Titanlegeringar vs. Kompositmaterial: Vilket gör att dränkbara farkoster kan dyka djupare? - Nyheter

Havet, en stor vidd som täcker mer än två-tredjedelar av jordens yta, är en av gränserna för mänsklig utforskning. Trycket i djuphavet är enormt; för varje 10-meters ökning av djupet ökar trycket med en atmosfär. På de djupaste punkterna, över 10 000 meter, når det hydrostatiska trycket över 110 megapascal-vilket motsvarar mer än ett ton vikt som bärs per kvadratcentimeter.

I sådana extrema fysiska miljöer är skalmaterialet i all utrustning inte bara en strukturell barriär utan också en livlina som avgör uppdragets framgång eller misslyckande och personalens säkerhet. Därför måste tryckbeständiga konstruktionsmaterial samtidigt ha extremt hög hållfasthet för att motstå deformation, utmärkt seghet för att förhindra spröd brott, enastående korrosionsbeständighet för att klara av komplexa kemiska och biologiska miljöer, och lägsta möjliga densitet för att uppnå effektiv flytkraftskontroll och energiekonomi.

Materialet för tryckskrovet på djup-havsutrustning är ett av nyckelområdena för forskning och utveckling. Med den globala djuphavsekonomin som förväntas överstiga en biljon dollar år 2025, är titanlegeringar (traditionella metalliska material) och kompositmaterial (icke-metalliska material) de två huvudsakliga materialsystemen, och deras utveckling påverkar djupet och bredden av mänsklig utforskning och utnyttjande av djuphavet.

01. Titanlegering

Titanlegeringar har varit "guldstandarden" för djup-havsutrustning sedan mitten av 1900-talet. Deras fördelar härrör från materialets inneboende egenskaper:

A. Specifik styrka och specifik styvhet

B. Korrosionsbeständighet

C. Utmärkt seghet

02. Kompositmaterial

Om fördelarna med titanlegeringar är rotade i deras materiella natur, förlitar sig kompositmaterial på uppfinningsrikedomen hos mänsklig design. Det är inte ett enda material, utan snarare ett materialsystem designat på begäran, representerat av kolfiberförstärkt epoxiharts.

Hemligheten med djup-komposittryckskrov ligger i deras fler-struktur som efterliknar naturen och funktionellt skiktar lager.

Detta "designade material" erbjuder oöverträffade fördelar:

A. Extremt hög specifik hållfasthet och specifik modul: den specifika hållfastheten för kolfibrer med hög-modul av T800-klass och högre kan nå 2-3 gånger högre än titanlegeringar. Detta innebär att samtidigt som man uppnår samma tryckhållfasthet, kan vikten av kompositskalet reduceras avsevärt, vilket avsevärt förbättrar uthålligheten och manövrerbarheten för den dränkbara båten. (Specifik modul är förhållandet mellan ett material elasticitetsmodul och dess densitet, som används för att mäta ett material belastningskapacitet.)

B. Utmärkt utmattningsbeständighet: Under växlande tryckbelastningar är sprickutbredningsvägen i kompositmaterial mer slingrande än i metaller (den måste kringgå många fiber-matrisgränssnitt), och dess utmattningslivslängd är vanligtvis mycket längre än för metalliska material.

C. Utmärkt designfrihet: genom att ändra fiberuppläggningssekvensen, vinkeln och den lokala förtjockningen kan "topologioptimering" av strukturen uppnås, vilket möjliggör riktad förstärkning i områden med spänningskoncentrationer och viktminskning i områden med låg-spänning, vilket maximerar effektiviteten i materialfördelningen.

Sammanfattningsvis, i den faktiska tekniska designen av djup-havsutrustning är materialval på intet sätt en enkel fråga om "vilken är starkare", utan kräver ett omfattande beslut som tar hänsyn till faktorer som krav på dykdjup, användningsscenarier, kostnadskontroll och tillverkningsprocesser.

I framtiden kommer utvecklingen och tillämpningen av-nya högpresterande material för djup-havsapplikationer att förbli ett centralt fokus för marin vetenskap och teknik.

titanium Titanium round pipe