[发明专利]一种无机非金属固体浮力材料及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于碱激发胶凝材料和复合材料技术领域，特别涉及一种以碱激发胶凝材料为基体制作的无机非金属固体浮力材料及其制作方法。

背景技术

辽阔的海域面积、丰富的海洋资源及海洋具有的重要地缘政治利益、军事安全利益以及战略交通利益已引起我国的高度重视，并促进海洋开发科学不断向深度和广度扩展，这就迫切需要能应用于高压、海水及盐雾腐蚀等不利条件下的轻质高强固体浮力材料，以提高海洋仪器设备的有效载荷，保证其安全使用。

固体浮力材料是一种以胶粘剂为基体、气体空穴为浮力调节介质的复合材料。按照气体空穴来源的不同，固体浮力材料可以分为3大类：化学发泡浮力材料、空心微球浮力材料和复合轻质浮力材料。目前，国内外主要围绕有机类固体浮力材料开展研究，其是由无机轻质填充材料，填充到有机高分子材料中，经物理化学反应得到的固态化合物。

美、日、俄等国家从20世纪60年代末开始研制高强度固体浮力材料，以用于深海海底的开发事业。美国海军应用科学研究实验室研制的浮力材料，密度为0.35g/cm³时，抗压强度为5.5MPa。美国洛克希德导弹空间公司研制的浮力材料，密度为0.45-0.48g/cm³，压缩强度为25MPa，可潜水深2430m。美国艾默生康明复合材料公司最近开发了TG型和DS型两种新型的两相复合泡沫材料。TG型材料密度为0.38-0.45g/cm³，可在0-4000m水深区域使用；DS型密度在0.50-0.56g/cm³，最大使用深度超过11000m。日本海洋技术中心已在1987年开始研制10000m深的水下机器人。俄罗斯目前也研制出6000m水深用的固体浮力材料，密度为0.7g/cm³，可耐压70MPa。

相对于美、日、俄等深潜技术发达的国家，我国深海用固体浮力材料的研究开发起步较晚，其中前期研制的浮力材料一般为聚氨酯、环氧树脂等发泡塑料，与国外同等材料相比，成本较低，但使用可靠性差，浸水一段时间后会因吸水失去浮力。

1984年哈尔滨船舶工程学院采用空心树脂球、空心玻璃微珠、环氧树脂成功研制了密度为0.5g/cm³，抗压强度为28.87MPa的固体浮力材料。青岛海洋化工研究院于1995年研制开发了化学发泡法轻质浮力材料，密度为0.33g/cm³，抗压强度为5.5MPa，可潜水深500m。目前，该院使用环氧树脂和空心玻璃微珠研制出密度为0.55g/cm³时，耐压50MPa，用于4500-5000m水深的可加工轻质固体浮力材料。2000年国家海洋技术中心开始进行以空心玻璃微珠和环氧树脂粘合剂作为基料制备高强度轻质浮力材料的研究，目前已在原料配方、工艺、成型等核心技术方面取得了突破性进展，研究开发的高强轻质浮力材料已在航天、海洋、国防等诸多领域得到广范应用。

虽然有机类固体浮力材料具有密度低、机械强度高、吸水率低、耐腐蚀等优点，但是易老化、不耐高温的特点限制了其在高温等特殊条件下的应用。因此，需要研制出可在高温条件下使用的无机类固体浮力材料。目前，国内外关于固体浮力材料的文献及专利报道有很多，但大部分是针对有机类浮力材料展开研究，如美国专利No.4829094、4916173和中国专利CN85106037A中介绍的浮力材料均是以空心微珠作为填充材料，用环氧树脂粘结而成；日本专利No.3141304提出在一个密闭的容器中加入玻璃微珠填充有机硅油，制成浮力材料；中国专利CN200410030821.6介绍了一种由芯材和面材组成的固体浮力材料，芯材是用化学发泡法制备的聚氨酯-环氧树脂硬质泡沫塑料，面材是由环氧树脂、聚硫橡胶、磷片状填料、轻质填料、偶联剂及固化剂配成的阻水层。而关于无机类浮力材料的文献及专利报道则很少，仅中国专利CN200710015641.4介绍了一种以陶瓷厂抛光废泥为原料，采用干压、注塑成型，常温烧结，高温化学发泡法工艺制备的陶瓷材料作为基体，以环氧树脂作为加强外壁制备的陶瓷基轻质高强浮力材料，基体密度为0.35g/cm³时，抗压强度≥7MPa，环氧树脂改性后的浮力材料密度为0.52g/cm³时，抗压强度≥20MPa。此种浮力材料的缺点是非完全无机体系，基体抗压强度较低，制备工艺较复杂。

发明内容