CN116082794B - 一种耐水压的多级碳纤维圆管复合材料浮力材料结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种耐水压的多级碳纤维圆管复合材料浮力材料结构及其制备方法，它涉及碳纤维复合材料制备技术领域，本发明采用多级的思想，利用不同直径碳纤维圆管的排列“品”字型的堆叠方式，使用环氧树脂作为连接介质，提供一种新型碳纤维多孔浮力材料结构及其制造方法，本发明提供的新型碳纤维浮力材料理论密度低，使用多级结构后相较于无小管结构密度由0.34降为0.32，同一大小实施例密度下降6.6％，吸水率低。
Description
技术领域
本发明设计属于碳纤维复合材料制备技术领域，具体是一种耐水压的多级碳纤维圆管复合材料多孔浮力材料结构及其制备方法。
背景技术
在广阔的海域内储藏着极其丰富的资源，如探明的石油储量达到200-300亿吨，天然气储量16万亿立方米。水下航行器等海洋装备对探索和开发海洋资源有着广泛而重要的军事和经济用途。而浮力材料作为水下装备的重要组成部分，部分水下装备浮力材料的体积占比甚至可以达到50％。降低浮力材料的理论密度，可以增加水下航行器的航行距离，提高有效载荷的承载能力，具有重大意义。
浮力材料的发展近些年突飞猛进，从传统的通过轻质液体、泡沫和橡胶提供浮力；后又对化学发泡类浮力材料的进行运用，发现此类材料吸水率过大，难以在实际工程中长期运用；到最后人们发现了空心玻璃微珠浮力材料。空心玻璃微珠浮力材料的发展促进了深海探测活动的进步，但随着研究的深入，全海深空心玻璃微珠也陷入到了瓶颈之中，玻璃微珠由于其自身理论密度原因，很难应用于浅海领域。
新型碳纤维浮力材料使用蜂窝结构，是利用环氧树脂与碳纤维的耦合作用，抑制碳纤维管在水压载荷下的屈曲作用。在静水压载荷下，这种结构形式表现出优异的承载性能，这在整体性能的提升上起到了至关重要的作用。但该结构存在无法兼顾抗静水压能力，以及降低芯子结构的密度的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有固体浮力材料存在的无法兼顾抗静水压能力，以及降低芯子结构的密度的问题，而提供一种耐水压的轻质高强多级碳纤维圆管复合材料浮力材料结构及其制备方法。
本发明的一种耐水压的多级碳纤维圆管复合材料浮力材料结构，它是由碳纤维圆管、端帽和环氧树脂胶粘剂组成；所述的碳纤维圆管是由第一碳纤维圆管和第二碳纤维圆管组成；所述的第一碳纤维圆管的外径大于第二碳纤维圆管，第一碳纤维圆管呈“品”字型设置，且第二碳纤维圆管置于相邻的第一碳纤维圆管之间的间隙处；所述的端帽分别与第一碳纤维圆管和第二碳纤维圆管的两端封装；所述的环氧树脂胶粘剂置于碳纤维圆管的间隙处；所述的第一碳纤维圆管和第二碳纤维圆管内径均为4-80mm，壁厚均为0.24-2mm。
所述的端帽由端部封装半球和端部封装材料组成；
所述端部封装半球是使用注浆工艺，得到内径27mm左右，外径30.6mm左右未经处理的陶瓷半球，用于第一碳纤维管端部的封装；
所述端部封装材料使用注浆工艺，得到内径4.56mm左右，高度为3mm左右的陶瓷圆柱端帽，用于第二碳纤维管端部的封装。
优选的，所述端帽作为碳纤维管的封头，端帽可以为半球状和圆柱状等，材质可以选择金属、陶瓷和复合材料等满足水下需求的任意材料；所述端帽的外径应于碳纤维管的外径一致。
进一步地，所述的第一碳纤维圆管与第二碳纤维圆管的外径比为1：0.1～0.2。优选为1：0.154701。保证主体结构中第一碳纤维圆管和第二碳纤维圆管都处于相切状态。
进一步地，所述端帽的外径应于碳纤维管的外径一致。
进一步地，所述的环氧树脂为常温状态下粘度小于200MPa·s、压缩强度大于70MPa且固化温度小于300℃的树脂。
所述的环氧树脂为ERL-4221、BCC-Resins-EB6200、KH9533或KH6401。最优选的，ERL-4221环氧树脂理论密度为1.2g/cm3，压缩强度为140MPa。
