復(fù)合材料在海洋環(huán)境中的應(yīng)用

1本章主要內(nèi)容（2學(xué)時(shí)）§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(lèi)

3、浮力材料國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況4、微球復(fù)合泡沫材料制備技術(shù)2§1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(wú)堿、低堿、中堿、高堿纖維（國(guó)內(nèi)船舶工業(yè)：無(wú)堿、中堿纖維以其制品）

合成樹(shù)脂：船用合成樹(shù)脂以不飽和聚脂樹(shù)脂為最多。耐腐蝕性：則主要取決于樹(shù)脂的有關(guān)性能。輔助劑：影響玻璃鋼的性能。32、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)各工作（3）調(diào)配樹(shù)脂（4）手工糊制成型（5）固化及熱處理（6）脫膜及加工43、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1.6～1.9，約為鋼材的1/5

優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)：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(diǎn)：使用壽命長(zhǎng)5（4）可根據(jù)使用特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，成型工藝簡(jiǎn)單優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)：良好的防彈性能

擊穿時(shí)不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，且易修補(bǔ)（6）良好的透聲性、抗震性和化學(xué)穩(wěn)定等64、玻璃鋼在海洋環(huán)境下的應(yīng)用（1）玻璃鋼在水面艦船中的應(yīng)用美國(guó)：是最早在船舶工業(yè)中應(yīng)用玻璃鋼的國(guó)家，早在1946年就制造了第一艘玻璃鋼交通艇，l947年又試制了10米纖維增強(qiáng)塑料船。1970年大約有16噸的玻璃纖維增強(qiáng)塑料用于造船，作各種船體結(jié)構(gòu)、甲板、上層建筑物等多種產(chǎn)品。1962～1972年間纖維增強(qiáng)塑料船總數(shù)達(dá)55萬(wàn)余艘?，F(xiàn)在美國(guó)海軍部規(guī)定，長(zhǎng)16米以下的艦船全部采用增強(qiáng)塑料制做。7英國(guó)：也是最早試制玻璃纖維增強(qiáng)塑料船的國(guó)家之一，已頒布了建造長(zhǎng)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(guó)的“威爾遜”號(hào)，長(zhǎng)47米，排水量500多噸。此外，英國(guó)還設(shè)計(jì)了長(zhǎng)76米，排水量1000噸以上的大型掃雷艇。我國(guó)：自1958年以來(lái)也研制了各種玻璃鋼船?，F(xiàn)已批量生產(chǎn)6～7米工作艇，6～7米交通艇，5～6米舢板，68人救生艇，40噸駁船等。8（2）玻璃鋼在潛艇與深水考查船中的應(yīng)用

優(yōu)點(diǎn)：比強(qiáng)度高，用作深水潛艇耐壓殼時(shí)潛水深度至少比鋼耐壓殼深80%，可達(dá)4500米以下。

美國(guó)：從1953年開(kāi)始相繼制造了玻璃鋼耐壓殼潛艇“加維納號(hào)”、“海貍號(hào)”等，另外還用玻璃鋼制造了潛艇指揮塔、導(dǎo)流罩、聲納罩等。

英國(guó)：“澳白龍”級(jí)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。9（3）海洋環(huán)境下玻璃鋼的應(yīng)用局限性

目前，玻璃鋼雖然在船舶與海洋工程中已獲得廣泛應(yīng)用，但由于它存在彈性模量低，長(zhǎng)期耐高溫性能較差、有老化現(xiàn)象、生產(chǎn)工藝落后、原料成本和造價(jià)過(guò)高、耐磨性差等原因，玻璃鋼用于建造大型艦船，目前尚受到一定限制，有待進(jìn)一步研究以獲解決。

勞動(dòng)強(qiáng)度高、效率低、制作環(huán)境有害于健康！10§2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(cè)、考察、開(kāi)采！近海油氣田：水深300m左右水深較大的開(kāi)采和探尋項(xiàng)目：北海作業(yè)450m，美國(guó)墨西哥灣530m，地中海的意大利水域760m。利用載人或無(wú)人潛器在深海中直接進(jìn)行觀察、攝影、測(cè)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(kāi)發(fā)必不可少的。

目前一次飽和潛水過(guò)程的極限為600m！11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(kāi)始研制高強(qiáng)度固體浮力材料

(SolidBuoyancyMaterials，簡(jiǎn)稱(chēng)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(duì)保證潛器所必須的浮力，對(duì)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。12浮力材料的具體要求：需長(zhǎng)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(shí)間短。浮力材料本身不能防水時(shí)還需包敷防水層（外表面包敷材料耐腐蝕和抗沖擊以延長(zhǎng)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(wú)人遙控潛水器等。132、固體浮力材料的分類(lèi)低密度、高強(qiáng)度的多孔結(jié)構(gòu)材料，典型復(fù)合材料化學(xué)泡沫塑料：利用化學(xué)發(fā)泡法制成的泡沫復(fù)合材料，最低密度極限是0.24g/cm3復(fù)合泡沫塑料：是由環(huán)氧樹(shù)脂及其它熱固性樹(shù)脂和輕質(zhì)填料混合而成。輕質(zhì)填料是指玻璃微珠或其它材料的中空微珠，以5-300μm的粒徑均勻地分散在主體樹(shù)脂中。上述密度極限為理想值，實(shí)際上是很難實(shí)現(xiàn)的！14

