CN105620693A - 一种新型碳纤维高分子复合材料耐压舱体及其制作工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型碳纤维高分子复合材料耐压舱体，该耐压舱体包括圆筒状的舱体和位于舱体两端的端盖7两个部分，其特征在于：所述的舱体由内至外依次为内防护层1、碳纤维筒体2、防渗层3、外防护层4，舱体两端通过连接件5和密封圈6与端盖7密封连接，且舱体与连接件5胶接，本发明同时公开了如上所述的一种新型碳纤维高分子复合材料耐压舱体的制作工艺，包括如下步骤：模具准备，胶料配制，碳纤维筒体缠绕、固化、与连接件的胶接、防渗层的加工、防护层的加工、装配端盖；该碳纤维高分子复合材料耐压舱体可满足深海高低温恶劣压环境使用，解决了复合材料高压状态下渗漏和密封问题，耐压强度高。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种深海用新型耐压舱体，尤其是一种新型碳纤维高分子复合材料制作的耐压舱体及该耐压舱体的制作工艺。
背景技术
目前，随着陆地上资源的日渐匮乏以及深海开发技术的不断进展，各国纷纷将目光投向深海大洋，石油、可燃冰、锰结核、富钴结壳、热液硫化物、生物基因库等等，人类向海洋进军的脚步日渐深入，深海资源勘查技术正向着大深度、近海底的方向发展。根据目前的勘探和开发能力，我国以500米为界来划分浅海和深海。深海资源主要包括深海油气资源、深海矿产资源、深海生物及基因资源。相对于浅海资源的开发，我国深海资源的勘探和开发仍然处于起始阶段。深海开发技术的核心问题是如何解决由于水深造成的低温、高压、环境恶劣、作业条件复杂下的一系列开发技术问题。21世纪中后叶，人类将进入开发利用海洋的新时代，海洋资源对人类社会可持续发展越来越重要，在尽量降低对环境影响的前提下，大力发展深海开发技术有着十分重要的意义，开发一种新型材料耐压壳体以满足深海条件下正常工作尤为重要。
据了解，传统的深海耐压舱主要采用锻钢及铝、钛合金等金属材料制作，技术相对成熟。而用碳纤维和高分子树脂等轻型复合材料制作的耐压舱，重量可比同规格的金属舱减少40%~60%，这就意味着在深海探测中可搭载更多的科学仪器，具有优越的性能价格比。由于轻型高分子复合材料具有耐高压、高温的优良性能，其在航海、航空和航天等领域中有着广泛的应用。
碳纤维复合材料也叫碳纤维增强复合材料，其是以碳纤维织物增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或者橡胶为基体所形成的复合材料，简称碳纤维复合材料，用碳纤维制备高级复合材料构件，通常都以碳纤维织物为增强体，其他物质作为基体采用铺层或模压工艺成型，其密度低，热膨胀系数小，比热容高，耐热烧蚀的性能好。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明的目的是要提供一种新型的碳纤维高分子复合材料耐压舱体及该舱体的制作工艺，该新型耐压舱体的结构更加可靠，而且通过该制作工艺得出的耐压舱体的性能更加优越，完全可以适用于水深造成的低温、高压、环境恶劣的工作环境。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种新型碳纤维高分子复合材料耐压舱体，该耐压舱体包括圆筒状的舱体和位于舱体两端的端盖7两个部分，其特征在于：所述的舱体由内至外依次为内防护层1、碳纤维筒体2、防渗层3、外防护层4，舱体两端通过连接件5和密封圈6与端盖7密封连接，且舱体与连接件5胶接。
