一种智能监控三维复合材料水下航行器壳体及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种智能监控三维复合材料水下航行器壳体及其制备方法。该水下航行器的壳体由外到内采用多层结构组成，包括：耐腐蚀层、耐冲击层、刚性层和金属密封层四个部分，同时在三维复合材料结构的耐冲击层和刚性层中采用一个或多个应变感应器引入到三维复合材料结构中，通过壳体在工作过程中的微小变形感知，以控制监控壳体结构的受力状态。三维预制体结构保证了整个壳体的力学稳定性，同时通过耐冲击层和刚性层的设置，使得复合材料水下航行器壳体可以适应不同复杂的水下环境。

Intelligent monitoring three-dimensional composite material underwater vehicle shell and preparation method thereof

The invention discloses an intelligent monitoring three-dimensional composite material underwater vehicle shell and a preparation method thereof. A vehicle the water from outside to inside the multilayer structure, including: corrosion resistance, impact resistance, rigid layer layer layer and metal sealing layer four parts, while the three-dimensional composite structure impact resistance layer and the rigid layer by one or more strain sensor is introduced into the 3D structure of the composite material and through the tiny deformation sensing shell in the work process, the stress state of control of the shell structure. The three-dimensional preform structure guarantees the mechanical stability of the whole shell, and the composite underwater vehicle shell can be adapted to different complicated underwater environments through the arrangement of the shock resistant layer and the rigid layer.

【技术实现步骤摘要】
一种智能监控三维复合材料水下航行器壳体及其制备方法
本专利技术属于水下设备
，涉及一种智能监控三维复合材料水下航行器壳体及其制备方法，尤其涉及一种智能监控的三维复合材料材质的水下航行器壳体结构。
技术介绍
水下航行器是一种无缆式水下机器人，自身可携带多种电子设备和能源，可以实现智能控制和自主导航，是一种先进的水下勘察设备，尤其适用于对于地质环境结构复杂的深水海域的海底工程勘察作业。传统的水下航行器为了保证深海域环境的巨大舱内外压差，均要采用闭式密封结构，这就要求外壳材料必须为金属材质而且要具有一定的厚度，而厚度较大的金属外壳极大增加了水下航行器的自重，同时，水下航行器的续航时间和航行方向控制是其重要的性能指标，能源和动力问题将是影响性能指标的主要因素，在自重较大的情况下，水下航行器往往需要配制更大的动力，其能源消耗也大，因此目前的金属壳体水下航行器的续航时间较短，航向控制迟缓。此外，海洋勘探开发逐渐向深海地区推进，要适应目前复杂的深海航行环境、提高水下航行器的工作寿命，实现航行器服役过程中耐压及冲击条件的实时监控尤为重要，这往往需要在水下航行器的结构特定部位引入压力、应变等感应装置，而这也是金属材质结构所无法解决的问题。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的问题，本专利技术在水下航行器的制备材质及结构方面进行革新和优化，选用一种新颖的材质来替代原有的金属材质制备水下航行器壳体，降低其自重，以达到配备更大容量的电池提高续航能力的目的。本专利技术的目的之一在于提供一种智能监控三维复合材料水下航行器壳体结构，该壳体结构在保证整个壳体的良好力学稳定性的基础上，有效的降低自重，并实现了整个壳体结构及结构内层在高外压条件下微小应变的有效感知。本专利技术的目的之二在于提供一种智能监控三维复合材料水下航行器壳体结构的制备方法，通过材料和结构的合理设计，达到水下航行器的性能需求，尤其是适用于不同类型的复杂水体环境。本专利技术的目的还包括一种采用上述壳体结构的水下航行器及其应用。