CN112341205A - 一种硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒及承压壳体 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒、承压壳体，复合材料承压筒包括增强材料和基体材料；增强材料为硼纤维编织物；基体材料为Si‑B‑N陶瓷。硼纤维编织物单层厚度为0.2‑0.5mm，共10‑50层。该承压筒采用高模量的硼纤维增强陶瓷材料制作，硼纤维具有极高的压缩强度和压强模量，适合于承受外压载荷带来的失稳问题，可大大减小筒体的壁厚，Si‑B‑N陶瓷材料具有低吸水率、高致密性，通过高温固化，使陶瓷基体将纤维材料紧密连接，制得的复合材料承压筒具有优异的防水和耐腐蚀性能。

Description

一种硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒及承压壳体
技术领域
本发明属于海洋技术装备领域，具体涉及一种硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒及承压壳体。
背景技术
水下运载器在海洋开发和军事战争中发挥着越来越重要的作用。随着陆地资源的枯竭，世界各国高度重视海洋资源的开发和利用，水下运载器被用于海洋环境监测、海洋资源开发和海洋科学研究等。同时，水下运载器也成为世界各国军事装备的研发重点，在水下侦察、探测识别、猎扫雷和打捞回收等作战任务中发挥着作用。由于工作环境的复杂性，水下运载器可能会出现能源耗尽、机体损伤、渗漏失效等故障，而急需快速浮出水面。自动上浮装置能够帮助水下运载器快速浮出水面，保护数据和设备装置。水下运载器的自动上浮装置由传感器、中央控制器、点火器、气囊和承压壳体等组成。上浮装置的承载壳体需要承受长期深海外压载荷和燃气快速释放时的内压冲击。
目前，承压壳体大多采用高强度钢、铝合金和钛合金等金属材料制作，存在重量大、耐腐蚀性差和透声效果差等问题。近年来，也有的公司或研究机构尝试采用碳纤维增强高分子复合材料来制作耐压舱体。如，公开号为CN105620693A的专利提供了一种新型碳纤维高分子复合材料耐压舱体及其制作工艺，该舱体采用碳纤维增强高分子复合材料的耐压舱体结构，制作工艺为：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，装配端盖等。公开号为CN103303430A的专利提供了一种新型复合材料潜器结构及其制作工艺，复合潜器的外壳包括外层的高强度碳纤维扰流层，内层的高强度碳纤维包裹层，以及复合夹层。然而，上述纤维增强树脂基复合材料壳体存在厚度大、吸水率大、外涂层材料易损坏发生渗漏等问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒及承压壳体，承压筒采用高模量的硼纤维增强陶瓷材料制作，其中，硼纤维的模量通常为400Gpa，高于金属材料(模量为210GPa)和碳纤维复合材料(模量为130GPa)，可以达到减小筒体壁厚，提高内腔容积的目的；基体材料采用陶瓷材料，具有低吸水率和高致密性的效果。
为了解决上述问题，本发明的一个方面提供一种硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒，包括增强材料和基体材料；所述增强材料为硼纤维编织物；所述基体材料为Si-B-N陶瓷。
优选地，所述硼纤维编织物单层厚度为0.2-0.5mm，共10-50层。
优选地，所述硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒的制备方法包括以下步骤：
S1.在模具表面进行硼纤维编织成型，得到硼纤维预成型体；
S2.将所述硼纤维预成型体置于Si-B-N陶瓷前驱体溶液中进行浸渍；
S3.将步骤S2中浸渍后的硼纤维预成型体固化成型；
S4.对步骤S3得到的固化成型后的产品进行脱模，得到所述硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒。
优选地，步骤S2中，所述Si-B-N陶瓷前驱体溶液的浓度为38％-74％。
优选地，步骤S2中，所述Si-B-N陶瓷前驱体溶液的制备方法包括：
将六甲基二硅氮烷溶于四氯化碳溶剂中形成溶液，然后将三氯化硼和三氯硅烷加入到溶液中，于80～90℃下加入催化剂三氯化铝，反应不少于8h，得到所述Si-B-N陶瓷前驱体溶液，其中六甲基二硅氮烷、三氯化硼和三氯硅烷的质量比为100:75:35。
优选地，步骤S2中，所述硼纤维预成型体浸渍时温度为50-80℃，压力为0.2-0.8MPa，浸渍时间不少于90min。
