非金属潜水器耐压壳发展概况及展望

罗珊，李永胜，王纬波

1 中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082

2 船舶振动噪声重点实验室，江苏无锡214082

3 常州工程职业技术学院，江苏常州213164

0 引 言

海洋已成为21 世纪各国争夺战略优势的制高点，而海斗深渊科学处于现阶段海洋科学研究的最前沿，深海潜水器装备的重要性日益凸显。目前，各国都开始以“全海深”作为最新一代潜水器的设计目标，我国“十三五”重点研发计划也部署了万米载人/无人深潜科技目标［1-2］。潜水器属于重量敏感型装备，而耐压壳是潜水器的核心部件，容重比（重量与排水量之比）是其设计时需要考虑的一个重要参数。耐压壳的主要设计目标是在满足结构力学性能要求的同时，尽可能减小容重比［3］，而高性能材料的选用是实现这一目标的主要方式之一。

耐压壳的材料特性主要取决于工作环境和受载情况。耐压壳在水中工作，主要承受静水压力以及潜水器多次上升、下潜引起的周期性载荷，此外，还需要考虑在高盐、高腐蚀的海洋环境浸泡时工作的因素，因此，耐压壳材料应该具有高比强度、高比刚度、抗疲劳、耐腐蚀等特性。目前，潜水器耐压壳的制造主要选用金属和非金属材料。传统的金属材料，如高强度钢、钛合金、铝合金等已在潜水器的耐压壳中得到广泛应用；成功应用于潜水器耐压壳上的非金属材料主要有复合材料、陶瓷、玻璃等，由于它们普遍具有质量轻、强度高、耐腐蚀等特性，在现阶段大深度和全海深潜水器耐压壳的开发方面显示出了极大的潜力［4］，得到了各国潜水器研究机构的广泛关注。本文拟针对深海装备的材料需求，列举复合材料、陶瓷、玻璃这几种非金属材料的特性，分析它们在潜水器耐压壳上的应用优势，概述各国潜水器耐压壳中非金属材料的应用情况，总结应用中需要解决的技术问题，并对该领域未来的研究方向提出建议。

1 非金属材料在潜水器耐压壳上的应用优势

1.1 潜水器耐压壳的技术发展对材料的需求

潜水器工作时，耐压壳起着保障壳体内部设备不因海水压力和腐蚀而破坏的作用，对于载人潜水器，耐压壳更是与舱内人员的安全息息相关。作为潜水器浮力的主要提供者，耐压壳占据了潜水器较大的重量。潜水器重量的节省（表现为最小的重量排水量比值）是一项基本要求，它可转化为更大的负载、更长的航程。毋庸置疑，潜水器的成功设计需要更加轻质、高强的耐压新材料和更加稳定有效的耐压结构。随着海斗深渊科学的发展，对潜水器各项性能指标的要求不断提高，如更大的潜深、更小的容重比、更宽阔的视野以及更短的上浮、下潜时间等［5］。全海深潜水器工作在万米深度下，耐压壳的工作压力大于110 MPa，如果仍然使用金属材料，就必须加大壳厚以满足强度要求，但这将显著增加重量，导致耐压壳不能为潜水器提供正浮力。因此，具有更优异力学性能的新型材料的研发，是大深度和全海深潜水器研制中亟待突破的关键技术。

非金属材料在海洋工程领域的应用已开展多年，在船舶、海洋平台、海底输油管道上已有大量应用实例。近年来，非金属耐压壳的研发已成为各国潜水器研究领域的热点。适用于潜水器耐压壳的非金属材料主要包括纤维增强树脂基复合材料、陶瓷以及玻璃。

1.2 非金属材料用于潜水器耐压壳的性能优势

纤维增强树脂基复合材料是由两种或两种以上不同性能、不同形态的组分材料通过物理或化学作用制成的一种多相的新材料，它可以通过复合效应获得组分材料所不具备的性能，还可以通过材料设计使各组分的性能互补关联，从而获得更新的优越性能［6-7］。在耐压壳中采用复合材料优点很多，如减轻重量、实现更小的容重比、提高工作深度、增强耐腐蚀性、改善水动力性能等［8］。试验表明，采用1∶2 的复合材料建造的潜艇耐压壳与钢质耐压壳相比，下潜深度可提高3～4倍［9］。复合材料具有力学性能可设计性，通过选择合适的原材料和合理的铺层形式，可以对复合材料结构进行多样性的设计和优化；另外，复合材料还具有良好的抗疲劳特性，其疲劳断裂是从基体开始，逐渐扩展到纤维和基体界面上，没有突发性的变化，且在破坏前有预兆，便于发现以及补救。

