[发明专利]一种深海高致密碳纤维陶瓷基耐压壳及制备方法

说明书

本发明公开了一种深海高致密碳纤维陶瓷基耐压壳及制备方法，属于装备材料领域。本发明选用高强高模碳纤维，利用三维多向结构，沿厚度方向利用不同的纱线密度或编织角实现不同的纤维体积分数织造，最终得到具有梯度孔结构的球形耐压壳预制体；然后采用化学气相渗透和聚合物浸渍裂解相结合的方法对预制体进行处理，前者进行界面改性，在碳纤维上生长一定厚度的PyC界面层，提高纤维与基体的结合强度，改善纤维束单丝间的孔隙缺陷，后者经高温裂解产生致密的陶瓷基体，最终实现高致密碳纤维陶瓷基耐压壳的制备。本发明的陶瓷基耐压壳具有良好的刚度、强度和低容重比，同时为适应大深度下潜时的水下环境，也做了必要的防水处理。

技术领域

本发明涉及一种深海高致密碳纤维陶瓷基耐压壳及制备方法，属于装备材料领域。

背景技术

当前，由于对海洋勘测需求的日益增加，深海潜水器作为深海探测的重要装备，其作用显得尤为紧要。传统潜水器耐压壳制造主要为轻质合金材料，如钛合金、铝合金等等，但由于其金属特性，无法满足大深度潜水器轻质高强的需求。而非金属材料中的纤维增强树脂基复合材料和陶瓷材料等，由于其高强低密、耐腐蚀等特性逐渐成为用作耐压壳制造的新型材料。

但是，陶瓷材料脆性大、易整体损失，可以通过采用化学气相渗透(CVI)工艺，实现碳纤维增韧陶瓷基复合材料的制备。虽然同样能满足低容重比的需求，但碳纤维陶瓷基复合材料拥有比碳纤维树脂基复合材料更优异的力学性能，其层间断裂韧性更高，抵抗冲击损伤和分层的能力更强，是一种集结构承载能力强和耐苛刻环境等特点于一体的新型轻质复合材料。但局限于制备工艺，前驱体在预制体上沉积时，外层往往最先沉积，故而，由外向内形成一个递减的沉积梯度，导致孔隙率增加，通常孔隙率在10％～25％，包括层间和纱线间的大孔隙，纤维束单丝间的小孔隙。有研究表明，当陶瓷基复合材料的孔隙率从4％提高到9％时，材料横向刚度下降50％左右，所以孔隙对陶瓷基复合材料的力学性能影响很大。

对于大深度潜水器，下潜深度一般为水下5-8km，其耐压壳应能满足水下50-90MPa静水压，这就对耐压壳的结构强度和稳定性提出了极高的要求。采用传统的均质结构，将无法发挥复合材料低容重比的优势。

所以，如何设计制备一种深海高致密碳纤维陶瓷基耐压壳是目前亟需解决的技术问题。

发明内容

[技术问题]

目前，耐压壳采用金属材料密度高，有效负载低；采用陶瓷材料，由于陶瓷自身脆性大，易发生整体破坏，采用CVI对其增韧又会带来孔隙率高而引起力学性能下降的问题；另外，现有耐压壳的承载结构大多为均质结构，无法解决孔隙率高的问题。

因此，如何在满足轻量化需求的同时，进行梯度孔的结构设计，以此来提高耐压壳的致密性，满足静水压下承载、高强高模需求是目前亟需解决的技术问题。

[技术方案]

为了解决上述问题，本发明选用高强高模碳纤维，利用三维多向结构，沿厚度方向利用不同的纱线密度或编织角实现不同的纤维体积分数织造，最终得到具有梯度孔结构的球形耐压壳预制体；然后采用化学气相渗透(CVI)和聚合物浸渍裂解(PIP)相结合的方法对预制体进行处理，前者进行界面改性，在碳纤维上生长一定厚度的PyC界面层，提高纤维与基体的结合强度，改善纤维束单丝间的孔隙缺陷，后者经高温裂解产生致密的陶瓷基体，最终实现高致密碳纤维陶瓷基耐压壳的制备。本发明的陶瓷基耐压壳具有良好的刚度、强度和低容重比，同时为适应大深度下潜时的水下环境，也做了必要的防水处理。

本发明的第一个目的是提供一种制备球形耐压壳的方法，包括如下步骤：

(1)半球形耐压壳预制体的制备：

将碳纤维沿着半球形耐压壳的厚度方向通过调整纱线密度或编织角实现梯度孔的编织，使得纤维体积分数从54～51％递减到45～48％，得到半球形耐压壳预制体；

(2)半球形耐压壳的制备：