一种深海潜水器连续碳纤维增强铝基复合材料耐压壳体

1.本发明涉及一种深海潜水器复合材料耐压壳体及其制备方法，特别涉及一种连续碳纤维增强铝基复合材料耐压壳体及其制备方法。


背景技术：

2.潜水器是深海资源勘查和科学研究的基本运载工具，在未来的深海科学研究体系中将处于核心地位。而耐压壳作为潜水器的核心部件，在潜水器工作时，起着保障壳体内部设备不因海水压力和腐蚀而破坏的作用，对于载人潜水器，其更是与舱内人员的安全息息相关。作为潜水器浮力的主要提供者，耐压壳占据了潜水器较大的重量。而潜水器重量的节省(表现为最小的重量排水量比值)是一项基本要求，它可转化为更大的负载、更长的航程。因此，亟需开发高力学性能的耐压壳体，满足深海探测需求。
3.申请公布号为cn203528747u的专利提出了一种复合材料耐压壳体及其制备方法。该耐压壳体包括由两个法兰、两个以上纵支撑肋和两个以上支撑环组成的金属骨架，以及依次布设在金属骨架外的第一玻璃钢层、钛丝绕制层、第二玻璃钢层、碳纤维层和防护层，其中所述两个法兰同轴设置，在两个法兰之间沿周向均匀分布两个以上纵支撑肋，所述纵支撑肋的两端分别与两个法兰连接，在两个法兰之间沿均匀轴向分布两个以上支撑环，所述支撑环与纵支撑肋连接，该耐压壳体由金属与聚合物基制成，能够在水下大深度下正常工作，且不发生明显形变，能够满足强度和刚度的要求。
4.授权公告号为cn106143789b的专利提出了一种潜艇耐压壳体及其制备方法，主要包括可对接的舯艉部壳本体和舯艏部壳本体，所述钢骨架固定在所述壳本体内表面，所述壳本体由内至外依次由内衬层、增强层和外防护层复合而成，所述增强层是由粘附有氨基树脂的竹篾片缠绕若干层复合而成，所述内衬层和所述外防护层均是由竹纤维无纺布和环氧乙烯基酯树脂复合而成，该耐压壳体绿色环保，具有一定的抗变形能力。
5.上述发明通过将金属材料与非金属材料进行复合来制备耐压壳体，金属材料的存在会增加壳体的重量，提高壳体的容重比，此外，上述壳体外形均为圆柱形，相对于相同质量球形外壳，其承载能力较低，所受应力约为球形壳体的一倍。


