[發明專利]大孔徑碳纖維圓管浮力材料結構及其制備方法

在審

• 申請號: 202211701211.9
• 申請日: 2022-12-28
• 公開（公告）號: CN116200004A
• 公開（公告）日: 2023-06-02
• 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;B63B5/24;B29C69/00;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

大孔徑碳纖維圓管浮力材料結構及其制備方法，它涉及復合材料領域，本發明要解決水下浮力材料無法兼具輕量化的同時保證良好的耐水壓性能的技術問題。所述結構是由碳纖維管、鋁合金端帽以及環氧樹脂所組成；所述環氧樹脂填充于碳纖維管之間的間隙中。本發明的大孔徑碳纖維圓管浮力材料結構，解決了目前在水下潛器材料外殼上，作為結構除了需要優異的耐水壓性能之外，還需要滿足輕量化的設計。本發明結構保證了優異的耐水壓能力，同時也能夠實現輕量化，在滿足強度要求下改善結構的物理性能。

技術領域

本發明屬于復合材料領域，特別涉及耐水壓的大孔徑碳纖維圓管多孔浮力材料結構及其制備方法。

背景技術

隨著海洋開發的逐步加速以及深海探索活動的需求，高強浮力材料的發展也隨之不斷改進發展。從傳統浮力材料到后來的高強度固體浮力材料。而目前我國對高性能水下浮力材料的研究尚處于摸索階段。

因受制于國外對高端制造領域的技術封鎖，研究制備高強度固體浮力材料是急需解決的問題。研制輕質高強的固體浮力材料能在很大程度上取代進口材料，打斷國外少數公司壟斷市場的局面。

對于水下浮力材料，不僅需要優秀的抗水壓性能，同時也要達到輕量化的要求。而碳纖維圓管內芯結構具有優異的耐水壓性能和高強度-質量比，其次由于水下浮力材料為多孔結構，在結構設計環節中，能使整體結構重量更輕。

研究表明，樹脂與碳纖維圓管之間的強耦合作用可以大大提升復合材料結構的抗面內壓力能力，同時也能提高結構的耐水壓性能。碳纖維圓管由于其對稱結構，在靜水壓載荷下表現出優異的承載性能，對整體性能的提高起著重要的作用。

由于大孔徑碳纖維圓管浮力材料中單胞的可設計性，碳纖維多孔浮力材料可以針對不同水深工況、不同密度和不同耐水壓強度進行設計以適應不同工況。

發明內容

本發明的目的是為了解決水下浮力材料無法兼具輕量化的同時保證良好的耐水壓性能的技術問題，而提供大孔徑碳纖維圓管浮力材料結構及其制備方法。

本發明的纖維圓管浮力材料結構，所述的大孔徑碳纖維圓管浮力材料結構是由大孔徑碳纖維管結構內芯、端帽以及環氧樹脂膠粘劑組成；所述的大孔徑碳纖維圓管兩端通過端帽進行端部封裝，環氧樹脂膠粘劑灌注到大孔徑碳纖維圓管之間的間隙；所述端帽為輕質高強材料端帽。所述的大孔徑碳纖維圓管兩端通過端帽的封裝方式為粘接方式。

進一步地，大孔徑碳纖維圓管呈陣列式排布，使用環氧樹脂灌注到大孔徑碳纖維圓管之間的間隙后高溫固化脫模形成大孔徑碳纖維圓管浮力材料結構。

進一步地，所述的大孔徑碳纖維圓孔徑為27-80mm，壁厚為0.75-2mm。

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。

進一步地，所述的大孔徑碳纖維圓管內徑為27-80mm，壁厚0.75-2mm；大孔徑碳纖維管卷管壓力為0.0.5MPa，纏帶螺距2mm，纏帶壓力10N。

大孔徑碳纖維圓管浮力材料結構的制備方法，按照以下內容進行：將碳纖維預浸料通過卷管機按照預浸料交錯90/0鋪層卷制成大孔徑碳纖維圓管，將碳纖維圓管與端帽進行封裝，將封裝后的碳纖維圓管呈陣列式排布堆疊進模具內，然后將環氧樹脂、固化劑和促進劑混合后形成環氧樹脂膠粘劑，置于模具中直至將碳纖維管完全浸沒，然后將模具置于真空容器中，排出環氧樹脂中的氣泡，最后加熱固化，脫模后，即得所述的大孔徑碳纖維圓管浮力材料結構。