[发明专利]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

说明书

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。

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。