大孔径碳纤维圆管浮力材料结构及其制备方法技术

大孔径碳纤维圆管浮力材料结构及其制备方法，它涉及复合材料领域，本发明专利技术要解决水下浮力材料无法兼具轻量化的同时保证良好的耐水压性能的技术问题。所述结构是由碳纤维管、铝合金端帽以及环氧树脂所组成；所述环氧树脂填充于碳纤维管之间的间隙中。本发明专利技术的大孔径碳纤维圆管浮力材料结构，解决了目前在水下潜器材料外壳上，作为结构除了需要优异的耐水压性能之外，还需要满足轻量化的设计。本发明专利技术结构保证了优异的耐水压能力，同时也能够实现轻量化，在满足强度要求下改善结构的物理性能。在满足强度要求下改善结构的物理性能。在满足强度要求下改善结构的物理性能。

【技术实现步骤摘要】
大孔径碳纤维圆管浮力材料结构及其制备方法


[0001]本专利技术属于复合材料领域，特别涉及耐水压的大孔径碳纤维圆管多孔浮力材料结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着海洋开发的逐步加速以及深海探索活动的需求，高强浮力材料的发展也随之不断改进发展。从传统浮力材料到后来的高强度固体浮力材料。而目前我国对高性能水下浮力材料的研究尚处于摸索阶段。
[0003]因受制于国外对高端制造领域的技术封锁，研究制备高强度固体浮力材料是急需解决的问题。研制轻质高强的固体浮力材料能在很大程度上取代进口材料，打断国外少数公司垄断市场的局面。
[0004]对于水下浮力材料，不仅需要优秀的抗水压性能，同时也要达到轻量化的要求。而碳纤维圆管内芯结构具有优异的耐水压性能和高强度
‑
质量比，其次由于水下浮力材料为多孔结构，在结构设计环节中，能使整体结构重量更轻。
[0005]研究表明，树脂与碳纤维圆管之间的强耦合作用可以大大提升复合材料结构的抗面内压力能力，同时也能提高结构的耐水压性能。碳纤维圆管由于其对称结构，在静水压载荷下表现出优异的承载性能，对整体性能的提高起着重要的作用。
[0006]由于大孔径碳纤维圆管浮力材料中单胞的可设计性，碳纤维多孔浮力材料可以针对不同水深工况、不同密度和不同耐水压强度进行设计以适应不同工况。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是为了解决水下浮力材料无法兼具轻量化的同时保证良好的耐水压性能的技术问题，而提供大孔径碳纤维圆管浮力材料结构及其制备方法。
[0008]本专利技术的纤维圆管浮力材料结构，所述的大孔径碳纤维圆管浮力材料结构是由大孔径碳纤维管结构内芯、端帽以及环氧树脂胶粘剂组成；所述的大孔径碳纤维圆管两端通过端帽进行端部封装，环氧树脂胶粘剂灌注到大孔径碳纤维圆管之间的间隙；所述端帽为轻质高强材料端帽。所述的大孔径碳纤维圆管两端通过端帽的封装方式为粘接方式。
[0009]进一步地，大孔径碳纤维圆管呈阵列式排布，使用环氧树脂灌注到大孔径碳纤维圆管之间的间隙后高温固化脱模形成大孔径碳纤维圆管浮力材料结构。
[0010]进一步地，所述的大孔径碳纤维圆孔径为27
‑
80mm，壁厚为0.75
‑
2mm。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]进一步地，所述的大孔径碳纤维圆管内径为27
‑
80mm，壁厚0.75
‑
2mm；大孔径碳纤维管卷管压力为0.0.5MPa，缠带螺距2mm，缠带压力10N。
[0014]大孔径碳纤维圆管浮力材料结构的制备方法，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铺层卷制成大孔径碳纤维圆管，将碳纤维圆管与端帽进行封装，将封装后的碳纤维圆管呈阵列式排布堆叠进模具内，然后将环氧树脂、固化剂和促进剂混合后形成环氧树脂胶粘剂，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，即得所述的大孔径碳纤维圆管浮力材料结构。
[0015]本专利技术采用回转壳体替代传统面板，在大口径碳纤维管的使用中，解决了面板封装导致的弯曲变形过大，避免应力集中的出现，增加封装材料的抗弯刚度；将碳纤维按照特定角度(90/0)铺层，抵抗面内方向的高静水压力；通过经典公式推导，环向应力与轴向应力比为2:1；经此设计的碳纤维管可以应用于水下浮力材料，在卷制碳纤维管前将碳纤维预浸料按照90/0铺设，可以大幅度改善0度层和90度层在卷制过程中出现的卷曲情况，提高了碳纤维管的成型率。
