CN101157285A - 深水耐压浮力材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种深水耐压浮力材料。它包括由轻质材料制成的薄壁球形内坯，在内坯的外表面上布设有添加有陶瓷或碳纳米管增强相、以铝合金或树脂为基体的复合材料层，复合材料层中增强相的分布呈径向梯度分布、即由内向外逐渐降低。这种耐压材料为一铝基或树脂基复合材料，在铝或树脂的基体上弥散分布着增强相颗粒，如碳纳米管、SiC陶瓷相等。根据耐压材料所要承受的压力的大小方向和其自身的承压特点，一般将其设计成球壳形，这样其在深水环境受等静压力下有很好的承压能力，而根据在等静压下其应力分布的特点，将其设计为梯度材料，更大限度地发挥材料性能。

Description

深水耐压浮力材料

一、技术领域

本发明涉及一种深水耐压浮力材料，具体说是一种深水耐压浮力球的球壳材料，或者是在超高水压下提供浮力的耐压浮力球的球壳材料。

二、背景技术

大力发展我国海洋高技术、急切开展海洋高技术研究，是为维护我国海洋主权和开发我国海洋资源提供科学技术保障的一项主要措施。为了解决深潜拖体、深潜器和水下机器人等的耐压性、结构稳定性，提供足够的净浮力，研制高强度、低密度、可加工的固体浮力材料(简称SBM)以替代传统的耐压浮力球和浮力筒。SBM是发展现代深潜技术的重要组成部分，对保证潜器所必须的浮力，对提高潜器的有效载荷，减少其外型尺寸，尤其是在建造大深度的潜器中，有着重要的作用。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种具有很高的抗压强度、很好的变形协变性和抗冲击特性，浮重比高、成本低、可靠性好、适应性强、可重复设计的深水耐压浮力材料。

本发明的目的是这样实现的：它包括由轻质材料制成的薄壁球形内坯，在内坯的外表面上布设有添加有陶瓷或碳纳米管增强相、以铝合金或树脂为基体的复合材料层，复合材料层中增强相的分布呈径向梯度分布、即由内向外逐渐降低。

本发明还可以包括：

1、所述的复合材料层中增强相的分布由内向外逐渐降低是增强相的重量百分比含量由最内的7％逐渐降低为最外的1％。

2、所述的复合材料层中增强相的分布由内向外逐渐降低是复合材料的成分沿径向的变化与材料的应力分布的变化和变形协调性相一致。

3、所述的薄壁球形内坯是由铝合金或树脂或耐压陶瓷制成的具有高球度的球体。

本发明的深水耐压浮力材料的实现形式是耐等静压的厚壁球壳。球壳是一种结构完美的耐等静压的结构，其能够承受巨大的压力。根据厚壁球壳在外等静压下的应力分布公式：

${\mathrm{\σ}}_r=\frac{-P_2{b}^3}{b^3-a^3}(1-\frac{a^3}{r^3})---\left(1.1\right)$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{-P_2{b}^3}{b^3-a^3}(1+\frac{a^3}{2r^3})---\left(1.2\right)$

可得，球壳的最大应力集中出现在内壁上，材料内部没有剪应力的存在，根据公式，可得出球壳所需要的材料的屈服强度

${\mathrm{\σ}}_s=\frac{{-P}_2{b}^3}{b^3-a^3}(\frac{3}{2}\·\frac{a^3}{r^3})---\left(1.3\right)$

因此，在对材料的选择上我们用耐压强度高的陶瓷或碳纳米管为增强相，以铝合金或树脂为基体提供材料的变形协调性和提高材料的抗冲击特性。而且由于材料的应力分布为球对称的，且最大压应力出现在球内壁上。因此，复合材料的增强相也要按应力的分布来设计，呈径向梯度分布，从内表面开始递减分布，并且复合材料的成分沿径向的变化一定要与材料的应力分布的变化和变形协调性相一致。

本发明的材料是这样制备的：内坯可以是由与基体相同的材料或耐压陶瓷制成球壳型，内坯一定要轻薄，并且球度要高，这样才能很好的发挥其耐等静压的作用。然后再逐层的复合上复合材料，每层材料的成分有所不同，其成分根据球的应力分布、变形协调性和材料自身的性质来决定。且成分的变化为协同变化。不能因为成分上的差异和力学性能的逐渐变化而在层间产生额外的剪应力。

本发明所涉及的深水耐压浮力球的球壳材料，改变了传统以耐压轻质材料为主的浮力装置，有效的引入了结构上的设计来提高装置的浮重比，而且在材料的选择上也有很大的余地，其提供的浮力不仅是因为其选取轻质耐压材料，更多的是因为其优秀的结构设计。从而使其适应性更强，成本更低，可靠性更好，有良好的浮重比，而且有非常好的可重复设计性。

这种耐压材料为一铝基或树脂基复合材料，在铝或树脂的基体上弥散分布着增强相颗粒，如碳纳米管、SiC陶瓷相等。根据耐压材料所要承受的压力的大小方向和其自身的承压特点，一般将其设计成球壳形，这样其在深水环境受等静压力下有很好的承压能力，而根据在等静压下其应力分布的特点，将其设计为梯度材料，更大限度地发挥材料性能。

四、附图说明

附图是本发明的结构示意图。

五、具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作更详细的描述：

深水耐压浮力材料的组成包括由铝合金或树脂或耐压陶瓷等轻质材料制成的具有高球度的薄壁球形内坯，在内坯的外表面上布设有添加有陶瓷或碳纳米管增强相、以铝合金或树脂为基体的复合材料层，复合材料层中增强相的分布呈径向梯度分布、即由内向外逐渐降低。结合附图所述的复合材料层中增强相的分布由内向外逐渐降低是增强相的重量百分比含量由最内的7％逐渐降低为最外的1％，从最内层至最外层增强相的重量百分比含量分别为第1层7％、第2层6％、第3层5％、第4层1％。所述的复合材料层中增强相的分布由内向外逐渐降低是复合材料的成分沿径向的变化与材料的应力分布的变化和变形协调性相一致。基体为铝合金或树脂材料，增强体为SiC晶须。也可以是基体为铝合金或树脂材料，增强体为碳纳米管(CNTs)。

Claims (4)

1.一种深水耐压浮力材料，其特征是：它包括由轻质材料制成的薄壁球形内坯，在内坯的外表面上布设有添加有陶瓷或碳纳米管增强相、以铝合金或树脂为基体的复合材料层，复合材料层中增强相的分布呈径向梯度分布、即由内向外逐渐降低。

2.根据权利要求1所述的深水耐压浮力材料，其特征是：所述的复合材料层中增强相的分布由内向外逐渐降低是增强相的重量百分比含量由最内的7％逐渐降低为最外的1％。

3.根据权利要求2所述的深水耐压浮力材料，其特征是：所述的复合材料层中增强相的分布由内向外逐渐降低是复合材料的成分沿径向的变化与材料的应力分布的变化和变形协调性相一致。

4.根据权利要求1、2或3所述的深水耐压浮力材料，其特征是：所述的薄壁球形内坯是由铝合金或树脂或耐压陶瓷制成的具有高球度的球体。

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