目前，用于潜水器的纤维增强树脂基复合材料主要包括玻璃纤维增强树脂基复合材料（GFRP）和碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）。GFRP 的密度仅为钢材的1/4～1/5，而比强度却可以与高强度钢比拟；与GFRP 相比，CFRP 的比强度更高，是普通钢材的4～6 倍，高的比强度就意味着纤维增强复合材料相比金属材料可以实现显著的减重效果。此外，GFRP 和CFRP 还具有耐腐蚀、材料可设计性好、工艺性能优良等特点，尤其适用于深海环境下潜水器耐压壳的制造［10-11］。在复合材料发展的早期，CFRP 的高成本和制造工艺的不成熟限制了它在潜水器耐压壳上的应用，而GFRP 作为耐压壳材料，相对CFRP 具备一定的优势，如CFRP 是一种导电材料，与CFRP 接触的金属部件容易发生电腐蚀，需要专门的电绝缘处理，从而增加了工艺难度，而GFRP 则属绝缘材料，其电绝缘性优于CFRP；GFRP 的抗冲击性能优于CFRP，CFRP 的抗冲击损伤性能较弱，GFRP 结构在设计时有更大的损伤容限［12］。随着复合材料产量的增长和制造技术的进步，CFRP 在成本大幅降低的同时材料性能也得到了提高，其优势逐渐明显，如玻璃纤维的刚性不足，要达到刚性要求需增加厚度，但这会导致结构重量的增加，而CFRP 具有更好的强度和刚度，用料更省，轻量化效果优于GFRP，这一点对于大深度潜水器尤为重要；CFRP 还具有更好的抗疲劳特性以及耐磨特性；此外，玻璃纤维属致癌物质，国外已逐步禁用［13］。因此，潜水器耐压壳的制造将逐渐由低成本的玻璃纤维复合材料向高性能的碳纤维复合材料过渡。

夹芯复合材料是在一对高强度、相对较薄的刚性面板之间粘结一种低密度、柔性夹芯的材料，芯材的加入可减轻结构重量，增大结构的截面惯性矩，从而提高结构抵抗弯曲的能力。研究证明：在复合材料层合板壳中间加入芯材后，在相同的承载要求下，结构仅增重6%，壳板刚度可增加37倍［14］。夹芯复合材料具有质量轻、弯曲刚度大、结构效率高、耐久性高的特点，早期主要用于船体，面板采用钢材，芯材采用波纹金属板。随着增强纤维复合材料的发展，出现了纤维面板夹芯复合材料，这种材料在轻质、高强的特点上还增加了耐海水腐蚀、抗微生物附着、抗疲劳、抗冲击的特征，尤其符合海洋环境下结构的工作要求。纤维面板夹芯复合材料常用的面板材料主要是玻璃纤维和碳纤维，这2 种纤维既可以单独使用，也可以混合使用；常用的芯材种类有泡沫、轻质木材、诺梅克斯、铝蜂窝等，芯材的结构形式主要有实心、蜂窝和波纹等，选择不同的芯材种类或者结构可以使夹芯复合材料具有不同的力学特性，从而更好地适应各种结构的要求。美国海军研究所对比了纤维面板夹芯复合材料与金属圆柱耐压壳的性能，结果指出，在同等深度下，夹芯复合材料圆柱壳的容重比低于金属圆柱壳，且深度越大，优势越明显。其中，碳纤维面板夹芯复合材料圆柱壳的性能要优于玻璃纤维面板圆柱壳，采用纤维增强复合材料制造潜水器的耐压壳，可以实现潜水器的轻量化［12］。

