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本研究由Hailong Zhang、Guoliang Ma和Zhiwei Zhu共同完成，他们来自中国科学院深海科学与工程研究所（Institute of Deep-Sea Science and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Sanya 572000, China）。研究论文于2022年12月6日发表在《Advances in Materials Science and Engineering》期刊上。
本研究的科学领域是深海载人潜水器（HOV）的固体浮力材料（solid buoyancy materials）。固体浮力材料是深海载人潜水器的关键技术之一，主要由空心玻璃微珠（hollow glass beads）和树脂基体（resin substrate）混合热固化而成。由于深海环境的极端高压、低温等条件，固体浮力材料的性能衰减和损伤机制对潜水器的安全性和可用性至关重要。因此，研究固体浮力材料在超高压环境下的损伤强度演变和吸水行为，有助于理解其损伤机制和诱导机制，并为载人潜水器的配重计算、性能预测和维护提供指导。
本研究通过在不同条件下进行固体浮力材料的静水压测试，探索了压力、温度、加载速率和加载循环次数对材料变形、失效和吸水行为的影响机制。具体流程如下：
实验材料与设备
实验材料为4500米和11000米深度的固体浮力材料T-54和T-68，由中国科学院的理化技术研究所自主研发。实验设备为200 MPa可控温度等静压模拟测试装置，最大工作压力为200 MPa，温度控制范围为2°C至35°C。
吸水测试方法
在实验前测量样品尺寸，将样品浸泡在水中2分钟后取出并干燥，使用精度为0.001 g的电子天平称重。随后将样品放入等静压测试装置中进行静水压加载测试，测试后再次称重，计算吸水率。
体积弹性模量测量方法
使用超声波设备测量固体浮力材料的纵向波速（cl）和横向波速（cs），结合材料密度（ρ）计算体积弹性模量（k）。
固体浮力材料强度测试方法
将材料固定在等静压测试装置中，控制环境温度和加载速率，逐步加压至设定压力，保持压力一定时间后释放压力，记录加载曲线。
实验方案
实验分为四组：
静水压力对吸水特性的影响
两种浮力材料的吸水率随静水压力的增加呈指数增长。T-54在静水压力超过80 MPa时吸水率显著增加，T-68在静水压力超过100 MPa时吸水率显著增加。
环境温度对吸水特性和失效强度的影响
环境温度对T-68的吸水特性和压碎强度有显著影响，当温度超过20°C时，吸水率显著增加，压碎强度下降。T-54的吸水特性和压碎强度受温度影响较小。
加载速率对吸水特性和失效强度的影响
加载速率对两种材料的吸水特性和压碎强度影响较小。
循环加载对吸水特性和失效强度的影响
随着循环加载次数的增加，两种材料的吸水率呈指数增长，压碎强度呈线性下降。当循环加载次数达到1000次时，T-54的压碎强度下降至72 MPa，T-68的压碎强度下降至160 MPa。
失效模式和微观形貌分析
通过X射线显微CT（micro-CT）分析，发现循环加载后材料内部空心玻璃微珠的形状保持良好，破损率无明显变化。材料性能的变化主要归因于树脂基体材料的老化和性能衰减。
本研究通过系统实验揭示了固体浮力材料在深海环境下的性能演变规律，特别是静水压力、温度、加载速率和循环加载对材料吸水特性和失效强度的影响。研究结果为载人潜水器的配重计算、性能预测和维护提供了重要依据，同时也为固体浮力材料的安全使用和寿命评估提供了理论基础。
重要发现
方法创新
研究还提出了固体浮力材料的安全分析方法和浮力损失计算公式，为深海载人潜水器的设计和维护提供了实用工具。此外，研究结果对深海装备材料的研发和应用具有重要的参考价值。