[發(fā)明專利]一種耐水壓的輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料多孔浮力材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011490287.2
• 申請(qǐng)日: 2020-12-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112757657B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-08-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳林志;張潤(rùn)博;于國(guó)財(cái);王增賢;李子寒;孫秋雨
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號(hào): B29C67/20
• 分類號(hào): B29C67/20;B29C69/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 岳泉清

一種耐水壓的輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料多孔浮力材料及其制備方法，它涉及材料制備領(lǐng)域，本發(fā)明要解決目前傳統(tǒng)復(fù)合材料多孔浮力材料靜水壓性能差、無(wú)法應(yīng)用于水下承載的問(wèn)題，故采用復(fù)合材料圓管、高強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂ERL?4221以及由陶瓷組成的端部封裝材料合理結(jié)合固化。該方法制備出的復(fù)合材料多孔浮力材料成型質(zhì)量較高，結(jié)構(gòu)尺寸可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，制備方法簡(jiǎn)單易行，制備出的復(fù)合材料多孔浮力材料解決了傳統(tǒng)多孔浮力材料只能單軸或雙軸承載的問(wèn)題，具有較強(qiáng)的靜水壓性能。本發(fā)明應(yīng)用于復(fù)合材料多孔浮力材料制備領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種耐水壓的輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料多孔浮力材料及其制備方法。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的浮力材料是由玻璃微珠與樹(shù)脂結(jié)合而成，國(guó)際上目前最高水準(zhǔn)的浮力材料密度為620kg/m³，能夠滿足11000米的水下深潛要求。但現(xiàn)有的浮力材料在密度上已達(dá)到瓶頸期，無(wú)法挑戰(zhàn)更低密度下的材料技術(shù)更新。受到自然蜂巢結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，人類制造出多孔結(jié)構(gòu)。多孔結(jié)構(gòu)在拓?fù)錁?gòu)型方面，具有非常大的優(yōu)勢(shì)，如內(nèi)部空間大，承載結(jié)構(gòu)占比率低等，是一種輕質(zhì)高承載結(jié)構(gòu)。但是多孔結(jié)構(gòu)若應(yīng)用在水下承載工況下，仍存在面內(nèi)方向以及彎曲力學(xué)性能較差的問(wèn)題，無(wú)法承受較大的靜水壓力。

隨著材料技術(shù)的不斷發(fā)展，新材料特別是復(fù)合材料的出現(xiàn)，大幅提升了多孔結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。在常見(jiàn)的多孔結(jié)構(gòu)中，蜂窩結(jié)構(gòu)尤為常見(jiàn)。傳統(tǒng)的復(fù)合材料蜂窩材料主要有芳綸蜂窩、玻璃纖維蜂窩和碳纖維蜂窩等，但都因?yàn)槊鎯?nèi)方向的力學(xué)性能不強(qiáng)，難以在深海裝備中使用。現(xiàn)存的各種多孔材料主要存在的問(wèn)題是：復(fù)合材料多孔材料是一種薄壁材料，易于發(fā)生彈性屈曲失效，結(jié)構(gòu)承載效率低。目前，強(qiáng)化設(shè)計(jì)思想、方法和可靠的制備工藝仍是提高復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的最佳選擇。

研究發(fā)現(xiàn)，樹(shù)脂和圓孔之間的強(qiáng)耦合作用，可大幅度提高復(fù)合結(jié)構(gòu)的面內(nèi)壓縮能力，同時(shí)也可提升結(jié)構(gòu)的抗靜水壓性能；而作為主承載部分的碳纖維圓管，因?yàn)槠渫昝赖膶?duì)稱結(jié)構(gòu)，在靜水壓載荷下，表現(xiàn)出優(yōu)異的承載性能，這在整體性能的提升上起到了至關(guān)重要的作用。碳纖維復(fù)合材料多孔材料因具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度和高剛度等優(yōu)異力學(xué)性能，有望應(yīng)用于深海裝備，但仍需強(qiáng)化其力學(xué)性能。

在制備工藝方面，蜂窩的傳統(tǒng)制備工藝主要包括展開(kāi)法和成型法。優(yōu)點(diǎn)是可以制備密度高的芯子，并且可以加工成各種規(guī)格形狀，缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)工序多，工藝復(fù)雜，大批量生產(chǎn)應(yīng)用較少。復(fù)合材料蜂窩材料的成型工藝包括模壓法、嵌鎖工藝、共固化法、真空導(dǎo)入等，其中真空導(dǎo)入工藝可用于制備異形結(jié)構(gòu)，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。復(fù)合材料多孔浮力材料采用的便是真空導(dǎo)入成型與熱壓成型方法，這對(duì)材料的外形設(shè)計(jì)提供了便利。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是為了解決傳統(tǒng)多孔材料的靜水壓性能差、無(wú)法應(yīng)用于水下承載的問(wèn)題，提出一種質(zhì)量可靠、性能更優(yōu)的復(fù)合材料多孔浮力材料及其制備方法，即采用高性能碳纖維圓管和高壓縮性能環(huán)氧樹(shù)脂材料復(fù)合固化，然后打磨、與封裝端帽固化成型。該方法制備出的輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料多孔浮力材料成型質(zhì)量較高，結(jié)構(gòu)尺寸可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，制備方法簡(jiǎn)單易行，密度低且靜水壓力環(huán)境下承載能力強(qiáng)。

本發(fā)明的一種耐水壓的輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料多孔浮力材料，是由周期排列圓孔復(fù)合材料和位于圓孔復(fù)合材料兩端面的封裝端帽組成；

所述的周期排列圓孔復(fù)合材料是由碳纖維圓管基本單元排布成多層結(jié)構(gòu)，并與樹(shù)脂復(fù)合固化而成；

所述的周期排列圓孔復(fù)合材料兩端面的封裝端帽組裝至復(fù)合材料通孔兩端；

進(jìn)一步，所述的周期排列圓孔復(fù)合材料制備方法如下：

將碳纖維圓管兩端使用膠塞密封后，將其交錯(cuò)堆疊；使用真空導(dǎo)入方法將環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)入到圓管相交處的空隙中，加溫固化，冷卻至室溫后脫模；取出膠塞，對(duì)材料兩端進(jìn)行打磨處理，得到周期排列圓孔復(fù)合材料。

進(jìn)一步，所述的多孔浮力材料中，周期排布圓孔復(fù)合材料密度低于600kg/m³，承受靜水壓強(qiáng)不低于130MPa。