CN102837800B - 耐磨耐撞复合材料船体及其制造方法、采用的超混杂复合材料 - Google Patents

Abstract

一种耐磨耐撞复合材料船体，包括：船体，主要由复合材料制成；超混杂复合材料，设于所述船体外表面的吃水线以下区域，所述超混杂复合材料包括纤维增强复合塑料层及夹于纤维增强复合塑料层内的金属纤维层。上述耐磨耐撞复合材料船体在船体的外表面位于吃水线以下区域设置超混杂复合材料，由于超混杂复合材料具有较好的刚度和拉伸强度，从而提高耐磨耐撞复合材料船体的吃水线下的防撞性及耐磨性。本发明还提供一种上述耐磨耐撞复合材料船体的制造方法及采用的超混杂复合材料。

Description

耐磨耐撞复合材料船体及其制造方法、采用的超混杂复合材料

【技术领域】

本发明涉及一种运输工具，特别是涉及一种耐磨耐撞复合材料船体及其制造方法、采用的超混杂复合材料。

【背景技术】

船艇的船体一般采用钢材、木材、有色金属、水泥、玻璃纤维、塑料等材料制成。用玻璃纤维制作船体，存在的缺陷是：船体不耐磨不耐撞，容易龟裂分层，容易破损。用于钢材制成的船体，存在的缺陷是：船体材料的比重大，耐腐蚀性差。

由于复合材料具有较好的韧性及比重较小，随着交通运输行业轻量、高速、节能、降低污染的发展趋势，复合材料逐渐被视为船体结构的理想材料。然而，当普通复合材料船体搁浅或碰到礁石时，其底部容易撞裂磨坏。特别是复合材料制成的船舰用于海上执法时，因为执法需求不能绝对限定执法船舰活动的水深区域，当执法船舰搁浅或碰到礁石，执法船舰有可能因碰撞破裂，难以实现安全执法。

【发明内容】

鉴于上述状况，有必要提供一种耐撞、耐磨性较好的耐磨耐撞复合材料船体及其制造方法、采用的超混杂复合材料。

一种超混杂复合材料，其特征在于，所述超混杂复合材料包括纤维增强复合塑料层及夹于纤维增强复合塑料层内的金属纤维。

在其中一个实施例中，所述金属纤维与所述纤维增强复合塑料层的纤维以层内混杂或/及层间混杂的方式进行铺设。

一种耐磨耐撞复合材料船体，包括：

船体，其主要由复合材料制成；及

上述超混杂复合材料，设于所述船体外表面的吃水线以下区域。

在其中一个实施例中，其特征在于，还包括：

防护复合结构，设于所述船体外表面的吃水线以上区域，所述防护结构包括：

防水层，位于所述船体的外表面上；

金属布层，位于所述防水层上，所述金属布层包括第二聚脲层及夹持于所述第二聚脲层内的金属布；

帘子布层，位于所述金属布层上，所述帘子布层包括第一聚脲层及夹持于所述第一聚脲层内的帘子布；及

耐磨层，位于所述帘子布层上；

其中，所述防水层、金属布层、帘子布层及耐磨层连接在一起。

在其中一个实施例中，所述防水层为富树脂层。

在其中一个实施例中，所述帘子布为多层。

在其中一个实施例中，所述金属布层为多层。

在其中一个实施例中，所述帘子布层与所述金属布层间隔交替设置。

一种耐磨耐撞复合材料船体制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供一船体模具；

在所述船体模具的模腔内壁对应于待成型耐磨耐撞复合材料船体的吃水线以下区域形成超混杂复合材料，所述超混杂复合材料包括纤维增强复合塑料层及夹于所述纤维增强复合塑料层内的金属纤维层。

在其中一个实施例中，在所述船体模具的模腔内壁对应于待成型耐磨耐撞复合材料船体的吃水线以下区域形成超混杂复合材料的步骤进一步包括：

对界面处理后的所述金属纤维、纤维增强复合塑料层所用的纤维进行浸胶或制成预浸料后铺放；

进行保压固化处理；

高温后固化成型处理；及

对高温后固化成型后的超混杂复合材料进行脱模。

上述耐磨耐撞复合材料船体在船体的外表面位于吃水线以下区域设置超混杂复合材料，由于超混杂复合材料具有较好的刚度和拉伸强度，从而提高耐磨耐撞复合材料船体的吃水线下的防撞性及耐磨性。

并且，上述耐磨耐撞复合材料船体在船体的外表面位于吃水线以上区域设置防护结构，防护复合结构由多层刚性不同的、并且耐磨性较好的复合层构成，以进一步提高耐磨耐撞复合材料船体的耐磨性。

