国产深海固体浮力材料首次成功应用于万米深渊

“慈母手中线,游子身上衣。临行密密缝,意恐迟迟归。”2017年的秋天,中国“微球”不负众望,托起了“深海勇士”号载人深潜器的“回家梦”。

中国“微球”问鼎万米深渊

“深海勇士”号载人深潜器验收交付(图片:CCTV13)

中国南海见证了这一“大国重器”的破茧成蝶过程……28次下潜,28次期待,28次回家。

从“万泉”号深渊着陆器到“深海勇士”号载人深潜器,国产“微球”完成了从无人到载人的跨越,标志着国产“微球”已跃升至世界先进行列。

国产“微球”的孕育和诞生,经历了怎样的曲折历程?微米量级的小小“微球”,又是如何托起中国深海探测“浮力梦”的呢? 

“蛟龙”入海,难掩“微球之痛”

广袤而深邃的湛蓝,覆盖了地球表面将近四分之三的面积。这里不仅是地球生命的“摇篮”,而且还是一个巨大的“聚宝盆”!

根据国际海洋科学界的共识,通常把海深0―1000米称为浅海,1000―3000米称为半深海,3000―6000米称为深海,6000―11000米称为深渊。

早在20世纪 90年代,中国就提出了大深度载人潜水器的构想。2002年,“7000米载人潜水器项目”列入国家“863”计划重大专项。2012年6月,“蛟龙”号下潜深度突破7000米。

中国“微球”问鼎万米深渊

世界主要载人深潜器下潜深度对比图(图片:中国科普博览)

“蛟龙”号作为我国自行设计、自主集成研制而成的载人深潜器,下潜深度一步跃升为7000米,标志着我国成功跻身国际深海俱乐部。

然而,“蛟龙”号使用的固体浮力材料全部依赖进口,这无疑成为了我国载人深海探测的一个“痛点”。

中国“微球”问鼎万米深渊

“蛟龙号”的固体浮力材料(图片:中国科普博览)

走进深海离不开固体浮力材料,那是潜水器回家的关键材料。而空心玻璃微球又是固体浮力材料的核心。20世纪50年代,美国、日本、俄罗斯开始研制空心玻璃微球,如今该技术还处于高度保密状态。

国外高端玻璃微球产品又对我国实行禁运。他们只卖给我们低一个等级的材料,这极大地阻碍了我国深海相关科研工作的进展,也让我们深切感受到了受制于人的痛楚。

据悉,浮力材料的先进性是用给定承压条件下的密度和吸水率来表示的。密度是浮力材料的核心指标。密度越小其浮力越大,这一方面可以减小潜水器的尺寸,另一方面还可以增加有效载荷。

吸水率也是影响浮力材料性能的一个重要指标。浮力材料的吸水率越低,其浮力系数就会越稳定。只有稳定的浮力系数,才能保证深海装备的可靠性和安全性。

在当时,国际上深海7000米级最先进的固体浮力材料密度为每立方厘米0.481克,而外国卖给我们的浮力材料密度为每立方厘米0.561克。

这就意味着产生相同的浮力需要使用更多的固体浮力材料,因此深潜器的体积就会大出不少。这无疑会挤压有效载荷的空间,使得科研的效率大打折扣。

白手起家,二十年逆袭之路

逐梦深海,应当把“中国制造”写进我国深海装备的“名片”!只有攻克了深海浮力材料等方面的核心技术,才能改变我国受制于人的被动局面。

我国研发固体浮力材料,起步于20世纪90年代,比国外整整晚了40年。因此,要实现固体浮力材料的国产化,我们面临的挑战是非常严峻的。

特别是面对国外的技术封锁,我们一无技术,二无设备……“白手起家也得上,我们别无选择!”这是我国科学家的铮铮誓言。

中国科学院理化技术研究所是我国最早从事浮力材料研究的单位。担任微球新材料课题组组长的张敬杰研究员认为,深海固体浮力材料的核心是空心玻璃微球,只有把玻璃微球做“好”了固体浮力材料才会“强”。

中国“微球”问鼎万米深渊

中科院理化所张敬杰研究员  (图片:中国科学院“镜头中的最美科学家”截图)

既要“轻”又要“强”,这是对空心玻璃微球的总体要求。这里的“轻”指的是密度要小,“强”说的是抗压性能要好。然而,“轻”与“强”又是一对“冤家”,密度小的空心玻璃微球往往抗压性能不好。

看来,如何把“轻”与“强”统一到空心玻璃微球上,是研制低密度高强度浮力材料的关键所在。

然而,我们用肉眼都难以分辨模样的“小微球”,既要空心,又要薄壁,还要耐高压……难度可想而知!

