深海浮力材料全解读：从产品应用、核心企业到发展趋势

小仙居 · 发表于灌水区 2022-12-30 20:12:31

随着深海开发技术的不断发展和全球深海战略的推进，深海浮力材料已成为人们关注的焦点。浮力材料能为深海水下作业装置提供尽可能大的净浮力，在水下起到浮力补偿的作用，是深海开发装置的重要配置材料。

浮力材料具备高强度、低密度、低吸水率、耐腐蚀等优异的性能，因此广泛应用于海洋、航空航天等领域，其中，最重要的应用是装配在深海装备上，为其提供浮力和保证设备的平衡。

海下环境复杂多端，海深每增1000m，压力就相应的增加10MPa，因此，根据应用海深的不同，所采用的浮力材料密度、强度等性能均有所不同。

浮力材料的分类

1、传统浮力材料

包括常见的浮筒、浮球及木材或橡胶制作的浮力材料。一般有低密度汽油、氨、硅油等液体浮桶、泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫铝、金属锂、木材和聚烯烃材料等。

封装的液体浮桶：易漏，容易污染海域；

泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫铝和木材：模量、强度较小，不能满足深海使用；

金属锂：强度和模量能满足深海使用，但是其与水反应，且价格较贵。

浅海用浮力材料通常采用软木、浮力球、浮力筒及具有一定强的合成泡沫塑料或合成橡胶。

2、高强轻质浮力材料

是强度高、密度低的材料，它属于一种先进的复合材料。固体浮力材料的浮力调节介质包括气体空穴、空心微球、中空塑料球或大径玻璃球组合。

根据浮力调节介质的不同，该种材料可以分为以下三大类：

1、化学发泡法浮力材料

该种材料是利用化学发泡法制成的一类泡沫复合材料，即利用树脂固化热使化学发泡剂分解产生气体，分散于树脂中发泡，然后浇铸成型。

特点：可根据使用要求调整发泡剂用量形成不同密度的化学发泡法固体浮力材料，具有质轻、隔热、隔音、减震等优良性能。

应用领域：主要应用于水面或浅海等领域。

常用的材料主要有：聚氨醋泡沫、环氧泡沬塑料、聚氨酷环氧硬质泡沬、聚甲基丙酰亚胺泡沬等。

2、中空微球复合泡沫浮力材料

该种材料是由树脂作为基体材料，填充浮力调节机制，经加热固化成型得到的复合材料。目前性能优良，使用最广泛的浮力调节机制是空心玻璃微珠。

特点：1.纯复合泡沫固体浮力材料具有可设计性，通过调整空心微球的粒径大小以及填充量可设计出不同密度和力学性能的固体浮力材料；2.具有低密度、高压缩强度、低蠕变和良好的耐水性能以及优越的隔热隔音和电性能等特性，可满足不同使用的要求；

应用领域：主要应用于海军舰艇、水下平台、深海探测设备、深水设备的保护罩、水下管道连接和电缆牵引。

3、轻质合成复合泡沬浮力材料

为了使浮力材料的密度进一步降低，在复合泡沫浮力材料中加入了一些大直径由高强度纤维合成的空心球，由空心球﹑空心玻璃微珠和环氧树脂组成的复合泡沫材料称为轻质合成复合泡沫材料，又名三相复合泡沫材料。

特点：相比于两相复合泡沫材料，三相复合泡沫材料的密度更低，同时意味着耐压强度低，这是由于三相复合泡沫材料的微球填充量增大，填充的环氧树脂减少，使得材料的性能主要取决于微球，但其强度要高于一般的化学发泡浮力材料。

应用领域：三相复合泡沫材料可以应用于强度要求不是很高的场合，一般在水下4000m内水深区适用。

由于材料的不同，固体浮力材料各有各的特点，在不同的领域中发挥着不同的用途，化学发泡材料、轻质合成复合塑料较多的应用于海面或者浅海勘探设备，而中空玻璃微珠和树脂基体复合而成的复合泡沫材料则更多的用于深海勘探设备上，因为它的密度相对较小，强度相对较大，比较适用于深海环境。

