一種新型碳纖維高分子復(fù)合材料耐壓艙體及其制作工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明專(zhuān)利涉及一種深海用新型耐壓艙體，尤其是一種新型碳纖維高分子復(fù)合材 料制作的耐壓艙體及該耐壓艙體的制作工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，隨著陸地上資源的日漸匱乏以及深海開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)展，各國(guó)紛紛將目 光投向深海大洋，石油、可燃冰、錳結(jié)核、富鈷結(jié)殼、熱液硫化物、生物基因庫(kù)等等，人類(lèi)向海 洋進(jìn)軍的腳步日漸深入，深海資源勘查技術(shù)正向著大深度、近海底的方向發(fā)展。根據(jù)目前的 勘探和開(kāi)發(fā)能力，我國(guó)以500米為界來(lái)劃分淺海和深海。深海資源主要包括深海油氣資源、 深海礦產(chǎn)資源、深海生物及基因資源。相對(duì)于淺海資源的開(kāi)發(fā)，我國(guó)深海資源的勘探和開(kāi)發(fā) 仍然處于起始階段。深海開(kāi)發(fā)技術(shù)的核心問(wèn)題是如何解決由于水深造成的低溫、高壓、環(huán)境 惡劣、作業(yè)條件復(fù)雜下的一系列開(kāi)發(fā)技術(shù)問(wèn)題。21世紀(jì)中后葉，人類(lèi)將進(jìn)入開(kāi)發(fā)利用海洋的 新時(shí)代，海洋資源對(duì)人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展越來(lái)越重要，在盡量降低對(duì)環(huán)境影響的前提下，大 力發(fā)展深海開(kāi)發(fā)技術(shù)有著十分重要的意義，開(kāi)發(fā)一種新型材料耐壓殼體以滿(mǎn)足深海條件下 正常工作尤為重要。
[0003] 據(jù)了解，傳統(tǒng)的深海耐壓艙主要采用鍛鋼及鋁、鈦合金等金屬材料制作，技術(shù)相對(duì) 成熟。而用碳纖維和高分子樹(shù)脂等輕型復(fù)合材料制作的耐壓艙，重量可比同規(guī)格的金屬艙 減少40%~60%，這就意味著在深海探測(cè)中可搭載更多的科學(xué)儀器，具有優(yōu)越的性能價(jià)格比。 由于輕型高分子復(fù)合材料具有耐高壓、高溫的優(yōu)良性能，其在航海、航空和航天等領(lǐng)域中有 著廣泛的應(yīng)用。
[0004] 碳纖維復(fù)合材料也叫碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其是以碳纖維織物增強(qiáng)體，以樹(shù)脂、陶 瓷、金屬、水泥、碳質(zhì)或者橡膠為基體所形成的復(fù)合材料，簡(jiǎn)稱(chēng)碳纖維復(fù)合材料，用碳纖維制 備高級(jí)復(fù)合材料構(gòu)件，通常都以碳纖維織物為增強(qiáng)體，其他物質(zhì)作為基體采用鋪層或模壓 工藝成型，其密度低，熱膨脹系數(shù)小，比熱容高，耐熱燒蝕的性能好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是要提供一種新型的碳纖維高分子復(fù)合材 料耐壓艙體及該艙體的制作工藝，該新型耐壓艙體的結(jié)構(gòu)更加可靠，而且通過(guò)該制作工藝 得出的耐壓艙體的性能更加優(yōu)越，完全可以適用于水深造成的低溫、高壓、環(huán)境惡劣的工作 環(huán)境。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是： 一種新型碳纖維高分子復(fù)合材料耐壓艙體，該耐壓艙體包括圓筒狀的艙體和位于艙體 兩端的端蓋7兩個(gè)部分，其特征在于:所述的艙體由內(nèi)至外依次為內(nèi)防護(hù)層1、碳纖維筒體2、 防滲層3、外防護(hù)層4,艙體兩端通過(guò)連接件5和密封圈6與端蓋7密封連接，且艙體與連接件5 膠接。
[0007] 進(jìn)一步地，所述的內(nèi)防護(hù)層1 丁晴橡膠改性的環(huán)氧樹(shù)脂和外防護(hù)層4的材質(zhì)為超高 分子量聚乙烯材質(zhì)，其厚度為2~3_，該厚度范圍可根據(jù)使用環(huán)境確定，防滲層3的材質(zhì)為經(jīng) 過(guò)丁晴橡膠改性的環(huán)氧樹(shù)脂或聚氨酯彈性體中的一種。
[0008] 進(jìn)一步地，所述的端蓋7為橢球形端蓋，其長(zhǎng)短軸比為2。
[0009] 優(yōu)選地，所述的端蓋7的材質(zhì)為鈦合金或鋁合金。
[0010]進(jìn)一步優(yōu)選地，所述的端蓋7的材質(zhì)為七系鋁合金7505-T6。
[0011] 進(jìn)一步地，所述的碳纖維筒體2為由T700S和M40J兩種材料纏繞制備而成。
