深海航行器耐压舱及其材料表界面的研究进展与发展趋势

2025-03-07 16:31:30 作者：张宝龙来源：中国表面工程分享至：

前言
海洋在地球上的总面积约为 3.6 亿平方千米，约占地球总表面积的 71%，其丰富的矿物、生物、海水化学和海洋动力等资源是支撑人类未来可持续发展的关键，加速海洋资源的开发利用对各国的发展前景具有重要的战略意义[1]。当前深海航行器主要分为无人航行器[2]和载人航行器两大类，在深海的军事和民用领域中发挥着重要不可替代的作用，如图1 和图2 所示。深海航行器耐压舱作为设备搭载舱[3]，是航行器的核心部件之一，因自重较为敏感，故其容重比（重量与排水量之比）有较高的参数设计要求，因此耐压舱选用高性能材料以满足其结构力学性能，最大限度降低容重比。
图1 主要无人深海航行器发展历程
Fig.1 Development history of major unmanned deep-sea vehicles
图2 主要载人深海航行器发展历程[8]
Fig.2 Development process of the main manned deep-sea vehicles
耐压舱的主要组成部分为筒体和端盖[4]，需依据耐压性能、应用场景和交互逻辑对其结构和材料进行设计选用。目前耐压舱的主要结构有球形、方形、圆锥形、椭圆形和半球形封头圆柱等[5]，其材料有金属和非金属材料两大类。在深海复杂苛刻的物理化学环境中，金属耐压舱需对材料进行特殊表面处理，而采用金属与非金属组合制备的非金属耐压舱除需对非金属材料进行表面处理外，还需考虑金属与非金属之间的表界面问题。
针对上述深海航行器耐压舱的特性及存在的问题，本文将从材料应用、表界面处理及结构设计优化综述深海航行器耐压舱的研究进展，探讨表界面处理策略、材料力学性能提升、容重比合理适配和结构参数优化等研究难点与技术瓶颈，分析总结优化技术及发展趋势。
1 金属材料在耐压舱的中的应用与表面处理
耐压舱不仅为载人深海航行器提供了载人空间[6]，还为电子仪器单元提供了干燥密闭的安装空间[7]，保障了深海航行器的安全工作，为深海航行器的正常服役发挥着巨大的作用。为了应对深海中复杂的高腐蚀、高压力环境，耐压舱对于设计材料有耐压、防腐、防污、防碰撞等性能要求。随着深海航行器的不断发展，对于材料的性能要求也水涨船高。
为了能使深海航行器有更大的浮力、更大的负载体积和负载重量，同时减少自身重量，提高容重比，耐压舱对于设计材料有轻质、高强等要求。因此，深海航行器的设计离不开高强度、高模量、高轻质、防腐蚀的高性能材料。PICCARD 接受比利时国家科研基金会的资助，设计建造了一艘“水下气球”式深潜器，在此基础上，1953 年，PICCARD 父子驾驶着自己设计建造的 Trieste 号潜艇潜入 1 088 m 的海底，这艘潜艇选用了满载汽油浮船的浮筒和钢制载人球壳。美国军方在购买了 Piccard 的潜艇后，与 1960 年在马里亚纳海沟下潜深度达到了 10 913 m，至此人类使用钢制材料为开端写下了深海探索的序言[8]。
金属材料应用于深海航行器的耐压舱中主要有超高强钢和钛合金材料两种，海上用高强钢进展如表1 所示。由于这两种材料不仅具有高强度和高稳定性，还能够承受深海中高强度的水压及复杂的化学环境腐蚀，同时还拥有较强的可加工性和延展性，能够做到灵活制作各种造型的耐压舱，最大程度的保障深海航行器的安全。在过去相当长的一段时间内，金属材料是用于设计制作耐压舱的第一顺位材料。
表1 现代海用超强钢研发进展
Table1 Progress of modern marine super-strong steel
1.1 高强钢在耐压舱的中的应用
早期潜艇的最大下潜深度一般低于 300 m，耐压舱材料多采用不高于 600 MPa 级的钢材。当下潜深度超过 350 m 时，大多耐压舱材质采用 700～800 MPa 级的高强钢。当下潜深度超过 500 m 时，一般需要使用 1 000 MPa 级的高强钢作为耐压舱的材料。当代大部分钢制的耐压舱深海航行器下潜极限深度在 400～600 m[9]。高强度钢具有承载力强、韧性好、疲劳强度高和吸收能量强等性能优势，还具有价格低廉和加工便捷等成本优势，使得高强刚成为深海航行器耐压舱中最广泛使用的材料[10]，且用量极大。例如，每艘“俄亥俄”级核潜艇需使用 10 000 t 钢，每艘“弗吉尼亚”号核潜艇需使用 4 500 t 钢。耐压舱用钢的种类也由于深海航行器的发展日益繁多，形成了复杂的深海结构用钢体系，以高强钢为耐压舱设计材料的深海航行器如表2 所示。