龔 文，吳超峰，趙治平，邵 成

（1. 嘉興清鋒新材料有限公司，浙江 嘉興 314006；2. 中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

深海裝備材料技術(shù)是深海裝備不斷跨越的技術(shù)先導(dǎo)，是人類進行深海探索必須首先解決的關(guān)鍵問題。隨著各國深海探索的不斷深入，深?？臻g站、深海潛器等裝備設(shè)施對相關(guān)材料，包括各種結(jié)構(gòu)材料、先進浮力材料等的要求也在逐步提高，這種要求反過來也促進了深海材料的不斷發(fā)展[1-4]。

耐壓殼體是深海裝備中不可或缺的重要組成部分，它不僅是載人裝備上唯一能保護人員安全的裝置，也是各種潛器中電子設(shè)備及相機等正常工作所必須的“防護罩”。深海裝備在海底作業(yè)時不僅需抵抗海水腐蝕、應(yīng)力腐蝕、生物腐蝕，還必須承受載荷對結(jié)構(gòu)的考驗及深海環(huán)境的高壓強[4-5]。

高強度合金材料曾一直是深海耐壓裝備的首選。例如，日本“深海 6500”載人潛器下潛深度可達 6 500 m，耐壓殼體為球形，采用鈦合金（Ti-6Al4V-ELI）建造，內(nèi)徑2 m，殼厚73.5 mm，艙內(nèi)能容納2名操作員及1名研究人員[1,6]。俄羅斯則采用鋼作為載人深海潛器耐壓殼材料，其2艘“和平”號載人深潛器最大潛深均為6 000 m。耐壓殼球體內(nèi)徑為2.1 m，壁厚50 mm，可容納1名操作員及2名觀察員[1]。該球體采用超硬馬氏體時效鋼合金建造，這種合金含有30%的鈷，此外還含有鎳、鉻、鈦等合金元素，其強度/重量要比鈦合金高10%。合金的機械強度高，能夠較好地保證深海裝備的承壓能力，但其耐腐蝕能力相對較弱，同時比重往往較大，并不利于深海裝備的減重[7]。

近年來，隨著先進陶瓷材料的不斷發(fā)展，高強度的特種陶瓷材料也逐漸應(yīng)用于深海裝備領(lǐng)域[8]。相較于合金材料，特種陶瓷能夠具有優(yōu)異的耐腐蝕能力，更低的密度與更高的耐壓強度，因而在深海環(huán)境條件下具有極大的應(yīng)用潛力。少數(shù)發(fā)達國家已在相關(guān)領(lǐng)域開展了深入研究，例如，美國“海神”號深潛器可潛11 000 m深，耐壓殼體的材料選用氧化鋁陶瓷[9]。陶瓷耐壓殼在水中的重量要比采用純鈦合金制造的耐壓殼輕331 kg。而在國內(nèi)，相關(guān)研究工作仍鮮有報道。

1 高強度陶瓷材料

1.1 概述

特種陶瓷不同的化學(xué)組成和組織結(jié)構(gòu)決定了不同的特殊性質(zhì)和功能，如高強度、高硬度、高韌性、耐腐蝕、導(dǎo)電、絕緣、磁性、透光等。由于性能特殊，這類陶瓷作為工程結(jié)構(gòu)材料和功能材料應(yīng)用于機械、電子、化工、冶煉、能源、醫(yī)學(xué)、航天航空等各個領(lǐng)域。21世紀初，特種陶瓷的國際市場規(guī)模預(yù)接近500億美元，在21世紀的科學(xué)技術(shù)發(fā)展中，特種陶瓷材料必定會占據(jù)十分重要的地位[10]。

高強度陶瓷材料是特種陶瓷中十分重要的一類，由單一或復(fù)合的氧化物或非氧化物組成，如氧化鋁（Al2O3）、氧化鋯（ZrO2）、碳化硅（SiC）、氮化硅（Si3N4）或相互復(fù)合結(jié)合而成，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，常用于各種結(jié)構(gòu)部件。

