復(fù)合材料在海洋環(huán)境中的應(yīng)用 (1)課件

1、本章主要內(nèi)容（2學(xué)時）1 玻璃鋼在海洋環(huán)境中的應(yīng)用 1、玻璃鋼的組成 2、玻璃鋼的成形工藝 3、玻璃鋼的性能 4、玻璃鋼在海洋環(huán)境下的應(yīng)用2 深潛固體浮力材料 1、深潛固體浮力材料 2、固體浮力材料的分類 3、浮力材料國內(nèi)外發(fā)展概況 4、微球復(fù)合泡沫材料制備技術(shù)11 玻璃鋼在海洋環(huán)境中的應(yīng)用1、玻璃鋼的組成 玻璃纖維 ：無堿、低堿、中堿、高堿纖維（國內(nèi)船舶工業(yè)：無堿、中堿纖維以其制品） 合成樹脂：船用合成樹脂以不飽和聚脂樹脂為最多。耐腐蝕性：則主要取決于樹脂的有關(guān)性能。 輔助劑：影響玻璃鋼的性能。22、玻璃鋼的成形工藝 船用玻璃鋼多采用手糊法，包括：（1）模具準(zhǔn)備工作（2）玻璃纖維制品的準(zhǔn)各工

2、作（3）調(diào)配樹脂（4）手工糊制成型（5）固化及熱處理（6）脫膜及加工33、玻璃鋼的性能 （1）比重小、比強(qiáng)度高（快速船舶理想材料） 玻璃鋼：比重1.61.9，約為鋼材的1/5 優(yōu)點：可增加船舶載重量，提高航速 增加潛艇或深水考查船的下潛深度 （2）非磁性材料，良好的電絕緣和隔熱性能 優(yōu)點：用于船舶能提高電子設(shè)備的精確性 可避免磁性水雷的攻擊和雷達(dá)的發(fā)現(xiàn) （3）耐腐蝕性強(qiáng)、便于維修保養(yǎng) 優(yōu)點：使用壽命長4（4）可根據(jù)使用特點進(jìn)行設(shè)計施工，成型工藝簡單 優(yōu)點：建造周期短（5） 玻璃鋼的沖擊韌性好，吸收沖擊能量大。 優(yōu)點：良好的防彈性能 擊穿時不會產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，且易修補(bǔ)（6）良好的透聲性、抗震性和化

3、學(xué)穩(wěn)定等5英國：也是最早試制玻璃纖維增強(qiáng)塑料船的國家之一，已頒布了建造長36米大型玻璃鋼船的技術(shù)規(guī)范。目前世界上最大掃雷艇是英國的“威爾遜”號，長47米，排水量500多噸。此外，英國還設(shè)計了長76米，排水量1 000噸以上的大型掃雷艇。我國：自1958年以來也研制了各種玻璃鋼船?，F(xiàn)已批量生產(chǎn)67米工作艇，67米交通艇，56米舢板，68人救生艇，40噸駁船等。7（2）玻璃鋼在潛艇與深水考查船中的應(yīng)用 優(yōu)點：比強(qiáng)度高，用作深水潛艇耐壓殼時潛水深度至少比鋼耐壓殼深80%，可達(dá)4500米以下。 美國：從1953年開始相繼制造了玻璃鋼耐壓殼潛艇“加維納號”、“海貍號”等，另外還用玻璃鋼制造了潛艇指揮塔、

4、導(dǎo)流罩、聲納罩等。 英國： “澳白龍”級潛艇采用玻璃鋼做耐壓殼、水平舵、天線罩和桅桿等約用了120噸玻璃鋼。82 深潛固體浮力材料1、深潛固體浮力材料海底石油及天然氣等資源的探測、考察、開采！近海油氣田：水深300m左右水深較大的開采和探尋項目：北海作業(yè)450m，美國墨西哥灣530m，地中海的意大利水域760m。利用載人或無人潛器在深海中直接進(jìn)行觀察、攝影、測量、取樣以至設(shè)置必要的儀器設(shè)施、水下作業(yè)等深潛技術(shù)是海洋開發(fā)必不可少的。 目前一次飽和潛水過程的極限為600m！10為了解決深潛拖體、深潛器和水下機(jī)器人等的耐壓性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提供足夠的凈浮力，人們開始研制高強(qiáng)度固體浮力材料 (Solid