为实现上述专利技术目的，具体的，本专利技术涉及以下技术方案：首先，本专利技术公开了一种智能监控三维复合材料水下航行器壳体结构，其采用多层结构组成，由外到内依次为耐腐蚀层、耐冲击层、刚性层和金属密封层，耐腐蚀层由短切纤维增强树脂基复合材料制成，树脂基为改性热固性树脂；耐冲击层由第一三维编织复合材料预制体和热塑性树脂基体复合成型；刚性层第二三维编织复合材料预制体和热固性树脂基体复合成型；金属密封层由金属或合金制成；耐冲击层和/刚性层中置入一个或多个应变感应装置。为实现水下航行器良好性能的使用，本专利技术对于水下航行器壳体进行多层结构辅以材料的优化设计。通过由外到内依次耐腐蚀层、耐冲击层、刚性层和金属密封层的设置，使得整个壳体结构有效的相互配合支撑，不仅降低了纯金属壳体水下航行器的自重，而且有利于保持水下航行器壳体良好的力学稳定性；填充短切纤维的耐腐蚀层，不仅满足了水下航行器必要的防海水侵蚀性能需求，而且利用短切纤维的随机取向特性，可以满足壳体的不同受力状态要求，同时短切纤维还可以增强耐腐蚀层的结合强度；通过耐冲击层和刚性层的设计，充分考虑海洋水体复杂压力环境，充分的保证水下航行器壳体可以适应不同复杂的水下环境作业的需要；通过耐腐蚀层、耐冲击层、刚性层中纤维增强树脂基复合材料的使用，不仅可以有效的降低水下航行器的自重，而且其材料本身性能优异，有效的提高了水下航行器壳体的稳定性能；进一步的，考虑到水下航行器压力应变实时监控的必要性，以及纤维增强树脂基复合材料的使用，本专利技术将智能感应装置一体化引入到水下航行器壳体结构中，实现了两者性能的有效结合。本专利技术优选的实施方案中，水下航行器壳体的基本外型为圆筒状。本专利技术优选的实施方案中，所述的耐腐蚀层由短切纤维增强树脂基复合材料制成，树脂基为改性热固性树脂，改性热固性树脂中填充短切纤维。优选的，耐腐蚀层中树脂含量为40-60％。优选的，短切纤维选用碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维、氮化硼纤维、氧化铝纤维、玄武岩纤维中的一种的或多种组合，其中采用多种组合的混杂纤维时，不同短切纤维混杂比例根据表面耐腐蚀层增强效果灵活调整。优选的，短切纤维的长度为10-50mm。优选的，改性热固性树脂为热塑性树脂共混改性的热固性树脂。进一步优选的实施方案中，热塑性树脂共混改性的热固性树脂中，热固性树脂选自环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的任意一种。热塑性树脂选用聚氨酯、聚乙烯、聚苯硫醚中的任意一种。更为优选的，热塑性树脂与热固性树脂共混比例，根据耐腐蚀层的使用要求灵活调整。本专利技术优选的实施方案中，所述的耐冲击层采用的第一三维编织复合材料预制体中，三维编织所用的纤维为长丝纤维。优选的，采用高韧性纤维进行编织或采用高韧性纤维为主配合高强度纤维为辅的混杂编织结构。高韧性纤维选自UHMWPE纤维、芳纶纤维中的一种或多种。高强度纤维选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、碳化硅纤维中的一种或多种，如高强度碳纤维，选用T300及以上的碳纤维，包括但不限于T300、T700、T800。采用混杂纤维结构时，则高强度纤维与高韧性纤维的混杂比例为2:1-10:1。优选的技术方案中，第一三维编织复合材料预制体中，采用的编织结构可选用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的一种或多种编织结构。更为优选的，在靠近耐腐蚀层和刚性层的接触界面上，选择维度较大的编织结构以强化界面接触。优选的技术方案中，所述耐冲击层中，热塑性树脂选用聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯硫醚、聚醚醚酮中的任意一种。优选的技术方案中，耐冲击层的三维复合材料结构中的树脂含量为30-60％。本专利技术优选的实施方案中，所述的刚性层采用第二三维编织复合材料预制体结构，所用的纤维为长丝纤维。优选的，三维编织结构中选用高强度纤维和/高刚性纤维进行编织，如采用高强度碳纤维、高模量碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维、氧化铝纤维、氮化硼纤维中任意一种或多种组合进行混杂编织。优选的，采用混杂纤维进行第二三维编织复合材料预制体制备时，混杂比例根据刚性要求可任意灵活调整。优选的，所述的刚性层中，热固性树脂可选用环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的任意一种。优选的，刚性层中的树脂含量控制在30-60％之间，可灵活调整。优选的，刚性层中第二三维编织复合材料预制体，采用的编织结构可选用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的一种或其中的多维度编织结构混杂。更优选的，在靠近耐冲击层和金属密封层的接触界面上，选择维度较大的编织结构以强化界面接触。本专利技术优选的实施方案中，所述金属密封层的材质为高强不锈钢、铝合金、钛合金等其中的任意一种。优选的，金属密封层的厚度根据密封要求灵活调整。