上述耐磨耐撞复合材料船体制造方法主要采用模内成型的方式形成船艇主体，其外观漂亮，并且外表光滑，使得上述耐磨耐撞复合材料船体制造方法制得的耐磨耐撞复合材料船体表面减阻性好。

【附图说明】

图1为本发明实施方式的耐磨耐撞复合材料船体的局部结构示意图；

图2为本发明实施方式的耐磨耐撞复合材料船体的另一局部结构示意图；

图3为本发明实施方式的耐磨耐撞复合材料船体制造方法的流程图；

图4为复合材料成型时的温度与压力的曲线图；

图5为图3所示的耐磨耐撞复合材料船体制造方法采用热水软袋成型时的结构示意图。

【具体实施方式】

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本发明实施方式的耐磨耐撞复合材料船体100包括船体110及防护复合结构120及超混杂复合材料130。船体110主要由复合材料制成。

防护复合结构120设于船体110外表面的吃水线以上区域。由于船体110外表面的吃水线以上区域为耐磨耐撞复合材料船体100与其他船只较为容易碰撞的区域，将防护复合结构120仅仅设于吃水线以上区域，在提高耐磨耐撞复合材料船体100的耐磨性的同时，可以大量节省制造成本，并使船体110自重增加的较少。当然，若不考虑成本及船体100自重问题，为了制造方便，也可在船体110的外表面的全部区域设置防护复合结构120。

防护复合结构120包括连接在一起的耐磨层121、帘子布层123、金属布层125及防水层127。耐磨层121主要增加防护复合结构120最外表面的耐磨性。帘子布层123主要用于增加防护复合结构120的韧性。金属布层125主要起到刚性过渡作用，当船体受到其他船只碰撞时，防护复合结构120不会因刚性过渡太大而容易损坏。防水层127主要用于起到防水、防腐蚀作用。

耐磨层121位于帘子布层123外。耐磨层121为聚脲层。耐磨层121可以通过模内成型的方式形成，即在成型好的船体模具内涂刷脱模剂后喷涂形成耐磨层121。

按照模内成型的方式，帘子布层123形成于耐磨层121上。帘子布层123包括第一聚脲层1231及夹持于第一聚脲层1231内的帘子布1233。根据不同的韧性需要，帘子布1233可以为多层。

按照模内成型的方式，金属布层125形成于帘子布层123上。金属布层125包括第二聚脲层1251及夹持于第二聚脲层1251内的金属布1253。根据不同的刚性需要，金属布1253可以为多层。金属布可以为钢丝网、硬度较高的合金丝网等。

需要说明的是，根据不同的防护强度需要，金属布层125及帘子布层123可以分别为多层，并可间隔交替设置。

防水层127位于船体110的外表面上。按照模内成型的方式，防水层127形成于金属布层125之上。具体在本实施方式中，防水层127为富树脂层。

请参阅图2，超混杂复合材料130设于船体110外表面的吃水线以下区域，超混杂复合材料130内包括纤维增强复合塑料层131及夹于纤维增强复合塑料层131内的金属纤维层133。金属纤维层133可以为多层。具体在本实施方式中，采用真空辅助导入工艺导入树脂，并经过高温后固化处理，高温处理的温度一般为90度；金属纤维层133经过界面处理后，再与纤维增强复合塑料层131内的其他纤维超混杂后成型，所述“界面处理”即采用用酸（盐酸或乙酸）处理金属纤维表面的杂质。纤维增强复合塑料层131可以为玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，在玻璃纤维增强环氧树脂复合材料中加入用酸（盐酸或乙酸）处理过的金属纤维作为增强材料，可以增加复合材料的弹性模量，提高刚度和拉伸强度。

上述超混杂复合材料130的原料易得，成本低，重量增加少，耐磨性显著提高。

上述耐磨耐撞复合材料船体100在船体110的外表面位于吃水线以下区域设置超混杂复合材料130，由于超混杂复合材料130具有较好的刚度和拉伸强度，从而提高耐磨耐撞复合材料船体100的吃水线下的防撞性及耐磨性。

并且，上述耐磨耐撞复合材料船体100在船体110的外表面位于吃水线以上区域设置防护结构120，防护复合结构120由多层刚性不同的、并且耐磨性较好的复合层构成，以进一步提高耐磨耐撞复合材料船体100的耐磨性。

请参阅图3，本发明实施方式的耐磨耐撞复合材料船体制造方法，包括如下步骤：

步骤S201，提供一船体模具。

步骤S202，在船体模具的模腔内壁对应于待成型耐磨耐撞复合材料船体的吃水线以下区域形成超混杂复合材料，超混杂复合材料包括纤维增强复合塑料层及夹于纤维增强复合塑料层内的金属纤维层。