除纤维树脂基复合材料外，陶瓷、玻璃等由于具有高压缩强度、低密度、耐腐蚀等方面的性能优势，也成为潜水器耐压壳的可选结构材料。陶瓷以其重量轻、强度高、超硬度、耐磨损、耐腐蚀、电绝缘、非磁性和辐射可穿透等优点，已经在深潜器、潜艇、深海机器人等深海装备上获得应用，目前用作结构材料的陶瓷类型主要有碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷等。与金属材料和复合材料相比，陶瓷的密度仅大于碳纤维树脂基复合材料和铝合金，但其压缩强度高于金属材料和纤维树脂基复合材料，将其用于潜水器耐压壳可显著减轻潜水器的重量。世界各国潜水器研究机构都十分重视陶瓷在潜水器耐压壳上的应用，多年来一直在进行相关研究和应用实践。

玻璃除具有重量轻、抗压性强、耐腐蚀、易于加工、成本低等特点外，还有一些独特的优势，如具有电磁惰性、无线电波和磁场可以无阻通过，且可以将摄像设备和传感器等灵敏仪器都封装在其内部。玻璃具有极高的透明度，可以为载人潜水器观察员提供优越的水下视野，高质量的玻璃甚至还可以打磨，从而为其内部高分辨率数码相机或传感器提供视角界面。玻璃耐压壳的结构主要为球壳形式［15］。玻璃球壳具备浮力材料和耐压壳体的双重用途，不仅能为深海研究设备提供浮力，还可以作为深海仪器的耐压舱，从而使潜水器达到小型化和轻量化的要求。用于耐压壳制作的玻璃类型主要有有机玻璃（PMMA 和亚克力）、硼硅酸盐玻璃、强化玻璃等，其中硼硅酸盐玻璃具有非常高的强度和很低的热膨胀系数，约为普通玻璃的1/3，将其用于耐压壳可以减少材料应力和温度梯度应力，且在硼硅酸盐玻璃壳上还可以直接进行孔加工，为壳体上贯穿件及其接口的安装提供了便利。理论分析和大量的试验证实，玻璃可以作为一种高效率和可靠的深海耐压壳材料。

2 非金属材料在潜水器耐压壳上的应用及研究情况

2.1 纤维增强树脂基复合材料在潜水器耐压壳上的应用

将纤维增强树脂基复合材料用于潜水器耐压壳的设想始于20 世纪60 年代。GFRP 由于发展较早、成本较低且能够满足早期潜水器耐压壳的力学性能要求，因而被首先用于耐压壳的制造。自1960 年起，美国海军联合多家企业和研究机构建立了关于纤维增强复合材料用于潜水器耐压壳的可行性研究项目，采用玻璃纤维环氧树脂带缠绕工艺，制作了多个圆柱耐压壳模型，并通过水压破坏试验和蠕变试验，与钢、钛合金及铝合金这3 种金属圆柱壳的耐压-重量特性进行了对比，证实在同一破坏压力下，GFRP 耐压壳具有最小的容重比，表明GFRP 在满足耐压壳强度要求的同时，还可以实现潜水器的减重需求。1996 年，美国作业深度为1 000 m 的观察型载人潜水器Deep Flight I下水，其耐压舱采用的就是高强度的玻璃纤维/环氧树脂复合材料，大幅降低了潜水器的重量［16-17］。

随着海洋事业的发展和潜水器设计潜深的不断增加，结构轻量化要求越来越高，对材料性能的要求也越来越高。而随着CFRP 在航空航天领域的应用，其已积累大量成功经验，材料成本有所降低，制造技术更加成熟，因而潜水器耐压壳开始转向性能更加优异的CFRP。1991 年，美国升级了先进的水下搜索系统AUSS，该系统为CFRP 单壳结构，采用缠绕工艺制造，结果显示其容重比小于0.5，满足浮力要求，而下潜深度可达到6 096 m。

英国南安普顿海洋研究中心研制的鱼雷形自主式水下机器人（AUV）AUTOSUB 号，其耐压舱体采用的就是CFRP 圆柱壳，两端密封端盖采用的是高强度钛合金，这有效减轻了耐压壳重量，使潜水器在大深度下也可以获得更大的剩余浮力，下潜深度可达6 000 m。