俄罗斯研制出了高强合金钢 AK 系列（AK25～AK44），日本研制出了高强合金钢 NS 系列（NS30～NS100），美国研制出了马氏体时效钢系列、HY 高强度合金钢和 HSLA 系列高强钢，英国研制出了高强合金钢 QT 系列（QT28～QT35、Q1N～Q2N），我国也成功研制了 400～800 MPa 级的高强合金钢[11]。由于深海航行器中耐压舱的外压特殊性，在耐压舱中使用的钢材会与深海航行器其他部位做区分化处理来降低成本。例如部分美国深海航行器设计中会选用 HY 系列钢（HY80～HY240），吸收能约为 150 J，而在深海航行器其他部位选择 HSLA 钢，吸收能约为250 J。美国的HARTBOWER 和PELLINI于 1950 年研发了一种用于检验耐压舱用钢抗爆性的通用方法——爆炸鼓胀试验，其原理是通过测量评定焊件和母件在复杂应力场中的变形。爆炸鼓胀试验发展延伸出了爆炸鼓胀裂纹源试验，与爆炸鼓胀试验共同组成爆炸试验，应用在 HY-80、HTS、 HY-100 等耐压舱用钢上，成为通用的检验抗爆性方法。日本潜水艇用钢采用日本防卫厅标准，与美国的 HY 系列刚相对应。其中，日本第一艘深海航行器“深海 2000”号耐压舱采用 NS90 高强钢材质[12]。
表2 国内外高强钢制耐压舱深海航行器
Table2 Deep-sea vehicles that pressure chamber made of High-strength steel at home and abroad
英国在 20 世纪 50 年代研发制造了 430 MPa 级调质钢 QT28 属 Mn-C 系，并于 1958 年将 QT28 的延伸调质钢 QT35 应用在了英国第一艘“无畏号”核潜艇耐压舱当中。在后续的 7 年中潜艇耐压舱中大量的使用该钢材，直到 1965 年末发现深海中该调质钢会出现层状撕裂现象。在后续的高强钢研发方面则参考了美国经验，研制出了与美国 HY 系列相近的 Q1N、Q2N 系列高强钢。此钢材纯净度更高，工艺要求更为严谨，并将其用于最新设计建造的核潜艇耐压舱[13]。目前英国所有深海航行器的耐压舱均使用 Q1N 钢材。
我国于20世纪60年代后期开始研制马氏体时效钢，并在 70 年代中期开始研制更高性能的低镍钴或无钴的马氏体时效钢。短短几年，研制的高强钢就应用在了我国第一艘核潜艇“长征一号”的耐压舱上。
1.2 钛合金在耐压舱的中的应用
当深海航行器最大下潜深度达到 700 m 后，一般采用钛合金作为耐压舱的制造材料[14]。钛合金密度小、强度高，在复杂物理化学环境中拥有其他金属所没有的高耐腐蚀性能，同时还具有透声性好、低磁性、加工性好、抗冲击、抗震动等优异性能，最早应用于航空大型设备[15]，后逐步应用于深海设备。钛合金制耐压舱工艺主要分为焊接工艺冲压成型与半球成型两种[16]，以钛合金为耐压舱设计材料的深海航行器如表3 所示。美国于 20 世纪 60 年代着手开展海洋工程钛合金应用技术，完成钛合金材料系列研究，首次建立了相对完整的海洋工程钛合金应用考核体系[17]。
表3 国内外钛合金制耐压舱深海航行器
Table3 Deep-sea vehicles that pressure chamber madeof titanium alloy at home and abroad
1968 年，苏联使用钛合金设计建造了世界上第一艘钛合金多功能核动力潜艇——Papa，最大下潜深度达到了 400 m。这是钛合金首次应用于海洋装备，拉开了钛合金向深海前进的序幕。俄罗斯是全世界唯一掌握了全钛合金深海航行器设计建造技术的国家，其用于深海航行器耐压舱制造的钛合金主要有两种，分别是 Ti-2Al-2.5Zr 和 Ti-4Al-2V。
日本于 1978 年开始设计建造载人深海航行器——深海 2000，由四个耐压舱组成。作为日本首个深海航行器，深海 2000 耐压舱材料采用 Ti-6Al-4V ELI 合金，设计最大潜深为 2 000 m。到了 20 世纪 90 年代，日本又将 Ti-6Al-4V 钛合金材料应用于“深海 6500”号深海航行器的耐压舱，最大潜深达到了 6 500 m，并多次用于深海航行探测活动[18]。此外，法国的诺齐鲁号和美国的阿鲁彬号耐压舱也由 Ti-6Al-4V 钛合金材料制成。
我国于 2008 年开始 4 500 m 深载人潜行器耐压舱体的研制[19]，进行了一系列的钛合金研究与制造工作，如图3 所示。直至 2022 年 1 月 1 日，万米载人深海航行器“奋斗者”号已经完成累计 21 次万米深度作业，累计时间排名世界第一，标志着我国以钛合金载人深海航行器耐压舱走向成熟[20-21]。钛合金经过 60 年的发展已经成熟应用于深海航行器耐压舱的设计制造，成为各国的重要战略材料之一[22]。
图3 “奋斗者”号及其全钛耐压舱
Fig.3 “Fendouzhe” and its all-titanium pressure chambe