[0012] 本發(fā)明同時(shí)公開(kāi)了如上所述的一種新型碳纖維高分子復(fù)合材料耐壓艙體的制作 工藝，其特征在于該制作工藝包括以下步驟： A模具準(zhǔn)備：首先根據(jù)艙體的圖紙要求，加工耐壓艙體用的碳纖維桶體2的模具，模具 為碳鋼經(jīng)機(jī)械加工、磨削而成;然后將模具安裝至全自動(dòng)四軸碳纖維纏繞機(jī)上，模具外表面 噴涂液體石蠟作為隔離劑。
[0013] B膠料配制：按照環(huán)氧樹(shù)脂：固化劑:添加劑=100:80~90 :0.6~0.8的重量比，依次 將環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑、添加劑投入到混料機(jī)中，用攪拌器按照200-300轉(zhuǎn)/分鐘進(jìn)行連續(xù)定向 勻速攪拌10-15分鐘，得到混合膠體。
[0014] C碳纖維筒體纏繞:將步驟B中制得的混合膠體緩慢投入到水浴加熱的浸膠槽內(nèi)， 混合膠體溫度控制在50-60°C;在張力器的作用下，將碳纖維絲通過(guò)浸膠槽，使膠液充分浸 潤(rùn)到纖維內(nèi)，按照力學(xué)要求和增強(qiáng)纖維的鋪層設(shè)計(jì)，將浸好混合膠體的碳纖維T700S和M40J 按照不同的角度，螺旋、環(huán)向的混合形式纏繞在步驟A的模具上，達(dá)到一定層數(shù)和厚度；其 中，在纏繞過(guò)程中的張力控制在100-200N，并根據(jù)鋪層厚度逐漸遞減，以保證整個(gè)殼體含膠 量為 25-30%。
[0015] D碳纖維筒體的固化:將步驟C纏繞完成的碳纖維筒體連同模具一起放入固化爐內(nèi) 進(jìn)行旋轉(zhuǎn)離心固化，其整個(gè)固化過(guò)程中的模具及工件為離心旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，離心速率為75-100 轉(zhuǎn)/分鐘，勻速狀態(tài)，并提供熱風(fēng)內(nèi)循環(huán)，其固化步驟如下： 1:在30-40分鐘內(nèi)將固化爐溫度升至80-90°C，并在此溫度下固化100-120分鐘； 2:在30分鐘內(nèi)將固化爐溫度升至120-130° C，保溫100-120分鐘后，將固化爐溫度升至 160° C，保溫240分鐘； 3:自然降溫到80°C后，脫模備用。
[0016] E碳纖維筒體與連接件的膠接:將步驟D固化好的碳纖維筒體通過(guò)機(jī)械加工達(dá)到圖 紙要求的尺寸，然后將事先按技術(shù)要求加工完成的連接件膠接面進(jìn)行噴砂處理，用改性環(huán) 氧樹(shù)脂膠粘劑將殼體與兩端連接進(jìn)行膠接固化，并至固化后將膠接件按照?qǐng)D紙加工到所需 尺寸。
[0017] F碳纖維筒體防滲層的加工：首先將加工好的碳纖維筒體表面用100目細(xì)砂輪磨 肖IJ，再用二氯甲烷溶劑清洗后，然后用去離子水清洗，并在60-70°C環(huán)境下烘干后，在碳纖維 艙體表面涂刷偶聯(lián)劑，室溫下停放20-30分鐘使表面偶聯(lián)劑揮發(fā)干燥，最后將經(jīng)過(guò)丁晴橡膠 改性的環(huán)氧樹(shù)脂或聚氨酯彈性體中的一種材質(zhì)噴涂、固化在耐壓艙體表面，形成防滲層，并 進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。
[0018] G碳纖維筒體外防護(hù)層的加工:將超高分子量聚乙烯根據(jù)需要加工成管材，管材內(nèi) 徑比耐壓艙殼體外徑小2-3mm，管材內(nèi)表面進(jìn)行電暈活化處理，將步驟F通過(guò)氣密試驗(yàn)合格 的碳纖維筒體清洗干凈后和高分子聚乙烯管材放到熱風(fēng)循環(huán)的烘箱內(nèi)加熱，烘箱溫度控制 在70-80° C，加熱至超高分子聚乙烯管膨脹未變形，然后將碳纖維筒體表面涂刷粘膠劑，將 熱膨脹的超高分子聚乙烯管材套在耐壓殼體表面，放入烘箱內(nèi)固化110-120°C，旋轉(zhuǎn)保溫40 分鐘，自然降溫至常溫，超高分子聚乙烯管冷卻收縮使其與碳纖維筒體緊密結(jié)合;按圖紙加 工到所需尺寸。
[0019] H碳纖維筒體內(nèi)防護(hù)層的加工：將組裝好的筒體，經(jīng)加熱爐加熱到50-60°C .將經(jīng) 丁晴橡膠改性的環(huán)氧樹(shù)脂均勻地噴涂到筒體內(nèi)壁，厚度為0.5-0.6mm，在80°C溫度下固化 40-60分鐘，形成內(nèi)防護(hù)層。
[0020] I裝配端蓋:將端蓋通過(guò)連接件裝配到碳纖維筒體上，端蓋與連接件之間設(shè)置多個(gè) 密封圈。
[0021] 進(jìn)一步地，如上步驟B中的環(huán)氧樹(shù)脂為E51，固化劑為甲基四氫苯酐，添加劑為DMP-30促進(jìn)劑，其質(zhì)量配比為:E51:甲基四氫苯酐:DMP-30=100:80~90:0.6~0.8 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的新型碳纖維高分子復(fù)合材料耐壓艙體的結(jié)構(gòu)和制作工 藝與眾不同，該碳纖維高分子復(fù)合材料耐壓艙體主要特征為:第一、采用高強(qiáng)度，高彈性模 量的碳纖