2013 年，美国OceanGate 公司开始了载人潜水器（HOV）Cyclops 的研究计划，包括CyclopsⅠ和CyclopsⅡ这2个型号，如图1所示。其中，CyclopsⅠ采用了厚实的碳纤维复合材料船体外壳，厚178 mm，并引入了180°硼硅酸盐玻璃圆顶设计，潜深500 m；Cyclops Ⅱ的船体主要由碳纤维复合材料船身和一个带观察窗的钛合金半球组装而成，潜深4 000 m。壳体制造采用自动铺丝技术，碳纤维的使用在显著减轻潜水器重量的同时，极大地提高了载人舱的舒适度和可靠性。

图1 Cyclops Ⅰ和Cyclops Ⅱ载人潜水器Fig.1 Cyclops Ⅰ& ⅡHOV

由于纤维复合材料在结构制造工艺上的灵活性，使其在水下滑翔机（UG）领域也展现出了良好的应用前景。为了实现向全海深领域扩展［18］的目标，涌现出了各种新型滑翔机，如碟形滑翔机、“鳐鱼”型滑翔机、海龟扑翼型滑翔机等，这些都需要耐压壳对自身结构形状进行调整以适应滑翔机的仿生外形，有些特殊形状对于金属材料来说难以加工，而纤维增强复合材料则可以通过多种工艺实现金属材料难以达到的灵活多样的壳体造型，同时，还可以提供全海深、长航程所需要的足够的强重比［19］。因此，越来越多的UG 开始采用碳纤维耐压壳结构。

华盛顿大学用于深海环境监测的大深度深海滑翔机DeepGlider，选择采用的是碳纤维复合材料制造的耐压壳体，实现了近6 000 m的工作深度［20］。美国Webb 实验室研制成功的新一代水下滑翔机G2 Slocum，除传感器舱和艏部舱室外，全部采用碳纤维增强复合材料制造，得到了重量更轻、负载能力更大的新型UG［21］。我国“海翼-7000”水下滑翔机实现了碳纤维复合材料大深度耐压结构的核心技术突破，最大下潜深度达6 329 m，刷新了美国保持的水下滑翔机最大下潜深度6 003 m 的世界纪录。韩国在研的200 m 级“魟鱼”型UG，采用T700 碳纤维耐压壳取代了传统的高强度铝材料耐压壳，使其在保持力学强度的同时还减重40%［22］。

2.2 陶瓷在潜水器耐压壳上的应用

20 世纪60 年代，美国军械研究实验室建立了陶瓷耐压壳研究项目，其采用94%的氧化铝和耐高温陶瓷制作了多个用于20 000 ft 海深潜水装置的圆柱形耐压壳。1984 年，美国海军海洋系统中心发起了深海遥控式水下机器人（ROV）和AUV陶瓷耐压壳研究项目，之后，又开展了用于6 100 m AUV 的全尺度陶瓷耐压壳模型研究，最终得到了在选材、结构设计和制造等各方面经济而合理的方案［23］。2004，美国WHOI（Woods Hole Oceano⁃graphic Institution）启动了11 000 m 级深渊ROV/AUV 研究；2008 年，WHOI 又研制成功了全海深混合型潜水器HROV“海神”号（Nereus），在该型潜水器耐压壳和浮力模块材料中，96%采用的是氧化铝陶瓷，封头和一些连接件选择的则是钛合金［24］。图2 所示为“海神”号的一个主要陶瓷耐压壳。“海神”号所选用的高性能材料使其具有高强重比和非常好的抗腐蚀性能，并于2009 年下潜到了马里亚纳海沟海底10 912 m 处，证实了陶瓷耐压壳的力学性能。“海神”号的研制推动了陶瓷壳体设计在多个方面的显著进步，如强度和疲劳极限、陶瓷部件的连接、端盖形状、陶瓷凸台要求等。在“海神”号项目进行的同时，WHOI 还启动了6 000 m级AUV Sentry 的研制，该型潜水器的电池耐压壳由氧化铝陶瓷制作，如图3 所示，Sentry 已于2010年研制成功，至今仍在服役中［25］。

