全海深浮力材料发展综述
近年来，我国大力推进远洋深海战略，积极探索深海奥秘。在海洋领域，科学家把水深 6000 - 11000 米的区域叫做 “海斗深渊”，这里堪称地球上最深之地。海斗深渊低温、无光、压力巨大、地质活动多，还有奇特生命，形成了极为神秘的生态系统。当下，国际上海洋科研的前沿热点之一，便是针对海斗深渊展开的海洋地质、生态以及海洋生物研究。
全海深深潜器能在所有深度海域工作，最大下潜约 11000 米，所以全海深浮力材料抗压强度要超此深度环境压力（约 110MPa），还得适配各类全海深装备。其性能要求关键有三：一是耐压超 110MPa；二是密度要小，关乎单位体积浮力，影响有效载荷；三是材料稳定持续供浮力。通常，低密度对应低抗压强度，研发难点就在兼顾二者。美、日在全海深浮力材料研制领先，已有微珠复合泡沫材料、玻璃浮球、陶瓷浮球等成果，国内起步晚，近年因全海深深潜器需求重视起来。
作者就此阐述浮力材料分类、制备方法及国内外概况，给研究人员参考。
一.浮力材料分类
1.传统浮力材料
常用传统浮力材料有橡胶、轻金属合金封装的低密度液体，以及泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫铝、橡胶浮球等。它们制备工艺简单、成本低，在浅水区域，像湖、河、近海等地广泛使用。不过缺点也明显，封装液体若泄漏会带来严重污染，泡沫塑料类材料弹性模量小、强度低，无法适应大于 6000 米的深海环境。
2.固体浮力材料
固体浮力材料分三类：一是化学泡沫复合材料，用化学发泡法制得，密度低但抗压弱，易破裂渗水失浮力，多用于水面、浅海；二是轻质合成复合材料，即三相复合泡沫材料，由复合泡沫与中空塑料等低密度填料组合改性而成，目前主要用于 4000 米深海；三是微珠复合泡沫材料，是研究重点，抗压强，适用于各深度水域，是理想的全海深浮力材料，不过密度高于 0.5g・cm－3（适用于 11000 米），且树脂基体可能吸水致浮力下降。
3.玻璃与陶瓷浮球
玻璃和陶瓷虽为脆性无机材料，但抗压强度、弹性模量高且密度小，是优异耐压浮力材料。随着加工制备工艺提升，近年已制出全海深耐压的玻璃及陶瓷浮球，用于水下探测装备。玻璃浮球光学特性好、非磁非导电，常用于水下照明、摄影成像设备封装，外径 432 毫米的玻璃浮球质量排水比约 0.6g・cm－3，单球净浮力 178N。陶瓷浮球更优，质量排水比 0.34g・cm－3，能为深潜器腾更多载荷空间。不过，玻璃和陶瓷浮球若水下内爆失效，会释放巨大能量，引发连锁反应，后果不堪设想。
二.全海深浮力材料的制备方法
微珠复合泡沫材料是在树脂基体中填充空心微球的两相复合材料，成型工艺含振动浇注、抽真空浇注、模压成型等。空心微球分有机质（如环氧、酚醛、可发性聚苯乙烯球等）和无机质（如玻璃、陶瓷、碳、粉煤灰漂珠等）两类，常用树脂基体有环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯等。全海深用的此类材料要求树脂密度小、强度高、耐压、耐海水腐蚀，填充剂多为高性能空心玻璃微珠。已开发的适用全海深材料以微米级空心玻璃微珠为填充剂（体积分数 60％ - 70％），环氧树脂为基体树脂。制备时，先将经偶联剂处理的空心玻璃微珠加入环氧树脂搅拌浸润，再真空搅拌脱泡，注模后升温模压固化，冷却脱模。
青岛固瑞格新材料科技有限公司即采用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。由高性能固体浮力材料制备的水下勘探系统，不仅能够下潜到更大的深度，提高有效载荷，减少能耗，而且还能保持水下稳定的工作状态，是21世纪深潜技术不可或缺的重要组成部分。
玻璃空心浮球以硼硅酸盐玻璃为原料，先铸造成半球壳，精密磨削赤道密封平面，真空下密闭两半球壳，用丁基胶和密封带处理接缝保真空。陶瓷空心浮球用氧化铝、氮化硅、碳化硅等为原料，半球壳成形可用传统工艺（粉末压制、注浆、凝胶注模等）或 3D 打印，烧结后精加工赤道平面，用树脂粘接，也可用旋转注浆法制备无缝陶瓷空心球。
三.国内外全海深浮力材料发展概况
国外发展概况
在微珠复合泡沫材料的研发上，通过提升空心微球强度、改进复合工艺，其抗压强度不断增强，能满足全海深使用需求。美、日、俄等国已研制出适用于 6000 - 7000 米深度的高强固体浮力材料。美国伍兹霍尔海洋研究所的 “海神” 号 11000 米级无人深潜器用的高强微珠复合泡沫材料，密度 0.62g・cm－3，已用于全海深深潜探测器；美国 Emerson&Cuming 公司的 7000 米级浮力材料密度 0.56g・cm－3，“蛟龙号” 使用该材料，其 DS 型浮力材料密度 0.5 - 0.56g・cm－3，最大下潜深度 11000 米。
国内发展概况
与深潜技术领先的国外相比，国内浮力材料研究起步晚，20 世纪 80 年代后期才开始探索，差距明显。
近年来，国家大力支持深潜探测，国内高校、研究院所开展微珠复合泡沫材料研制。王啟峰等制备的材料密度 0.61 - 0.75g・cm－3、抗压强度 40.04 - 68.96MPa；龙宇飞等发现巯基硅烷偶联剂改性效果好，材料吸水率 0.35％，抗压强度 62.15MPa；鄢柳柳等制得的复合材料，碳纤维质量分数 4％时，密度 0.59 - 0.67g・cm－3、抗压强度 57.2 - 68.9MPa、饱和吸水率小于 1.15％；张帆等制备的无机非金属浮力材料，密度 0.78g・cm－3、抗压强度 17.0MPa，吸水率低且耐 550℃高温。但这些多在实验室阶段，国内能批量生产的厂商少，且现有商品化材料仅适用于小于 6000 米海域，“蛟龙号” 用进口材料，国外对密度低于 0.56g・cm－3 的材料禁止出口。
近几年，国内筹备万米级全海深深潜探测平台，“彩虹鱼” 号在研并预计 2020 年海试，对全海深浮力材料国产化需求迫切。海洋化工研究院研制出适用于 11000 米的标准浮力块，通过 140MPa 压力试验，将随 “彩虹鱼” 号海试；中科院理化技术研究所制备了两种适用于 11000 米的材料试样，不同密度试样在不同压力保压 24h 后有不同吸水率；任素娥等也研制出相关浮力材料。
上海材料研究所 2014 年开始研制陶瓷浮球，用氮化硅陶瓷制成，经加工合封得到空心整球，密度不大于 0.4g・cm－3，通过 210MPa 地面压力筒试验，小规模产业化，为 “彩虹鱼” 号提供产品，经 140MPa 压力测试完好，2016 年 12 月进行 11000 米全海深试验。其研制的陶瓷浮球相比美国 “海神” 号的有优势：一是用氮化硅陶瓷，综合性能和稳定性更优；二是采用热等静压技术消除缺陷，可靠性更高，而 “海神” 号的未用该技术。
结束语
深潜探测旨在探索更深海域，研制无人、载人深潜器时，制备高强轻质浮力材料十分关键。实现高性能浮力材料国产化，对推动我国深海探测研究意义重大。