制备一种耐水压的多级碳纤维圆管复合材料浮力材料结构的方法，它是按照以下内容进行的：
将碳纤维预浸料通过卷管机按照预浸料交错90/0铺层卷制成第一碳纤维圆管和第二碳纤维圆管，将第一碳纤维圆管和第二碳纤维圆管分别与端帽进行封装，将封装后的第一碳纤维圆管呈“品”字型排列方式堆叠，并将第二碳纤维圆管置于相邻第一碳纤维圆管的间隙内，将堆叠后的第一碳纤维圆管和第二碳纤维圆管置于模具内，然后将环氧树脂、固化剂和促进剂混合后，置于模具中直至将碳纤维管完全浸没，然后将模具置于真空容器中，排出环氧树脂中的气泡，最后加热固化，脱模后，即得所述的耐水压的多级碳纤维圆管复合材料浮力材料结构。
所述碳纤维预浸料为山东科航新材料有限公司生产的T700-12K/50g碳纤维预浸料。由碳纤维预浸料卷制而成的碳纤维管外径为4-80mm，壁厚为0.75-2mm。
进一步地，所述的环氧树脂、固化剂和促进剂混合后，抽真空至0.05-0.1MPa保持10-30min。
进一步地，所述的模具置于真空度为0.05-0.1Mpa的真空容器中。
进一步地，所述的第一碳纤维圆管和第二碳纤维圆管通过卷管机卷至成圆管后，在130℃、0.3MPa的条件下固化2h制成第一碳纤维圆管和第二碳纤维圆管。
进一步地，所述的加热固化条件为25-100℃，保温1-48h；再通过后固化阶段为30-150℃，保温1-24h，再将温度升至50-200℃，保温1-24h，最后自然冷却至室温。
本发明采用多级的思想，采用多级的思想，在大管与大管的装配间隙中填充小管，降低了环氧树脂的占比，在提高结构抗静水压能力的同时，降低了芯子结构的理论密度；使用多级结构后相较于无小管结构密度由0.34降为0.32，同一大小实施例密度下降6.6％。同时利用不同直径碳纤维圆管的排列“品”字型的堆叠方式，使用环氧树脂作为连接介质，提供一种新型碳纤维多孔浮力材料结构及其制造方法，本发明提供的新型碳纤维浮力材料理论密度低，吸水率低。本发明制备的第一碳纤维圆管，内直径为27mm，壁厚为1mm所制备的碳纤维多级浮力材料结构理论密度为0.32g/cm3，吸水率小于0.1％，结构强度为35.74MPa。
在与现有浮力材料结构相比，本发明提供了一种新型多级碳纤维浮力材料构型及其制备方法。本发明降低环氧树脂的体积含量，增加对主承载结构碳纤维管的约束强度。这种设计增强了浮力材料结构的耐静水压强度，降低了浮力材料结构的理论密度。实验证明相比于环氧树脂和空心玻璃微珠混合后固化制成的传统固体浮力材料，本发明提供的多级碳纤维浮力材料在相同水深下具有更低的理论密度。与国内青岛海洋化工研究院的SBM-040H(理论密度0.40g/cm3、工作压力为10MPa)、美国ECCM公司的TG-24(理论密度0.38g/cm3、工作压力为20MPa)对比，具有明显优势。
附图说明
图1是本发明使用模具示意图；
图2是本发明中碳纤维管在模具中排列的示意图；
图3是本发明多级碳纤维浮力材料芯子结构示意图；
图4是本发明半球帽多级碳纤维浮力材料结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将详细叙述本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。
本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1
原料以体积百分数计，所述原料包括：碳纤维、ERL-4221环氧树脂、端帽封盖(陶瓷、金属、复合材料等)、固化剂、促进剂、胶膜。
所述环氧树脂为ERL-4221环氧树脂，化学名称为3,4-环氧环己基甲基3,4-环氧环己基甲酸酯，生产厂家为Macklin。
所述的固化剂为甲基四氢苯酐，生产厂家为Macklin。
所述促进剂为N-N二甲基苄胺，生产厂家为Macklin。
所述胶膜型号为J133C。
制备工艺如下：