深海用浮力材料的性能要求

深海装备使用的材料应具有耐水、耐压、耐腐蚀和抗冲击的特性。根据深海开发装置的性能、使用条件，深海探测用浮力材料必须满足如下要求：

静水压力（潜器每潜深100m,水压增加1Mpa），不会在规定的使用深度以内造成破坏，即抗压条件；

浮力材料的密度尽可能的小，使其单位体积提供尽可能大的浮力。从而提高无人潜器的工作性能；

低的吸水率和高体积弹性模量，使它在较大的水压下能提供稳定的浮力，保证潜器安全可靠的工作。

通常浮力材料的选择对于整个水下作业系统至关重要，在海洋探测与海洋开发实际应用中，通常主要有三种：聚氨酯泡沫材料、共聚物泡沫材料和复合泡沫材料。三种常用固体浮力材料的特性和应用特性对比见下表：

深海用固体浮力材料的优势及应用

与传统浮力材料相比，固体浮力材料因其密度小﹑耐压强度高﹑耐候性好﹑吸水率少﹑稳定性好等优势，一经问世就在海洋技术领域显示出无可比拟的优势。此外，固体浮力材料还具有优异的可加工性能，通过锯﹑刨﹑车等加工手段，可加工成任意形状，满足实际使用要求，这不仅大大的提高了效率，而且节约了成本，解决了传统浮力材料不可再加工的问题，成为 21 世纪的新型特种海洋工程材料，广泛应用于深海运载和作业装备﹑海上石油系统﹑海洋调查监测系统﹑海洋采矿系统﹑浮标系统等海洋领域。

▲“海龙号”水下机器人

在深海运载和作业装备的应用：

▲“蛟龙号”载人潜水器

近几年，随着海洋战略资源地位的不断提高，世界各国开始纷纷研制深海运载和作业装置，如水下机器人﹑载人潜水器等。水下运载系统对于海洋开发和利用具有重要的意义。

▲“北极ARV”水下机器人

为了满足在深海工作的使用要求，水下运载系统的浮力材料一般为高性能固体浮力材料。由高性能固体浮力材料制备的水下运载系统，不仅能够下潜到更大的深度，提高有效载荷，减少能耗，而且还能保持水下稳定的工作状态，是21世纪深潜技术中不可或缺的重要组成部分。

▲“海马号”无人潜水器

在海洋石油系统的应用：

▲输油管线用浮力材料

为了保证石油勘探装置在深水中的稳定工作，需要安装固体浮力材料，为其提够足够的静浮力。因此，固体浮力材料广泛应用于水下浮体模块﹑管线弯曲保护浮体﹑海缆及管线保护﹑海洋钻井立管浮体﹑电缆及管线保护浮体﹑隔水管浮体﹑井口保护盖浮体﹑水面浮体﹑平台浮体﹑储油罐浮体等海洋石油开采当中。

▲海洋石油701

在海洋调查监测系统的应用：

海洋观测仪器长期在恶劣的海洋环境中工作，这就需要对其提供必要的保护以及能够持续提供静浮力的浮力装置。前期的海洋观测仪器一般通过空心金属桶﹑玻璃球提供保护和浮力，但存在使用不便﹑浮力小等缺点。固体浮力材料不仅密度小，能够提供超群的浮力，而且耐压强度高，对仪器起到保护作用。因此，固体浮力材料已经逐渐取代传统材料，成为海洋调查检测系统重要的组成部分。

在海洋采矿系统的应用：

海洋矿产资源十分丰富，仅仅太平洋的储存量就高达 1.7 万亿吨，其中包含大量锰﹑镍﹑铜﹑钴等珍贵金属资源。因此，深海开采技术已经得到各国越来越多的重视。深海开采包括矿产的采集﹑输送系统﹑制备装载系统和检测系统等，是一个多环节复杂的系统工程。

