全海深载人潜水器浮力材料吸水率特性研究

Buoyancy material is an important structural system in a deep sea manned submersible. In the past, several companies at home and abroad claimed that they could provide buoyancy materials for full ocean depth use. But after the actual tests we carried to the samples they provided in the last year, we found no manufacturer can provide buoyancy material which can meet the strength requirement of classification society rules for the full ocean depth manned submersible. Through our preliminary analysis, we thought that the current solid buoyancy material of glass microballoon/epoxy resin has been optimized to the maximum collapse strength. This requires that we should use the buoyancy material exceeding the rule requirement in the full ocean depth manned submersible. One of the safety measures used by this exceeding the rule requirement is to shorten the life span. How to determine the life of the buoyancy material scientifically and reasonably is a key question to be answered. What kind of testing methods and testing standards should be used to determine whether the buoyancy blocks in a submersible need to be replaced or continue to be used? We need to have an in-depth understanding of the characteristics of buoyancy material's water absorption property. Based on the existing available buoyancy materials for full ocean depth use, this project is aimed to address all these questions. The water absorption rate is chosen as the characteristic property. Through the test, the mechanism study and theoretical analysis of micro models, an accurate and reliable model for predicting the water absorption rate of the buoyancy material should be established. Based on this model, we can set up a new standard for safe use of buoyancy materials, and set up a new design standard for full ocean depth use. This will clear up the obstacles for the design and application of full ocean depth manned/unmanned submersibles.

浮力材料是全海深载人潜水器的一个重要结构系统，经过我们过去一年对国内外相关厂家提供的样品的实际测试，发现没有一家可以提供满足载人潜水器设计规范要求的浮力材料，而且经过我们的初步分析，认为当前玻璃微珠/环氧树脂型的固体浮力材料已经优化到了强度极限，这就要求在全海深载人潜水器中超规范使用现有的浮力材料。超规范使用的一个安全措施就是缩短使用寿命。究竟如何来科学合理地制订浮力材料的使用寿命，用什么样的检测方法和检测标准来确定潜水器中的浮力块是需要更换还是可以继续使用等，需要对浮力材料的吸水率特性有深入的了解。本项目针对这一现状，以浮力材料的吸水率特性作为主要力学性能指标，通过试验测试、机理研究和理论分析模型研究，建立一个比较精确且可靠的浮力材料吸水率模型。以此为基础，建立浮力材料安全使用的新标准，进而建立全海深固体浮力材料的设计新标准，为全海深载人/无人潜水器的设计应用扫清障碍。

广阔的海洋空间和丰富的海洋资源是实现人类社会可持续发展的必然选择，也是各发达国家积极争抢的战略空间。拥有先进的深海运载与探测技术是进入深海的前提，其发展水平体现了一个国家是否拥有现代海洋技术实力，也是综合国力的体现。由玻璃微珠/环氧树脂组合而成的固体浮力材料的选择和应用始终是深海装备研制过程中的一项重要关键技术。我国在“十三五”期间研制全海深载人\无人潜水器时就遇到国内外现有的浮力材料供应商无法提供满足船级社规范强度要求的难题。针对这种现状，设计师只能选择“通过缩短使用寿命”的超规范使用方式来解决，这就要求使用方必须要解决判断浮力块是否可以再用的安全标准问题。本项目正是以解决这个棘手的问题而立项展开研究的。本项目完成的主要工作包括：1）开发了一个浮力材料吸水率实时精确检测的系统，解决了长期以来遇到的浮力材料吸水率无法连续测量的难题，为浮力材料破坏机理的研究提供了试验支撑数据。2) 建立了空心玻璃微珠的抗压强度模型，并在此基础上建立了一个比较精确且可靠的浮力材料吸水率预报模型，可以定量分析各参数对浮力材料吸水率的影响，为浮力材料的设计和安全使用标准奠定基础。3）鉴于新型玻璃微珠的开发成本太大，提出了如何在现有的玻璃微珠条件下，通过水压预选法提高浮力材料抗压强度的方法，从理论上证明了，在现有条件下也可以将全海深浮力材料的安全系数提高到规范要求的1.5倍，为生产厂家指明了工作方向。 4) 根据浮力材料吸水率特性的变化规律，我们提出了把浮力块吸水率达到0.5作为安全使用标准，完成了全海深固体浮力材料设计和安全使用标准初稿的制订，为全海深载人/无人潜水器的研制和安全使用提供了理论依据。