进一步地，所述的内防护层1丁晴橡胶改性的环氧树脂和外防护层4的材质为超高分子量聚乙烯材质，其厚度为2~3mm，该厚度范围可根据使用环境确定，防渗层3的材质为经过丁晴橡胶改性的环氧树脂或聚氨酯弹性体中的一种。
进一步地，所述的端盖7为椭球形端盖，其长短轴比为2。
优选地，所述的端盖7的材质为钛合金或铝合金。
进一步优选地，所述的端盖7的材质为七系铝合金7505-T6。
进一步地，所述的碳纤维筒体2为由T700S和M40J两种材料缠绕制备而成。
本发明同时公开了如上所述的一种新型碳纤维高分子复合材料耐压舱体的制作工艺，其特征在于该制作工艺包括以下步骤：
A模具准备：首先根据舱体的图纸要求，加工耐压舱体用的碳纤维桶体2的模具，模具为碳钢经机械加工、磨削而成；然后将模具安装至全自动四轴碳纤维缠绕机上，模具外表面喷涂液体石蜡作为隔离剂。
B胶料配制：按照环氧树脂：固化剂：添加剂=100:80~90:0.6~0.8的重量比，依次将环氧树脂、固化剂、添加剂投入到混料机中，用搅拌器按照200-300转/分钟进行连续定向匀速搅拌10-15分钟，得到混合胶体。
C碳纤维筒体缠绕：将步骤B中制得的混合胶体缓慢投入到水浴加热的浸胶槽内，混合胶体温度控制在50-60℃；在张力器的作用下，将碳纤维丝通过浸胶槽，使胶液充分浸润到纤维内，按照力学要求和增强纤维的铺层设计，将浸好混合胶体的碳纤维T700S和M40J按照不同的角度，螺旋、环向的混合形式缠绕在步骤A的模具上，达到一定层数和厚度；其中，在缠绕过程中的张力控制在100-200N,并根据铺层厚度逐渐递减，以保证整个壳体含胶量为25-30%。
D碳纤维筒体的固化：将步骤C缠绕完成的碳纤维筒体连同模具一起放入固化炉内进行旋转离心固化，其整个固化过程中的模具及工件为离心旋转状态，离心速率为75-100转/分钟，匀速状态，并提供热风内循环，其固化步骤如下:
1:在30-40分钟内将固化炉温度升至80-90°C,并在此温度下固化100-120分钟；
2:在30分钟内将固化炉温度升至120-130°C，保温100-120分钟后，将固化炉温度升至160°C，保温240分钟；
3:自然降温到80°C后，脱模备用。
E碳纤维筒体与连接件的胶接：将步骤D固化好的碳纤维筒体通过机械加工达到图纸要求的尺寸，然后将事先按技术要求加工完成的连接件胶接面进行喷砂处理，用改性环氧树脂胶粘剂将壳体与两端连接进行胶接固化，并至固化后将胶接件按照图纸加工到所需尺寸。
F碳纤维筒体防渗层的加工：首先将加工好的碳纤维筒体表面用100目细砂轮磨削，再用二氯甲烷溶剂清洗后，然后用去离子水清洗，并在60-70°C环境下烘干后，在碳纤维舱体表面涂刷偶联剂，室温下停放20-30分钟使表面偶联剂挥发干燥，最后将经过丁晴橡胶改性的环氧树脂或聚氨酯弹性体中的一种材质喷涂、固化在耐压舱体表面，形成防渗层，并进行气密性试验。
G碳纤维筒体外防护层的加工：将超高分子量聚乙烯根据需要加工成管材，管材内径比耐压舱壳体外径小2-3mm，管材内表面进行电晕活化处理，将步骤F通过气密试验合格的碳纤维筒体清洗干净后和高分子聚乙烯管材放到热风循环的烘箱内加热，烘箱温度控制在70-80°C,加热至超高分子聚乙烯管膨胀未变形，然后将碳纤维筒体表面涂刷粘胶剂，将热膨胀的超高分子聚乙烯管材套在耐压壳体表面，放入烘箱内固化110-120℃，旋转保温40分钟，自然降温至常温，超高分子聚乙烯管冷却收缩使其与碳纤维筒体紧密结合；按图纸加工到所需尺寸。