固体浮力材料在海洋采矿系统中主要为机重调节部件，调节装置的浮力状态，保证装置在水下正常稳定工作。因此，固体浮力材料在海洋采矿系统中发挥重要的作用。

在浮标系统中的应用：

海洋浮标是以在海上的观测浮标为主体保证水上运输和航行安全的重要观测站。由高强固体浮力材料构成的浮标具有耐候性好﹑无污染﹑实用性强﹑便于维护﹑经济性高等特点，广泛应用于浮标系统中。

国内外浮力材料产业概况

高强度浮力材料在深海作业系统中起到极为关键的作用，所以美、英、日、俄等工业强国在二十世纪60年代就开始进行研制，并已在民用、商业及军事领域得到了广泛应用，如海底埋缆机、声学多普勒流速剖面仪平台、零浮力拖体、无人遥控潜水器、载人潜水器等。

国外的固体浮力材料的主要制造商有: 美国的 Emerson＆Cuming 公司，Flotec 公司，欧洲 Trelleborg Offshore 公司、Flotation Technologies 公司、Marine Subsea Group公司、英国CRP集团、法国 LA SEYNE SUR MER、乌克兰国立海洋技术大学、日本海洋技术中心、俄罗斯海洋技术研究所等。

目前，深水浮力材料制备技术主要为美国、俄罗斯、日本等国所掌握，在市场上形成垄断销售。国内浮力材料与国外相比，耐压强度低，可靠性能差，最大工作深度与国外产品有巨大差距。

在国家的鼓励支持下，2000年以来国内相关科研院所及高校许多学者采用轻质材料（陶瓷微珠、空心微珠）研制了多种类型固体浮力材料，比如：哈尔滨工程大学、北京航空航天大学、浙江大学、北京科技大学、中国海洋大学、武汉理工大学、国家海洋技术中心、西北工业大学、中科院理化技术研究所、中国船舶重工集团七一零研究所和七二五研究所等，大多处在实验室研究阶段。

虽然我国在该领域已开展了多年的相关研究，但在深潜用固体浮力材料性能方面仍落后于国外先进水平。近年，国内能够批量生产的有以下几家：青岛海洋化工研究院、湖北海山科技有限公司、台州中浮新材料科技股份有限公司、河南泛锐复合材料研究院。随着海洋技术的开发，深水浮力材料的应用前景非常广阔，开展高性能深水浮力材料及应用技术的研发和产业化生产，替代进口产品，具有较大的市场机会，且更具有重要的科学意义和现实经济意义。

国内浮力材料核心企业盘点

为了能让大家对浮力材料行业有更深的认识，我们特意整理了国内在浮力材料领域内有代表性的机构和公司，并对各机构和公司的发展概况及主要产品加以简述（以下排名不分先后）。

1、中国科学院理化技术研究所

中国科学院理化技术研究所组建于1999年6月，是以物理、化学和工程技术为学科背景，以高科技创新和成果转移转化研究为职责使命的研究机构。主要研究领域为光化学转换与功能材料、低温科学与工程、功能晶体与激光技术、仿生智能界面材料、特种功能材料与生物医用技术。

主要产品：

理化所张敬杰研究员带领研究团队潜心研制出高性能空心玻璃微球和国产化固体浮力材料，成功应用于“深海勇士”号载人潜水器和“万泉”号深渊着陆器上，一举打破发达国家的技术垄断，提高了我国潜水器的自主保障能力，开启了国产深潜浮力材料规模应用的新局面。

▲万泉号深渊着陆器

2、海洋化工研究院有限公司

海洋化工研究院有限公司是国家高新技术企业和创新型企业，主要从事海洋涂料、航空涂料、重防腐涂料、功能涂料和材料的研发、生产、检测、销售及服务。依托海化院建设有国家认定企业技术中心、海洋涂料国家重点实验室、海洋涂料及功能材料国家地方联合工程研究中心和化学工业海洋涂料质量监督检验中心。

主要产品：

1、SBM系列可加工固体浮力材料

低密度，高强度的轻质复合材料，具有密度小、浮力大、抗压强度高、吸水率低且稳定等特点。可应用于海洋水下设施，以满足深海海洋探测、海洋开采等要求，已在水下机器人、无人（载人）深潜器、水下集矿机、潜（浮）标、海底观测网接驳盒、海底空间站、救生舱、潜水钟、浮缆、石油开采系统等众多领域得到应用。