高強度特種陶瓷在強度、硬度、絕緣性、熱傳導(dǎo)、耐高溫、耐氧化、耐腐蝕、耐磨耗、高溫強度等方面具有優(yōu)越的性能。高強度陶瓷材料在非常嚴苛的環(huán)境或工程應(yīng)用條件下，所展現(xiàn)的高穩(wěn)定性與優(yōu)異的機械性能，在材料工業(yè)上已倍受矚目，其使用范圍亦日漸擴大。全球及國內(nèi)業(yè)界對于高精密度、高耐磨耗、高可靠度機械零組件或電子元件的要求日趨嚴格，因而陶瓷產(chǎn)品的需求相當(dāng)受重視，其市場成長率也頗可觀。

下面對幾種常見的高強度陶瓷材料進行簡要闡述。

1.2 氧化鋁陶瓷

氧化鋁陶瓷是研究和應(yīng)用最廣泛的一種工程陶瓷，具有熔點高、硬度高、絕緣性能好、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，被廣泛用作高溫結(jié)構(gòu)材料、耐磨材料、電絕緣材料和耐化學(xué)腐蝕材料等，如高溫窯具材料、耐磨內(nèi)襯和研磨體、電真空管殼和基片、化工陶瓷等[11]。同時，氧化鋁陶瓷還具有原料來源廣泛、價格相對便宜、在氧化氣氛下燒成、制備成本較低等優(yōu)點，這也在一定程度上促進了其廣泛應(yīng)用。

作為一種性能優(yōu)良的工程陶瓷，氧化鋁的最大缺點在于其斷裂韌性不高，一般為4 MPa·m1/2，耐磨性能并不理想；也正因此，增強氧化鋁陶瓷的斷裂韌性成了當(dāng)前研究的熱點之一。

氧化鋯增韌氧化鋁（Zirconia Toughened Aluminum，ZTA）陶瓷材料是在氧化鋁母相基質(zhì)中引入一定量的氧化鋯相變材料所形成的復(fù)相精細陶瓷材料。由于氧化鋁的硬度大、氧化鋯的韌性好，這2種材料形成了高強度、高韌性的優(yōu)異復(fù)合體，在常溫下具有更高的抗折強度和斷裂韌性，因而具有出色的耐磨性能。

1.3 氧化鋯陶瓷

氧化鋯陶瓷是一種新型高技術(shù)特種陶瓷，具有高強度、硬度、耐高溫、耐酸堿腐蝕以及高的化學(xué)穩(wěn)定性，并具有抗刮耐磨、無信號屏蔽、散熱性能優(yōu)良等特點，同時可加工性強，外觀效果好，適于批量生產(chǎn)[12]。

氧化鋯有3種晶體形態(tài)：單斜、四方、立方晶相。常溫下氧化鋯只以單斜相出現(xiàn)，加熱到1 100 ℃左右轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较?，加熱到更高溫度會轉(zhuǎn)化為立方相。由于在單斜相向四方相轉(zhuǎn)變的時候會產(chǎn)生較大的體積變化，冷卻的時候又會向相反的方向發(fā)生較大的體積變化，容易造成制品的開裂，限制了純氧化鋯在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用。添加穩(wěn)定劑形成部分穩(wěn)定氧化鋯（Partially Stabilized Zirconia，PSZ）后，四方相可以在常溫下穩(wěn)定，在加熱以后不會發(fā)生體積的突變，大大拓展了氧化鋯的應(yīng)用范圍。

部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷是目前強度和韌性最高的陶瓷材料，其抗彎強度可達1 500 MPa以上，斷裂韌度K1C可達 15 MPa·m1/2以上，與鋼的強度和韌性相當(dāng)，因此被譽為“陶瓷鋼”。

