复合材料在海洋环境中的应用

1本章主要内容（2学时）§1玻璃钢在海洋环境中的应用

1、玻璃钢的组成

2、玻璃钢的成形工艺

3、玻璃钢的性能

4、玻璃钢在海洋环境下的应用§2深潜固体浮力材料

1、深潜固体浮力材料2、固体浮力材料的分类

3、浮力材料国内外发展概况4、微球复合泡沫材料制备技术2§1玻璃钢在海洋环境中的应用1、玻璃钢的组成玻璃纤维

：无碱、低碱、中碱、高碱纤维（国内船舶工业：无碱、中碱纤维以其制品）

合成树脂：船用合成树脂以不饱和聚脂树脂为最多。耐腐蚀性：则主要取决于树脂的有关性能。辅助剂：影响玻璃钢的性能。32、玻璃钢的成形工艺

船用玻璃钢多采用手糊法，包括：（1）模具准备工作（2）玻璃纤维制品的准各工作（3）调配树脂（4）手工糊制成型（5）固化及热处理（6）脱膜及加工43、玻璃钢的性能

（1）比重小、比强度高（快速船舶理想材料）玻璃钢：比重1.6～1.9，约为钢材的1/5

优点：可增加船舶载重量，提高航速

增加潜艇或深水考查船的下潜深度（2）非磁性材料，良好的电绝缘和隔热性能

优点：用于船舶能提高电子设备的精确性

可避免磁性水雷的攻击和雷达的发现（3）耐腐蚀性强、便于维修保养

优点：使用寿命长5（4）可根据使用特点进行设计施工，成型工艺简单优点：建造周期短（5）玻璃钢的冲击韧性好，吸收冲击能量大。

优点：良好的防弹性能

击穿时不会产生严重破坏，且易修补（6）良好的透声性、抗震性和化学稳定等64、玻璃钢在海洋环境下的应用（1）玻璃钢在水面舰船中的应用美国：是最早在船舶工业中应用玻璃钢的国家，早在1946年就制造了第一艘玻璃钢交通艇，l947年又试制了10米纤维增强塑料船。1970年大约有16吨的玻璃纤维增强塑料用于造船，作各种船体结构、甲板、上层建筑物等多种产品。1962～1972年间纤维增强塑料船总数达55万余艘。现在美国海军部规定，长16米以下的舰船全部采用增强塑料制做。7英国：也是最早试制玻璃纤维增强塑料船的国家之一，已颁布了建造长36米大型玻璃钢船的技术规范。目前世界上最大扫雷艇是英国的“威尔逊”号，长47米，排水量500多吨。此外，英国还设计了长76米，排水量1000吨以上的大型扫雷艇。我国：自1958年以来也研制了各种玻璃钢船。现已批量生产6～7米工作艇，6～7米交通艇，5～6米舢板，68人救生艇，40吨驳船等。8（2）玻璃钢在潜艇与深水考查船中的应用

优点：比强度高，用作深水潜艇耐压壳时潜水深度至少比钢耐压壳深80%，可达4500米以下。

美国：从1953年开始相继制造了玻璃钢耐压壳潜艇“加维纳号”、“海狸号”等，另外还用玻璃钢制造了潜艇指挥塔、导流罩、声纳罩等。

英国：“澳白龙”级潜艇采用玻璃钢做耐压壳、水平舵、天线罩和桅杆等约用了120吨玻璃钢。9（3）海洋环境下玻璃钢的应用局限性

目前，玻璃钢虽然在船舶与海洋工程中已获得广泛应用，但由于它存在弹性模量低，长期耐高温性能较差、有老化现象、生产工艺落后、原料成本和造价过高、耐磨性差等原因，玻璃钢用于建造大型舰船，目前尚受到一定限制，有待进一步研究以获解决。

劳动强度高、效率低、制作环境有害于健康！10§2深潜固体浮力材料1、深潜固体浮力材料海底石油及天然气等资源的探测、考察、开采！近海油气田：水深300m左右水深较大的开采和探寻项目：北海作业450m，美国墨西哥湾530m，地中海的意大利水域760m。利用载人或无人潜器在深海中直接进行观察、摄影、测量、取样以至设置必要的仪器设施、水下作业等深潜技术是海洋开发必不可少的。

目前一次饱和潜水过程的极限为600m！11为了解决深潜拖体、深潜器和水下机器人等的耐压性、结构稳定性，提供足够的净浮力，人们开始研制高强度固体浮力材料

(SolidBuoyancyMaterials，简称SBM)以替代传统的耐压浮力球和浮力筒。SBM是发展现代深潜技术的重要组成部分，对保证潜器所必须的浮力，对提高潜器的有效载荷，减少其外型尺寸，尤其是在建造大深度的潜器中，有着重要的作用。12浮力材料的具体要求：需长期浸泡在水中，耐水、耐压、耐腐蚀和抗冲击。强度与浮力关系：水深增加，强度亦增加，密度随之加大，浮力系数减小。吸水率低，吸水平衡时间短。浮力材料本身不能防水时还需包敷防水层（外表面包敷材料耐腐蚀和抗冲击以延长它的使用寿命）。目前的应用：

水中设备的配重，水中的浮缆、浮标、海底埋缆机械、零浮力拖体、无人遥控潜水器等。132、固体浮力材料的分类低密度、高强度的多孔结构材料，典型复合材料化学泡沫塑料：利用化学发泡法制成的泡沫复合材料，最低密度极限是0.24g/cm3复合泡沫塑料：是由环氧树脂及其它热固性树脂和轻质填料混合而成。轻质填料是指玻璃微珠或其它材料的中空微珠，以5-300μm的粒径均匀地分散在主体树脂中。上述密度极限为理想值，实际上是很难实现的！14