优选的，金属密封层的表面设有螺纹状粗糙表面。通过在金属密封层与刚性层接触的界面进行螺纹状粗糙化处理，可以有效增强金属密封层与刚性层接触界面的结合强度与密封性。更优选的，螺纹装粗糙表面，螺纹深度控制在1-2mm范围内。本专利技术优选的实施方案中，所述的应变感应装置为应变式传感器。优选的，应变感应装置置入耐冲击层和/或者刚性层中，置入形式可选用光纤混杂三维预制体结构的编织方式，或者选用应变片、光栅、磁栅等任意一种预埋方式实现。优选的，应变感应装置采用预埋方式实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种智能监控三维复合材料水下航行器壳体结构，其采用多层结构组成，由外到内依次为耐腐蚀层、耐冲击层、刚性层和金属密封层，耐腐蚀层由短切纤维增强树脂基复合材料制成，树脂基为改性热固性树脂；耐冲击层由第一三维编织复合材料预制体和热塑性树脂基体复合成型；刚性层第二三维编织复合材料预制体和热固性树脂基体复合成型；金属密封层由金属或合金制成；耐冲击层和/刚性层中置入一个或多个应变感应装置。

【技术特征摘要】
1.一种智能监控三维复合材料水下航行器壳体结构，其采用多层结构组成，由外到内依次为耐腐蚀层、耐冲击层、刚性层和金属密封层，耐腐蚀层由短切纤维增强树脂基复合材料制成，树脂基为改性热固性树脂；耐冲击层由第一三维编织复合材料预制体和热塑性树脂基体复合成型；刚性层第二三维编织复合材料预制体和热固性树脂基体复合成型；金属密封层由金属或合金制成；耐冲击层和/刚性层中置入一个或多个应变感应装置。2.根据权利要求1所述的水下航行器壳体结构，其特征在于，水下航行器壳体的基本外型为圆筒状；或者，耐腐蚀层中树脂含量为40-60％；或者，短切纤维选用碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维、氮化硼纤维、氧化铝纤维、玄武岩纤维中的一种的或多种组合；优选的，短切纤维的长度为10-50mm；或者，改性热固性树脂为热塑性树脂共混改性的热固性树脂；优选的，热塑性树脂共混改性的热固性树脂中，热固性树脂选自环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的任意一种；优选的，热塑性树脂选用聚氨酯、聚乙烯、聚苯硫醚中的任意一种。3.根据权利要求1或2任一项所述的水下航行器壳体结构，其特征在于，所述的耐冲击层采用的第一三维编织复合材料预制体中，三维编织所用的纤维为长丝纤维；优选的，采用高韧性纤维进行编织或采用高韧性纤维为主配合高强度纤维为辅的混杂编织结构；优选的，高韧性纤维选自UHMWPE纤维、芳纶纤维中的一种或多种；优选的，高强度纤维选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、碳化硅纤维中的一种或多种；优选的，高强度纤维与高韧性纤维的混杂比例为2:1-10:1；或者，第一三维编织复合材料预制体中，采用的编织结构可选用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的一种或多种编织结构；优选的，在靠近耐腐蚀层和刚性层的接触界面上，选择维度较大的编织结构以强化界面接触；或者，所述耐冲击层中，热塑性树脂选用聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯硫醚、聚醚醚酮中的任意一种；或者，耐冲击层的三维复合材料结构中的树脂含量为30-60％。4.根据权利要求1-3任一项所述的水下航行器壳体结构，其特征在于，所述的刚性层采用第二三维编织复合材料预制体结构，所用的纤维为长丝纤维；优选的，三维编织结构中选用高强度纤维和/高刚性纤维进行编织；优选的，采用高强度碳纤维、高模量碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维、氧化铝纤维、氮化硼纤维中任意一种或多种组合进行混杂编织；优选的，所述的刚性层中，热固性树脂可选用环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的任意一种；优选的，刚性层中的树脂含量控制在30-60％之间；优选的，刚性层中第二三维编织复合材料预制体，采用的编织结构可选用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的一种或其中的多维度编织结构混杂；更优选的，在靠近耐冲击层和金属密封层的接触界面上，选择维度较大的编织结构以强化界面接触。5.根据权利要求1-4任一项所述的水下航行器壳体结构，其特征在于，所述金属密封层的材质为高强不锈钢、铝合金、钛合金等其中的任意一种；优选的，金属密封层的厚度根据密封要求灵活调整；优选的，金属密封层的表面设有螺纹状粗糙表面；更优选的，螺纹装粗糙表面，螺纹深度控制在1-2mm范围内。6.根据权利要求1-5任一项所述的水下航行器壳体结构，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡珣，曹伟伟，于宽，朱波，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37