2、超低密度浮力材料

超低密度浮力材料是一种密度超低的泡沫材料，主要在水面或浅海使用，可应用于海洋水下设施，以满足浅海或水面海洋探测的需求，已经在水下机器人、水下集矿机、浮标等领域得到应用。

3、河南泛锐复合材料研究院有限公司

河南泛锐复合材料研究院有限公司（简称泛锐研究院）成立于2014年10月，总部坐落于郑州市高新区。是一家专注于复合材料新技术的研究、销售及相关技术服务为主的高科技企业。

泛锐研究院长期致力于新材料的研究及应用推广，服务于材料领域产业的转型升级，建立新材料领域科研院所与传统企业之间的技术对接桥梁，努力打造新材料“产-学-研-用”一体化平台，以形成新材料领域技术与产业融合、研发与生产转化、资本与项目对接、人员与组织交流的垂直领域专业化机构。

▲固体浮力材料

4、湖北海山科技有限公司

湖北海山科技有限公司位于湖北宜昌，成立于2006年10月。公司以研究所高新科研开发能力为科技创新依托，以军工产品质量第一为优良传统，以高档健身器材产品、海洋工程设备、消防器材、磁技术产品为主业，兼顾其他高新技术科研项目的成果转化和市场化运作。目前公司在阶梯式登山机、实时传输潜标系统、便携式气动剪钳、自动化控制产品等方面有较强的技术优势，并拥有多项专利。

5、台州中浮新材料科技股份有限公司

台州中浮新材料科技股份有限公司于2012年5月份注册成立，是一家专业提供浮力材料、海缆海管附件等新型复合材料的研发生产、材料研发和测试、海洋工程设计及分析的科技型企业。中浮具有完善的组织架构和管理体系，拥有自主设计的浮力材料及海缆海管附件的生产线，已通过法国船级社BV的ISO9001认证。

主要产品：

中浮拥有世界先进的半自动化复合泡沫材料生产线，年产量在5000立方米以上。复合泡沫材料（Syntactic Foam）由中空颗粒（如空心玻璃微珠、复合材料空心球等）及聚合物粘合剂组成。其微观结构为由诸多闭合孔隙组成的多孔材料，具有密度低、强度高、吸水少、耐腐蚀及老化等诸多优点，适用于深海浮力材料等应用领域。

6、青岛海洋新材料科技有限公司

青岛海洋新材料科技有限公司（AMMT）坐落于青岛，专业从事船舶及海洋防护材料、功能材料、复合材料等的科研开发、工程应用、生产、销售和技术咨询服务。目前，公司申请并已受理专利90余项，已授权专利30余项，已开发出轻质功能材料、绝热耐温材料、深海功能材料、船舶特种涂料、管道重防腐材料等军、民两用系列产品。聚酰亚胺绝缘保温材料、阻尼涂料、环保型特种防腐涂料、固体浮力材料等产品在海军舰艇已广泛应用。

主要产品：

AMMT-500系列多功能浮力材料分为（a）可加工型固体浮力材料和（b）灌注型固体浮力材料，是由空心玻璃微珠填充环氧树脂经特种工艺制备的轻质复合泡沫材料。密度小、强度高、无毒无害、尺寸稳定性好、吸水率低。具有良好的可加工性和可维修性。

（a）型固体浮力材料可以采用车、刨、锯、钻、磨、黏合等加工方法，按用户设计要求，由积木式模块拼接黏合加工成不同形状及尺寸的浮力材料，便于现场装配。

（b）型固体浮力材料由双包装甲、乙两个液体组份构成，用时按比例混合，现场灌注，室温固化，粘度低、流动性、流平性、渗透性好，便于现场修补、灌缝及形状复杂的空腔结构等不能采用预制型固体浮力材料的场合，两种材料互补。