请参阅图4，具体在本实施方式中，采用“模内层压成型工艺”将超混杂复合材料130与船体110一体成型，具体包括如下步骤：

步骤a，对金属纤维进行界面处理。具体地，用酸试剂擦拭金属纤维表面或浸泡金属纤维，例如，盐酸或乙酸。所述“界面处理”即采用用酸（盐酸或乙酸）处理金属纤维表面的杂质。对金属纤维进行界面处理的目的是为了将金属纤维表面能活化，在纤维表面引入极性基团，改善金属纤维与基体树脂的粘附性，从而可以提高材料刚度。金属纤维为不锈钢，或是其他耐水耐腐蚀的合金。功能填料为加纳米增强的耐磨填料。

若金属纤维已经被事先界面处理过，或者该金属纤维的表面存在极性基团，金属纤维与基体树脂的粘附性较好，则步骤a可省略。

步骤b，对界面处理后的金属纤维、纤维增强复合塑料所用的纤维进行浸胶或制成预浸料后铺放。

具体在本实施方式中，步骤b为界面处理后的对金属纤维、纤维增强复合塑料所用的纤维进行浸胶，包括：

步骤b1，将金属纤维、纤维增强复合塑料所用的纤维进行铺层叠合。金属纤维与纤维增强复合塑料层的纤维以层内混杂或/及层间混杂的方式进行铺设。金属纤维与纤维增强复合塑料层所用的纤维可以进行层内混杂或层间混杂，层内混杂即将多种纤维混杂在同一层，层间混杂即将多种纤维分成多层铺设。超混杂复合材料就看起来是一个整的层板结构。合理使用混杂纤维及其配比，再通过正确合理的铺层设计制成的产品。超混杂复合材料可以耐撞、耐磨、耐腐蚀。

纤维增强复合塑料层可以为玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，在玻璃纤维增强环氧树脂复合材料中加入用酸试剂（盐酸或乙酸）处理过的金属纤维进行铺层叠合形成增强材料，可以增加复合材料的弹性模量，提高刚度和拉伸强度。纤维增强复合塑料层所采用的纤维还可以为芳纶或玻璃纤维与芳纶的混合物。

金属纤维形成层状结构，即形成金属纤维层。金属纤维层由金属纤维形成。金属纤维夹于纤维增强复合塑料层内。金属纤维为不锈钢材料的纤维，或是其他耐水耐腐蚀的合金。功能填料为加纳米增强的耐磨填料。根据不同的刚度需要，金属纤维层可以为单层或多层。

上述设计可以有效发挥增强纤维的功能特性，实现材料整体的功能分布，保证超混杂复合材料同时兼具强度、模量、耐磨耐撞，且成本低廉等优点。并且超混杂复合材料适用于冲击、磨损、腐蚀等复杂环境。

其中，铺层叠合工序是在刷涂脱模剂的模具内，按特定的基体配方分别对各层进行浸胶，再按照上述“铺层结构设计”的方式铺层叠合，达到预定层数的工艺过程。

步骤b2，采用真空树脂导入工艺导入树脂，以形成纤维增强复合塑料层及夹于纤维增强复合塑料层内的金属纤维层。“真空树脂导入工艺”(VRIP)，又称为“真空辅助树脂扩散模塑工艺(VARIM)”，或“真空辅助树脂转移模塑工艺(VARTM)”。该工艺原理为借助真空的驱动，把树脂注入预制成形的增强材料中，模具由柔性模和刚性半模组成。由于增强材料为真空所压紧，树脂的渗透速度一般较慢，则需要使用导流介质将树脂注入到预设成形的增强材料中。导流介质延伸到增强材料中，树脂沿导流介质注入到增强材料中。导流介质可以为导流布或是导流管。

在其他实施方式中，步骤b为对界面处理后的金属纤维、纤维增强复合塑料层所用的纤维进行制成预浸料后铺放的步骤，步骤b包括：首先，将金属纤维、纤维增强复合塑料所用的纤维进行铺层叠合形成增强材料。然后将增强材料浸入胶槽进行浸胶。挤压出多余的树脂，制成含胶量较低的预浸料。最后，收卷低温冷藏存放待用。