1.3 金属材料在深海中的表面处理
深海中的物理化学环境与浅水、陆地环境差别极大且富含微生物，海洋腐蚀会对深海航行器的服役期限、稳定性、安全性造成巨大威胁，材料腐蚀同样也会造成巨大的经济损失，每年全世界在维护防治腐蚀中的花费约占世界 GDP 的 3%，其中深海腐蚀占到了 1 / 3。所以从维稳深海航行器耐压舱的角度出发，材料表面的处理防护是重中之重。
随着高强钢、钛合金等深海金属材料被开发应用，为了达到更高的强度，其组成越来越复杂，塑性储备也相应降低较多，金属材料的腐蚀敏感性大大增加。例如，钛合金在深海外应力环境下高压压缩会产生蠕变现象，导致钛合金材料发生塑性变形而影响耐压舱的安全性与稳定性。金属材料在深海中不仅受到极大的外部压力荷载，还要承受加工时的参与应力与海流作用，这些复杂应力与海底的物理化学环境综合作用会导致耐压舱金属材料产生不可避免的应力腐蚀[23]，。相关研究证实，水压越大，高强钢等金属材料腐蚀程度越高，如图4 所示。
图4 水压不同的情况下高强钢腐蚀程度
Fig.4 Degree of corrosion of high-strength steel under different water pressures
深海耐压舱中金属材料的表面防护处理也越来越被人们所重视，美国再 HY-80 钢的基础上，改变了钛合金的合金含量以及回火温度，使得 20 世纪 60 年代研制的 HY-130 钢应用在“海狼”号攻击式核潜艇中，最大下潜深度可达 560 m，直到 80 年代，经过处理的钛合金依然是美国舰船的主要结构用钢。美国在深海中的金属表面涂料技术已经发展到较为成熟的阶段，以环氧类防腐蚀涂料为主，深海耐压舱中金属材料的表面防护处理也越来越被人们所重视，美国再 HY-80 钢的基础上，改变了钛合金的合金含量以及回火温度，使得 20 世纪 60 年代研制的 HY-130 钢应用在“海狼”号攻击式核潜艇中，最大下潜深度可达 560 m，直到 80 年代，经过处理的钛合金依然是美国舰船的主要结构用钢。美国在深海中的金属表面涂料技术已经发展到了较为成熟的阶段，以环氧类防腐蚀涂料为主，不到 1 mm 的防腐蚀涂料可以满足 10 年左右的性能保障。美国有一套较为成熟的金属涂料规章，对于不同部位、不同作用、不同深度的金属涂料都有其对应的技术标准。目前，由于环境保护以及耐压舱内部环境特殊要求等因素，美国采用了无溶剂的环氧涂料作为耐压舱金属材料的防腐蚀涂料。俄罗斯的深海金属涂料常采用环氧厚浆型，实测金属涂料厚度大于 1 mm，厚度均匀性良好，涂料由环氧树脂与颜填料双组分构成，耐盐防腐蚀性能良好[24]。
高强钢相比于其他钢材的强度更高、内部组织结构复杂度也更高、塑性更低，所以高强钢部分腐蚀的敏感度更高。高强钢在深海中的腐蚀是生物化学环境、温度、应力、三个因素共同作用下的结果。高强钢在深海环境中面临的腐蚀情况有剥离腐蚀、点蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀六种。
针对腐蚀机理采取对应防护措施的高强钢表面处理方法有四种，分别是牺牲阳极保护法、热浸锌、防腐涂料以及热喷涂复合涂层[25]：
（1）牺牲阳极保护法
牺牲阳极保护法是一种在海洋工程结构防腐中被广泛应用的防腐方法。可以高效延缓深海耐压舱高强钢材料的自腐蚀和电化学腐蚀进程，同时相比于阴极保护也有无需维护、自动防腐、无需外部电源设备、安全可靠等优点，尤其适合在深海环境中，设备维护难度大，外部电源难以持续稳定提供的情况。通常在高强钢材表面喷涂活性金属层，例如铝涂层和锌涂层，由于电化学作用，活性金属涂层作为负电位与高强钢共同形成牺牲阳极达到维护耐压舱结构稳定的目的。这种防腐表面处理方法维护时间长，活性金属层与高强钢联合牢固无排斥，施工方便。
（2）热浸锌
热浸锌的防腐方式是于 600℃的熔融锌中完全浸没表面去锈后的高强钢，高强钢表面附着的锌层可以有效延缓高强钢的腐蚀，还有镀锌方法会利用钝化剂（主要成分为铬酸盐）对钢材表面的镀锌层进行多次钝化，其原理是让钢材表面的镀锌层表面形成致密膜，能够明显抑制镀锌层表面的腐蚀。热浸锌防腐方法维护周期长、安全稳定、性能优越，能够在各种极端环境下有效缓解腐蚀对高强钢带来的负面影响。
（3）热喷涂复合涂层
热喷涂复合涂层通过离子弧加热使得涂层材料在高温下达到熔融的状态，同时引入高速气流使得在高温下呈雾化的涂层材料颗粒以一定速度达到经过处理的高强钢表面，最后利用环氧树脂作为基体填充高强钢表面的涂层材料间隙，最终形成防腐的复合涂层。这种防腐方式维护周期长，耐腐蚀能力强，能够在各种形状的结构件上应用，且只在局部产生热应力影响，不会对钢材产生热变形引入残余应力。
（4）防腐涂料
