[发明专利]一种深海耐压氧化铝陶瓷空心浮球及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种浮球及其制备方法，具体涉及一种深海耐压氧化铝陶瓷空心浮球及其制备方法。

背景技术

地球71%的面积被海洋覆盖，而深度大于200米的中深海、深海区域占整个海洋面积的91%，广阔的深海水深可达上万米，压力大，水温低，没有光照，常年处于黑暗状态，缺氧，食物稀少，所以曾被认为是荒蛮之地和生命禁区。苛刻的环境对人类进军深海提出了挑战，直至上世纪八十年代发达国家才有能力探索深海，因此深海是地球最后一块处女地，也是新世纪各国“蓝色圈地”运动激烈争夺的焦点。

深海之争归根结底为资源之争。据统计，目前世界深海油气探明储量已占海洋油气探明储量的65%以上；天然气水合物在海洋中的总量为（1~5）×10¹⁵立方米；多金属结核在海洋中约有5000亿吨，主要富集在4000~6000米深度；富钴结壳在海洋中含量可达10亿吨，主要分布在500~4000米深度；上百处海底热液多金属硫化物矿床含量达6亿吨，分布在1500~4000米深度；深海已发现数千种新生物，绝大部分物种是深海环境所独有的。因此，深海蕴藏着世界未来发展所必须的、丰富的能源与战略资源。2011年我国石油对外依存度高达56.5%，超过警戒线50%，加剧了国家能源安全的风险，加快深海油气开发势在必行。我国南海平均深度1212米，石油资源约在230~300亿吨之间，天然气总量约为16万亿立方米，占中国油气总资源量的三分之一，而且70%的油气资源在深海区。因此，以 “蛟龙”号为代表的深海探测装备研制具有重大战略意义。

目前，深海潜水器主要包括载人潜水器和无人潜水器，其中无人潜水器包括有缆遥控潜水器（ROV）和无缆自治潜水器（AUV）两种。多数载人深潜器的最大下潜深度在7000米左右，仅有美国导演詹姆斯卡梅隆参与制作的“深海挑战者”号深潜器可下潜至11000米深度。另外，已有多台先进的无人潜水器可以下潜至同样深度。对于这些深潜器来说，最重要的通用性材料之一是作为浮力补偿用的固体浮力材料。浮力材料实际使用时需长期浸泡在水中，要求其耐水、耐压、耐腐蚀和抗冲击。尤其是在海洋中每增加100m深度，物体受到的压强就将增加约10个大气压，即1MPa。那么下潜至11000米深度则需要承受110MPa的压力。因此，深海中使用的浮力材料要求既具有极高的强度又要有很低的密度，而且还应具有耐水、耐腐蚀和抗冲击的特性。对于在不同深度使用的固体浮力材料的强度要求不同，水深增加，浮力材料的强度相应增加，密度随之增大，但浮力系数减小。此外，深海装备上使用的高强度浮力材料还应具有吸水率低、吸水平衡的时间短等特点。

美国Emerson & Cuming公司研制的7000m载人潜水器固体浮力材料，密度为0.561g/cm³，能用于7000m水深。这种材料是由直径微米级的空心玻璃微珠均匀分布在树脂中固化形成的一种复合材料，其中空心玻璃微珠占60%~70%的体积，因此具有较低的密度。但如果要下潜至更深时，浮力材料需要以牺牲自身密度来提高强度。为了提供同等的浮力，深潜器则需装配更多的浮力材料，造成体积庞大，动力性能下降。“深海挑战者”号载人深潜器则是通过在固体浮力材料的基础上加入纤维，进一步增强材料的力学性能来解决这个问题，其抗压强度可达152MPa，密度也仅为0.69 g/cm³。另外，大深度无人深潜器除使用此类浮力材料之外，还使用一种空心陶瓷球作为浮力材料，这种陶瓷球直径约为90mm，球壳厚度仅为1.6mm，重量约为140g，由于陶瓷具有高比强度和低密度，所以这种浮力球可以提供更大的浮力，增大深潜器的有效负载能力，是一种综合性能优异浮力材料。但目前关于这种深海大尺寸陶瓷浮力球的公开实验数据甚少，其相关制备工艺也处于保密状态。因此其应用仍然依赖国外进口，制约了我国深海无人深潜器的发展。因此，这种大尺寸陶瓷浮力球的研制在科学机制和工程应用领域都具有重要意义。