全海深浮力材料性能要求、种类、制备方法

近年来国家正在实施远洋深海战略,鼓励对深海的探索与研究,而深海探测与开发离不开深潜装备(主要是深潜器)的技术支撑。

 

深潜器可以完成深海观测、测量、取样,安装必要的仪器设施以及进行水下作业等。全海深深潜器是指能在所有深度海域服役工作的深潜器,最大下潜深度在11000m左右。

 

全海深浮力材料要即能满足抗压强度大于11000m下环境压力110MPa(每下降100m,静水压力提高1MPa),适用于各类全海深装备如全海深深潜器、全海深着陆器,用于提供其所需浮力的一类材料。下面贤集网小编为大家介绍全海深浮力材料性能要求、种类、制备方法。

 

全海深浮力材料性能要求

 

(1)耐压能力;

 

(2)密度(质量排水比);

 

(3)材料稳定性。

 

全海深浮力材料的种类

 

传统浮力材料

 

常用的传统浮力材料包括用橡胶、轻金属合金等材料封装后的低密度液体、泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫铝、橡胶浮球等。

 

1.优点

 

制备工艺相对简单、成本低廉

 

2.缺点

 

封装的低密度液体一旦泄漏将造成污染严重,泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫铝等弹性模量小、强度低,不能满足深海(大于6000m深度)使用。

 

固体浮力材料

 

为了更好地解决深潜器的耐压和结构稳定性,并同时提供足够的净浮力,人们研制了一类新型浮力材料,固体浮力材料(SBM,solid buoyancy material),其实质是一种低密度、高强度的多孔结构材料,属于一种复合材料。

 

固体浮力材料总体上分为三大类:化学泡沫复合材料、轻质合成复合材料和微珠复合泡沫材料。

 

1. 化学泡沫复合材料

 

化学泡沫复合材料是一类采用化学发泡法制成的泡沫复合材料,其虽能达到比较低的密度极限,但其耐压强度极低,易破裂渗水失去浮力,常用于水面及浅海。

 

2. 轻质合成复合材料

 

轻质合成复合材料也称三相复合泡沫材料,由复合泡沫与低密度填料如中空塑料或大径玻璃球组合改性而成,目前主要用在0——4000m深海域。

 

3. 微珠复合泡沫材料

 

微珠复合泡沫材料是现在固体浮力材料研究的重点与热点,强度远优于上面两类材料,可应用于各个深度水域,是理想的全海深浮力材料之一,目前存在的问题是密度相对较高(存在一个密度瓶颈,约为0.5g/cm3),基体树脂存在吸水导致材料浮力下降的可能。

 

玻璃与陶瓷浮球

 

球体是一种理想的承压结构物体,这是因为球壳表面所受压力均匀分布,内部压力最小。早期便存在橡胶浮球、轻金属及其合金(如铝、钛等)空心浮球等,但由于工艺水平较低、抗压强度不高,通常只能适应于0——500m深度水域。

 

玻璃、陶瓷这类无机材料虽然呈脆性,但其抗压强度和弹性模量均远高于金属材料,且与之相比密度更小,因而作为耐压浮力材料具备很大的优势。

 

随着机械加工和材料工艺水平的提升,近年来具备全海深耐压能力的玻璃及陶瓷浮球已制备出来,并在全海深深潜器、着陆器等水下探测装备上相继得到应用。玻璃浮球由于其良好光学特性、非磁、非电导性在水下照明、摄影成像设备封装上得到广泛应用。

 

外径432mm玻璃浮球的质量排水比约为0.6g/cm3,单个提供的净浮力为178N。陶瓷浮球的质量排水比更低能达到0.34g/cm3,这相比微珠复合泡沫材料及玻璃浮球均低得多,是一种理想的浮力材料。

 

此外,陶瓷半球壳、陶瓷筒形件等亦可作为仪器封装用耐压容器,为深潜器释放更多的有效载荷空间,但是对于玻璃、陶瓷浮球而言,一旦其在水下发生失效将引起内爆并伴随巨大能量的释放,可能造成连锁反应(如果深潜器只使用100mm陶瓷浮球,所需总量将达数千个)以及难以估量的后果。

 

全海深浮力材料的制备方法

 

目前可用于全海深的浮力材料主要有玻璃微珠复合泡沫材料、玻璃浮球、陶瓷浮球三种。

 

1. 微珠复合泡沫材料

 

微珠复合泡沫材料是通过在树脂基体中填充空心微球形成的复合材料,是一种两相复合泡沫材料。微珠复合泡沫材料的成型工艺包括振动浇注、抽真空浇注、模压成型等。

 

微珠复合泡沫材料所使用的的填料空心微球通常可以分为有机质微球和无机质微球两大类,无机质空心微球包含玻璃、陶瓷、碳、粉煤灰漂珠等,有机质空心微球则为环氧、酚醛、可发性聚苯乙烯球等。

 

树脂基体较为常用的有环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯等。全海深浮力材料用基体树脂要求具备密度小、强度高、耐压、耐海水腐蚀等多种性能,低密度填充剂则多选择高性能空心玻璃微珠。

 

目前已开发的适用全海深的微球复合泡沫材料使用空心玻璃微珠(微米级)作为填充,基体树脂选用环氧树脂,空心玻璃微珠占比通常为60%——70%。

 

常用的制备方法是将经偶联剂表面处理的空心玻璃微珠加入到配置好的环氧树脂中,搅拌均匀直至玻璃微珠被环氧体系完全浸润。而后放入真空搅拌器内进行真空搅拌至脱泡完全。混合好的物料进行注模,升温模压一段时间后待其固化,冷却后脱模即可。

 

2. 玻璃空心浮球

 

玻璃空心浮球通常选用硼硅酸盐玻璃,先铸造成型半球壳,而后对半球赤道密封平面进行精确平整研磨加工,两半球壳在真空下密闭结合,再用丁基胶和密封带处理接缝,即可长效保持球内真空状态。

 

3. 陶瓷空心浮球

 

陶瓷空心浮球通常选用氧化铝、氮化硅、碳化硅等材料。陶瓷成型工艺多样,半球壳成型既可以使用粉末压制、注浆、凝胶注模等传统工艺,也可使用近年发展起来的3D打印技术,成型半球壳烧结后对赤道平面进行精加工后,通过树脂进行粘接合封。

 

此外,通过旋转滚塑注浆制备陶瓷整球的方法也有报道,这种方法能制备壁薄、无缝的氧化铝空心陶瓷球。

 

以上就是关于全海深浮力材料性能要求、种类、制备方法的介绍,目前美国、日本等已有万米级深潜器下水服役,在相应的全海深浮力材料研制领域也处于领先地位,国内起步较晚,近几年出于全海深深潜器研制需求,亦大力开展此类材料的研制工作。