CN103303430A - 一种新型复合材料潜器结构及其制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明主要是提出一种新型复合材料的水下潜器的设计理念，给出了设计工艺。复合潜器的船体的外壳主要分为三层壳结构，分为外层(高强度碳纤维扰流层)，内层(高强度碳纤维包裹曾)以及复合夹层(预制的特殊工艺的浮力材料拼装粘合)。其主要的制作工艺包括：模具制作要求，外表层涂层制作，内部夹层材料填充，内表层涂层固定，潜器整体固定成型处理及空间填充。以该工艺制作的潜器自重轻，结构牢固，有较强的抗冲击力以及稳定的化学性质，抗老化能够适应温差较大的环境；提高潜器的载重能力，由于是非金属材料制成，因此具有较好的结构特性及复合效果，能够较好的应用于今后潜器发展，适应于各类民用以及军事领域。

Description

一种新型复合材料潜器结构及其制作工艺

(一)技术领域

本发明技术方案涉及潜器设计制造技术，特别是潜器船体材料及结构的的研制。设计机械设计、船体结构设计、材料配比、材料成型等技术。

(二)背景技术

水下蕴藏着丰富的资源及广阔的空间，在地面空间探索已经日渐成熟而水下空间对于人类来说还很陌生，因此对于水下技术的研究将会是未来技术发展的一个重要的分支。而潜水器则是水下研究必不可少的设备，是当前世界各国研究工作的热点。而当今我国潜器的船体材料单一，一般采用钢材、有色金属、玻璃纤维或者塑料等材料简单制作成型。这些单一材料制成的潜器的缺点是材料比重大，机械强度小，易破损不易维修，容易受到温差影响和化学腐蚀。而且这些材料制作的潜器体积庞大，灵活性较差，机械效率低载重能力不足，并且浪费能源。个别金属材料制成的潜器，容易产生电磁干扰，隐蔽性差，限制了其应用范围。

而在世界领域，各国均大力发展复合材料的应用并在潜水器设计领域进行试验。但大多是使用的结构过于传统，多数为骨架结构的流线型潜器，如需增加载重量则要靠提高潜器体积来达到，复合材料应用于船体上的也不够广泛只是在个别零部件上应用。对于浮力材料的应用也只是在结构之外的空间应用，由于传统艇体材料不能随意成型，造成潜器内部布局不合理，从而浪费空间较多，使潜器的发展遇到了瓶颈问题。

国内外研究现状及发展趋势

国内曾经有人在这方面进行了相关的设计，如《夹层玻璃钢船体的制造方法》公开号CN1110657A中提到的一种新型船体的设计，该种设计可以有效的提高船舶的抗沉没能力但是该种制造方法由于浮力夹层未增加碳纤维加固所以再对浮力层要求较高的水下该部分将不适合使用。而且中间的浮力材料采用的是发泡浮力材料无法适应深水高压的环境使用。

国外对水下潜器研究研究现状

国际上较为先进的水下潜器，康斯伯格公司推出的HUGIN系列潜水器，但是该潜水器的仍然采用金属外壳并且采用块状浮力材料布置在机潜器艇体空腔中。该种方法成型较难并且配平困难，需要经过大量的实验。

(三)发明内容

本发明的目的

本发明的目的就是提出一种新型的复合材料的潜器艇体结构，并给出其制造工艺，从而提供一种材料本身比重较轻，结构布局更为合理的潜器艇体结构；并且解决制造潜器材料的单一性所出现的问题，提供一种更加科学实用的潜器艇体的复合材料结构。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的技术方案：本发明的复合潜器艇体的外壳主要分为三层壳结构，分为上层(高强度碳纤维)，下层(高强度碳纤维)以及复合夹层(特殊工艺的浮力材料并配合碳纤维层加固)。其主要的制作工艺包括：模具制作流程，外表层涂层制作，内部夹层材料填充定型，内表层涂层固定，潜器整体固定成型处理及空间填充。

它的外表层和内表层是由高强度的碳纤维布和相应的树脂涂料所构成，厚度大概在3mm-5mm。在外表层内侧涂一层浮力材料。厚度根据结构所需要的的机械结构而定，大约后足在3mm---8mm。等浮力材料定型完毕后，在其表层再涂抹铺设一层碳纤维材料。这样使得其机械强度在内外都有很很大的提高。在潜器整体完成后在，对其内部空间添加浮力材料，利用以上基本设计方案，使得潜器的强度有个更大的提高，比重大大降低，整体的机械性能有了质的飞跃。

本发明的优点如下：1、复合程度高，该结构特点外壳及提供浮力并且又在增加浮力的同时增加了强度；2、布局合理，通过船壳加装浮力材料的方式解决了浮力材料固定的问题，令艇体受力均匀。3、成型容易，由于水下航行器对流线外形的需求，普通材料的成型困难并且成本高，采用该种拼接成型的方法可以很好的解决该问题；4、浮力材料承压能力强，因为玻璃微珠与树脂的高压成型工艺，令该材料具有良好的浮力、吸水力差、化学稳定性强并且承压强度，因此适合大水深的工作环境；