氧化鋯陶瓷的成型方法包括干壓成型、等靜壓成型、注漿成型、熱壓鑄成型、流延成型、注射成型、塑性擠壓成型、膠態(tài)凝固成型等。

1.4 碳化硅與氮化硅

碳化硅陶瓷是非氧化物陶瓷材料中研究和應(yīng)用最廣泛的陶瓷材料。硅、碳之間以共價鍵結(jié)合，形成類金剛石的四面體結(jié)構(gòu)，因而具有高強度、高硬度、抗氧化和優(yōu)異的耐腐蝕性能[13]。

碳化硅陶瓷根據(jù)結(jié)合劑或燒結(jié)助劑的種類可分為氧化物結(jié)合、氮化物結(jié)合、反應(yīng)結(jié)合、液相燒結(jié)、固相燒結(jié)和再結(jié)晶等不同類型，其性能和使用溫度也差異較大。碳化硅陶瓷因其制備工藝不同，性能差異較大，應(yīng)用領(lǐng)域也各異，但主要是利用其耐高溫、耐磨、耐腐蝕等特性，用作高溫結(jié)構(gòu)材料、耐火材料、機械密封用耐磨材料、抗酸堿的耐腐蝕材料、高溫?zé)峤粨Q材料等。

目前成型碳化硅的常用方法有注漿成型、等靜壓成型、注射成型、熱壓鑄成型、凝膠注模成型、擠出成型等。

氮化硅陶瓷是非氧化物陶瓷中發(fā)展較快的一種工程陶瓷，硅、氮之間以共價鍵結(jié)合形成[SiN4]四面體結(jié)構(gòu)單元，使陶瓷具有高強度、高硬度、優(yōu)良的抗氧化和耐腐蝕性能[14]。

氮化硅有2種結(jié)晶形態(tài)，即細顆粒狀的α-Si3N4和針柱狀的β-Si3N4。坯體中細顆粒的α-Si3N4在燒結(jié)溫度下可轉(zhuǎn)變?yōu)獒樦鶢畹摩?Si3N4，起到自增韌的作用，因此氮化硅陶瓷比碳化硅陶瓷具有更高的強度和韌性，更適合制備陶瓷刀具、軸承等需要高強度和高韌性的陶瓷制品。

1.5 Sialon陶瓷

Sialon陶瓷是 20世紀 70年代初分別由日本和英國學(xué)者在Si3N4-Al2O3系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的一種固溶體[15-17]。它是由Al2O3中的Al原子和O原子部分置換Si3N4中的Si原子和N原子而形成的，其晶體構(gòu)型與Si3N4相類似，但是，Sialon比Si3N4易燒結(jié)，可用各種陶瓷成型方法如擠出、壓制、泥漿澆注來成型，然后燒結(jié)成接近理論密度的陶瓷體。

Sialon保留了Si3N4的優(yōu)良性能，如強度、硬度、耐熱性等，并且韌性、化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化性均優(yōu)于Si3N4。在陶瓷材料中，Sialon具有很高的常溫和高溫強度，優(yōu)異的常溫和高溫化學(xué)穩(wěn)定性，很強的耐磨性，良好的熱穩(wěn)定性和不高的密度，在石油、化工、冶金、汽車、宇航等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。

1.6 綜合比較

綜合上述對各種的高強度陶瓷材料的討論，將其性能列于表1以作比較[11-20]。高強度陶瓷材料普遍具備優(yōu)異的耐腐蝕性能，故不列于表上。

表1 高強度陶瓷材料綜合比較[11-20]Table 1 Comprehensive comparison of high strength ceramic materials[11-20]

首先，在密度方面，以常用的高強度鈦合金材料（密度約為4.5 g/cm3）作為參照點，可以看出：大多數(shù)高強度陶瓷材料如氧化鋁、碳化硅、氮化硅等的密度均低于常用的鈦合金材料，因而在材料替換時存在優(yōu)勢，適用于深海裝備對于材料輕量化的要求；而氧化鋯陶瓷的密度則明顯高于鈦合金，并不利于深海裝備的減重。