H碳纤维筒体内防护层的加工：将组装好的筒体，经加热炉加热到50-60℃.将经丁晴橡胶改性的环氧树脂均匀地喷涂到筒体内壁，厚度为0.5-0.6mm，在80℃温度下固化40-60分钟，形成内防护层。
I装配端盖：将端盖通过连接件装配到碳纤维筒体上，端盖与连接件之间设置多个密封圈。
进一步地，如上步骤B中的环氧树脂为E51，固化剂为甲基四氢苯酐，添加剂为DMP-30促进剂，其质量配比为：E51：甲基四氢苯酐：DMP-30=100:80~90:0.6~0.8
与现有技术相比，本发明提供的新型碳纤维高分子复合材料耐压舱体的结构和制作工艺与众不同，该碳纤维高分子复合材料耐压舱体主要特征为：第一、采用高强度，高弹性模量的碳纤维复合材料为耐压舱体的基体，以满足深海高压环境使用，第二、采用高分子弹性材料，解决了复合材料高压状态下渗漏和密封问题，第三、舱体外层加装由耐磨、耐低温、抗冲击材料超高分子量聚乙烯制造的内、外防护层，以满足深海低温恶劣的工作环境。第四、两端采用经过优化设计椭球形端盖，以提高耐压强度。该碳纤维高分子复合材料耐压舱体的重量可比同规格的金属舱减少40%-60%，这就意味着在深海探测中可搭载更多的科学仪器，具有优越的性能价格比，由于轻型高分子复合材料具有耐高压、高温的优良性能，其在航海、航空和航天等领域中有着广泛的应用，目前使用此项技术制作的系列耐压舱已具备耐深海3000米高压的能力，使用该技术制作的轻型复合材料深海耐压舱，也可作为通用耐压容器，广泛地用于ROV（RemoteOperatedVehicle，遥控潜器）、AUV（AutonomousUnderwaterVehicle，自主式水下潜器）、潜标、水下滑翔机等多种海洋观测平台。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图1为本技术方案中耐压舱体的结构示意简图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
如图1所示，一种新型碳纤维高分子复合材料耐压舱体，该耐压舱体包括圆筒状的舱体和位于舱体两端的端盖两个部分，其特征在于：所述的舱体由内至外依次为内防护层、碳纤维桶体、防渗层、外防护层，舱体两端通过连接件和密封圈与端盖密封连接，且舱体与连接件胶接。内防护层经过丁晴橡胶改性的环氧树脂和外防护层的材质为超高分子量聚乙烯材质，其厚度为2~3mm，该厚度范围可根据使用环境确定，防渗层的材质为经过丁晴橡胶改性的环氧树脂或聚氨酯弹性体中的一种，端盖7为椭球形端盖，其长短轴比为2，端盖的材质为钛合金或铝合金，优选材质为七系铝合金7505-T6；碳纤维筒体为由T700S和M40J两种材料缠绕制备而成。
其中，7系铝合金属Al-Zn-Mg-Cu系超硬铝，该合金是20世纪40年代末期就已应用于飞机制造业，至今仍在航空工业上得到广泛应用的超高强度变形铝合金。其特点是，固溶处理后塑性好，热处理强化效果特别好，在150℃以下有高的强度，并且有特别好的低温强度；焊接性能差；有应力腐蚀开裂倾向；需经包铝或其他保护处理使用。双级时效可提高合金抗应力腐蚀开裂的能力。在退火和刚淬火状态下的塑性稍低于同样状态的2A12.稍优于7A04，板材的静疲劳.缺口敏感，应力腐蚀性能优于7A04.密度为2.75。
