深海开发，材料先行。在高压、低温、强腐蚀、黑暗等极端环境的深海领域，材料性能直接决定着开发能力的边界。深海材料是深海科技突破的 “地基”，为深潜装备、探测系统、资源开发平台提供了核心保障，推动着深海探测从浅海向深渊、从观测向开发的跨越。同时，作为撬动十万亿美元深海矿产资源市场的支点，深海材料的创新将全面激活深海油气、海底矿产、生物资源等巨大产业潜力，支撑起从装备制造到资源利用的全产业链发展。
一、深海材料概述 深海材料按照其功能作用分类，可分为耐压结构材料（壳体材料）、浮力材料、密封材料、防护材料（如防腐材料、防护涂层、润滑材料等）、照明材料等类别。按照材料性质，则可分为高强度金属材料、高分子复合材料、陶瓷基复合材料等类别。深海材料类别如下图所示。 图1 深海材料分类（按功能作用） 资料来源：深企投产业研究院整理。 图2 深海观测探测平台应用的主要材料及部件 资料来源：杨锐等《海洋观测探测平台关键材料发展与展望》。 二、耐压结构材料 随着下潜深度增加，深海的静水压力随之急剧上升，水深每下降10米约增加100千帕压力。至万米级深海时，载人舱所承受的压力已达110兆帕，相当于每平方米承受11000吨压力，或者是一个指甲盖的面积需要抗住1辆小轿车的重量（1.1吨/平方厘米）。因此，高强度的耐压结构材料，是发展深海探测装备、深海作业装备的基础。 深海耐压结构材料可分为金属材料和非金属材料，常用耐压材料中金属材料体系相对成熟，典型代表包括高强度合金钢、钛合金和铝合金；非金属材料在深海领域的应用也持续取得新进展，深海材料不仅要耐压、耐腐蚀，还需要具备水密性、抗疲劳性和防止生物附着性等多种功能，复合材料在这一领域展现出巨大潜力。特别是陶瓷材料与碳纤维复合材料，凭借轻质高强、耐腐蚀性佳的特点受到关注。深海结构材料一般需要具备出色的比强度、抗疲劳性能和环境适应性，成型与加工工艺极为复杂，在材料设计、热处理、密封集成等设计制造环节形成明显的技术壁垒。主要材料对比如下表所示。 表1 当前主流深海结构材料对比 资料来源：Mechtool、招商证券，深企投产业研究院整理。 （一）钛合金材料 钛合金材料具有强度高、耐腐蚀性强、密度低（仅为钢的60%）的特点，同时还具有耐海水冲刷，无磁性，无冷脆性，高透声系数，较好成形、铸造、焊接性能等，因此是海洋工程制造领域理想的结构材料和深海耐压舱的首选材料，被称为“海洋金属”，广泛应用于载人潜水器和深海机器人。目前国际上主流（水深6500米级）载人潜水器载人舱基本采用800MPa强度级别的钛合金，如Ti-6Al-4V钛合金，万米级别的潜水器如中国“奋斗者”号则使用新型Ti62A钛合金，其强度进一步提升20%。 图3 载人潜水器钛合金耐压球壳 资料来源：张爱锋等《深海载人装备耐压结构用钛合金应用现状与展望》。 与航空、航天对结构减重的要求一致，深海装备的结构减重效益明显，减重后可增大海洋探测装备的航行敏捷度、减少浮力材料用量、降低能源消耗、提升装备作业周期。结构减重设计要求采用更高强度钛合金，然而结构材料普遍存在强度-韧性“倒置”现象，提升强度后往往导致韧性降低，引发脆性断裂并降低结构的可靠性及服役寿命，因此兼具高强度、高韧性的钛合金往往成为装备研制的瓶颈问题。 我国是世界钛工业大国，海绵钛产能占全球65%，钛加工材产量位列全球首位，但高端产品仍依赖进口。在海洋工程领域，我国已开发出多种钛合金，并形成涵盖低—中—高强度的舰船/海工钛合金体系（如TA17、TC4、TC4ELI、Ti-70等型号），掌握载人深潜器球壳用高强高韧钛合金的冶炼、成形和电子束焊接技术，并实现国产化，成功用于“蛟龙”号、“深海勇士”号、“奋斗者”号等深潜器耐压壳体。