我国主要应用在海洋中的防腐涂料有橡胶类防腐涂料、环氧树脂类防腐涂料、氟碳防腐涂料、有机硅树脂涂料和聚氨酯类防腐涂料。其中橡胶类防腐涂料施工周期短、施工难度低、维护成本低、耐水性能强但不耐老化，附着力不强；环氧树脂类防腐涂料材料内容复杂、坚硬耐磨、附着力良好且耐水性强；氟碳防腐涂料防腐蚀性能优异且能表现出一定的自洁性，但涂装成本高，强度差；有机硅树脂涂料同时兼具无机材料的特性和有机材料的特性，于深海中耐寒性能强、耐潮湿但强度较低，黏附力不强；聚氨酯类防腐涂料耐低温、耐酸碱、耐磨性能优异但与钢材附着力不强。
欧洲深海金属涂料技术水平先进，多家防腐蚀涂料公司均在欧洲，例如 Sigma Coatings、International Paint、Jotun Paints、Hempel Paints 等。我国深海金属防腐蚀研究起步较晚，深海航行器在使用中出现了较大范围的腐蚀。与 20 世纪 90 年代相比，我国在深海金属防腐蚀涂料配套体系已有较大提高[26]。
钛合金相较于高强钢在深海中的耐腐蚀能力较强，且随着海深的增加，温度逐渐下降，钛合金的反应速率逐渐下降，被化学反应腐蚀的速率也相应降低，所以钛合金为了有效抑制在深海中的腐蚀而采取的表面处理方式主要有：
（1）微弧氧化技术
微弧氧化技术又称等离子体电解氧化技术，是近些年逐步发展的一项针对金属表面处理的新技术，由牺牲阳极氧化技术逐步发展延伸而来。微弧氧化技术是在去离子水中添加改性所需的离子形成所需的电解质水溶液，后通过外部施加高压电流在电解质溶液中发生微弧放电现象释出氧气，最后在钛合金表面产生了一层致密的陶瓷氧化层，氧化层的最大厚度可达 200 µm 左右[27]。陶瓷氧化层的表面结构是类似海绵的多孔结构，钛合金表面与氧化层之间的结合处高低交互，使得氧化层与基体之间的结合强度大大增强。这种表面处理技术工艺简单、实行便捷、成本较低、可以在任何形状表面进行处理。
（2）多弧离子镀技术
多弧离子镀技术又称电弧离子镀技术，是一种涂层制备技术，技术实现路线是通过弧光放电产生极高的电流密度，使得阴极靶在高温中被完全气化后电离，被电离后的阴极靶雾在偏压电场的作用中加速冲击钛合金表面，产生目标涂层，是物理气相沉积技术的一种。这种涂层制备方法制备的涂层致密、成型时间快，结合强度高且能设计厚度，但成本较高。
（3）热喷涂技术
热喷涂技术的技术路线是采用外部热源将镀层材料加热至熔融状态，再利用气流带动镀层材料颗粒至钛合金表面，从而镶嵌在钛合金表面形成结构镀层，是保护钛合金的重要表面处理方法之一[28]，工艺成熟、效率高、成本低但由于与钛合金表面结合难度较大，镀层与基体之间结合强度不高。
（4）激光熔覆
激光熔覆的技术实现路线是将高能量密度的激光作为外部热源把钛合金表面和熔覆材料加热至熔融状态后冷却，熔覆材料会与钛合金表面形成一层激光熔覆涂层，值得注意的是，当熔覆材料所需熔融温度过高时，会使得钛合金表面产生过烧，涂层性能降低，同时熔融过程中产生的温度梯度差也会使得涂层组织内部不均匀，产生未被消化的内部残余应力影响性能。
（5）化学热处理技术
化学热处理技术的技术实现路线是将钛合金表面浸入所配的化学渗剂中，化学渗剂逐步产生分解，钛合金化学活性较高，会吸收渗剂中分解而来的活性原子，最后渗剂中的渗原子会逐步向钛合金内部深入扩散，在固定温度下在钛合金表面及内部一定深度下产生兼具耐磨性能与耐腐蚀性能的相。化学热处理技术能够全面提升钛合金的表面性能，但是工艺成本较高，污染较严重[29]。
2 非金属材料在耐压舱的中的应用与表界面处理
耐压舱不仅要面对深海中的外压应力作用，还要面对海洋中复杂的物理化学环境[30]。在浅海环境中，耐压舱常使用防锈铝、不锈钢等金属材料，或使用玻璃钢、碳纤维等非金属材料。在深海环境中，耐压舱使用高性能钛合金等金属材料[31]，或使用纤维增强树脂基复合材料等非金属材料[32]。在耐压舱设计中由于预算、最大潜深、工作场景的不同可选用不同的设计材料[28]与相应的表界面处理方法如表4 所示。
表4 深海中的材料表界面处理方法
Table4 Material table interface processing method in the deep sea
2.1 陶瓷材料在耐压舱的中的应用
陶瓷材料在工程材料中刚度最高、化学稳定性好且有良好的电绝缘性与抗腐蚀能力，但其韧性和塑性较差，密度约为钛合金的一半，不到钢的 1 / 3。作为典型的轻质高强材料，陶瓷基复合材料设计建造的耐压舱在全海深（11 000 m）的高压深海环境中能提供深海航行器正浮力和安全保障，但缺少统一的设计标准，是非金属耐压舱研究方向之一。