优选地，步骤S3中，固化成型时，固化制度为：首先室温升温至400-600℃并保温1-3小时；然后升温至1000-1200℃并保温2-4小时；最后升温至1300-1400℃并保温4-6小时。
优选地，步骤S1中，还包括在硼纤维编织成型之前，在硼纤维表面先浸渍聚乙烯醇溶液，并烘干。
本发明的另一方面提供一种复合材料承压壳体，包括：
上述的硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒、堵盖、连接销钉和密封圈，所述堵盖设于所述硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒的两端，并通过连接销钉与所述硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒连接，所述堵盖与所述硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒之间设置所述密封圈。
优选地，堵盖采用轻质高纯致密陶瓷材料制成。
本发明的再一方面提供一种水下运载器的自动上浮装置，包括：
上述的复合材料承压壳体、传感器、中央处理器、点火器、燃气发生器、气囊；所述传感器、中央处理器、点火器、燃气发生器、气囊设于所述复合材料承压壳体中；所述中央处理器与所述传感器、所述点火器分别电连接，所述点火器适于点火引发所述燃气发生器，所述燃气发生器适于为所述气囊提供气体。
本发明的再一方面提供一种水下运载器，包括上述的水下运载器的自动上浮装置。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明的硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒，由硼纤维编织物和陶瓷前驱体组成，其中，硼纤维具有极高的压缩强度和压强模量，适合于承受外压载荷带来的失稳问题，可大大减小筒体的壁厚，Si-B-N陶瓷材料具有低吸水率、高致密性，通过高温固化，使陶瓷基体将纤维材料紧密连接，制得的复合材料承压筒具有优异的防水和耐腐蚀性能；
2.本发明的复合材料承压壳体、水下运载器的自动上浮装置，采用硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒作为筒体，堵盖与承压筒采用橡胶密封圈密封，采用金属销钉连接，承压壳体承压性能好、壁厚小、重量轻、耐腐蚀性好、透声性好。
附图说明
图1是本发明实施例4所述的水下运载器的自动上浮装置的结构示意图。
其中：1-复合材料承压壳体；11-硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒；12-堵盖；13-连接销钉；14-密封圈；2-传感器；3-中央处理器；4-燃气发生器；5-气囊。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例所述的硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒，直径为300mm，其中，硼纤维材料采用美国TEXTRON SYSTEMS公司的TS100型号；基体材料为Si-B-N陶瓷先驱体，采用如下制备方法制备：
S0.制备模具，模具用于支撑承压筒成型，外径与复合材料承压筒的内径一致；用于制作模具的材质为耐高温、低膨胀的碳/碳复合材料；模具在使用前进行表面处理，在模具表面涂覆硅脂、润滑剂等脱模材料；
S1.硼纤维编织预成型体，为减小纤维磨损，在硼纤维表面先浸渍一层聚乙烯醇溶液(浓度35％)，在120℃下烘干2h，在纤维表面形成一层保护膜，然后在所述模具表面按照一定的螺旋角度，采用三维织机进行编织成型，第一层纤维与模具轴向夹角88°，厚度0.2mm，第二层纤维与模具轴向夹角25°厚度0.4mm，之后按照88°和25°交替进行，共编织15层，形成9mm厚的纤维层，然后在105℃烘干12h，脱除水分，得到硼纤维预成型体；
S2.陶瓷前驱体浸润，首先制备Si-B-N陶瓷前驱体，将六甲基二硅氮烷溶于四氯化碳溶剂中形成溶液，然后将三氯化硼和三氯硅烷加入到溶液中，于80℃下加入催化剂三氯化铝，反应8h得到所述Si-B-N陶瓷前驱体溶液，其中六甲基二硅氮烷、三氯化硼和三氯硅烷的质量比为100:75:35。然后采用采用浓度为60％的Si-B-N陶瓷前驱体，将制备好的硼纤维编织预成型体浸渍到Si-B-N陶瓷前驱体中，浸渍温度为60℃，压力为0.5MPa，保存90min；
S3.硼纤维预成型体固化成型，采用专用的高温高压固化炉对浸渍后的硼纤维预成型体固化成型，固化烧结制度为：从室温升温到500℃，并保温2小时，然后升温到1150℃，保温3小时，最后升温到1300℃，并保温5小时，升温速率为0.5℃～2℃/分钟。通过高温固化使材料脱除溶剂，形成坚硬的固体化合物，同时，在温度控制过程中所述硼纤维的表面会与所述陶瓷材料进一步浸润，产生物理和化学结合力，两种材料在复合效应作用下生成高强度的结构层，材料制作经历高温过程后，能够有效降低内应力，避免产生内部缺陷，提高使用可靠性；