碳纤维复合材料耐压舱体通过有限元力学分析，耐压舱筒体主要是环向失稳和环向、轴向强度，体复合材料的铺层设计需满足强度要求下，提高环向弹性模量。碳纤维复合材料增强材料采用T700S，M40J两种材料缠绕制备，筒体两端连接件和端盖材料均为铝合金7075-T6，胶体为环氧树脂E51及固化剂WH-1或甲基四氢苯酐、促进剂DMP-30等添加剂；其材料性能如下表1：
表1碳纤维基本性能
本发明同时公开了如上所述的一种新型碳纤维高分子复合材料耐压舱体的制作工艺，其特征在于该制作工艺包括以下步骤：
A模具准备：首先根据舱体的图纸要求，加工耐压舱体用的碳纤维桶体2的模具，模具为碳钢经机械加工、磨削而成；然后将模具安装至全自动四轴碳纤维缠绕机上，模具外表面喷涂液体石蜡作为隔离剂。
B胶料配制：按照环氧树脂：固化剂：添加剂=100:80~90:0.6~0.8的重量比，依次将环氧树脂、固化剂、添加剂投入到混料机中，用搅拌器按照200-300转/分钟进行连续定向匀速搅拌10-15分钟，得到混合胶体。
C碳纤维筒体缠绕：将步骤B中制得的混合胶体缓慢投入到水浴加热的浸胶槽内，混合胶体温度控制在50-60℃；在张力器的作用下，将碳纤维丝通过浸胶槽，使胶液充分浸润到纤维内，按照力学要求和增强纤维的铺层设计，将浸好混合胶体的碳纤维T700S和M40J按照不同的角度，螺旋、环向的混合形式缠绕在步骤A的模具上，达到一定层数和厚度，满足其强度要求；其中，在缠绕过程中的张力控制在100-200N,并根据铺层厚度逐渐递减，以保证整个壳体含胶量为25-30%。
D碳纤维筒体的固化：将步骤C缠绕完成的碳纤维筒体连同模具一起放入固化炉内进行旋转离心固化，其整个固化过程中的模具及工件为离心旋转状态，离心速率为75-100转/分钟，匀速状态，并提供热风内循环，其固化步骤如下:
1、在30-40分钟内将固化炉温度升至80-90°C,并在此温度下固化100-120分钟；
2、在30分钟内将固化炉温度升至120-130°C，保温100-120分钟后，将固化炉温度升至160°C，保温240分钟；
3、自然降温到80°C后，脱模备用。
E碳纤维筒体与连接件的胶接：将步骤D固化好的碳纤维筒体通过机械加工达到图纸要求的尺寸，然后将事先按技术要求加工完成的连接件胶接面进行喷砂处理，用改性环氧树脂胶粘剂将壳体与两端连接进行胶接固化，并至固化后将胶接件按照图纸加工到所需尺寸。
F碳纤维筒体防渗层的加工：首先将加工好的碳纤维筒体表面用100目细砂轮磨削，再用二氯甲烷溶剂清洗后，然后用去离子水清洗，并在60-70°C环境下烘干后，在碳纤维筒体表面涂刷偶联剂，室温下停放20-30分钟使表面偶联剂挥发干燥，最后将经过丁晴橡胶改性的环氧树脂或聚氨酯弹性体中的一种材质喷涂、固化在耐压筒体表面，形成防渗层，并进行气密性试验。由于碳纤维增强缠绕成型工艺制作的耐压舱体，虽然能满足强度需求，但在较高的外压作用下，渗漏是造成耐压舱体无法正常使用的主要原因，因此该耐压舱体碳纤维筒体的防渗层加工尤为重要，该步骤中的固化工艺可根据防渗材料的需求进行操作。