1)准备一个内部尺寸为130mm宽、120mm长、100mm高，五个方向密封的组合式敞口钢制模具。所述组合式模具由五块钢板使用螺栓连接而成，钢板和钢板的连接处涂抹密封胶；在其所有内表面刷上脱模剂。在结构两侧放置两块粘有塔簧的面板，粘有弹簧一面朝向模具，面板平整一端朝向组装结构。目的在于给组装结构施加来自两个不同方向的均布载荷，使装配结构更加紧凑，提高了成型质量。
将内径为27mm，壁厚1.8mm，长100mm的第一碳纤维圆管按照附图所示排列规律放置于模具中，在侧面放置使用塔簧粘接的复合材料板，放置与模具侧面，使结构排列紧密；将内径为4mm，壁厚0.24mm，长100mm的第二碳纤维圆管按照附图所示穿插于大尺寸碳纤维管缝隙中；所述的第一碳纤维圆管和第二碳纤维圆管通过端帽封装，所述的端帽为半球结构。所述的第一碳纤维圆管是使用预浸料在卷管机上卷制而成，使用直径为27mm的钢制圆管模具，按照预浸料由内到外按照角度为[90°/90°/0°/90°]的方式铺设厚度为[0.4mm/0.4mm/0.6mm/0.4mm]的预浸料层，在130℃、0.3MPa的条件下固化2h而成；第二碳纤维圆管是使用预浸料在卷管机上卷制而成，使用直径为4mm的钢制圆管模具，按照预浸料铺层厚度由内到外按照角度为[90°/90°/0°/90°]的方式铺设厚度为[0.06mm/0.1mm/0.1mm/0.1mm]的预浸料层，在130℃、0.3MPa的条件下固化2h而成；所述端部封装的端帽半球是使用注浆工艺，得到内径27mm，外径30.6mm未经处理的陶瓷半球，用于第一碳纤维管端部的封装；所述端部封装材料使用注浆工艺，得到内径4.56mm，高度为3mm的陶瓷平帽，用于第二碳纤维管端部的封装。
2)将0.5kg 3,4-环氧环己基甲基3,4-环氧环己基甲酸酯、0.5kg甲基四氢苯酐和0.01kg N-N二甲基苄胺混合并搅拌均匀，制得混合液，并抽真空至0.05MPa、10分钟。
3)将混合液缓慢导入模具中，抽真空至0.05MPa、10分钟。
4)移除真空源，将模具放入烘箱中，由室温升至100℃，然后在100℃的条件下保温6h；将温度由100℃升至120℃，在120℃的条件下保温2h；再将温度由120℃升至150℃，在150℃的条件下保温2h，最后自然冷却至室温。
5)将上一步固化的成品从模具中脱出，将两端打磨平整，取出碳纤维管中的环氧树脂柱。
6)将内径27mm，壁厚1mm陶瓷半球端帽和内径为4.48mm，高度1mm的陶瓷平帽使用胶膜与成品粘接在一起，得到多级碳纤维浮力材料结构。
本实施例中制备的碳纤维多级浮力材料结构理论密度为0.42g/cm3，吸水率小于0.1％，平均结构强度为60MPa。
实施例2
实施例2与实施例1制备方法一致，所选用的碳纤维管的铺层角度、壁厚、长度以及单胞数量发生变化。
本实施例选用第一碳纤维管内直径为27mm、壁厚0.75mm，长度为100mm，铺层角度为由内到外[90°/0°]5为[0.1mm/0.05mm]5，第二碳纤维管内直径为4mm、壁厚1.8mm，长度为100mm，铺层角度为由内到外[90°/0°]12为[0.1mm/0.05mm]12,所制备的碳纤维多级浮力材料结构尺寸为200*200*100mm，结构理论密度为0.28g/cm3，吸水率小于0.1％，平均结构强度为22.01MPa。
实施例3
1)准备一个内部尺寸为130mm宽、120mm长、100mm高，五个方向密封的组合式敞口钢制模具。所述组合式模具由五块钢板使用螺栓连接而成，钢板和钢板的连接处涂抹密封胶；在其所有内表面刷上脱模剂。在结构两侧放置两块粘有塔簧的面板，粘有弹簧一面朝向模具，面板平整一端朝向组装结构。目的在于给组装结构施加来自两个不同方向的均布载荷，使装配结构更加紧凑，提高了成型质量。
2)将第一碳纤维圆管两端粘接直径29mm，高度4mm的端帽；将第二碳纤维圆管两端粘接直径4.48mm，高度1mm的端帽；所述端帽是使用注浆工艺，得到直径4.56mm，高度为3mm的陶瓷圆柱端帽；
3)将内径为27mm，壁厚1mm，长100mm的第一碳纤维圆管按照附图所示排列规律放置于模具中，在侧面放置使用塔簧粘接的复合材料板，放置与模具侧面，使结构排列紧密；将内径为4mm，壁厚0.24mm，长100mm的第二碳纤维圆管按照附图所示穿插于大尺寸碳纤维管缝隙中。