与美国、俄罗斯相比，我国在大规格钛合金锻件、超长无缝管、低成本合金设计及海洋长周期评价数据库等方面有一定差距。随着低成本合金、增材制造和大规格铸锭技术的突破，这一差距正在缩小。 国内海洋工程钛合金材料主要企业包括西部材料、宝钛股份、西部超导等，具体情况如下表所示。 表2 我国深海钛合金材料主要企业 资料来源：深企投产业研究院整理。 （二）高强度钢 高强度钢具有优异的力学性能和耐腐蚀性，同时具备可焊接、可回收的优势，成本仅为钛合金材料的1/10，是海洋工程装备和深海装备领域的重要材料。海洋工程用钢主要分为海洋平台用钢、海洋风力发电用钢和海底油气管线用钢三类，主要应用于潜艇及深海潜水器耐压壳、深海导管架平台、深海科研与观测平台的结构、系泊系统、海底管线和深海采矿设备等场景。比如中国自主设计建造的亚洲第一深水导管架“海基二号”，作业海域平均水深约为324米，总重量达到3.7万吨，大量使用了国产高强度钢建造的钢结构。 目前高强度钢主要应用于200-700米水深范围，当代大部分钢制的耐压舱深海潜水器及潜艇下潜深度在400-600米之间。由于金属材料在深海高压力下会发生应力腐蚀，高强度钢在深海环境下的长期稳定性和耐腐蚀能力远不如钛合金，因此潜深700米以上的潜水器主要以钛合金作为耐压舱主体结构材料。目前我国研发的2200-3200MPa级超高强度钢理论潜深支持900-2000米，但在工程化应用以及深海环境实用性方面尚面临挑战。 国内海洋工程结构钢生产企业主要有鞍钢集团、沙钢集团、湖南钢铁集团（华菱钢铁）、首钢京唐、番禺珠江钢管等。 （三）碳纤维复合材料 碳纤维复合材料具有密度低，比强度高，可大幅降低容重比，耐腐蚀、抗疲劳性能优异的特点，适应深海高压环境，正成为金属之外最具潜力的轻量化、耐压、耐腐蚀解决方案。碳纤维在海洋结构与装备中往往不是单独使用，需要与金属材料配合使用。目前，碳纤维复合材料在海洋科技领域的应用以海上风电叶片应用为主，在深水油田（管缆等）、锚泊系统、深海潜水器的耐压舱体、推进轴以及装备修复等领域的应用也正在展开。碳纤维还具备较好的电磁屏蔽性能，可以减少潜航器在海底航行时受到电磁干扰的影响，提高潜航器的隐蔽性和安全性，在水下无人作战潜航器的应用前景广阔。 在海洋油气开发应用方面，碳纤维复合材料可以用作油田钻井平台中的生产井管、抽油杆、储藏槽、海底输油管、甲板等部件。特别是深水油气田（水深可达3000米）开发平台的深海管缆（生产立管、脐带缆、软管），碳纤维复合材料可替代钢制材料，在满足强度要求的同时大幅减重。 锚泊系统方面，传统的系泊系统基本为钢制结构，钢材料在海水中易腐蚀，平均使用寿命短，且后期维护成本较高，1500米水深的钻井平台的钢制系缆质量可达6500 吨左右，以碳纤维复合材料系泊缆替代钢制系泊缆可以有效减轻重量、减缓海水腐蚀、延长使用寿命，在更高水深（1600米以上）还具有总成本优势。 在深海潜水器的耐压舱体方面，美国“Deepsea Challenger”号深潜器使用碳纤维复合材料作为主耐压结构，2012年由导演詹姆斯·卡梅隆实现万米深潜；中科院沈阳自动化研究所研制的“海翼7000” 水下滑翔机的主耐压壳体采用碳纤维增强树脂基复合材料，该滑翔机最大连续工作深度为 6239米，创造了多项世界纪录。我国已开发出一种新型高强度碳纤维无人潜航器外壳，外壳舱壁厚度约为3厘米，压力舱前后两端采用了T4钛合金材料，在实验室测试中能够承受9000米水深压力。 