美国的STACHIW首次在1961年提出了以陶瓷作为耐压容器的想法，并在之后多次参与并主持了关于陶瓷耐压结构容器的研究项目，在这一领域取得了重大突破性成果[30]。美国陶瓷公司 CoorsTek 于 1964 年能够建造外径 2.54 厘米（1 英寸）、能够承受深海 6 000 m 水压的高纯度氧化铝陶瓷空心无缝耐压结构，但此时的陶瓷结构性能均衡性不足[31]。 2008 年，美国伍兹霍尔海洋研究所设计建造了一款混合动力深海航行器 HROV Nereus（“海神”号），并于次年成功下潜至马里亚纳海沟底部，为深海研究做出了突出贡献。其中， Deep Sea Power &Light（DSPL）公司研制的陶瓷耐压舱首次在“海神”号中得以应用[32]。
2.2 玻璃材料在耐压舱的中的应用
玻璃材料除了具有质轻高强、耐腐蚀能力优异等性能外，还具有不可替代的透光性和良好的密封性。玻璃的材料特性使其主要用于制造耐压舱的观察窗，也可作为耐压舱的主要耐压结构材料[33-34]。
WILL FORMAN 于 1967 年首次将有机玻璃作为耐压舱的主要耐压材料设计了第一艘全通透的载人深海航行器 KUMUKAHI 号。我国也设计建造了世界最大型的全通透载人潜水器“寰岛蛟龙 1”号，如图5 所示。2012 年 6 月 14 日 9 时“寰岛蛟龙 1”号在三亚的亚龙湾首次投入商业运营。“寰岛蛟龙 1” 不仅填补了我国在全通透深海航行器研究的空白，还探索了一条载人潜水艇商用道路，为我国深海航行器的发展做出了巨大贡献。天津大学于 2008 年设计建造的“海燕-10000”号在马里亚纳海沟附近最大潜深达到 8 213 m，其耐压舱为厚度不到 20 mm 的玻璃球能够承受超过 100 MPa 的深海压力[35]。
图5 “寰岛蛟龙 1”号及其玻璃舱[35]
Fig.5 “Huandao Jiaolong 1” and its glass pressure chamber
日本在设计建造Shinkai12000号深海航行器时首次计划采用有机玻璃材料代替钛合金材料，并期望通过有机玻璃球壳提高航行器在水下的抗压能力，并使研究人员在水下可以获得开阔的视野。
美国在 Triton 36000-3 号的设计建造中使用有机玻璃材料作为耐压舱的结构材料，设计下潜深度为全海深 11 000 m。各国都在探索将玻璃材料应用于深海耐压舱，有机玻璃材料作为大深度下的主要承压材料任重而道远[36]。
2.3 纤维增强复合材料在耐压舱的中的应用
纤维增强复合材料是将两种或两种以上不同性能不同种类的材料通过物理化学反应制得的一种多相材料[37-38]，相比于钛合金材料拥有高比强度和比刚度，还具有耐腐蚀、轻质、耐磨损、抗疲劳、可设计、吸波性[39]等诸多性能优点。
目前纤维增强复合材料主要应用在航天航空领域，已有较为坚实的理论基础。有研究表明，与高强钢材料相比，采用部分复合材料建造的耐压舱潜深可提高 3～4 倍[40]，已有越来越多的研究人员将纤维增强复合材料应用于深海航行器耐压舱[41-44]。美国的霍克斯海洋技术公司于 1996 年研发制作了商用观光类深海航行器 Deep Flight Ⅰ，最大潜深为 1 000 m，其耐压舱材料首次采用了玻璃纤维增强复合材料[45]。
美国深海探测公司 Ocean Gate 于 2020 年 2 月 26 日与美国航空航天局 NASA 合作，共同研制能够承受深海环境与太空环境的碳纤维耐压舱壳体，设计建造的潜艇于 2021 年深入北大西洋 3 810 m 深的海底，执行探测泰坦尼克号残骸的任务[46]。我国自主设计建造了“海翼”号水下滑翔机，其耐压舱采用了碳纤维缠绕复合材料，于 2017 年 3 月 6 日在马里亚纳海沟成功下潜至 6 329 m，刷新了世界水下滑翔机最大潜深的记录。纤维增强复合材料性能优越但成本较高[47]，目前作为耐压舱材料主要出现在国家深海项目计划或高级商用观光深海航行器中。虽然相关的理论研究很多，但大面积应用于深海航行器中为时尚早，纤维增强复合材料是目前耐压舱非金属材料研究中的重要研究方向之一，以非金属材料设计耐压舱的深海航行器，如表5 所示。
表5 国内外非金属材料制耐压舱深海航行器
Table5 Deep-sea vehicles that pressure chamber made of non-metallic materials at home and abroad
2.4 树脂基复合材料的表界面处理
深海中耐压舱纤维增强复合材料主要面对的表界面处理有两个问题，分别是减缓树脂基复合材料的吸湿老化问题和树脂基复合材料与金属之间的界面结合问题。
当非金属复合材料作为深海航行器的结构材料长期处于深海环境中时，压力载荷、水分含盐量、温度等因素会对复合材料的吸湿行为产生影响，而吸湿行为会大大降低复合材料的力学性能，所以有学者通过表面修饰来提高复合材料表面的疏水性或降低复合材料的吸湿速率与吸湿量。
在目前深海航行器耐压舱的实际应用中，为了耐压舱的稳定性和安全性，通常采用钛合金与树脂基复合材料结合使用的方案如图6 所示，所以为了提高材料的综合性能，树脂基复合材料与金属之间的界面性能不可忽视。