G碳纤维筒体外防护层的加工：将超高分子量聚乙烯根据需要加工成管材，管材内径比耐压舱壳体外径小2-3mm，管材内表面进行电晕活化处理，将步骤F通过气密试验合格的碳纤维筒体清洗干净后和高分子聚乙烯管材放到热风循环的烘箱内加热，烘箱温度控制在70-80°C,加热至超高分子聚乙烯管膨胀未变形，然后将碳纤维筒体表面涂刷粘胶剂，将热膨胀的超高分子聚乙烯管材套在耐压壳体表面，放入烘箱内固化110-120℃，旋转保温40分钟，自然降温至常温，超高分子聚乙烯管冷却收缩使其与碳纤维桶体紧密结合；按图纸加工到所需尺寸。
H碳纤维筒体内防护层的加工：将组装好的筒体，经加热炉加热到50-60℃.将经丁晴橡胶改性的环氧树脂均匀地喷涂到筒体内壁，厚度为0.5-0.6mm，在80℃温度下固化40-60分钟，形成内防护层。
由于耐压舱体工作外部环境十分恶劣，耐压舱体外必须加装防护层，以防止外力对壳体的撞击，造成表面防渗层损坏，因此选择抗冲击强度较高的超高分子量聚乙烯作为外防护层材料非常适合，既能满足强度需求，又能满足塑性变形需要。
I装配端盖：将端盖通过连接件装配到碳纤维筒体上，端盖与连接件之间设置多个密封圈。
传统的两端密封端盖一般采用平板形式，加工最简单，但是受力形式最差，需要的厚度最大，通过优化设计，本技术方案中的端盖采用椭球形端盖，形成标准椭球形封头，即长短轴比为2。密封端盖与筒体连接采用端面与轴向结合的双向密封，这样，既防止了材料在低压时塑性变形产生泄漏，又满足了较高的外压条件下密封需要。端盖材料为铝合金7075-T6，其材料性能如下：
表2,铝合金7075-T6材料性能
其中，如上步骤B中的环氧树脂为E51，固化剂为甲基四氢苯酐，添加剂为DMP-30促进剂，其质量配比为：E51：甲基四氢苯酐：DMP-30=100:80~90:0.6~0.8。
另外，该制作工艺中用到多个生产设备，其主要生产设备为：全自动四轴碳纤维缠绕机、数控张力传感器、超高分子量聚乙烯管材挤出机、浸胶机、自动调温固化炉等。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种新型碳纤维高分子复合材料耐压舱体，该耐压舱体包括圆筒状的舱体和位于舱体两端的端盖（7）两个部分，其特征在于：所述的舱体由内至外依次为内防护层（1）、碳纤维筒体（2）、防渗层（3）、外防护层（4），舱体两端通过连接件（5）和密封圈（6）与端盖（7）密封连接，且舱体与连接件（5）胶接。
2.根据权利要求1所述的一种新型碳纤维高分子复合材料耐压舱体，其特征在于：所述的内防护层（1）材料为丁晴橡胶改性的环氧树脂和外防护层（4）的材质为超高分子量聚乙烯材质，其厚度为2~3mm，防渗层（3）的材质为经过丁晴橡胶改性的环氧树脂或聚氨酯弹性体中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种新型碳纤维高分子复合材料耐压舱体其特征在于：所述的端盖（7）为椭球形端盖，其长短轴比为2。
4.根据权利要求3所述的一种新型碳纤维高分子复合材料耐压舱体，其特征在于：所述的端盖（7）的材质为钛合金或铝合金。
5.根据权利要求4所述的一种新型碳纤维高分子复合材料耐压舱体，其特征在于：所述的端盖（7）的材质为七系铝合金7505-T6。
6.根据权利要求1所述的一种新型碳纤维高分子复合材料耐压舱体，其特征在于：所述的碳纤维桶体（2）为由T700S和M40J两种材料缠绕制备而成。
7.一种新型碳纤维高分子复合材料耐压舱体的制作工艺，其特征在于该制作工艺包括以下步骤：
A．模具准备：首先根据舱体的图纸要求，加工耐压舱体用的碳纤维桶体的模具，模具为碳钢经机械加工、磨削而成；然后将模具安装至全自动四轴碳纤维缠绕机上，模具外表面喷涂液体石蜡作为隔离剂；