4)将0.5kg 3,4-环氧环己基甲基3,4-环氧环己基甲酸酯、0.5kg甲基四氢苯酐和0.01kg N-N二甲基苄胺混合并搅拌均匀，制得混合液，并抽真空至0.05MPa、10分钟。
5)将混合液1缓慢导入模具中，没过铝制端帽，抽真空至0.05MPa、10分钟。
6)移除真空源，将模具放入烘箱中，由室温升至100℃，然后在100℃的条件下保温6h；将温度由100℃升至120℃，在120℃的条件下保温2h；再将温度由120℃升至150℃，在150℃的条件下保温2h，最后自然冷却至室温。
7)将固化的成品1从模具中脱出，得到多级碳纤维浮力材料结构。
本实施例中制备的碳纤维多级浮力材料结构理论密度为0.32g/cm3，吸水率小于0.1％，平均结构强度为34.60MPa。
Claims (8)
1.一种耐水压的多级碳纤维圆管复合材料浮力材料结构，其特征在于它是由碳纤维圆管、端帽和环氧树脂胶粘剂组成；所述的碳纤维圆管是由第一碳纤维圆管和第二碳纤维圆管组成；所述的第一碳纤维圆管的外径大于第二碳纤维圆管，第一碳纤维圆管呈“品”字型设置，且第二碳纤维圆管置于相邻的第一碳纤维圆管之间的间隙处；所述的端帽分别与第一碳纤维圆管和第二碳纤维圆管的两端封装；所述的环氧树脂胶粘剂置于碳纤维圆管的间隙处；所述的第一碳纤维圆管和第二碳纤维圆管内径均为4-80mm，壁厚均为0.24-2mm；所述的第一碳纤维圆管与第二碳纤维圆管的外径比为1：0.1～0.2；所述的环氧树脂为ERL-4221、BCC-Resins-EB6200、KH9533或KH6401。
2.根据权利要求1所述的一种耐水压的多级碳纤维圆管复合材料浮力材料结构，其特征在于所述端帽的外径分别与第一碳纤维圆管和第二碳纤维圆管的外径一致。
3.根据权利要求1所述的一种耐水压的多级碳纤维圆管复合材料浮力材料结构，其特征在于所述的环氧树脂为常温状态下粘度小于200mPa·s、压缩强度大于70MPa且固化温度小于300℃的树脂。
4.制备权利要求1所述的一种耐水压的多级碳纤维圆管复合材料浮力材料结构的方法，其特征在于是按照以下内容进行：
将碳纤维预浸料通过卷管机按照预浸料交错90/0铺层卷制成第一碳纤维圆管和第二碳纤维圆管，将第一碳纤维圆管和第二碳纤维圆管分别与端帽进行封装，将封装后的第一碳纤维圆管呈“品”字型排列方式堆叠，并将第二碳纤维圆管置于相邻第一碳纤维圆管的间隙内，将堆叠后的第一碳纤维圆管和第二碳纤维圆管置于模具内，然后将环氧树脂、固化剂和促进剂混合后，置于模具中直至将碳纤维管完全浸没，然后将模具置于真空容器中，排出环氧树脂中的气泡，最后加热固化，脱模后，即得所述的耐水压的多级碳纤维圆管复合材料浮力材料结构。
5.根据权利要求4所述的一种耐水压的多级碳纤维圆管复合材料浮力材料结构的制备方法，其特征在于所述的模具置于真空度为0.05-0.1Mpa的真空容器中。
6.根据权利要求4所述的一种耐水压的多级碳纤维圆管复合材料浮力材料结构的制备方法，其特征在于所述的环氧树脂、固化剂和促进剂混合后，置于模具中直至将碳纤维管完全浸没，然后将模具置于真空容器中，抽真空至0.05-0.1MPa，保持10-30min。
7.根据权利要求4所述的一种耐水压的多级碳纤维圆管复合材料浮力材料结构的制备方法，其特征在于所述的第一碳纤维圆管和第二碳纤维圆管通过卷管机卷至成圆管后，在温度为130℃、0.3MPa的条件下固化2h制成第一碳纤维圆管和第二碳纤维圆管。
8.根据权利要求4所述的一种耐水压的多级碳纤维圆管复合材料浮力材料结构的制备方法，其特征在于所述的加热固化条件为25-100℃，保温1-48h；再通过后固化阶段为30-150℃，保温1-24h，再将温度升至50-200℃，保温1-24h，最后自然冷却至室温。
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