图2 Nereus 的一个主要陶瓷耐压壳Fig.2 A main ceramic pressure shell for Nereus

图3 Sentry 的主要组件［25］Fig.3 Main components of Sentry［25］

日本的研究机构和学者也开展了多项有关陶瓷耐压壳的研究，并且相关成果已在AUV 和ROV上得到应用。JAMEST（Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology）建立了一套陶瓷耐压壳制造方法，制造出的陶瓷球形耐压壳的强重比显著高于万米级KAIKO 潜水器的复合泡沫塑料浮力材料，证实陶瓷材料可用于深海ROV 的电子设备耐压壳。之后，JAMEST 又给出了在陶瓷耐压壳体上安装贯穿件的新方案，并在日本东京大学研制的7 300 m 级AUV Jellyfish catcher 上采用了该设计，同时选择氮化硅陶瓷材料SN-1000制作耐压壳的圆柱形壳身和两端的半球封头，使用氮化硅陶瓷材料SN-240 制作连接法兰，实现了大深度AUV 的强度要求和减重要求［26-27］。

Asakawa 等［28-31］提出了一种可用于深海装备的陶瓷耐压壳新方案，其氧化铝陶瓷耐压壳已成功应用于超大深度自由落体海底地震仪（OBS），目前，Asakawa 及其团队正在进行陶瓷耐压壳在6 000 m 级水下滑翔机上的应用研究，该项目仍在设计和测试阶段。

我国海斗深渊考察队的“海角”号全海深着陆器配备有全海深陶瓷耐压舱高清摄像系统，该摄像系统的视窗材料首次采用了透明陶瓷材料。2018年10月，“海角”号实现了最大工作水深10 910 m，是国际上将陶瓷材料作为摄像机耐压舱体的最大工作水深。

2.3 玻璃在潜水器耐压壳上的应用

在观光和探险型载人潜水器上，大多使用全透明的有机玻璃载人舱。例如，美国Triton 公司的Triton 系列潜水器、荷兰U-Boat Worx 公司的C-Quester 和C-Explorer 系列产品、加拿大Nuytco Research 公司具有代表性的载人潜水器Deep Rover 1 和Deep Rover 2 以及其与NASA 联合定制的DW2000 和DDW2000 载人潜水器、Hawkes 海洋技术公司的DeepFlight 系列产品等，如图4 所示，它们的共同特点是其载人球壳由部分或完全透明的有机玻璃制成，具备优秀的观察视野，非常适合海底观光。

美国个人潜水艇制造商SEAmagine Hydro⁃spaceCorporation于2016年发布了AURORA-6HOV，如图5 所示，其将4 个内径很大、超过90°的亚克力半球形通过金属环连接在一起构成载人舱，为乘员提供了非常宽敞的环境和极佳的水下视野。

图4 观光和探险型潜水器中的玻璃载人舱Fig.4 Glass manned cabin in sightseeing and exploratory submersibles

图5 AURORA-6 HOVFig.5 AURORA-6 HOV

日本于2013 年启动了全海深潜水器“深海12000”研究计划，该潜水器计划配备一个直径约2 m、厚约5～10 cm 的强化玻璃载人球壳，以极大地提升海底作业的视景作业效果。该潜水器预计2023 年投入海试。我国于2015 年投入运营的“寰岛蛟龙”号观光潜水器（图6）采用了1 段球形有机玻璃和3 段圆柱形有机玻璃作为载人舱，是目前世界上最大型的全通透载客潜水器。

图6 “寰岛蛟龙”号观光潜水器Fig.6 Huandao Jiaolong sightseeing submersible

3 非金属在潜水器耐压壳应用中需进一步解决的问题

虽然非金属材料的研究和应用已进行了几十年，但在潜水器耐压壳上采用非金属材料来代替金属材料仍是一个艰难而缓慢的过程。金属材料性能良好，设计经验丰富，制造工艺成熟，结构可靠性高，是潜水器设计师和制造者的首选材料，相比于金属材料，非金属材料耐压壳在设计和制造方面还存在许多亟待解决的问题。