图6 纤维增强树脂基复合材料耐压壳
Fig.6 Fiber-reinforced resin matrix composite pressure-resistant shell
当前，复合材料与金属之间的主要连接手段包括胶接连接、机械连接以及混合连接技术。机械连接方法工艺简单易行，其连接强度高且易于维护拆卸，但这种方法在复合材料上开孔会导致应力集中问题显著，这会限制复合材料整体结构的优势和承载能力，并且金属与复合材料接触界面可能引发电化学腐蚀从而降低结构稳定性与强度。另一方面，复合材料胶接连接技术因其较高的连接效率和优异的应力传递均匀性而受到重视，它能够使增强纤维在接头区域充分发挥其力学性能潜力，因此应用范围逐渐扩大。但是胶接连接的接头强度受多种因素制约，例如环境条件、胶粘剂的性能、被粘材料表面处理状况等。混合连接方式综合了机械连接与胶接的优点，通过结合两种或多种连接技术克服单一连接方式的局限性，进一步提升复合材料与金属连接的整体性能。近几十年来，针对不同胶接结构强度特性的实验研究不断开展，利用有限元分析进行模拟预测成为该领域的研究热点，科研人员致力于揭示胶接连接失效机理，优化胶接工艺参数，以提高接头的稳定性和持久性。
纤维增强树脂基复合材料的内部界面不是一个简单的单层几何界面，而是一个内部结构复杂的多层过渡区域，纤维与树脂之间的界面不仅存在这物理交联，还存在着复杂的化学作用。纤维增强复合材料中纤维与树脂界面性能的好坏直接影响了复合材料的结构力学性能。界面结合较好则界面能够高效率承受应力并传递载荷，进而提高复合材料的综合性能。
纤维表面化学活性不高，缺乏能积极与树脂反应的化学基团，为了提高纤维增强树脂基复合材料的综合性能，必须改善纤维与树脂之间的界面问题，目前研究方向主要从改善纤维表面着手设计：
（1）通过物理化学手段将活性化学基团引入惰性的纤维表面，提高纤维的表面化学活性，使得纤维与树脂之间能产生更多的化学交联。
（2）主要通过物理作用提高纤维表面粗糙度，增大纤维与树脂接触的比表面积，进而提高界面的结合强度。
从改善纤维表面如图7 所示入手的表面改性方法主要有三种，分别是表面化学涂层法、表面氧化法和表面微纳米修饰与改性法。
图7 经过不同方法修饰的碳纤维表面[12]
Fig.7 Carbon fiber surfaces that have been modified in different ways
表面化学涂层法是最常见的纤维表面处理方法，在纤维生产过程中就涂敷多为环氧类聚合物的上浆剂，这种上浆剂既可以保护纤维表面，减少磨损和起毛的现象，还可以在制作纤维增强树脂基复合材料的过程中与树脂基团形成分子交联，提高纤维与树脂之间的力学性能，进而优化界面性能。
表面氧化法通过化学方法在纤维表面引入针对树脂的活性基团来提高纤维对于树脂的化学活性，如图8 所示。此外，通过蚀刻在纤维表面留下沟槽来提高纤维与树脂的机械结合程度。表面氧化法包括气相氧化、液相氧化、等离子氧化等。
表面微纳米化修饰与改性利用了微纳米粒子优秀的耐高温性能，与复合材料加工时的高温相匹配。因此，在纤维表面通过化学方法或物理方法设计成微纳米结构，有效增大了纤维的比表面积，提高了纤维对于树脂的表面化学活性，以此提高复合材料的界面性能。
目前，纤维增强树脂基复合材料的制作工艺以及趋向成熟，一味针对复合材料的制作工艺流程做优化已经很难实现树脂基复合材料的性能再突破。纤维增强树脂基复合材料的表面涂层与表面改性处理逐渐成为研究的热点，尤其是在深海这种特殊的工作环境中，纤维增强树脂基复合材料的表界面性能格外重要。符合材料如果应用得当，能够在轻质量的情况下表现出比金属材料强得多的力学性能，这些特性可以为耐压舱这种深海设备提供显著性能提升，针对树脂基复合材料的表界面处理将会是未来很长一段时间的研究重点。
图8 HDI 接枝碳纤维原理图
Fig.8 HDI grafted carbon fiber schematic
表面化学涂层法通过化学方法进行表面接枝并进行表面上浆，使得纤维表面有一层均匀的聚合物涂层，以此提高纤维与树脂之间的界面强度。
2.5 耐压舱的应用材料对比及发展趋势
钛合金的密度比高强钢低且钛合金的比强度更高，使得其制成的耐压舱能够达到更高的下潜深度。
钛合金在耐压舱设计建造上展示了巨大的优势，但是高强钢相比于钛合金价格优势明显，由于成本优势使得高强钢一直是深海航行器耐压舱设计材料的重点研发方向。如何在成本与性能之间做出舍取，达到平衡，是金属材料应用在深海航行器耐压舱上所需要考虑的重中之重[48]。目前为了考虑下潜深度，不考虑成本的话，在 7 000 m 级以下的深海航行中，钛合金的性能足够胜任。但是从 7 000 m 深海级到 11 000 m 全海深级，压力会突然增大 60% 以上，这对耐压舱的建造材料又提出了更高的要求。目前，亟需一种密度更小，强度更高的材料，但从载人耐压舱的结构安全角度考虑，适当的塑性和韧性也是不可或缺的性能指标。如图9 所示。