国内涉及深海装备应用的碳纤维复合材料企业包括中复神鹰、光威复材、恒神股份等，具体情况如下表所示。 表3 碳纤维复合材料主要企业深海科技业务布局 资料来源：深企投产业研究院整理。 （四）陶瓷复合材料 陶瓷复合材料以陶瓷为基体，通过添加增强材料（如纤维、晶须或颗粒）来改善其性能。陶瓷复合材料具有重量轻、强度高、超硬度、耐磨损、耐腐蚀、电绝缘、非磁性和辐射可穿透等优点，比如，陶瓷复合材料的密度低（如氮化硅陶瓷密度仅为3.44 g/cm³），但抗压强度显著高于钛合金和碳纤维复合材料，能够大幅降低深海装备的自重，已经在深潜器、潜艇、深海机器人等深海装备上获得应用。目前用作深海装备结构材料的陶瓷类型主要有碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷等。 世界各国潜水器研究机构都十分重视陶瓷在潜水器耐压壳上的应用，多年来一直在进行相关研究和应用实践。2008年美国“海神”号深潜器研制成功，可潜11000米深，其耐压壳和浮力模块材料中， 96%采用的是氧化铝陶瓷，封头和一些连接件选择的则是钛合金。陶瓷耐压壳在水中的重量要比采用纯钛合金制造的耐压壳轻331kg。“海神”号的研制推动了陶瓷壳体设计在多个方面的显著进步。日本JAMEST建立了一套陶瓷耐压壳制造方法，制造出的陶瓷球形耐压壳的强重 比显著高于万米级KAIKO潜水器的复合泡沫塑料浮力材料，证实陶瓷材料可用于深海ROV的电子设备耐压壳，并运用于7300m级AUV Jellyfish catcher上面。 三、深海浮力材料 深海浮力材料主要功能是提供装备上浮能力以及维持姿态稳定性。传统的浮力材料包括常见的浮力筒、浮球及木材或合成橡胶制作的浮力材料，存在抗压强度不足、无法承受深海高压，密度过高、吸收率高、浮力效率低，耐腐蚀性不足与寿命短的问题，因此只能用于浅海。由于深海的静水压力伴随下潜深度急剧增加，因此深海潜水器通常采用无动力上浮技术，这就要求深潜器的材料既要有一定的耐压性，又能提供一定的浮力来保证潜水器的有效载荷量及其水下安全性能。深海用的浮力材料，属于高强度固体浮力材料，具有耐水、耐压、耐腐蚀和抗冲击的特性，能够提供深海潜水器所必须的浮力，提高潜水器的有效载荷，减少其外型尺寸。 深海装备上使用的浮力材料实质上是一种低密度、高强度的多孔结构材料，属复合材料的范畴。共分三大类：中空玻璃微珠复合材料、轻质合成材料复合塑料和化学泡沫塑料复合材料。中空玻璃微珠复合泡沫是由空心玻璃小球混杂在树脂中形成的，其中空心玻璃小球占60%～70%的体积；轻质合成材料复合塑料由复合泡沫与低密度填料比如中空塑料或大直径玻璃球组合改性而成；化学泡沫塑料复合材料是利用化学发泡法制成的泡沫复合材料。其中，玻璃复合泡沫的最低密度极限是0.5g/cm³，复合塑料的最低密度极限是0.32g/cm³，而化学泡沫塑料的最低密度极限是0.24g/cm³。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地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。 美国研制的浮力材料密度为0.40—0.73g/cm³，应用水深2000—11000m。我国固体浮力材料在早期依靠进口，成为深海装备的“卡脖子”材料技术。中国科学院理化技术研究所（中科院理化所）是我国深海固体浮力材料的技术源头，其自主研制的浮力材料，先后应用于“深海勇士”号4500m载人潜水器、“奋斗者”号万米级潜水器上。