3.1 非金属耐压壳结构设计技术

复合材料的各向异性和结构的层合特性在给结构设计带来灵活性的同时，也带来了困难。和金属材料相比，复合材料的结构设计复杂得多：首先，所需要的信息和工具不全面，纤维、树脂和先进复合材料数据库不够丰富，经验数据不足，缺少能直接使用的、可对结构进行优化的简单模型；其次，耐压壳的基本结构设计涉及强度设计和稳定性设计，而复合材料耐压壳设计在此基础之上还需要进行单层材料设计、铺层设计及工艺设计等，设计难度增加，对设计人员的要求更高；再次，缺乏设计规范，在进行复合材料结构设计时，常用的方法是采用比钢材设计高得多的安全系数，但这将导致耐压壳的重量增加，从而抵消了复合材料比强度高的优点。可见，复合材料耐压壳的设计技术还有待进一步的发展和完善。

陶瓷用于潜水器耐压壳的吸引力是巨大的，但其存在的问题也不容忽视。陶瓷是一种非常易碎的材料，在抵抗拉伸应力和冲击应力方面相当不足，如果结构设计不合理，在受力时会产生裂纹或是碎裂［26］。陶瓷的机加工特性不佳，在机加工过程中容易引入裂纹等非本征缺陷和残余应力等机加工缺陷，从而造成材料损伤［32］。陶瓷材料的物理特性偏差大于金属材料，目前，还缺少明确的设计准则［27］。另外重要的一点是，陶瓷不同于金属材料，在其发生破坏时没有塑性金属材料变形阶段，可能会发生灾难性的崩溃。2014 年5 月10日，“海神”号在新西兰的克马德克海沟9 990 m 深度处丢失，根据在事故附近海域打捞的碎片推测，“海神”号的耐压壳可能发生了内爆［33］。该事故证明，有必要对脆性材料耐压壳进行增韧设计，其在使用寿命期间的性能也需要及时检测和维护。提高陶瓷材料的韧性及使用性能的可靠性、降低制造成本这3 个因素是关系到先进陶瓷材料在高科技领域应用的关键［34］，陶瓷材料在潜水器耐压壳方面的应用仍然有待探索。

相对于陶瓷材料目前仅限用于无人潜水器中，玻璃耐压壳则常用于载人潜水器的载人舱，其安全性和可靠性与舱内人员息息相关。玻璃作为一种脆性材料，其表面上极小的伤痕都有可能导致潜水器的损坏，如何确保玻璃耐压壳的强度是研发的关键［16］。此外，在耐压壳上存在多处开孔，如人员出入的人孔、观察窗和一些外接仪器设备的线缆接口等，在这些位置处，会因开孔而产生应力集中，从而对强度和稳定性造成破坏，因此，需特别注意玻璃耐压壳上开孔处的强度和密封性能，进行开孔设计时需要不断优化并进行细致的校核［5，35］。美国DOER Marine 公司在设计潜水器Deep search 时提出了一种新型的舱口设计概念，即通过改变玻璃开孔的补强形式来避免玻璃和金属连接处的应力集中。其利用脆性力学技术测试玻璃观察窗的结构形式，评估玻璃材质的性能和结构可靠性，为全玻璃耐压壳设计做出了尝试［36-37］。我国尚未制造出大深度的全透明球形丙烯酸树脂载人耐压壳，在高透明度和大直径球状有机玻璃的研制、制造加工工艺等方面还有待解决，未来可考虑应用于万米级潜水器和一些小型载人潜水器上。

3.2 复合材料耐压壳损伤力学性能分析技术

复合材料偏低的层间强度与较差的层间断裂韧性成为其工程应用的瓶颈，当用于潜水器耐压壳时，会导致结构强度与稳定性设计目标的实现间出现偏差。潜水器耐压壳在工作时，不可避免地会受到冲击，由于复合材料层间强度弱，有可能会引起耐压壳内部损伤，出现诸如脱层、纤维断裂、脱胶等情况，从而使受损结构在较低的压缩载荷下发生分层失稳和扩展，导致结构提前失效。在水压破坏试验中观察到，纤维增强复合材料耐压壳通常并未完全实现其设计深度，其在远低于设计强度时即发生破坏，其中很重要的原因是内部损伤降低了结构的承载能力。目前，还没有明确的损伤模拟模型、失效判定准则和分析工具，需进一步研究和明确损伤与结构承载的关系，发展复合材料耐压壳损伤力学性能分析技术，提高设计的安全性和可靠性。