技术实现要素：

6.本发明旨在克服上述现有技术的不足，提出一种深海潜水器连续碳纤维增强铝基复合材料耐压壳体，其特征在于采用一种新型复合材料制作耐压壳体；所述壳体为球形，内径为1～3m，厚度为50～200mm，两个半球壳之间通过法兰连接，在球壳上开设3个圆形观察窗，主观察窗圆心位于耐压球壳中剖面偏下19
°
，直径为150～350mm，两个辅观察窗圆心分别在中剖面左右48
°
、偏下19
°
，直径为50～250mm；所述复合材料主要由连续碳纤维、界面层、sic颗粒、sic纳米线、以及铝合金基体组成；所述界面层为pyc、bn、sic、pyc/sic、bn/sic中的一种，厚度为0.1～1μm；所述sic纳米线直径为30～150nm，长度为5～25μm，质量分数为10％～45％；所述sic颗粒的平均尺寸为10～30μm，质量分数为5％～35％；所述铝合金基体
为6061、6063、7075铝合金中的一种。
7.一种深海潜水器连续碳纤维增强铝基复合材料耐压壳体的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：
8.(1)采用碳纤维编织机将碳纤维编织成半球壳形三维预制体；
9.(2)将步骤(1)制得的三维碳纤维预制体装入相应的石墨模具中固定好，采用化学气相渗透法在碳纤维表面制备界面层；
10.(3)采用电泳沉积工艺对步骤(2)制得的三维碳纤维预制体进行沉积，选用50％～60％质量分数ph＝9的sic悬浮液，电流密度为3.2～3.7ma/cm2，沉积时间为8～13min，获得均匀分布在界面层周围的sic颗粒增强相；
11.(4)建立有限元模型，在步骤(3)制得的三维预制体表面模拟打孔的数量和位置，保证打孔后的预制体依然具有优异的力学性能，并且有利于后续铝合金基体的充分浸渗；
12.(5)对步骤(3)制得的三维预制体进行电火花打孔，孔径为1～1.5mm，方向为垂直于球壳表面且指向球心；
13.(6)将步骤(5)制得的三维碳纤维预制体充分浸入镍离子溶液中，取出干燥后，通过化学气相渗透法，以三氯甲基硅烷和氢气作为源气，氩气作为保护和稀释气体，将三者通入沉积炉内，沉积温度为1000℃～1300℃，在界面层表面以及打孔位置处原位生长出sic纳米线；
14.(7)采用真空压力浸渗技术将步骤(6)制得的原位生长sic纳米线的三维碳纤维织物放入浇铸模具中并固定好，将工装整体放入浸渗炉中进行预热处理，预热温度为500～550℃，在真空环境下通过大气压将铝合金熔液倒灌进工装内，施加浸渗压力为8mpa，保压时间为8～11min，完成铝合金的原位填充；
15.(8)采用法兰对在步骤(7)制得的半球形壳体进行装配，并在壳体上开设3个观察窗，主观察窗圆心位于耐压球壳中剖面偏下19
°
，两个辅观察窗圆心分别在中剖面左右48
°
、偏下19
°
；
16.(9)采用数控铣削机床对步骤(8)制得的壳体进行表面精加工。
17.本发明有益效果：通过采用新型碳纤维增强铝基复合材料代替金属材料制作耐压壳体，有效降低了壳体的重量，提高了壳体的容重比；通过碳纤维、sic颗粒与sic纳米线的联合增强，显著提高壳体的抗压/弯曲强度、抗疲劳性以及耐腐蚀性；通过采用三维编织工艺编织壳体，有效解决了传统复合材料所具有的低层间强度以及较差的层间断裂韧性的问题；通过将壳体编织成球形，使壳体外表面受力均匀，提高了其承载能力。
附图说明
18.图1为耐压壳体三维示意图；
19.图2为观察窗布置图。
20.附图中标记如下：1-耐压壳体；2-法兰；3-壳体入口；4-右辅助观察窗；5-左辅助观察窗；6-主观察窗。
具体实施方式
21.现结合实施案例对本发明作进一步描述：
22.实施例1
23.一种深海潜水器连续碳纤维增强铝基复合材料耐压壳体及其制备方法，其特征在于，采用一种新型复合材料制作耐压壳体；所述壳体为球形，内径为1.9m，厚度为60mm，两个半球壳之间通过法兰连接，在球壳上开设3个圆形观察窗，主观察窗圆心位于耐压球壳中剖面偏下19
°
，直径为260mm，两个辅观察窗圆心分别在中剖面左右48
°
、偏下19
°