目前我国已基本实现了覆盖全海深应用的密度0.40—0.70g/cm³浮力材料的自主可控保障，浮力材料性能与国际先进水平相当。 国外的固体浮力材料的主要研发制造机构有美国的Emerson＆Cuming公司、Flotec公司，欧洲Trelleborg Offshore公司、Flotation Technologies公司、Marine Subsea Group、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。 国内研发深海固体浮力材料的高校院所较多，以中科院理化所、中科院宁波材料技术与工程研究所（中科院宁波材料所）为代表，其他机构还有哈尔滨工程大学、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、中国船舶重工集团七一零研究所和七二五研究所等。近年来，国内能够批量生产深海固体浮力材料的企业主要有台州中浮新材料（与中科院宁波材料所合作）、中科海锐（厦门，源于中科院理化所微珠团队）、海洋化工研究院（A股昊华科技旗下），其他小型科创企业还有青岛和洋新材料、山东中洋新创等，上游的中空玻璃微珠生产商主要有郑州圣莱特、山西海诺科技、中钢集团马鞍山矿院新材料（中钢微珠）、安徽凯盛基础材料（A股凯盛科技子公司）、中科华星新材料等企业。 四、深海密封材料 深海密封材料的作用是防止海水渗漏，是确保深海装备在深海长期服役环境下安全运行的关键功能材料。深海环境下，设备接头与舱体需实现高可靠密封，以抵御海水高压和腐蚀。密封材料必须具备耐腐蚀、耐高压、耐高温、耐低温、耐老化（抗压差疲劳）等性能。海洋装备长寿命发展趋势，对密封材料及密封件结构设计均提出了更高要求。 图4 潜水器密封部件示意图 资料来源：Kemel、招商证券。 深海密封材料主要包括橡胶密封材料（特种弹性体，如氟橡胶、硅橡胶、氢化丁腈橡胶、全氟醚橡胶等）、金属密封材料（不锈钢、镍基合金、类橡胶钛镍形状记忆合金等）、特种工程塑料类（聚醚醚酮）、复合材料密封材料（石墨复合材料、碳纤维复合材料、钛合金-氟橡胶复合材料）等，当前以橡胶密封材料为主。不过，橡胶密封材料存在长期使用老化、温度适应性差和易磨损等密封隐患。与橡胶相比，金属密封具有更加优异的耐久性、温度适应性和耐磨性，其中铜、铝密封等容易发生自身腐蚀和接触电化学腐蚀，不适于深海环境应用，钛合金、镍基合金密封则在深海潜水器、探测器中得到应用。近年来，具有低模超弹、可形状自回复、耐腐蚀、耐磨损特征的钛镍形状记忆合金成为备受关注的新型类橡胶金属密封材料。中科院金属所设计的钛镍合金多种密封结构，目前已应用于万米水下滑翔机浮力调节系统和深海工艺孔的密封结构。 表4 深海密封材料主要类型及应用 资料来源：深企投产业研究院整理。 当前深海密封材料市场整体可分为两类。一类是水深不超过1500米的深海油气工程领域应用的密封件，市场由传统的油气密封件龙头如瑞典特瑞堡Trelleborg、美国派克汉尼汾Parker、德国科德宝Freudenberg三大巨头主导，国产替代主要企业包括中密控股（A股）、科强股份（A股）等。另一类是深海装备（潜水器、无人滑翔机、深水机器人等）的密封材料，工作水深范围在水下数千米至万米，与深海油气工程的密封材料性能要求差异大，主要由科研院所以及潜水器研究机构进行开发，当前市场尚未成型。 五、功能防护材料 （一）深海防腐材料 在深海高腐蚀环境下，材料的腐蚀不可避免，目前最主要的降低深海材料腐蚀的方法有：研制新型耐腐蚀材料、喷涂有机涂层、阴极保护及增强材料表面耐腐蚀性能的其他方法。 