3.3 复合材料耐压壳结构连接及密封问题

复合材料部件之间的组合装配，以及复合材料部件与邻近金属零部件的连接固定，是复合材料结构设计尚未解决的一个难点，目前常用的机械连接和胶接都有一定的弊端。例如，机械连接方式（螺栓或铆钉连接）需要在结构上钻孔，这将破坏层合结构内增强纤维的连续性，引起应力集中，降低连接效率；胶接连接方式容易因较弱的胶接层发生破坏而导致结构失效，存在老化问题，且一般不可拆卸［38］。耐压壳作为一种水密结构，连接问题关系到其密封性能和安全性能，是在结构设计时必须妥善解决的问题。

4 复合材料耐压壳研究方向展望

为进一步发展复合材料在潜水器耐压壳上的应用，可以从以下几方面入手：

1）加强复合材料基础研究，合理利用已有的金属结构设计经验，积累复合材料潜水器耐压壳试验与应用数据，进一步研究复合材料耐压壳在深海环境下的力学特性，提高耐压壳碰撞和冲击性能分析、以及含层间缺陷复合材料耐压壳力学性能分析的准确度，加强对结构失效模式的预测，发展复合材料耐压壳简化分析方法，确定并优化复合材料耐压壳设计的安全系数，完善复合材料结构与金属结构间连接强度计算方法，探索更加合理的连接型式，从而提高复合材料耐压壳设计的准确性和可靠性。

2）增强复合材料耐压壳的层间性能，提高抗冲击损伤能力。可以考虑通过提高复合材料层间断裂韧性来提高层间强度。因层间韧性首先取决于复合材料的基体韧性，因此对基体增韧可有效提高复合材料的冲击损伤阻抗和抗分层能力。此外，也可以从制造技术方面入手。潜水器耐压壳以回转壳形状居多，目前常用的制造工艺主要有手糊、模压成型、缠绕成型、自动铺放技术等，这些都属于传统的低维工艺，成型过程主要是逐层铺设、堆积，层与层之间仅依靠粘结，层间强度远低于纤维增强方向。但随着尖端领域军事技术的发展，出现了三维编织、缝合和z-pinning 增强技术等新的复合材料设计方法和制备工艺，通过在厚度方向上引入增强纤维，提高了层间韧性，可以实现传统复合材料工艺无法达到的高性能，如抗分层、抗冲击、抗损伤、各向性能可设计性强等优点［39-41］。同时，这些新工艺不仅是一种增强技术，还是一种连接技术，在连接性能上有独特的优势，更便于各类结构一体化成型。研究结果表明，缝合后的复合材料连接结构强度远高于未缝合的接头，有时甚至还会高于金属铆钉铆接的接头［42-43］。缝合和z-pinning 增强技术已应用于夹芯泡沫复合材料，其可以有效阻止泡沫芯子的塌陷及面板与面芯分层的发生［44］。新技术的出现为潜水器耐压壳的设计和制备提供了新的方向，目前，这些技术还未普及，在水下结构中应用较少，其力学性能仍有待进一步的研究。

5 结 语

深海探测和深海开发已成为世界各国深海战略的目标指向，随着海洋研究进入“全海深”科考时代，对深海装备的需求势必越来越迫切，潜水器的设计深度将会越来越大，高性能材料研究的重要性将越来越突出。从上述复合材料、陶瓷、玻璃几种非金属材料在潜水器耐压壳上的发展和应用来看，各国都在不遗余力地尝试在深海装备上最大可能地发挥这些材料的性能优势，然而相对于金属材料在海洋领域的成熟应用，非金属材料在设计、制造、经济性等方面都还存在着一些关键的待解决问题，其在潜水器耐压壳上的应用仍处于探索阶段。迄今为止，美、英、日、意等国仍在海洋材料领域保持着强劲的发展势头，而我国在高技术新材料方面起步较晚，为了适应未来世界海洋研究领域的发展格局，我国加大了在海洋科考方面的投入力度，布置了一系列前瞻性的海洋科研项目，同时也重视对高性能新材料的研发，提高了海洋装备材料研究的水平和档次，并取得了一些成果和突破。随着时间的推移，在基础理论发展、试验测试技术进步、制造工艺提升的引领之下，高性能材料在海洋领域的应用必然向着深度和广度方面不断发展。