S4.对步骤S3得到的固化成型后的产品进行脱模，可以采用脱模机对所述模具施加拉伸牵引力，将所述模具从产品内部拔出，得到所述硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒；
S5.机械加工，对脱模后的所述结构层的端面和配合面进行加工；以便于后期处理和安装；所述机械加工包括但不限于切割、抛光、打磨。
实施例2
本实施例的硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒，直径为150mm，制备方法中，其余步骤与实施例1均相同，不同的是，步骤S1中，硼纤维编织预成型体时，采用三维织机进行编织成型，第一层纤维与模具轴向夹角85°，厚度0.2mm，第二层纤维与模具轴向夹角20°厚度0.4mm，之后按照85°和20°交替进行，共编织18层，形成10mm厚的纤维层；步骤S2中，采用浓度为55％的Si-B-N陶瓷前驱体。
实施例3
本实施例的硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒，直径为300mm，制备方法中，其余步骤与实施例1均相同，不同的是，步骤S1中，硼纤维编织预成型体时，采用三维织机进行编织成型，第一层纤维与模具轴向夹角75°，厚度0.3mm，第二层纤维与模具轴向夹角35°厚度0.3mm，之后按照75°和35°交替进行，共编织20层，形成11mm厚的纤维层。
实施例4
如图1所示，本实施例所述的水下运载器的自动上浮装置，包括：
复合材料承压壳体1、传感器2、中央处理器3、点火器、燃气发生器4、气囊5；传感器、中央处理器、点火器、燃气发生器、气囊设于复合材料承压壳体中；中央处理器与传感器、点火器分别电连接，点火器适于点火引发燃气发生器，燃气发生器适于为气囊提供气体。水下运载器的自动上浮装置的工作原理是：当作业状态下的水下运载器遇到突发状况时，传感器接收到来自内部的报警信号或外部声呐命令信号，并实时传递到中央处理器，进而激活点火器，点火器点火引发燃气发生器，瞬间产生大量气体，使气囊迅速膨胀后将壳体盖子弹开，随后气囊在运载器上部展开，使浮力大于重量，最后运载器在正浮力的作用下浮出水面。
其中，复合材料承压壳体1，包括：
硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒11、堵盖12、连接销钉13和密封圈14，堵盖12设于硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒11的两端，并通过连接销钉13与硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒11连接，堵盖12与硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒11之间设置密封圈14。其中，堵盖采用轻质高纯致密陶瓷材料经等静压烧结工艺成型，其材质主要化学成分包括氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆等。密封圈主要起到水压密封的作用，截面形状为圆形的O型结构，其材质为硅橡胶、氟橡胶或乙丙橡胶，通过挤压堵盖和承压筒的界面压缩变形，起到密封作用。连接销钉用于固定承压筒和堵盖。当应急上浮系统的组件安装到位后，采用连接销钉将堵盖和承压筒固定。连接销钉的材质为金属铜，其特点是带有应力槽，当承受一定的载荷时，销钉会剪切破坏，从而推出堵盖，释放气囊。
对比例1
本对比例的承压筒为与实施例1同尺寸、同规格的由铝合金制成的承压筒。
对比例2
本对比例的承压筒为与实施例1同尺寸、同规格的由高强度钢制成的承压筒。
对比例3
本对比例的承压筒为与实施例1同尺寸碳纤维增强环氧树脂复合材料制成的承压筒，制备方法为：
S1.制备模具，采用45号钢或30CrMnSi等材料制备模具，模具的外径与承压筒的内径一致；
S2.在模具表面按照一定的螺旋角度，将浸渍环氧树脂的碳纤维以70°的夹角缠绕到模具表面，每层碳纤维厚度0.4mm，形成厚度为9mm的材料层，碳纤维采用T700SC-12K，环氧树脂采用E51型号的环氧树脂，环氧树脂与胺类固化剂按照100份：30份的重量比配制；
S3.将步骤S2得到的材料高温固化，使环氧树脂进一步硬化，高温固化过程为，从室温升温到95℃，保温2小时，然后升温到125℃，保温3小时，最后升温到160℃，保温5小时，其中升温速率为0.5℃～2℃/分钟；
S4.将高温固化完成后的产品内的模具脱除；