[0016]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，碳纤维圆管的环向应力与轴向应力比为2:1。
[0017]进一步地，所述的环氧树脂、固化剂和促进剂混合后形成环氧树脂胶粘剂，抽真空至0.05MPa保持10min。
[0018]进一步地，所述的模具置于真空度为0.05Mpa的真空容器中。
[0019]进一步地，所述的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制成大孔径碳纤维圆管，管径范围27
‑
80mm，壁厚为0.75
‑
2mm；碳纤维圆管的环向应力与轴向应力比为2:1。
[0020]进一步地，所述的加热固化条件为由室温升至100℃，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。本专利技术使用高强环氧树脂进行填充，在碳管之间形成稳定的应力传递通道，在低密度区抑制碳管的屈曲失效。
[0021]所述环氧树脂可以为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。其固化条件为由室温升至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；环氧树脂材料采用ERL
‑
4221环氧树脂但不限于选用固定型号环氧树脂。
[0022]作为本专利技术优选的技术方案，所述铝合金端帽由轻质高强铝合金制成，封头高度为3.2mm，直径28.5mm，与碳纤维管连接处有一直径为27mm的定位卡槽；轻质高强材料采用7075铝合金但不限于选用铝合金材料。
[0023]作为本专利技术优选的技术方案，所述碳纤维圆管与端帽封头采用胶结，粘接端帽封头与碳纤维管的结构胶型号为J133C但不限于选用固定型号结构胶。
[0024]作为本专利技术优选的技术方案，所述大孔径碳纤维管采用碳纤维预浸料制成。碳纤维圆管两端使用铝合金端帽进行端部封装，圆管外壁互相外切，圆管和端帽的高度等于碳纤维管结构内芯的高度。
[0025]作为本专利技术优选的技术方案，碳纤维管内径为27mm，壁厚0.75mm，碳纤维管厚度随
实际工况自行设计。
[0026]本专利技术利用大孔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，制备新型碳纤维多孔浮力材料结构，本专利技术提供的新型碳纤维浮力材料密度低，吸水率低。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.大孔径碳纤维圆管浮力材料结构，其特征在于所述的大孔径碳纤维圆管浮力材料结构是由大孔径碳纤维管结构内芯、端帽以及环氧树脂胶粘剂组成；所述的大孔径碳纤维圆管两端通过端帽进行端部封装，环氧树脂胶粘剂灌注到大孔径碳纤维圆管之间的间隙；所述端帽为轻质高强材料端帽。2.根据权利要求1所述的大孔径碳纤维圆管浮力材料结构，其特征在于大孔径碳纤维圆管呈阵列式排布，使用环氧树脂灌注到大孔径碳纤维圆管之间的间隙后高温固化脱模形成大孔径碳纤维圆管浮力材料结构。3.根据权利要求1或2所述的大孔径碳纤维圆管浮力材料结构，其特征在于所述的大孔径碳纤维圆孔径为27
‑
80mm，壁厚为0.75
‑
2mm。4.根据权利要求1所述的大孔径碳纤维圆管浮力材料结构，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。5.根据权利要求1所述的大孔径碳纤维圆管浮力材料结构，其特征在于所述的大孔径碳纤维圆管内径为27
‑
80mm，壁厚0.75
‑
2mm；大孔径碳纤维管卷管压力为0.0.5MPa，缠带螺距为2mm，缠带压力为10N。6.制备权利要求1至5任意一项所述的大孔径碳纤维圆管浮力材料结构的方法，其特征在于按照以下内容进行：将碳纤维预浸料通过卷管机按照预浸...

【专利技术属性】
技术研发人员：于国财，李汶东，李子寒，张润博，靳洋，吴林志，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：