可配置于潜用轻质耐压、提供浮力的设备及设施、水下采矿、潜器、救生钟、救生舱、拖曳器材、水下机器人、潜浮标、海洋释放浮球等。

▲AMMT-500系列产品性能

7、上海尖端工程材料有限公司

上海尖端工程材料有限公司成立于1995年，是一家专业从事船舶及海洋工程用高分子复合材料研究开发、生产销售和技术咨询的科技型企业。公司近年来先后承担了数项重大科研项目和省市科研项目，开发出固体浮力材料、3D增强复合材料、拉挤格栅及防火保温材料等一系列船舶及海洋工程用新型高分子复合材料。

主要产品：

钻井隔水管固体浮力材料在海洋石油开采系统中起到极为关键的作用。海洋石油开采系统中，钻井隔水管是连接海底和钻井平台的管道，是现代海洋石油工程结构系统中的重要组成部分之一，内部一般有高压的油或气流通过，外部承受波浪、海流载荷的作用。但隔水管系统十分沉重，水下作业时不采取浮力补偿，对钻井平台的牵引力巨大，为减轻质量和对平台的牵引力，通常采用的方法就是在隔水管外安装一些固体浮力材料来减轻隔水管的重量。钻井隔水管用浮力材料的密度越低，浮力越大，但压缩强度会降低，因此浮力材料的密度与压缩强度是相对立的，但又是矛盾的统一体。

公司研发生产的固体浮力材料旨在把这对矛盾统一到一个新的水平上，产品密度小、强度高、吸水率低，打破欧美等国家在该领域的垄断地位，为我国海洋石油开采系统提供拥有自主知识产权，且安全可靠的浮力材料。

8、广东国利先进复合材料研发有限公司

广东国利先进复合材料研发有限公司（以下称国利）是一家以开发生产先进材料为主业的实业有限公司。近6年来，国利一直致力于：海洋工程应用材料科学、大深度载人动力工程机器人科学领域、大深度固体浮力材料、悬跨支撑、雷达材料、结构功能材料民用拓展。

▲浮力材料GLB01

9、南京众力盛强新材料科技有限公司

南京众力盛强新材料科技有限公司成立于2016年1月。公司目前主要从事针对前瞻性的生物医用、先进的缓释控制载体和轻质高强材料以及异相催化等相关领域，有着极强价值的中间体的研发、生产与销售。

10、天津海鸟海洋科技有限公司

天津海鸟海洋科技有限公司，是全海深固体浮力材料、万米深海固体泡沫浮力材料专业提供商。海鸟公司提供能适应各种海洋深度包括11000米深度的高可靠性的浮力材料。公司代理的浮力材料，可供ROV、AUV、着陆器、浮标、潜标、载人潜水器等海洋设备和装备使用，提供优于同行的安全性和浮力。该系列浮力材料使用了环丙树脂和优质的玻璃微珠，即便是设备深入到海底11000米，仍然能提供较高的抗压强度和刚性、高浮力和低吸水率，是海洋设备和装备浮力材料的可以选择。

主要产品：

微球合成泡沫是由树脂和中空玻璃微珠构成的。这种玻璃微珠的平均直径在10到100微米之间，所以肉眼看来，复合泡沫塑料是白色的。这种各向同性的复合泡沫塑料通常被做成方块状，并且可以根据深度和浮力的要求来调整材料的密度，最大深度可满足10000m。块状合成泡沫可以粘合形成更大的结构或者被加工成其他的形状。经过加工的泡沫表面是光滑的，图层之类的表面保护不是为了保持它的吸水性，而是为了防止撞击并且保持它在深海的可见性。

海鸟根据对应海洋深度的要求，生产出了高性能的合成泡沫塑料，密度范围可以满足不同层次和重叠的区域要求。

▲HZ级浮力材料

结尾：

浮力材料是深海探测与海洋开发重要的配套材料，是发展现代深潜技术的重要组成部分。经过多年的不懈努力，我国已经形成了具有自主知识产权的浮力材料系列产品，并得到了广泛的应用。但与国外相比仍有一定的差距，且规模化程度小，生产效率低。下一步研究方向是研制出高性能的商品化的浮力材料，更好地服务于国家深海探测和海洋资源的勘探开发。

素材来源：材料+、中山大学海洋科学等

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