(四)附图说明

图1是潜器外形示意图；

图2是发明的潜器艇体外壳；

图3是发明的预制浮力材料；

图4是浮力材料码放后图；

图5装配后简图

图6内表层固定后示意图

(五)具体实施方式

1模具制作流程。可将潜器的分为上下两层壳单独进行模具制作，利用木材将潜器的基本构造进行制模，在其外表面进行高温树脂材料加工，在风干定型后进行抛光打磨，使其表面平整后通过2-3小时风干即可进行下一工序。亦可将模具分开几部分制作，使其能够拼接，提高模具利用率，在构造不同形态的潜器时可以通过不同的拼接组合，降低了模具的制作成本。

2外表层涂层制作。利用模具的光滑内侧，配制并涂刷底层树脂，铺设碳纤维，配制找平材料并对不平整处修复粘贴碳布(该过程包括：①设计要求的尺寸裁剪碳布；②配制浸渍树脂并均匀涂抹于所要粘贴构件；③沿着纤维方向多次滚压，挤除气泡，使浸渍树脂充分浸透碳布；④碳布的表面均匀涂抹浸渍树脂。)进行表面防护，待其风干硬化后进行下一步操作。

3内部夹层材料填充定型。首先根据艇体内腔外形确定浮力材形状，并分段。分段后设计模具，制作阴模具。用将刚刚配制好的浮力材料模具内部进行涂抹，使其均匀的分布于模具内侧，用压力器进行边缘压紧。在加热条件下进行干燥定型，使其定型。干燥后对部分进行修补整平处理。

4内表层涂层固定。在粘性树脂层外铺设剪裁好的碳布，配制找平材料并对不平整处修复粘贴碳布，用配制浸渍树脂涂抹碳纤维材料，进行滚压挤出气泡，使其与浮力材料充分接触进行粘合。平整修复并进行表面保护处理。用压力器进行最后的挤压，使其粘贴牢固，成为一个整体。并在外部增加隔离膜，用粘胶密封并覆盖真空袋，通过负压产生的压力来压牢内层玻璃纤维，待定型后取下真空袋。

5潜器整体固定成型处理及空间填充。脱模后对潜器整体进行修复打平，以及表面保护。在潜器剩余空间进行浮力材料的填充，潜器尾翼侧翼，空腔等处进行填充浮力材料。3-4小时后用浸泡粘性树脂的碳纤维材料进行密封，在密封条件下干燥5-6小时后就可进行细节修补处理，涂抹保护层。由于此复合材料制成的潜器机械强度大，中间可以无支撑支架，可以尽量多的空出空间安装仪器设备或者为载人潜器提供更大的空间效益。使得潜器的整体比重减轻，承载能力加强，整体受力均匀可操作性增强。

6复合浮力材料的主要配方及制造工艺：将直径为0.1-0.3mm，比重为0.05-0.09空心环氧球用环氧树脂粘结成两层空心玻璃微珠，总体的比重为0.13-0.15。将这种微珠放入容器中进行微幅震动，使其结合的更加紧密，排除内部空气泡，使得环氧树脂最大限度的充满环氧空心球与空心玻璃珠之间的空间。这种符合浮力材料整体与水比重小于0.4，质轻耐压性好，化学性质稳定，常压下吸水率低于2％。可以适应于潜器制造，可塑性强，便于应用于各类水下潜器的制作。

Claims (10)

1.一种适应于各种潜器及水下装备的复合结构设计，其主要特征在于：潜器外表层以及内表层为高强度纤维，其中间的浮力材料填充物。

2.根据权利要求1所述其中间浮力材料填充物特征为环氧空心球和附着在环氧树脂球之间的混合填充材料。

3.根据权利要求1，2所述，其中间浮力材料填充物为按配方制作浮力材料预制后码放。

4.根据权利要求1所述内外表层之间有碳纤维制成的网状框架。在潜器剩余空间处都填充浮力材料。

5.根据权利要求3所述的内外表层网状框架，其主要特征在于内外表层的纤维涂层可以是强度碳纤维布，抗拉弹性模量为23000～43000Mpa。

6.根据权利要求3所述的浮力材料填充，其主要特征在于在空余部分填充浮力材料为玻璃钢珠与环形树脂的混合物，其比重小于0.5。

7.根据权利要求3所述的复合材料潜器结构，其主要特征在于在内外表层之间有碳纤维制成的网状框架，材料是碳纤维制成也可是粘性树脂。

8.根据权利要求6所述的复合材料潜器结构，其主要特征在于：其所述的设计工艺外层涂层为树脂浸泡过的高强度碳纤维布。

9.根据权利要求5所述的剩余空间填充，其主要特征在于剩余空间包括潜器尾翼侧翼，暗层暗仓等部分。

10.复合材料潜器结构的设计制作工艺，其主要特点在于：模具制作过程，外表层涂层制作，内部夹层材料填充定型，内表层涂层固定，潜器整体固定成型处理及空间填充；在所述的模具制作过程中，采用高温定型塑料树脂制成，外表层涂层制作中，将模具表面处理，配制并涂刷底层树脂，配制找平材料并对不平整处修复粘贴碳布(①设计要求的尺寸裁剪碳布；②配制浸渍树脂并均匀涂抹于所要粘贴构件；③沿着纤维方向多次滚压，挤除气泡，使浸渍树脂充分浸透碳布/芳纶布；④碳布/芳纶布的表面均匀涂抹浸渍树脂。)进行表面防护。 

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