，直径为150mm；所述复合材料主要由连续碳纤维、界面层、sic颗粒、sic纳米线、以及铝合金基体组成；所述界面层为bn/sic界面层，厚度为0.6μm；所述sic纳米线直径为35nm，长度为10μm，质量分数为25％；所述sic颗粒的平均尺寸为15μm，质量分数为10％；所述铝合金基体为6061铝合金。
24.一种深海潜水器连续碳纤维增强铝基复合材料耐压壳体的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：
25.(1)采用碳纤维编织机将碳纤维编织成半球壳形三维预制体；
26.(2)将步骤(1)制得的三维碳纤维预制体装入相应的石墨模具中固定好，采用化学气相渗透法在碳纤维表面制备界面层；
27.(3)采用电泳沉积工艺对步骤(2)制得的三维碳纤维预制体进行沉积，选用50％质量分数ph＝9的sic悬浮液，电流密度为3.3ma/cm2，沉积时间为8min，获得均匀分布在碳纤维周围的sic颗粒增强相；
28.(4)建立有限元模型，在步骤(3)制得的三维预制体表面模拟打孔的数量和位置，保证打孔后的预制体依然具有优异的力学性能，并且有利于后续铝合金基体的充分浸渗；
29.(5)对步骤(3)制得的三维预制体进行电火花打孔，孔径为1mm，方向为垂直于球壳表面且指向球心；
30.(6)将步骤(5)制得的三维碳纤维预制体充分浸入镍离子溶液中，取出干燥后，通过化学气相渗透法，以三氯甲基硅烷和氢气作为源气，氩气作为保护和稀释气体，将三者通入沉积炉内，沉积温度为1200℃，在界面层表面以及打孔位置处原位生长出sic纳米线；
31.(7)采用真空压力浸渗技术将步骤(6)制得的原位生长sic纳米线的三维碳纤维织物放入浇铸模具中并固定好，将工装整体放入浸渗炉中进行预热处理，预热温度为500℃，在真空环境下通过大气压将铝合金熔液倒灌进工装内，施加浸渗压力为8mpa，保压时间为8min，完成铝合金的原位填充；
32.(8)采用法兰对在步骤(7)制得的半球形壳体进行装配，并在壳体上开设3个观察窗，主观察窗圆心位于耐压球壳中剖面偏下19
°
，两个辅观察窗圆心分别在中剖面左右48
°
、偏下19
°
；
33.(9)采用数控铣削机床对步骤(8)制得的壳体进行表面精加工。
34.实施例2
35.一种深海潜水器连续碳纤维增强铝基复合材料耐压壳体及其制备方法，其特征在于，采用一种新型复合材料制作耐压壳体；所述壳体为球形，内径为2.2m，厚度为75mm，两个半球壳之间通过法兰连接，在球壳上开设3个圆形观察窗，主观察窗圆心位于耐压球壳中剖面偏下19
°
，直径为300mm，两个辅观察窗圆心分别在中剖面左右48
°
、偏下19
°
，直径为200mm；所述复合材料主要由连续碳纤维、界面层、sic颗粒、sic纳米线、以及铝合金基体组成；所述界面层为pyc/sic界面层，厚度为0.8μm；所述sic纳米线直径为45nm，长度为20μm，
质量分数为35％；所述sic颗粒的平均尺寸为25μm，质量分数为20％；所述铝合金基体为7075铝合金。
36.一种深海潜水器连续碳纤维增强铝基复合材料耐压壳体的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：
37.(1)采用碳纤维编织机将碳纤维编织成半球壳形三维预制体；
38.(2)将步骤(1)制得的三维碳纤维预制体装入相应的石墨模具中固定好，采用化学气相渗透法在碳纤维表面制备界面层；
39.(3)采用电泳沉积工艺对步骤(2)制得的三维碳纤维预制体进行沉积，选用55％质量分数ph＝9的sic悬浮液，电流密度为3.5ma/cm2，沉积时间为11min，获得均匀分布在碳纤维周围的sic颗粒增强相；
40.(4)建立有限元模型，在步骤(3)制得的三维预制体表面模拟打孔的数量和位置，保证打孔后的预制体依然具有优异的力学性能，并且有利于后续铝合金基体的充分浸渗；
41.(5)对步骤(3)制得的三维预制体进行电火花打孔，孔径为1.5mm，方向为垂直于球壳表面且指向球心；
42.(6)将步骤(5)制得的三维碳纤维预制体充分浸入镍离子溶液中，取出干燥后，通过化学气相渗透法，以三氯甲基硅烷和氢气作为源气，氩气作为保护和稀释气体，将三者通入沉积炉内，沉积温度为1300℃，在界面层表面以及打孔位置处原位生长出sic纳米线；