S5.机械加工，对脱模后的产品的端面和配合面进行加工。
复合材料承压筒性能测试
对上述各实施例及对比例得到的承压筒的重量、承压性能、耐腐蚀性能、透声效果进行测试，测试结果如下表1。由表1的结果可以看出，在获得的承压性能相近的情况下，本发明的硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒比铝合金制承压筒厚度小、重量轻、耐腐蚀性能好、透声效果好；与高强度钢制承压筒相比，重量轻、耐腐蚀性能好、透声效果好；与碳纤维增强环氧树脂复合材料承压筒相比，厚度小、重量轻、耐腐蚀性能好、透声效果好。
表1
Figure BDA0002743146760000071
Figure BDA0002743146760000081
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒，其特征在于：
包括增强材料和基体材料；所述增强材料为硼纤维编织物；所述基体材料为Si-B-N陶瓷。
2.根据权利要求1所述的硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒，其特征在于：
所述硼纤维编织物单层厚度为0.2-0.5mm，共10-50层。
3.根据权利要求1所述的硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒，其特征在于，所述硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒的制备方法包括以下步骤：
S1.在模具表面进行硼纤维编织成型，得到硼纤维预成型体；
S2.将所述硼纤维预成型体置于Si-B-N陶瓷前驱体溶液中进行浸渍；
S3.将步骤S2中浸渍后的硼纤维预成型体固化成型；
S4.对步骤S3得到的固化成型后的产品进行脱模，得到所述硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒。
4.根据权利要求3所述的硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒，其特征在于，步骤S2中，所述Si-B-N陶瓷前驱体溶液的制备方法包括：
将六甲基二硅氮烷溶于四氯化碳溶剂中形成溶液，然后将三氯化硼和三氯硅烷加入到溶液中，于80～90℃下加入催化剂三氯化铝，反应不少于8h，得到所述Si-B-N陶瓷前驱体溶液，其中六甲基二硅氮烷、三氯化硼和三氯硅烷的质量比为100:75:35。
5.根据权利要求3所述的硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒，其特征在于，步骤S2中，所述硼纤维预成型体浸渍时温度为50-80℃，压力为0.2-0.8MPa，浸渍时间不少于90min。
6.根据权利要求3所述的硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒，其特征在于，步骤S3中，固化成型时，固化制度为：首先由室温升温至400-600℃并保温1-3小时；然后升温至1000-1200℃并保温2-4小时；最后升温至1300-1400℃并保温4-6小时。
7.根据权利要求3所述的硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒，其特征在于，步骤S1中，还包括在硼纤维编织成型之前，在硼纤维表面先浸渍聚乙烯醇溶液，并烘干。
8.一种复合材料承压壳体，其特征在于，包括：
如权利要求1-7任一所述的硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒、堵盖、连接销钉和密封圈，所述堵盖设于所述硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒的两端，并通过所述连接销钉与所述硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒连接，所述堵盖与所述硼纤维增强陶瓷基复合材料承压筒之间设置所述密封圈。
9.一种水下运载器的自动上浮装置，其特征在于，包括：
如权利要求8所述的复合材料承压壳体、传感器、中央处理器、点火器、燃气发生器、气囊；所述传感器、中央处理器、点火器、燃气发生器、气囊设于所述复合材料承压壳体中；所述中央处理器与所述传感器、所述点火器分别电连接，所述点火器适于点火引发所述燃气发生器，所述燃气发生器适于为所述气囊提供气体。
10.一种水下运载器，其特征在于，包括如权利要求9所述的水下运载器的自动上浮装置。
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