中国“微球”问鼎万米深渊

图全方位认识空心微球(图片素材:中科院理化所、CCTV10)

其中,让人无法逃避的深海压强就是一个大问题。一万米海深的压强大约为110兆帕,这是一个大得惊人的数字。

110兆帕的压强,相当于在一个指甲盖大小的面积上要承受1.1吨的重量,几乎相当于把一辆普通轿车压在一个指甲盖上。

你也许会说,空心玻璃微球不是很脆吗?在几千米甚至上万米深的深渊耐得住如此巨大的压强吗? 

空心玻璃微球的确很脆,但近乎完美的球形结构使其拥有了很高的抗压强度。

这倒与鸡蛋的情况有点类似。鸡蛋壳不能说不脆吧,但用手掌紧握鸡蛋时又很难把鸡蛋弄坏……

中国“微球”问鼎万米深渊

手握鸡蛋时的受力示意图(图片:CCTV 10截图)

这是因为蛋壳的薄壁结构在受到一个围压作用时,其拱形曲面可以抵消外力的作用,使得结构更加坚固。

当然了,影响空心玻璃微球强度的因素还有很多,但主要取决于玻璃微球的原料体系以及制备工艺。

深海固体浮力材料是由空心玻璃微球与树脂基材经热固化成型而制得的,其制备难度之大圈外人是很难体会到的。

从实验室到中试,再到量产和应用示范,不知凝聚了研究团队多少智慧和汗水。试验,失败;再试验,再失败……

2016年,张敬杰带领的研究团队终于攻克了一系列关键环节的技术难题。

中国“微球”问鼎万米深渊

张敬杰微球研究团队剪影  (图片素材:CCTV10、中国科学院理化所)

2017年3月23日,中国科学院深渊科考队搭乘“探索一号”科考船完成了万米深渊的科考任务。其中“万泉”号深渊着陆器采用国产深海浮力材料,最大下潜深度达到了10901米。

中国“微球”问鼎万米深渊

“万泉”号深渊着陆器  (图片:中国科学院理化所)

国产深海固体浮力材料首次成功应用于万米深渊,标志着国产深海浮力材料达到了世界先进水平。其意义在于打破了国外高性能深海浮力材料的技术垄断,改变了我国深海浮力材料受制于人的局面。

负重潜海,“轻装”回家

走进深海,无论是载人深潜器还是无人深潜器,完成任务后都要返回到海面。否则,就会功亏一篑,并危及潜航员和深潜器的安全。

鱼翔浅底的悠然,让我们赞叹不已!那么,它们是如何进行沉浮的呢?对于大多数的鱼类来说,鱼鳔是一个调节身体密度的器官,因此借助鱼鳔内气体的改变可以调节身体的沉浮。

中国“微球”问鼎万米深渊

鱼体内的鱼鳔(图片:mt.sohu.com)

原来,鱼鳔实际上就是一个“空气袋”,变大时可以使鱼的体积增大。鱼的体积变大了,密度自然就变小了,因此浮力也就增大了。

为了回家,人类也在学习生物的智慧。在世界范围内,从“深海潜水球”号的铁索起吊到“的里雅斯特”号的汽油浮箱,再到“阿尔文”号的玻璃微球浮力材料,人类探索了将近四十年的时间。

中国“微球”问鼎万米深渊

世界深潜器四十年“回家路”(图片素材:新华网)

如今,固体浮力材料已经成为深潜器的标准配置。浮力材料的作用与鱼鳔是十分类似的,用其可以调节深潜器的自身密度。

在固体浮力材料中,空心玻璃微球的体积含量高达60%―70%,因此直接影响浮力材料的最终性能。从这个意义上来说,是“小微球”托起了深潜器的“浮力梦”。

中国“微球”问鼎万米深渊

固体浮力材料组成示意图(图片:CCTV 10截图)

那么,这些比头发丝直径还要小的中空玻璃微球,又是如何把几十吨重的深潜器托到海面的呢?