其次，考察材料的力學(xué)性能。陶瓷是一類硬而脆的材料，而高強度陶瓷的最大特點是耐壓，這從表1中材料的抗壓強度數(shù)值（均在2 000 MPa以上）中可以看出，高的抗壓強度有利于陶瓷構(gòu)件在深海高壓環(huán)境中的穩(wěn)定服役。相對地，陶瓷材料的脆性，即斷裂韌性小，這一特點雖然不會直接影響耐壓陶瓷構(gòu)件的抗壓性能，但卻對材料中的缺陷水平提出了更高的要求，這也要求選用的陶瓷材料需要具備良好的成型和加工特性，以最大程度地減少材料中的缺陷，避免長期服役過程中結(jié)構(gòu)失效的問題。

陶瓷材料由于種類不同，其成型和加工特性也差別較大。在上述高強度陶瓷材料中，氧化鋁和氧化鋯工藝較為成熟，目前常用的成型方法包括等靜壓成型、凝膠注膜成型、注射成型等，可以加工多種尺寸和外形的高強度陶瓷。氧化鋁及氧化鋯陶瓷易于通過等靜壓成型的方法制備成大尺寸構(gòu)件，其中氧化鋁的莫氏硬度為9，相對氧化鋯低一些，更容易采用磨削方法進行加工。

而其他如碳化硅、氮化硅、Sialon陶瓷等材料，其陶瓷粉體的制備、成型及燒結(jié)工藝尚需進行更多地探索與優(yōu)化。相對于氧化鋁和氧化鋯，非氧化物陶瓷的硬度往往更高，因而在機加工時更為不易。

此外，在上述材料中，氧化鋁陶瓷因其發(fā)展較為成熟，生產(chǎn)和制造成本也最低，氧化鋯陶瓷次之，而非氧化物陶瓷的成本則相對較高。

綜上所述，氧化鋁陶瓷兼具優(yōu)異的耐腐蝕性能、低密度、高強度、低成本、工藝成熟等優(yōu)點，從材料性能上看，是一類較為理想的用于深海耐壓裝備的陶瓷材料。下面以氧化鋁陶瓷材料作為典型材料，對陶瓷壓力容器的結(jié)構(gòu)及強度分析開展進一步的研究。

2 陶瓷壓力容器的結(jié)構(gòu)及有限元分析

在深海中使用的耐壓容器一般采用球形或類橢球型的外形，以保證外部的高壓能夠較為均勻地分散在容器表面，以最大程度地提高容器的耐壓性能。

本研究選擇2種較為常見的壓力容器結(jié)構(gòu)，即球形和膠囊型，結(jié)合上文選定的氧化鋁陶瓷材料，對其在深海高壓環(huán)境中的結(jié)構(gòu)強度進行了較為深入的分析，并結(jié)合陶瓷材料斷裂失效的判據(jù)，對材料中容許存在的缺陷水平進行評價。

2.1 結(jié)構(gòu)建模及整體受力分析

本研究采用有限元方法對陶瓷承壓容器進行結(jié)構(gòu)建模及分析。首先采用實體建模的方法，建立了空心球體及膠囊型2種壓力容器模型，如圖1所示。按氧化鋁陶瓷確定材料參數(shù)：密度 3.9×103kg/m3，楊氏模量350 GPa，泊松比0.22。

圖1 陶瓷壓力容器模型Fig. 1 Models of ceramic pressure vessel

陶瓷壓力容器外部壓力按10 000 m深度計算（約為100 MPa），此時上述2種形狀的容器受力（第一主應(yīng)力）情況如圖2-3所示。

圖2 空心球體結(jié)構(gòu)受力情況Fig. 2 Stress condition of hollow-sphere structure

圖3 膠囊型結(jié)構(gòu)受力情況Fig. 3 Stress condition of capsule structure

可以看到，對于空心球體結(jié)構(gòu)而言，每一層球面受力均勻一致，由容器表面向內(nèi)部壓應(yīng)力數(shù)值逐漸減??；外界壓力為100 MPa時，容器表面壓力與外壓一致，材料受力的中性面十分靠近內(nèi)表面，內(nèi)表面則表現(xiàn)為微量的拉伸（拉應(yīng)力約8 MPa）。由此可見，空心球體結(jié)構(gòu)對于外部壓力的承受能力較好，且容器上各處壓力均勻，由外向內(nèi)過渡平穩(wěn)。

