[发明专利]一种耐水压的轻质高强复合材料多孔浮力材料及其制备方法有效

专利信息
申请号: 202011490287.2 申请日: 2020-12-16
公开(公告)号: CN112757657B 公开(公告)日: 2021-08-31
发明(设计)人: 吴林志;张润博;于国财;王增贤;李子寒;孙秋雨 申请(专利权)人: 哈尔滨工程大学
主分类号: B29C67/20 分类号: B29C67/20;B29C69/00
代理公司: 哈尔滨市松花江专利商标事务所 23109 代理人: 岳泉清
地址: 150001 黑龙江*** 国省代码: 黑龙江;23
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摘要:
搜索关键词: 一种 耐水 高强 复合材料 多孔 浮力 材料 及其 制备 方法
【说明书】:

一种耐水压的轻质高强复合材料多孔浮力材料及其制备方法,它涉及材料制备领域,本发明要解决目前传统复合材料多孔浮力材料静水压性能差、无法应用于水下承载的问题,故采用复合材料圆管、高强环氧树脂ERL‑4221以及由陶瓷组成的端部封装材料合理结合固化。该方法制备出的复合材料多孔浮力材料成型质量较高,结构尺寸可设计性强,制备方法简单易行,制备出的复合材料多孔浮力材料解决了传统多孔浮力材料只能单轴或双轴承载的问题,具有较强的静水压性能。本发明应用于复合材料多孔浮力材料制备领域。

技术领域

本发明涉及材料制备领域,具体涉及一种耐水压的轻质高强复合材料多孔浮力材料及其制备方法。

背景技术

传统的浮力材料是由玻璃微珠与树脂结合而成,国际上目前最高水准的浮力材料密度为620kg/m3,能够满足11000米的水下深潜要求。但现有的浮力材料在密度上已达到瓶颈期,无法挑战更低密度下的材料技术更新。受到自然蜂巢结构的启发,人类制造出多孔结构。多孔结构在拓扑构型方面,具有非常大的优势,如内部空间大,承载结构占比率低等,是一种轻质高承载结构。但是多孔结构若应用在水下承载工况下,仍存在面内方向以及弯曲力学性能较差的问题,无法承受较大的静水压力。

随着材料技术的不断发展,新材料特别是复合材料的出现,大幅提升了多孔结构的力学性能。在常见的多孔结构中,蜂窝结构尤为常见。传统的复合材料蜂窝材料主要有芳纶蜂窝、玻璃纤维蜂窝和碳纤维蜂窝等,但都因为面内方向的力学性能不强,难以在深海装备中使用。现存的各种多孔材料主要存在的问题是:复合材料多孔材料是一种薄壁材料,易于发生弹性屈曲失效,结构承载效率低。目前,强化设计思想、方法和可靠的制备工艺仍是提高复合材料蜂窝结构力学性能的最佳选择。

研究发现,树脂和圆孔之间的强耦合作用,可大幅度提高复合结构的面内压缩能力,同时也可提升结构的抗静水压性能;而作为主承载部分的碳纤维圆管,因为其完美的对称结构,在静水压载荷下,表现出优异的承载性能,这在整体性能的提升上起到了至关重要的作用。碳纤维复合材料多孔材料因具有轻质、高强度和高刚度等优异力学性能,有望应用于深海装备,但仍需强化其力学性能。

在制备工艺方面,蜂窝的传统制备工艺主要包括展开法和成型法。优点是可以制备密度高的芯子,并且可以加工成各种规格形状,缺点是生产效率低,生产工序多,工艺复杂,大批量生产应用较少。复合材料蜂窝材料的成型工艺包括模压法、嵌锁工艺、共固化法、真空导入等,其中真空导入工艺可用于制备异形结构,可设计性强。复合材料多孔浮力材料采用的便是真空导入成型与热压成型方法,这对材料的外形设计提供了便利。

发明内容

本发明是为了解决传统多孔材料的静水压性能差、无法应用于水下承载的问题,提出一种质量可靠、性能更优的复合材料多孔浮力材料及其制备方法,即采用高性能碳纤维圆管和高压缩性能环氧树脂材料复合固化,然后打磨、与封装端帽固化成型。该方法制备出的轻质高强复合材料多孔浮力材料成型质量较高,结构尺寸可设计性强,制备方法简单易行,密度低且静水压力环境下承载能力强。

本发明的一种耐水压的轻质高强复合材料多孔浮力材料,是由周期排列圆孔复合材料和位于圆孔复合材料两端面的封装端帽组成;

所述的周期排列圆孔复合材料是由碳纤维圆管基本单元排布成多层结构,并与树脂复合固化而成;

所述的周期排列圆孔复合材料两端面的封装端帽组装至复合材料通孔两端;

进一步,所述的周期排列圆孔复合材料制备方法如下:

将碳纤维圆管两端使用胶塞密封后,将其交错堆叠;使用真空导入方法将环氧树脂导入到圆管相交处的空隙中,加温固化,冷却至室温后脱模;取出胶塞,对材料两端进行打磨处理,得到周期排列圆孔复合材料。

进一步,所述的多孔浮力材料中,周期排布圆孔复合材料密度低于600kg/m3,承受静水压强不低于130MPa。

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