（1）化學(xué)泡沫塑料已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(shù)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/cm3：0.03-0.080.08-0.40.4-0.8

壓縮強(qiáng)度，MPa：0.12-10.55-105.5-31

體積吸水率，%：2.5-1.71.7-0.50.5泡沫塑料用于全潛式浮力材料的兩個(gè)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15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！（泡沫塑料泡孔壁在很淺的水下就會(huì)破裂而滲水）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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證！洛克希德公司的初步評(píng)估性研究表明：化學(xué)泡沫塑料在屈服強(qiáng)度上無(wú)法同玻璃微球復(fù)合泡沫材料相比?。ㄔ谏顫摳×Φ膽?yīng)用是十分有限）。16化學(xué)泡沫塑料用于全潛式浮力材料的局限性：化學(xué)泡沫塑料的密度存在不均勻性?。ㄐ静棵芏扰c接近表皮的密度有較大差別）化學(xué)泡沫塑料作深潛浮力材料時(shí)還必須進(jìn)行涂覆材料和涂覆工藝的研究（涂覆材料防滲水的可靠性、耐海水侵蝕性等）17（2）復(fù)合泡沫塑料國(guó)外資料介紹最多的浮力材料！成型工藝：振動(dòng)澆注，抽真空澆注，模壓等方法。粘結(jié)樹(shù)脂：環(huán)氧樹(shù)脂，聚氨酯，酚醛樹(shù)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75μm、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(guò)將發(fā)泡劑加入到粉碎的基材中，隨后加熱膨脹而獲得）183、浮力材料國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況

（1）國(guó)外概況20世紀(jì)70年代開(kāi)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(guó)：海軍實(shí)驗(yàn)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)19日本：大體上分三個(gè)時(shí)期，第一時(shí)期是1970年水深300m潛水作業(yè)；第二時(shí)期是80年代初研制載人深潛器“深海6500”；第三時(shí)期是1987年開(kāi)始研制一萬(wàn)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。20美國(guó)Flotec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)。21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(guó)Flotec公司的浮力材料產(chǎn)品密度與水深關(guān)系22（2）國(guó)內(nèi)概況國(guó)內(nèi)的浮力材料：一般采用聚氨酯泡沫、環(huán)氧樹(shù)脂泡沫或其他發(fā)泡塑料。與國(guó)外同等材料相比，成本低，但耐壓強(qiáng)度低，浸水一段時(shí)間后，會(huì)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4MPa23（b）深海固體浮力材料：嘗試開(kāi)展相關(guān)研究工作哈爾濱船舶工程學(xué)院：實(shí)驗(yàn)室條件下曾試制過(guò)500-600m水深用固體浮力材料，其方法是用直徑3-4mm的中空玻璃小球與20、30、40、60、100目中空玻璃微珠按最佳比例配合，用環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)制作密度0.55g/cm3的固體浮力材料。該固體浮力材料密度很難小于0.5g/cm3，且該中空玻璃微珠難于制作、價(jià)格昂貴，未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)。24（b）深海固體浮力材料：嘗試開(kāi)展相關(guān)研究工作青島海洋化工研究院：開(kāi)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：0.2~0.35g/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。25（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、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(lái)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。26（b）空心玻璃微珠：用作浮力調(diào)節(jié)介質(zhì)，已形成產(chǎn)品秦皇島市玻璃微珠廠：由硼硅酸鹽原料制成空心玻璃微珠，粒度為10-250m，壁厚1-2m。該產(chǎn)品具有質(zhì)輕、低導(dǎo)熱、較高的強(qiáng)度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，其表面經(jīng)過(guò)特殊處理，具有親油憎水性能，非常容易分散于樹(shù)脂等有機(jī)材料中。274、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(shù)脂，可直接將空心微球與樹(shù)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(diǎn)：產(chǎn)品大小及形狀不收限制缺點(diǎn)：粘度大而氣泡不易排出，填充量低而制品比重大28(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(shí)吸入樹(shù)脂，使微球間的空隙完全充滿樹(shù)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(shù)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。29(d)顆粒堆積法直接將粉末狀樹(shù)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(dòng)，使其顆粒堆積密實(shí)后加熱熔化樹(shù)脂。微球粘接成一體，最后固化成型。優(yōu)點(diǎn)是不受液體樹(shù)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(diǎn)是通常樹(shù)脂含量少，制品強(qiáng)度較低。(e)壓塑法將樹(shù)脂與中空微球混合倒入模具中，加熱