而對于膠囊型結(jié)構(gòu)的壓力容器（圖 3），其外表面受壓情況與空心球類似，與外界壓力值接近。此外，對于膠囊型結(jié)構(gòu)，其內(nèi)表面的最大拉應(yīng)力數(shù)值為16 MPa，較球形體大1倍，最大拉應(yīng)力位于球形到圓柱體的過渡位置。這可能是由于該位置兩側(cè)邊界形狀不對稱，材料形變不一致。

總而言之，采用空心球體的結(jié)構(gòu)可以更好地保證容器的承壓能力，但其內(nèi)部空間較小，不利于深海裝備的集成；而采用膠囊型的結(jié)構(gòu)，雖然會使容器的內(nèi)外壓力出現(xiàn)小幅度的增加，但只要能合理控制結(jié)構(gòu)尺寸，保證其承壓不超過材料的安全強度，即能大大增加容器內(nèi)部的可利用空間，這對于更復(fù)雜、更完備的深海裝備系統(tǒng)的發(fā)展更為有利。

2.2 陶瓷壓力容器的失效

從前文分析可以看出，在深海高壓的環(huán)境條件下，壓力容器主要承受的仍是壓應(yīng)力；對于氧化鋁陶瓷而言，其抗壓強度在2 800 MPa，即便取安全系數(shù)為2，將使用壓力限制為1 400 MPa，也仍能夠承受相當(dāng)于近140 000 m深海的壓強。因而，就耐壓性能而言，使用氧化鋁陶瓷作為深海壓力容器的材料是綽綽有余的。

但與此同時，也應(yīng)看到，即便是在外部受壓的環(huán)境中，陶瓷壓力容器的內(nèi)容依然會存在一定程度的拉應(yīng)力。陶瓷材料雖然抗壓能力很強，但對拉應(yīng)力較為敏感，尤其是陶瓷中的裂紋缺陷在臨界受拉狀態(tài)下會發(fā)生快速擴展，從而造成材料的失效。因而，裂紋是影響陶瓷壓力容器強度的重要因素，也是下文討論的重點。

陶瓷壓力容器的失效問題可借助裂紋擴展模型進行判斷。在斷裂力學(xué)中，應(yīng)力強度因子K用于表征裂紋尖端附近應(yīng)力場的強弱程度，是判斷裂紋是否進入失穩(wěn)狀態(tài)的一個重要指標(biāo)[21]。對于陶瓷等脆性材料的破壞失效問題，主要關(guān)注的是材料存在的張開型裂紋（I型裂紋）。當(dāng)應(yīng)力強度因子K1超過陶瓷材料的斷裂韌性K1c時，I型裂紋將發(fā)生擴展，引起陶瓷材料的失效。

在本研究中，采用實體建模方法進行三維裂紋的模擬，如圖4所示。采用該模型進行有限元分析，載荷施加100 MPa拉應(yīng)力，同時采用對稱性邊界條件，計算得到K1值為3.52 MPa·m1/2。

圖4 本研究三維裂紋實體建模Fig. 4 3D crack solid modeling in this study

為驗證上述模型是否正確，采用理論模型進行核驗。根據(jù)斷裂力學(xué)理論，對于陶瓷材料中的圓形裂紋而言，其應(yīng)力強度因子K1的理論公式為

式中：σ為拉應(yīng)力值；a為裂紋半長。取σ為100 MPa，a為1 mm時，按上式計算結(jié)果為3.56 MPa·m1/2。與有限元分析的結(jié)果相比，兩者僅相差1.1 %，在可接受的誤差范圍內(nèi)。因此，采用上述裂紋建模方法分析陶瓷壓力容器的裂紋失穩(wěn)失效問題是準(zhǔn)確而可行的。

