[發明專利]一種耐水壓的多級碳纖維圓管復合材料浮力材料結構及其制備方法

在審

• 申請號: 202211701143.6
• 申請日: 2022-12-28
• 公開（公告）號: CN116082794A
• 公開（公告）日: 2023-05-09
• 發明（設計）人: 于國財;李汶東;李子寒;張潤博;靳洋;吳林志
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: C08L63/00
• 分類號: C08L63/00;C08J5/24;C08K7/06
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 李紅媛

一種耐水壓的多級碳纖維圓管復合材料浮力材料結構及其制備方法，它涉及碳纖維復合材料制備技術領域，本發明采用多級的思想，利用不同直徑碳纖維圓管的排列“品”字型的堆疊方式，使用環氧樹脂作為連接介質，提供一種新型碳纖維多孔浮力材料結構及其制造方法，本發明提供的新型碳纖維浮力材料理論密度低，使用多級結構后相較于無小管結構密度由0.34降為0.32，同一大小實施例密度下降6.6％，吸水率低。

技術領域

本發明設計屬于碳纖維復合材料制備技術領域，具體是一種耐水壓的多級碳纖維圓管復合材料多孔浮力材料結構及其制備方法。

背景技術

在廣闊的海域內儲藏著極其豐富的資源，如探明的石油儲量達到200-300億噸，天然氣儲量16萬億立方米。水下航行器等海洋裝備對探索和開發海洋資源有著廣泛而重要的軍事和經濟用途。而浮力材料作為水下裝備的重要組成部分，部分水下裝備浮力材料的體積占比甚至可以達到50％。降低浮力材料的理論密度，可以增加水下航行器的航行距離，提高有效載荷的承載能力，具有重大意義。

浮力材料的發展近些年突飛猛進，從傳統的通過輕質液體、泡沫和橡膠提供浮力；后又對化學發泡類浮力材料的進行運用，發現此類材料吸水率過大，難以在實際工程中長期運用；到最后人們發現了空心玻璃微珠浮力材料。空心玻璃微珠浮力材料的發展促進了深海探測活動的進步，但隨著研究的深入，全海深空心玻璃微珠也陷入到了瓶頸之中，玻璃微珠由于其自身理論密度原因，很難應用于淺海領域。

新型碳纖維浮力材料使用蜂窩結構，是利用環氧樹脂與碳纖維的耦合作用，抑制碳纖維管在水壓載荷下的屈曲作用。在靜水壓載荷下，這種結構形式表現出優異的承載性能，這在整體性能的提升上起到了至關重要的作用。但該結構存在無法兼顧抗靜水壓能力，以及降低芯子結構的密度的問題。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有固體浮力材料存在的無法兼顧抗靜水壓能力，以及降低芯子結構的密度的問題，而提供一種耐水壓的輕質高強多級碳纖維圓管復合材料浮力材料結構及其制備方法。

本發明的一種耐水壓的多級碳纖維圓管復合材料浮力材料結構，它是由碳纖維圓管、端帽和環氧樹脂膠粘劑組成；所述的碳纖維圓管是由第一碳纖維圓管和第二碳纖維圓管組成；所述的第一碳纖維圓管的外徑大于第二碳纖維圓管，第一碳纖維圓管呈“品”字型設置，且第二碳纖維圓管置于相鄰的第一碳纖維圓管之間的間隙處；所述的端帽分別與第一碳纖維圓管和第二碳纖維圓管的兩端封裝；所述的環氧樹脂膠粘劑置于碳纖維圓管的間隙處；所述的第一碳纖維圓管和第二碳纖維圓管內徑均為4-80mm，壁厚均為0.24-2mm。

所述的端帽由端部封裝半球和端部封裝材料組成；

所述端部封裝半球是使用注漿工藝，得到內徑27mm左右，外徑30.6mm左右未經處理的陶瓷半球，用于第一碳纖維管端部的封裝；

所述端部封裝材料使用注漿工藝，得到內徑4.56mm左右，高度為3mm左右的陶瓷圓柱端帽，用于第二碳纖維管端部的封裝。

優選的，所述端帽作為碳纖維管的封頭，端帽可以為半球狀和圓柱狀等，材質可以選擇金屬、陶瓷和復合材料等滿足水下需求的任意材料；所述端帽的外徑應于碳纖維管的外徑一致。

進一步地，所述的第一碳纖維圓管與第二碳纖維圓管的外徑比為1：0.1～0.2。優選為1：0.154701。保證主體結構中第一碳纖維圓管和第二碳纖維圓管都處于相切狀態。

進一步地，所述端帽的外徑應于碳纖維管的外徑一致。

進一步地，所述的環氧樹脂為常溫狀態下粘度小于200MPa·s、壓縮強度大于70MPa且固化溫度小于300℃的樹脂。

所述的環氧樹脂為ERL-4221、BCC-Resins-EB6200、KH9533或KH6401。最優選的，ERL-4221環氧樹脂理論密度為1.2g/cm³，壓縮強度為140MPa。