深海防腐涂料（涂层）用于保护深海装备免受海洋环境的腐蚀。与浅海环境相比，装备涂层在深海环境中比表层海水环境中增加了高压海水渗透与海水压力交变两种腐蚀因素，导致涂层在深海环境中的破坏速度加快，影响涂层防护性能，大大缩短涂层防护寿命。深海装备尤其是潜深数千米至万米级的深海潜水器、深水机器人，其耐压外壳基本不依赖防腐涂料，而是依靠外壳材质（如钛合金、复合材料壳体）本身卓越的耐腐蚀性能，但为了抑制海洋生物附着、减少非耐压结构的长期维护，会在非承压外壳（比如浮力材料外壳、机械关节与焊缝）或附件上局部加涂高性能防腐防污涂层，并与阴极保护/外加电流系统联合使用。深海防腐涂料应具备优异的耐水性能、耐常压性、耐交变压力性、耐交变温度性、耐干湿交替性等。 我国主要应用在海洋中的防腐涂料有橡胶类防腐涂料、环氧树脂类防腐涂料、氟碳防腐涂料、有机硅树脂涂料和聚氨酯类防腐涂料，其中深海防腐涂料主要有高固体分环氧涂料、聚硅氧烷涂料、氟碳涂料等。国外目前研发并开始应用的深海防腐涂料包括3LPP防腐涂层、陶氏新型3LPE管道防腐涂层、高性能复合涂层（HPCC）。随着纳米技术的飞速发展，纳米改性涂层能达到防水、防腐、增强材料的力学性能等无可比拟的优势，可能成为重要的研究方向。 表5 海洋防腐涂料主要类别 资料来源：深企投产业研究院整理。 当前海洋防腐涂料以海洋工程涂料为主，主要为船舶、海上设施（海上风电、海洋油气平台、跨海大桥）以及浅海的海底工程（海底管道、海缆、钻井设备）使用的工业防腐涂料，全球市场呈现寡头垄断格局，佐敦（挪威）、PPG（美）、阿克苏诺贝尔（荷兰）、海虹老人（丹麦）合计占据70%以上份额，国内主要企业及机构包括东方雨虹（A股）、麦加芯彩（A股）、广信材料（A股）、三棵树（A股）、中船重工七二五研究所、中海油常州院、海洋化工研究院（A股昊华科技旗下）、上海海隆赛能、东方电气（福建）研究院等。深海装备防腐涂料研发当前以科研院所为主，国内主要机构有中科院宁波材料所、中船重工七二五研究所等。 （二）深海润滑材料 深海装备机械部件服役过程中摩擦磨损与海洋腐蚀耦合作用会严重影响装备的可靠性和服役寿命。例如，深海高端柱塞液压泵的核心液压元件（关键摩擦副）表现出显著的摩擦腐蚀失效。因此，需要深海润滑材料减少设备摩擦磨损、延长寿命并保障作业安全。在深海环境下，深海润滑材料需要具备抗极端高压、耐低温与热稳定性、抗腐蚀与防生物附着、环保安全等性能。 深海润滑材料主要包括固体润滑、液体润滑（合成润滑油）、特种润滑脂、复合润滑材料等类别，如下表所示。 表6 深海润滑材料主要种类及应用 资料来源：公开资料，深企投产业研究院整理。 深海潜水器及机器人的关节润滑以固体润滑材料为主，目前主要以热喷涂WC-Co-Ni₃Cr₂为防护润滑涂层，但由于防护涂层存在致密性低、腐蚀通道多、易磨损等“先天缺陷”，难以满足深海装备长期稳定服役需求。中国科学院宁波材料所以深海柱塞泵关键摩擦副为应用目标，利用磁控溅射制备了兼具高硬度、减摩耐磨、耐蚀等特性的碳基涂层，初步获得了良好的试验及应用效果。 传统热喷涂润滑涂层在机械磨损和海洋腐蚀耦合作用下表现出显著的摩擦腐蚀失效，是制约深海柱塞液压泵等动力装备长期服役的瓶颈。磁控溅射碳基涂层兼具高硬度、减摩耐磨、耐蚀等特性，已在航空航天、汽车等领域获得应用，但其在腐蚀、摩擦以及摩擦-腐蚀交互等作用下适用性尚未得到系统验证，相关材料在海洋工程方面的设计准则、服役评价方法在国内基本属空白。