43.(7)采用真空压力浸渗技术将步骤(6)制得的原位生长sic纳米线的三维碳纤维织物放入浇铸模具中并固定好，将工装整体放入浸渗炉中进行预热处理，预热温度为530℃，在真空环境下通过大气压将铝合金熔液倒灌进工装内，施加浸渗压力为8mpa，保压时间为10min，完成铝合金的原位填充；
44.(8)采用法兰对在步骤(7)制得的半球形壳体进行装配，并在壳体上开设3个观察窗，主观察窗圆心位于耐压球壳中剖面偏下19
°
，两个辅观察窗圆心分别在中剖面左右48
°
、偏下19
°
；
45.(9)采用数控铣削机床对步骤(8)制得的壳体进行表面精加工。
46.上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种深海潜水器连续碳纤维增强铝基复合材料耐压壳体，其特征在于，采用一种新型复合材料制作耐压壳体；所述壳体为球形，内径为1～3m，厚度为50～200mm，两个半球壳之间通过法兰连接，在球壳上开设3个圆形观察窗，主观察窗圆心位于耐压球壳中剖面偏下19
°
，直径为150～350mm，两个辅观察窗圆心分别在中剖面左右48
°
、偏下19
°
，直径为50～250mm；所述复合材料主要由连续碳纤维、界面层、sic颗粒、sic纳米线、以及铝合金基体组成；所述界面层为pyc、bn、sic、pyc/sic、bn/sic中的一种，厚度为0.1～1μm；所述sic纳米线直径为30～150nm，长度为5～25μm，质量分数为10％～45％；所述sic颗粒的平均尺寸为10～30μm，质量分数为5％～35％；所述铝合金基体为6061、6063、7075铝合金中的一种。2.一种深海潜水器连续碳纤维增强铝基复合材料耐压壳体的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：(1)采用碳纤维编织机将碳纤维编织成半球壳形三维预制体；(2)将步骤(1)制得的三维碳纤维预制体装入相应的石墨模具中固定好，采用化学气相渗透法在碳纤维表面制备界面层；(3)采用电泳沉积工艺对步骤(2)制得的三维碳纤维预制体进行沉积，选用50％～60％质量分数ph＝9的sic悬浮液，电流密度为3.2～3.7ma/cm2，沉积时间为8～13min，获得均匀分布在界面层周围的sic颗粒增强相；(4)建立有限元模型，在步骤(3)制得的三维预制体表面模拟打孔的数量和位置，保证打孔后的预制体依然具有优异的力学性能，并且有利于后续铝合金基体的充分浸渗；(5)对步骤(3)制得的三维预制体进行电火花打孔，孔径为1～1.5mm，方向为垂直于球壳表面且指向球心；(6)将步骤(5)制得的三维碳纤维预制体充分浸入镍离子溶液中，取出干燥后，通过化学气相渗透法，以三氯甲基硅烷和氢气作为源气，氩气作为保护和稀释气体，将三者通入沉积炉内，沉积温度为1000℃～1300℃，在界面层表面以及打孔位置处原位生长出sic纳米线；(7)采用真空压力浸渗技术将步骤(6)制得的原位生长sic纳米线的三维碳纤维织物放入浇铸模具中并固定好，将工装整体放入浸渗炉中进行预热处理，预热温度为500～550℃，在真空环境下通过大气压将铝合金熔液倒灌进工装内，施加浸渗压力为8mpa，保压时间为8～11min，完成铝合金的原位填充；(8)采用法兰对在步骤(7)制得的半球形壳体进行装配，并在壳体上开设3个观察窗，主观察窗圆心位于耐压球壳中剖面偏下19
°
，两个辅观察窗圆心分别在中剖面左右48
°
、偏下19
°
；(9)采用数控铣削机床对步骤(8)制得的壳体进行表面精加工。

技术总结
本发明公开了一种深海潜水器连续碳纤维增强铝基复合材料耐压壳体及其制备方法，所述壳体为球形，内径为1～3m，厚度为50～200mm，两个半球壳之间通过法兰连接，在球壳上开设3个圆形观察窗，主观察窗圆心位于耐压球壳中剖面偏下19


技术研发人员：廖家豪 曹梦安 陈照峰 杨丽霞
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2022.03.31
技术公布日：2023/3/28