5、 Buoyancy Materials，簡稱SBM) 以替代傳統(tǒng)的耐壓浮力球和浮力筒。SBM 是發(fā)展現(xiàn)代深潛技術(shù)的重要組成部分，對保證潛器所必須的浮力，對提高潛器的有效載荷，減少其外型尺寸，尤其是在建造大深度的潛器中，有著重要的作用。11浮力材料的具體要求：需長期浸泡在水中，耐水、耐壓、耐腐蝕和抗沖擊。強(qiáng)度與浮力關(guān)系：水深增加，強(qiáng)度亦增加，密度隨之加大，浮力系數(shù)減小。吸水率低，吸水平衡時間短。浮力材料本身不能防水時還需包敷防水層（外表面包敷材料耐腐蝕和抗沖擊以延長它的使用壽命）。目前的應(yīng)用： 水中設(shè)備的配重，水中的浮纜、浮標(biāo)、海底埋纜機(jī)械、零浮力拖體、無人遙控潛水器等。12（1）化學(xué)泡沫塑料已

6、被成功地用于海面浮標(biāo)系統(tǒng)，密度范圍從0.008g/cm3到相當(dāng)于基本樹脂密度的75 %左右。Reichhold化學(xué)公司提供的聚氨酯泡沫，用于生產(chǎn)船用硬質(zhì)泡沫材料，其性能如下： 密度， g/cm3： 0.03-0.08 0.08-0.4 0.4-0.8 壓縮強(qiáng)度，MPa： 0.12-1 0.55-10 5.5-31 體積吸水率，%： 2.5-1.7 1.7-0.5 0.5泡沫塑料用于全潛式浮力材料的兩個基本限制因素：（a）靜水壓下抗水的滲透性能（b）靜水壓下泡沫塑料強(qiáng)度和可靠性14化學(xué)泡沫塑料用于全潛式浮力材料的局限性：泡沫塑料的抗水滲透性能十分關(guān)鍵性?。ㄅ菽芰吓菘妆谠诤軠\的水下就會破裂而滲水

7、）泡沫塑料在靜水壓下強(qiáng)度和可靠性也未進(jìn)行充分的研究及實驗驗證！洛克希德公司的初步評估性研究表明：化學(xué)泡沫塑料在屈服強(qiáng)度上無法同玻璃微球復(fù)合泡沫材料相比！（在深潛浮力的應(yīng)用是十分有限）。15（2）復(fù)合泡沫塑料國外資料介紹最多的浮力材料！成型工藝：振動澆注，抽真空澆注，模壓等方法。粘結(jié)樹脂：環(huán)氧樹脂，聚氨酯，酚醛樹脂等。輕質(zhì)填料：空心球尺寸范圍0.02-50mm，密度0.1-0.7g/cm3。最常用輕質(zhì)填料是平均直徑為75m、密度為0.3g/cm3的空心玻璃球。除玻璃外，還包括陶瓷、碳和有機(jī)聚合物等。（空心球制備都是通過將發(fā)泡劑加入到粉碎的基材中，隨后加熱膨脹而獲得）17 3、浮力材料國內(nèi)外發(fā)展概

8、況 （1）國外概況20 世紀(jì)70 年代開始研究工作，已解決水下6000m用低比重浮力材料的技術(shù)難題，并已形成系列標(biāo)準(zhǔn)！美國：海軍實驗室（密度0.35g/cm3，抗壓強(qiáng)度5.5MPa）； 洛克希德公司(淺海，0.35g/cm3，強(qiáng)度5.6MPa，潛深540m；深潛，0.45-0.48g/cm3，強(qiáng)度25MPa，潛深2430m)18日本：大體上分三個時期，第一時期是1970年水深300m潛水作業(yè)；第二時期是80年代初研制載人深潛器“深海6500 ”；第三時期是1987年開始研制一萬米深的水下機(jī)器人。俄羅斯：已研制出用于6000m水深固體浮力材料，密度為0.7g/cm3、耐壓70MPa。19美國Fl