我们知道,只有满足深潜器密度小于海水密度这个条件时,深潜器才会实现无动力上浮。而在组成深潜器的各个子系统中,除了浮力材料之外,其他装备的密度几乎都是大于海水的。

浮力材料的密度大约只有海水的一半左右,其作用就是把潜水器的密度降下来。通常,浮力材料的质量会占到潜水器总质量的三分之一左右,而占用的体积比例则会更大一些。

其实,深潜器的下潜和上浮是通过调节自身的密度来实现的。在深潜器无动力下潜时,为了保证深潜器的密度大于海水,需要在深潜器两侧配备一定质量的压载铁。这就是所谓的“负重潜海”。

中国“微球”问鼎万米深渊

深潜器下潜示意图(图片:CCTV 10截图)

而在完成深海作业之后,就需要把压载铁这个“包袱”抛掉,从而使得深潜器的密度小于海水,这样才能启动无动力上浮。这就是所谓的“轻装回家”。

中国“微球”问鼎万米深渊

深潜器上浮示意图(图片:CCTV 10截图)

进军深海,有我坚强“微球”

凭海临风,碧波万顷,引无数英雄竞折腰!

郑和七下西洋扬起了中国走向世界的风帆,海上丝绸之路则开启了东西方文明的对话之旅……

如今,中华民族的“深海梦”已经扬帆启航,一个认识深海、开发深海的新时代正在到来。

人类未来的希望在海洋,那是一个尚未被完全认知的“伊甸园”。而走进深海,则是对一个国家综合科技实力的检验。

中国“微球”直抵万米深渊(“万泉”号),极大地坚定了国人的信心。中国“深海勇士”号的海试成功,则充分验证了国产固体浮力材料的优秀品质。

中国“微球”问鼎万米深渊

习近平总书记捧起国产深潜用固体浮力材料(图片:中国科学院理化技术研究所)

“深海勇士”号是中国深海装备飞速发展的一个缩影。潜深4500米只是中国载人深潜征程中的一个里程碑,更加惊艳的万米载人深潜还在后面。

2018年1月,中科院理化所为我国全海深载人潜水器研制的浮力材料进行了定型测试实验。国产高性能微球将托起我国万米载人潜水器的“浮力梦”,并将在深海的寂静中谱写更加辉煌的篇章。

中国“微球”问鼎万米深渊

中国“微球”托起载人深潜“回家梦”(图片素材:中新网、CCTV 10)

“蛟龙号”第一副总设计师崔维成,是第一个潜至太平洋马里亚纳海沟7000米深海的中国人。他在谈到当时的感受时说:“那里十分荒芜,但有种奇异的美感。” 

进军深海,追溯生命的源头,已成为时代的强音!在不远的未来,我国全海深载人深潜器就将启航……如果你有幸成为逐梦深海队伍中的一员,那么中国“微球”将“载”你安全回家!

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参考文献

【1】科技日报 陈瑜.《深海科考:让中国深度直抵万米》科技日报,2018-03-07。

【2】人民网-科技频道.《我国4500米深潜用固体浮力材料实现批量生产》,中国青年网,2017-02-09。 

【3】中科院理化所.《理化所研制的固体浮力材料获得万米应用突破》,中科院理化所,2017-03-31。

【4】郑金武.《小微珠开出产业鲜花》,科学时报,2013-11-05。

【5】中国工程院 编著.《中国海洋工程与科技发展战略》,高等教育出版社,2013年版。

【6】潘顺龙 张敬杰 宋广智.《深潜用空心玻璃微珠和固体浮力材料的研制及其研究现状》,热带海洋学报,第28卷第4期。

【7】马延德 主编.《海洋工程装备》,清华大学出版社,2013年版。

【8】(美)丽莎•扬特著 郭红霞译.《奇异的深海——12位海洋科学家的探索与发现》,上海科学技术文献出版社,2014年版。