2.3 壓力容器的裂紋水平

下面采用上述模型對陶瓷壓力容器中容許的裂紋水平進行分析。

2.3.1 臨界裂紋尺寸

首先，對于陶瓷材料中的可容許裂紋尺寸進行分析。裂紋尺寸越大，在相同外應(yīng)力下越容易發(fā)生擴展。取外部拉應(yīng)力為100 MPa，當(dāng)應(yīng)力強度因子達到氧化鋁陶瓷的K1c值時，對應(yīng)最大的裂紋長度為2.2 mm，模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 臨界裂紋尺寸的確定Fig. 5 Determination of critical crack size

2.3.2 臨界裂紋密度

上面考慮的是單個裂紋的情況，然而在實際材料中，裂紋一般不是單獨存在的。多裂紋相互影響會導(dǎo)致臨界裂紋尺寸和材料結(jié)構(gòu)強度的降低，從而降低結(jié)構(gòu)的損傷容限。因此，需要確定不同尺寸裂紋各自的可容許裂紋密度。

由于鄰近裂紋應(yīng)力場的影響，裂紋尖端的應(yīng)力強度因子會得到不同程度的放大。研究表明，多裂紋共存的極限情況是相鄰裂紋共面且都與拉應(yīng)力垂直，此時每處裂紋的應(yīng)力強度因子都將達到最大程度的放大[22]。在本研究中，利用實體建模的方法建立如圖6所示的多裂紋模型。

圖6 多裂紋模型Fig. 6 Multi-crack model

在本分析中，首先取外部拉應(yīng)力為100 MPa，裂紋半長為1 mm，計算多條裂紋相鄰時，不同的裂紋間距t（相鄰裂紋尖端的間距）對于應(yīng)力強度因子的放大作用。此處定義放大系數(shù)Fm為

式中K10為單條裂紋對應(yīng)的K1值。計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 放大系數(shù)與裂紋間距的關(guān)系Fig. 7 Relationship between amplification factor and crack spacing

計算發(fā)現(xiàn)，多裂紋的放大系數(shù)與裂紋間距基本成反比，裂紋間距小，放大系數(shù)越大。

基于上述放大系數(shù)，可以對不同尺寸裂紋的臨界密度進行計算。以半長 1 mm的裂紋為例，其裂紋尖端的K1值被相鄰裂紋放大后，應(yīng)不超過氧化鋁陶瓷的斷裂韌性K1c。此時，F(xiàn)m最大不超過 1.06，由此可以算得對應(yīng)的最小裂紋間距為0.54 mm。據(jù)此可得相應(yīng)三維空間中臨界裂紋密度為61 個/cm3。以此類推，可以得到不同尺寸圓形裂紋在確定拉應(yīng)力下的鄰近裂紋密度Nc，如圖 8所示。

在上述基礎(chǔ)上，結(jié)合工業(yè) X射線分析、超聲波探傷等無損檢測方法，可以將實測裂紋尺寸及密度與計算值進行比較，從而為陶瓷壓力容器的強度預(yù)判提供重要參考。

圖8 不同尺寸裂紋的臨界密度Fig. 8 Critical density for cracks of different sizes

3 結(jié)束語

本文通過對多種高強度陶瓷強度的分析，從耐腐蝕性、材料強度、密度、成本、工藝性方面比較發(fā)現(xiàn)，高強度氧化鋁陶瓷在深海應(yīng)用中具有極大的潛力。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合有限元分析手段，對陶瓷壓力容器的結(jié)構(gòu)強度進行了分析，并結(jié)合材料斷裂力學(xué)理論，對陶瓷壓力容器的強度失效問題進行了深入討論，可為下一代深海裝備的發(fā)展提供參考。