9、otec公司的浮力材料產(chǎn)品（ 下圖）：由高強(qiáng)度環(huán)氧基材料作基材，根據(jù)不同使用水深，填充不同的浮力調(diào)節(jié)介質(zhì)。20圖3 增強(qiáng)材料的密度與適用水深的關(guān)系圖2 普通材料的密度與適用水深的關(guān)系美國Flotec公司的浮力材料產(chǎn)品密度與水深關(guān)系21（2）國內(nèi)概況國內(nèi)的浮力材料：一般采用聚氨酯泡沫、環(huán)氧樹脂泡沫或其他發(fā)泡塑料。與國外同等材料相比，成本低，但耐壓強(qiáng)度低，浸水一段時間后，會吸水，失去浮力，使用可靠性差；最大工作深度400m 左右。（a）淺海固體浮力材料：采用軟木、浮力球、浮力筒及合成泡沫塑料或合成橡膠，所用合成泡沫塑料的密度為0.5-0.6g/cm3，抗壓強(qiáng)度為4MPa22（b）深海固體浮力材料：

10、嘗試開展相關(guān)研究工作青島海洋化工研究院：開發(fā)出了SSB-300固體浮力材料，由閉孔聚異氰酸酯噁唑烷酮泡沫作為芯材，100%固含量噴涂聚脲彈性體（SPUA）作為包敷層組成。 制備：將A、B雙組份料混合均勻后，脫泡，倒入模具中固化成型。噴涂包敷層要將芯材完全均勻地敷蓋。 密度：0.20.35g/cm3，最高破壞強(qiáng)度7.0Mpa，工作壓力0-4.5Mpa，4.5MPa靜水壓下變形率小于0.5%，包敷層抗水滲透性好，耐鹽霧、耐老化、耐海水，抗沖擊、抗磨損。 應(yīng)用：適用于水下各種潛器、海底電纜鋪設(shè)等領(lǐng)域。24（b）空心玻璃微珠：用作浮力調(diào)節(jié)介質(zhì)，已形成產(chǎn)品北航粉體技術(shù)研究所：多功能空心微珠材料，粒度細(xì)小

11、、中空球形、抗壓強(qiáng)度高、耐火度高、電阻率高、耐腐蝕、熱傳導(dǎo)系數(shù)低、熱收縮系數(shù)小。主要化學(xué)成分為二氧化硅和三氧化二鋁，主要物相組成為莫來石和石英。經(jīng)表面改性處理后與高分子材料、涂料等基體材料結(jié)合好、相容性好。254、微球復(fù)合泡沫材料制備技術(shù)（1） 微球復(fù)合泡沫材料制備常用方法微球復(fù)合泡沫材料的性能與制備技術(shù)有很大關(guān)系!微球殼壁很薄，不耐剪切和高壓，在成型中應(yīng)避免高剪切力和高壓力存在（注塑或擠出等成型工藝不適用）(a) 澆注法適合于環(huán)氧，聚酯等液體樹脂，可直接將空心微球與樹脂混合形成糊狀混合物，除去氣泡后澆注模內(nèi)并固化成型。優(yōu)點：產(chǎn)品大小及形狀不收限制缺點：粘度大而氣泡不易排出，填充量低而制品比重

12、大27(b) 真空浸漬法先將中空微球填入成型模具中，然后模具抽真空，同時吸入樹脂，使微球間的空隙完全充滿樹脂，最后固化定型。該法制得的復(fù)合泡沫質(zhì)量均勻，微球的填充率高。但生產(chǎn)規(guī)模有限，制造大型制品困難。(c) 液體傳遞模塑法將基體樹脂與中空微球在減壓條件下混合，然后在正壓下注入模具內(nèi)，固化成型。該法的生產(chǎn)規(guī)?？刹皇芟拗啤５⑶虻奶畛淞枯^低，分布均勻性差。28(d) 顆粒堆積法直接將粉末狀樹脂基體和空心微球及固化劑混合均勻，倒入模具后微幅振動，使其顆粒堆積密實后加熱熔化樹脂。微球粘接成一體，最后固化成型。優(yōu)點是不受液體樹脂混合粘度大和不易注模等缺陷的影響，可控制空隙率大小，微球填充率高。缺點是通常樹脂含量少，制品強(qiáng)度較低。(e) 壓塑法將樹脂與中空微球混合倒入模具中，加熱、加壓成型。與前面的成型方法相比，該法微球填充量高，生產(chǎn)規(guī)模不限，成型周期短。但中空微球在壓力下破碎，因此要嚴(yán)