抗腐蚀性的要求[6]。

5 小结

随着探索深海脚步的提速，我国深海潜水器也得到快速的发展，一步步突破多个深度瓶颈。耐压壳体设计的强度与稳定性则是确保下潜深度稳固提升的重要基础。目前国内针对耐压壳体材料进行诸多研究，产生许多富有成效的研究结果。采用金属基复合材料制作耐压壳体，相对于非金属纤维复合材料具有更高的强度与耐腐蚀性，能够更好地应对深海恶劣的高压环境，促进深海探测工作的进行。