B．胶料配制：按照环氧树脂：固化剂：添加剂=100:80~90:0.6~0.8的重量比，依次将环氧树脂、固化剂、添加剂投入到混料机中，用搅拌器按照200-300转/分钟进行连续定向匀速搅拌10-15分钟，得到混合胶体；
C．碳纤维筒体缠绕：将步骤B中制得的混合胶体缓慢投入到水浴加热的浸胶槽内，混合胶体温度控制在50-60℃；在张力器的作用下，将碳纤维丝通过浸胶槽，使胶液充分浸润到纤维内，按照力学要求和增强纤维的铺层设计，将浸好混合胶体的碳纤维T700S和M40J按照不同的角度，螺旋、环向的混合形式缠绕在步骤A的模具上，达到一定层数和厚度；其中，在缠绕过程中的张力控制在100-200N,并根据铺层厚度逐渐递减，以保证整个壳体含胶量为25-30%；
D．碳纤维筒体的固化：将步骤C缠绕完成的碳纤维筒体连同模具一起放入固化炉内进行旋转离心固化，其整个固化过程中的模具及工件为离心旋转状态，离心速率为75-100转/分钟，匀速状态，并提供热风内循环，其固化步骤如下:
在30-40分钟内将固化炉温度升至80-90°C,并在此温度下固化100-120分钟；
在30分钟内将固化炉温度升至120-130°C，保温100-120分钟后，将固化炉温度升至160°C，保温240分钟；
自然降温到80°C后，脱模备用；
E．碳纤维筒体与连接件的胶接：将步骤D固化好的碳纤维筒体通过机械加工达到图纸要求的尺寸，然后将事先按技术要求加工完成的连接件胶接面进行喷砂处理，用改性环氧树脂胶粘剂将壳体与两端连接进行胶接固化，并至固化后将胶接件按照图纸加工到所需尺寸；
F．碳纤维筒体防渗层的加工：首先将加工好的碳纤维筒体表面用100目细砂轮磨削，再用二氯甲烷溶剂清洗后，然后用去离子水清洗，并在60-70°C环境下烘干后，在碳纤维筒体表面涂刷偶联剂，室温下停放20-30分钟使表面偶联剂挥发干燥，最后将经过丁晴橡胶改性的环氧树脂或聚氨酯弹性体中的一种材质喷涂、固化在耐压筒体表面，形成防渗层，并进行气密G．碳纤维筒体防护层的加工：将超高分子量聚乙烯根据需要加工成管材，管材内径比耐压舱筒体外径小2-3mm，管材内表面进行电晕活化处理，将步骤F通过气密试验合格的碳纤维桶体清洗干净后和高分子聚乙烯管材放到热风循环的烘箱内加热，烘箱温度控制在70-80°C,加热至超高分子聚乙烯管膨胀未变形，然后将碳纤维筒体表面涂刷粘胶剂，将热膨胀的超高分子聚乙烯管材套在耐压壳体表面，放入烘箱内固化110-120℃，旋转保温40分钟，自然降温至常温，超高分子聚乙烯管冷却收缩使其与碳纤维桶体紧密结合；按图纸加工到所需尺寸；
H．碳纤维筒体内防护层的加工：将组装好的筒体，经加热炉加热到50-60℃.将经丁晴橡胶改性的环氧树脂均匀地喷涂到筒体内壁，厚度为0.5-0.6mm，在80℃温度下固化40-60分钟，形成内防护层；
I．装配端盖：将端盖通过连接件装配到碳纤维桶体上，端盖与连接件之间设置多个密封圈。
8.根据权利要求7所述的一种新型碳纤维高分子复合材料耐压舱体的制作工艺，其特征在于：步骤B中的环氧树脂为E51，固化剂为甲基四氢苯酐，添加剂为DMP-30促进剂，其质量配比为：E51：甲基四氢苯酐：DMP-30=100:80~90:0.6~0.8。
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