图9 美国“海神”号深海航行器及其陶瓷耐压舱
Fig.9 American “Poseidon” deep-sea vehicle and its ceramic pressure chamber
2014 年 5 月 10 日，美国最为先进的深海航行器“海神”号在水下 9 990 m 处失踪[49]。“海神”号采用了陶瓷材料作为耐压舱的建造材料，推测失事原因是陶瓷层耐压舱在深海中崩溃[50]。陶瓷拥有比钛合金更强的强度和更小的密度，但是塑性和韧性较差[51]，故耐压舱的材料选择应该从高强度、高韧性、低密度等性能综合考虑[52]。
2023 年 6 月 18 日，由 Ocean Gate 设计建造的 “Titan”号首次从纽芬兰港口城市圣约翰下水，潜深至 3500 m 时耐压舱发生灾难性内爆[53]，如图10 所示。
图10 “Titan”号及“Titan”号失事示意图
Fig.10 “Titan” and Schematic diagram of the wreck of the “Titan”
2023 年 6 月 23 日凌晨 3 点于海底发现“Titan” 号残骸，包括 Ocean Gate CEO Stockton Rush 和英国的亿万富文Hamish Dawood 在内的五位富豪全部遇难。该深海航行器耐压舱由钛合金制成的接口环、端盖和热固化碳纤维增强复合材料筒体制成。按 “Titan”号耐压舱所用的碳纤维工艺计算，内爆发生在 1 ms 以内。碳纤维增强复合材料对于拉-拉疲劳并不敏感、热固性碳纤维增强复合材料树脂基体会吸水溶胀，力学性能达不到预期、未对内爆场景预测并做出应对等诸多因素导致了这次内爆事件。
纤维增强复合材料在航空航天领域的应用已经非常成熟，但在深潜领域中的应用实例还较少，大范围应用于深海航行器耐压舱中不可操之过急，要保持百分之百的谨慎与稳健。Ocean Gate 作为在纤维增强复合材料制耐压舱领域的龙头公司，未能对这次事故做出及时的反应与预警，让世界开始重新评估深海高强新材料的研发应用，高强新材料还需要完善的行业规范以及失事应对措施。
伍兹霍尔海洋研究所研制的“阿尔文”号载人深海航行器在 1973 年之前使用高强钢制成的耐压舱。在进行重大升级后，改用了 Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo 钛合金，其下潜深度成功达到 6 500 m，作业的范围覆盖了全球 98%的海域，成功完成下潜工作 4 600 多次[48]。
日本海洋科技研究中心设计建造的“海沟”号是世界上最早一批能够下潜到10 000 m全海深的无人深海航行器，也是当前无人最大潜深的世界纪录保持着，其柱形耐压舱不仅质量过大且材料利用率较低，最终与 2003 年 5 月在成功执行 295 次深海研究作业之后失联于水下 4 675 m 处[54]。除了材料本身性能与质量的影响，耐压舱的造型设计与结构优化同样是可以左右深海航行器的潜深、安全性及成本的重要因素。
3 耐压舱的外型设计与结构优化
3.1 耐压舱的外形设计
目前最大潜深不足 800 m 的耐压舱一般设计为圆柱形，而大于 800 m 潜深的一般设计为球形或球形与圆柱形组合的形式。为了增强耐压舱的结构稳定性，耐压舱可采用环状加强筋结构的加强形式或在舱壁之间设置强加强筋结构的形式，也可采用无加强筋[55]。王光越等[56]利用仿真模拟将环向加强筋与内置加强筋做了强度对比，结果表明耐压舱内置加强筋的方式稳定性明显大于环向加强筋结构。
美国的伍兹霍尔海洋研究所于 2004 年设计建造的6 500 m级深海航行器耐压舱也采用了2.1 m内径载人球壳。从耐压舱总体质量、人员仪器安置、舱体安全性多方面考虑，2.1 m 内径球壳渐渐成为耐压舱造型设计的主流选择，成为了一种设计趋势，但随着高新高强材料以及建造技术的发展，也会有新的耐压舱造型设计出现，如图11 所示。
图11 设计耐压舱造型与仿真对象体态结构
Fig.11 Design the shape of the pressure chamber and the body structure of the simulated object
现有的大潜深深海航行器耐压舱球壳内径均大于等于 2 m，除了美国的“阿尔文”号以及日本的“深海 6500”号为 2 m 的内径之外，其余耐压舱内径均偏向于 2.1 m。
