正在研制的全海深载人潜水器，将带领中国的科学家到达地球上最大深度的洋底开展科学作业，这个深度超过了水下一万米。超万米的水深，对浮力材料，甚至潜水器来说，将带来哪些挑战？

  普通人背着压缩空气瓶能够下降的深度一般是水下30-40米左右，而人类徒手潜水的极限也只有105米，倘若想潜得更深，就不得不利用各种装备，而浮力材料则是保障深潜器财产及生命安全的“幕后英雄”。

  近年来，随着科学技术的发展和对能源需求的不断提高，人类对海洋的认识和开发力度亦不断增加，并逐步向深海扩展，利用载人或无人潜器在深海中直接进行观察、摄影、测量、取样，设置必要的仪器设施、水下作业等。为了给深潜拖体、深潜器和水下机器人等提供足够的净浮力，人们开始研制高强度轻质复合材料以替代传统的耐压浮力球和浮力筒。水下用轻质复合材料能承受数千米水下巨大的压力，且自身的密度只有水的一半左右，可提供托起水下机器人及自身重量的浮力。当机械动力停止或发生意外如脐带缆绳断裂时，可保证下潜器自动上浮，不至于丢失，以保证生命及财产安全，是发展现代深潜技术的重要组成部分。另外，水下用轻质复合材料，对保证下潜器所必须的浮力，对提高下潜器的有效载荷，减少其外型尺寸，尤其是在建造大深度的下潜器中，有着重要的作用。

  「浮力材料的研究现状」

  美、日、俄等工业先进国家从上世纪60年代末开始研制高强度水下用轻质复合材料，以用于大洋深海海底的开发事业。美国海军应用科学研究实验室研制的轻质复合材料，当密度为0.35g/cm3时，抗压强度5.5MPa。美国洛克希德导弹空间公司研制了两种用途的轻质复合材料，一种是用于浅海的OPS（Offshore Petroleum system）级轻质复合材料，密度为0.35g/cm3，压缩强度5.6MPa，可潜水深540米；另一种是深潜用SPD级轻质复合材料，密度为0.45-0.48g/cm3，压缩强度25MPa，可潜水2430米。日本海洋技术中心对轻质复合材料的研制开发大体上分3个时期，第1时期是1970年水深300米的潜水作业；第2时期是80年代初研制载人深潜器“深海6500”；第3时期是1987年开始研制10千米深的水下机器人。俄罗斯目前也研制出用于6千米水深轻质复合材料，密度为0.7g/cm3，可耐压70MPa。

  刚刚过去的几年是人们对深海下潜发生浓厚兴趣的阶段，浮力材料和复合材料轻质耐压壳已获得不可替代的地位。美国伍兹霍尔海洋研究所研制的“海神号”机器人潜艇，在2010年5月潜入太平洋11000米海底，探秘世界上最深的马里亚纳海沟，使用了浮力材料。著名导演卡梅隆乘坐“深海挑战者号”下潜器于2012年3月下潜至10898米深的马里亚纳海沟，由玻璃微球增强树脂制造的浮力材料的体积占到整个下潜器的75%，由trelleborg公司生产。

  从上世纪九十年代起，我国开始对深海固体浮力材料进行自主研发，而在此之前一直依赖国外进口。中科院理化所是最早从事浮力材料研究的单位。在863计划的支持下，“十五”期间，国内率先开展原创性“高性能空心玻璃微珠产业化关键技术”研发，掌握了原位气化成形的核心技术。将高性能空心玻璃微珠用于固体浮力材料研究，利用致密堆积技术解决了微球在聚合物基材中的密堆积无缺陷的技术难题，研制出密度低、性能优的样品。“十二五”期间，采用自主知识产权的软化学制备技术，突破传统固相法制备工艺的技术壁垒，解决了产品批次稳定性的技术问题，为固体浮力材料的规模生产奠定了坚实的技术基础；2013年，自主研制的固体浮力材料模块在南海成功进行了长达155天的海试试验，样品吸水率小于1%，性能达到国际水平，标志着我国自主掌握了4500米浮力材料的重要核心关键技术。2017年中科院理化所完成了4500米级载人潜水器用固体浮力材料生产线的筹建及调试，生产出批产稳定的产品，使我国成为世界上为数不多的生产深潜用固体浮力材料的国家之一。目前，随着全海深载人潜水器重点专项工作的推进，2018年初中科院理化所也在开展万米浮力材料的定型测试，不久的将来我国也会迎来万米浮力材料的国产化。

  除了中科院理化所，深海固体浮力材料国内研发生产的另一“巨头”就是海洋化工研究院。在“蛟龙”号之前的“海马”号，就是使用的海化院的浮力材料。从中科院理化所和海化院来看，国产化的全面“开花”不仅摆脱了长期依赖进口的局面，而且节省了大量成本。像“蛟龙”号那种高性能载人深海固体浮力材料，从国外进口的价格每立方米就高达80万元，而国产材料差不多每立方米20万元。普通的深海固体浮力材料，从国外进口需要几十万元，国产材料只需要10万元左右，价格相差近4倍。除了以上两个巨头，青岛海洋新材、中国中材、上海尖端、上海卫蓝、河南泛锐研究院等企业也能实现深海固体浮力材料的研发生产。目前浮力材料的正从特种专业的小众市场逐渐走向大众市场。

  「未来从“小众”走向“大众”」

  近年来，深海固体浮力材料不再是科考装备的“专有产品”，虽然市场仍存在局限性，但其应用的方向已越来越广，除了深潜器、水下机器人之外，海上石油勘探等海工装备的需求量也在日益增加。“在水下开采石油，油突然从地下出来时遇到0~5℃的海水会突然冷却，所以需要隔水管为海底的金属输油管道保温并提供浮力。而在海底铺设输油管道时也需要浮力材料。

  要承受深海的巨大压力，潜器的密度与强度是关键，但偏偏这两者又是一对”欢喜冤家“。人们都希望材料的强度越大越好，因为水越深压力就越大。但强度越大密度也就越大，用户又希望浮力材料的密度越小越好，这样就可以多载几个人，或者多载些设备等。人们都希望深海设备的密度尽量低，耐压强度尽量高。为了解决这一矛盾，新型固体浮力材料通常使用环氧树脂和空心玻璃微珠做成的浮力材料，通过增加浮力材料的体积，减小浮力材料的密度，从而增加浮体的排水量，起到增大浮力的作用。而且这种新型工艺生产的固体浮力材料可在任何海深条件下应用，甚至可以到达海底最深的11000米海沟，足以满足海筒”帮忙“，为管道提供浮力，避免其因为自身重力而下沉。随着市场的不断扩大，浮力材料的产量能将增加20%~30%，但由于目前仍受限于特种专用材料，市场较小，所以各个公司的年产值约为300~500万元。虽然年产值并不高，但随着国产化的不断推进和特种专用材料问题的不断改进，目前固体浮力材料已应用到水下运载系统、海洋观测系统、海底空间站、海洋石油勘探开发等多个领域，市场前景将日趋广阔。