步骤c，进行保压固化处理。请参阅图4及图5，采用柔性固化结构进行固化，柔性固化结构为可根据外界的限定改变形状的元件。柔性固化结构包括柔性热水袋及加压件。柔性热水袋310的中部形成凹部，以使柔性热水袋310的热水可形成循环回路。从而加快加热的效率，当然，柔性热水袋的热水可与外界加热系统连通，以不断对循环的水进行加热。另外，若成型压力不够，将加压件设于柔性热水袋的凹部及四周上，以增大柔性固化结构的质量，增大固化压力。加压件可以为沙袋320或其他重物，以提高柔性热水袋对增强材料的压力。

柔性热水袋310（也可以为热水袋）还可以为柔性沙袋进行模内压力成型。采用柔性热水袋或柔性沙袋的优势在于，可以克服使用压力罐太大以及机械压机体积太大的弊端、并且要与模具形状吻合的弊端。

保压固化可以采用常温或高温固化。要保证步骤c中的固化温度比步骤b中的温度高。可以理解，当步骤b采用的是低温技术，则步骤c对应采用常温固化。当步骤b采用常温技术，则步骤c采用高温固化。

具体在本实施方式中，采用柔性热水袋310，并装有热水，可以提供温度条件，热水温度为80-90度，则固化温度为80-90度，固化时间2-4小时。经保压固化处理后的超混杂复合材料130，叠合的各铺层之间平整、无皱折，层与层之间无直径大于0.5mm的气泡，增加超混杂复合材料130的刚度。复合材料成型时与温度及时间均有关系。一般的复合材料成型时，采用高压成型机成型，并需要额外的加热工具对高压成型机上的模具进行加热，从而对复合材料进行加热。然而，本发明采用柔性热水袋310进行低压成型即可，并且无需额外的加热工具，即加压及加热于一体，既满足了温度要求，又可以有效增加压力，可提高成型效率，节省成型成本。与传统的在模具上铺设铜管加热的办法相比，具有加热方式经济，受热均匀，加热效率倍增，能够达到理想的加热效果。

超混杂复合材料130设于模具300的模腔内。柔性热水袋310放置于模具300内，并抵接在超混杂复合材料130上。模具300内刷涂有脱模剂，方便以后脱模。

步骤d，进行高温后固化成型处理。具体在本实施方式中，高温为80～95度，后固化时间大于8小时。通过后固化处理能使复合材料的强度、刚度得到显著提高，从而减轻重量。这是目前国内复合材料制作工艺的一项技术创新，工艺优点效果显著。

步骤e，对高温后固化成型后的超混杂复合材料进行模脱模。剥离模具300，将固化成型后的超混杂复合材料130裸露出来。上述超混杂复合材料制作方法，金属纤维夹杂在纤维增强复合塑料层中，金属纤维的刚性和可拉伸性，能够较好的得到体现。并且上述超混杂复合材料制作方法中，原材料廉价且方便获取，完全实现模内再加压。并且，真空和再加压双保险，增强工艺压力，可以保证富树脂层均匀连续、纤维织物浸胶均匀，保证叠合的各铺层平整、无皱折，层与层之间无直径大于0.5mm的气泡，增加材料刚度。经测试，超混杂复合材料在相对于普通玻纤复合材料，抗冲击性能提高至2-3倍，耐磨损性能提高5-8倍。

根据上述超混杂复合材料制造方法制造得到的超混杂复合材料130的原料易得，成本低，重量小，耐撞、耐磨等性能显著提高。将超混杂复合材料130设于船体（图未示）外表面的吃水线以下区域上，金属纤维层位于纤维增强复合塑料层内远离船体一侧。由于超混杂复合材料130具有较好的刚度和拉伸强度，从而提高船体的吃水线下的耐撞性、耐磨性及耐腐蚀性。

可以理解，上述超混杂复合材料130不仅仅可以应用与船艇上，还可以应用于飞机、动车等装置上，同样可以提高飞机、动车等装置的耐撞性、耐磨性及耐腐蚀性。

上述超混杂复合材料130成型方法，原材料廉价且方便获取，完全实现模内再加压。并且，真空和再加压双保险，增强工艺压力，可以保证富树脂层均匀连续、纤维织物浸胶均匀，保证叠合的各铺层平整、无皱折，层层间无直径大于0.5mm的气泡，增加材料刚度。经测试，超混杂复合材料在相对于普通玻纤复合材料，抗冲击性能提高至2-3倍，耐磨损性能提高5-8倍。

若需要进一步形成防护复合结构120，则本发明实施方式的耐磨耐撞复合材料船体制造方法还包括如下步骤：

步骤S203，在涂刷了脱模剂的船体模具的模腔内壁对应于待成型耐磨耐撞复合材料船体的吃水线以上区域喷涂一层耐磨材料，形成耐磨层。具体在本实施方式中，耐磨层可以为聚脲层。