法国在设计建造“鹦鹉螺”号 6 000 m 级深海航行器时设计耐压舱内径为 2.2 m，但最后实际建造过程中又因为材料性能不过关、建造技术条件限制等原因放弃了2.2 m内径的耐压舱而选择了2.1 m内径的钛合金球壳耐压舱。俄罗斯于 20 世纪 90 年代设计建造的“领事”号和“俄罗斯”号深海航行器的耐压舱均采用 2.1 m 内径载人球壳。
基于自然生物的体态与结构，也有越来越多的仿生设计耐压舱出现在耐压舱的造型设计上。包海默等[57]运用数值计算将常用的回转体水下机器人与金枪鱼的水下流场受力分析做对比，验证了金枪鱼的推进效率，并给出了对于耐压舱的设计建议，应重于头部，舱体流线型。包海默等[57]观察了粒突箱鲀的体态结构，并以粒突箱鲀为仿真设计参考对象，运用边缘检测技术提取了仿真对象的特征轮廓线来建立的水下机器人的耐压舱三维模型[58-59]，并运用计算软件对设计耐压舱做了流体仿真分析，验证了设计的可行性。
3.2 耐压舱的结构优化
验证耐压舱设计可行性的计算方法主要有耐压舱强度计算、耐压舱理论破坏压力计算和耐压舱临界压力计算[60]，如图12 所示。目前针对深海航行器耐压舱的结构优化常常使用仿真模拟工具来辅助参考验证设计结构的可行性，如图13 所示。
基于仿真分析缺陷的方法主要以屈曲模态为基底的几何缺陷分析和以物理几何为基底的缺陷分析。以屈曲模态为基底的几何缺陷分析，首先需要输入线性材料参数以及无缺陷的分析模型，以物理几何为基底再进行屈曲模态分析。然后输入非线性材料参数，根据一阶模态导入初始缺陷，最后进行非线性分析算出极限承载能力。张洪彬等[61]利用仿真模拟分析缺陷针对多个耐压舱并用的情况建立了复合屈曲的水下受力模型，并将三大非线性因素引入计算提高模型精度获得了形状缺陷对于极限承载力的影响权重[62]。
图12 耐压舱加压卸载程序图及应变应力关系图
Fig.12 Diagram of pressurized unloading procedure and strain stress relationship diagram of ballast chamber
目前也有将耐压舱模型参数数字化后利用遗传算法或 AI 等工具结合仿真模拟来获得耐压舱优化模型，使得耐压舱在已知设计材料性能的前提下不仅获得高强和安全稳定性，还具有较小的质量以达到更优秀的最大潜深。刘喆等[63]建立了无加强筋的传统耐压舱模型后利用遗传算法求得耐压舱的优化设计模型，最后利用仿真模拟对耐压舱的优化设计模型进行强度与安全性校核，成功将耐压舱的质量相比于传统方案降低了约 19%。
对于金属材料制成的耐压舱来说，其在水下破坏模式通常先发生失稳失效，故对于极限承载力的指标优化是耐压舱结构优化的重中之重[64]。对此国内外已有许多研究成果[65-71]。针对复合材料建造的耐压舱的失效准则一般使用 Tsai-Wu 准则、最大应力破坏准则和 Tsai-Hill 准则[72]，没有统一的失效准则[73-78]。
复合材料的力学性能与铺层设计、拉压方式和缠绕方式都有强关联，利用仿真模拟很难精准判定复合材料的非线性力学关系。大深度深海航行器的耐压舱整体屈曲、耦合破坏或材料失效都有可能发生，但目前研究较少，没有统一标准[79-82]，受限于理论层面，高强复合材料大范围应用于耐压舱还需要不断研究进步。
图13 利用拓扑仿真优化耐压舱体钢筋设计[79]
Fig.13 Topology simulation was used to optimize the reinforcement design of the pressure chamber
4 结论与展望
（1）深海航行器领域经过几个世纪的不间断发展已经逐渐趋于成熟，高性能材料与结构优化的研究成果也在不断涌现。目前深海航行器的研究正在朝着大潜深、多海域的目标发展。其中作为最重要结构部件的耐压舱的研究也进展飞速。钛合金的防腐能力优于高强钢，树脂基复合材料对于深海环境的天然惰性也使其更不容易发生结构性损伤，但是会有更多的纤维与基体之间的界面问题需要解决。从高强钢到钛合金，从钛合金到陶瓷材料再到树脂基复合材料，耐压舱材料的飞速发展不断提升着耐压舱的承压极限，从防腐到蠕变，从表面防护再到吸湿处理，面对深海复杂的物理化学环境，针对耐压舱材料的表界面处理方式也在不断更新。
（2）深海中耐压舱面临着极端苛刻的工作环境与特殊的防腐要求，对于表面处理的要求更为精细严苛以后的研究需要重视深海中金属材料表面处理的方式与影响，逐步建立起深海中耐压舱金属材料表面处理方式的试验平台。在耐压舱设计中逐步应用性能优异的新材料例如陶瓷材料、玻璃材料、复合材料，建立系统的针对新材料的稳定性、安全性的评价体系。虽然深海研究成本较高，但随着深海研究的高速发展，会有越来越多的深海项目商业化、民用化，深海研究的前景十分广阔。
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