步骤S204，在耐磨层上铺上至少一层帘子布，并在至少一层帘子布上喷涂一层聚脲层，形成帘子布层。根据不同的韧性需要，帘子布可以为多层。

步骤S205，在帘子布层上铺上至少一层金属布，并在至少一层金属布上喷涂一层聚脲层，形成金属布层。金属布可以为钢丝网、硬度较高的合金丝网等。根据不同的刚性需要，金属布可以为多层。

步骤S206，若需要形成多层帘子布层或/及多层金属布层，则重复上述形成帘子布层的步骤或/及上述形成金属布层的步骤。根据不同的防护强度需要，金属布层与帘子布层可以间隔交替设置。

步骤S207，在金属布层覆涂一层防水材料材料，以形成防水层。防水材料可以为富树脂材料。形成待成型耐磨耐撞复合材料船体的外侧。

可以理解，上述成型方法不限于用于制造耐磨耐撞复合材料船体，也可用于制造其他产品。

上述耐磨耐撞复合材料船体制造方法主要采用模内成型的方式形成船艇主体，其外观漂亮，并且外表光滑，使得上述耐磨耐撞复合材料船体制造方法制得的耐磨耐撞复合材料船体表面减阻性好。

需要说明的是，抗磨型耐磨耐撞复合材料船体不限于采用模内成型工艺，也才采用直接喷涂成型的方式，即依次在船体的外表面喷涂成型防水层、金属布层、帘子布层及耐磨层。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种耐磨耐撞复合材料船体，其特征在于，包括：

船体，其主要由复合材料制成；及

超混杂复合材料，设于所述船体外表面的吃水线以下区域，所述超混杂复合材料包括纤维增强复合塑料层及夹于纤维增强复合塑料层内的金属纤维层，所述金属纤维层是经过采用用盐酸或乙酸处理金属纤维表面杂质后的金属纤维层，所述金属纤维层位于纤维增强复合塑料层内远离船体一侧；

防护复合结构，设于所述船体外表面的吃水线以上区域，所述防护结构包括：

防水层，位于所述船体的外表面上；

金属布层，位于所述防水层上，所述金属布层包括第二聚脲层及夹持于所述第二聚脲层内的金属布；

帘子布层，位于所述金属布层上，所述帘子布层包括第一聚脲层及夹持于所述第一聚脲层内的帘子布；及

耐磨层，位于所述帘子布层上；

其中，所述防水层、金属布层、帘子布层及耐磨层连接在一起。

2.如权利要求1所述的耐磨耐撞复合材料船体，其特征在于，所述防水层为富树脂层。

3.如权利要求1所述的耐磨耐撞复合材料船体，其特征在于，所述帘子布为多层。

4.如权利要求3所述的耐磨耐撞复合材料船体，其特征在于，所述金属布层为多层。

5.如权利要求4所述的耐磨耐撞复合材料船体，其特征在于，所述帘子布层与所述金属布层间隔交替设置。

6.一种耐磨耐撞复合材料船体制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供一船体模具；

在所述船体模具的模腔内壁对应于待成型耐磨耐撞复合材料船体的吃水线以下区域形成超混杂复合材料，所述超混杂复合材料包括纤维增强复合塑料层及夹于所述纤维增强复合塑料层内的金属纤维层，所述金属纤维层是经过采用用盐酸或乙酸处理金属纤维表面杂质后的金属纤维层，所述金属纤维层位于纤维增强复合塑料层内远离船体一侧；以及

形成防护复合结构，包括在涂刷了脱模剂的船体模具的模腔内壁对应于待成型耐磨耐撞复合材料船体的吃水线以上区域喷涂一层耐磨材料，形成耐磨层；

在耐磨层上铺上至少一层帘子布，并在至少一层帘子布上喷涂一层聚脲层，形成帘子布层；

在帘子布层上铺上至少一层金属布，并在至少一层金属布上喷涂一层聚脲层，形成金属布层；

在金属布层覆涂一层防水材料，以形成防水层。

7.如权利要求6所述的耐磨耐撞复合材料船体制造方法，其特征在于，在所述船体模具的模腔内壁对应于待成型耐磨耐撞复合材料船体的吃水线以下区域形成超混杂复合材料的步骤进一步包括：

对界面处理后的所述金属纤维、纤维增强复合塑料层所用的纤维进行浸胶或制成预浸料后铺放；

进行保压固化处理，采用柔性固化结构进行固化，柔性固化结构包括柔性热水袋及加压件，柔性热水袋的热水与外界加热系统连通；

高温后固化成型处理；及

对高温后固化成型后的超混杂复合材料进行脱模。