（1）化学泡沫塑料已被成功地用于海面浮标系统，密度范围从0.008g/cm3到相当于基本树脂密度的75%左右。Reichhold化学公司提供的聚氨酯泡沫，用于生产船用硬质泡沫材料，其性能如下：

密度，g/cm3：0.03-0.080.08-0.40.4-0.8

压缩强度，MPa：0.12-10.55-105.5-31

体积吸水率，%：2.5-1.71.7-0.50.5泡沫塑料用于全潜式浮力材料的两个基本限制因素：（a）静水压下抗水的渗透性能（b）静水压下泡沫塑料强度和可靠性15化学泡沫塑料用于全潜式浮力材料的局限性：泡沫塑料的抗水渗透性能十分关键性！（泡沫塑料泡孔壁在很浅的水下就会破裂而渗水）泡沫塑料在静水压下强度和可靠性也未进行充分的研究及实验验证！洛克希德公司的初步评估性研究表明：化学泡沫塑料在屈服强度上无法同玻璃微球复合泡沫材料相比！（在深潜浮力的应用是十分有限）。16化学泡沫塑料用于全潜式浮力材料的局限性：化学泡沫塑料的密度存在不均匀性！（芯部密度与接近表皮的密度有较大差别）化学泡沫塑料作深潜浮力材料时还必须进行涂覆材料和涂覆工艺的研究（涂覆材料防渗水的可靠性、耐海水侵蚀性等）17（2）复合泡沫塑料国外资料介绍最多的浮力材料！成型工艺：振动浇注，抽真空浇注，模压等方法。粘结树脂：环氧树脂，聚氨酯，酚醛树脂等。轻质填料：空心球尺寸范围0.02-50mm，密度0.1-0.7g/cm3。最常用轻质填料是平均直径为75μm、密度为0.3g/cm3的空心玻璃球。除玻璃外，还包括陶瓷、碳和有机聚合物等。（空心球制备都是通过将发泡剂加入到粉碎的基材中，随后加热膨胀而获得）183、浮力材料国内外发展概况

（1）国外概况20世纪70年代开始研究工作，已解决水下6000m用低比重浮力材料的技术难题，并已形成系列标准！美国：海军实验室（密度0.35g/cm3，抗压强度5.5MPa）；洛克希德公司(浅海，0.35g/cm3，强度5.6MPa，潜深540m；深潜，0.45-0.48g/cm3，强度25MPa，潜深2430m)19日本：大体上分三个时期，第一时期是1970年水深300m潜水作业；第二时期是80年代初研制载人深潜器“深海6500”；第三时期是1987年开始研制一万米深的水下机器人。俄罗斯：已研制出用于6000m水深固体浮力材料，密度为0.7g/cm3、耐压70MPa。20美国Flotec公司的浮力材料产品（下图）：由高强度环氧基材料作基材，根据不同使用水深，填充不同的浮力调节介质。21图3增强材料的密度与适用水深的关系图2普通材料的密度与适用水深的关系美国Flotec公司的浮力材料产品密度与水深关系22（2）国内概况国内的浮力材料：一般采用聚氨酯泡沫、环氧树脂泡沫或其他发泡塑料。与国外同等材料相比，成本低，但耐压强度低，浸水一段时间后，会吸水，失去浮力，使用可靠性差；最大工作深度400m左右。（a）浅海固体浮力材料：采用软木、浮力球、浮力筒及合成泡沫塑料或合成橡胶，所用合成泡沫塑料的密度为0.5-0.6g/cm3，抗压强度为4MPa23（b）深海固体浮力材料：尝试开展相关研究工作哈尔滨船舶工程学院：实验室条件下曾试制过500-600m水深用固体浮力材料，其方法是用直径3-4mm的中空玻璃小球与20、30、40、60、100目中空玻璃微珠按最佳比例配合，用环氧树脂粘结制作密度0.55g/cm3的固体浮力材料。该固体浮力材料密度很难小于0.5g/cm3，且该中空玻璃微珠难于制作、价格昂贵，未能实现工业生产。24（b）深海固体浮力材料：尝试开展相关研究工作青岛海洋化工研究院：开发出了SSB-300固体浮力材料，由闭孔聚异氰酸酯－噁唑烷酮泡沫作为芯材，100%固含量喷涂聚脲弹性体（SPUA）作为包敷层组成。

制备：将A、B双组份料混合均匀后，脱泡，倒入模具中固化成型。喷涂包敷层要将芯材完全均匀地敷盖。

密度：0.2~0.35g/cm3，最高破坏强度7.0Mpa，工作压力0-4.5Mpa，4.5MPa静水压下变形率小于0.5%，包敷层抗水渗透性好，耐盐雾、耐老化、耐海水，抗冲击、抗磨损。

应用：适用于水下各种潜器、海底电缆铺设等领域。25（b）空心玻璃微珠：用作浮力调节介质，已形成产品北航粉体技术研究所：多功能空心微珠材料，粒度细小、中空球形、抗压强度高、耐火度高、电阻率高、耐腐蚀、热传导系数低、热收缩系数小。主要化学成分为二氧化硅和三氧化二铝，主要物相组成为莫来石和石英。经表面改性处理后与高分子材料、涂料等基体材料结合好、相容性好。26（b）空心玻璃微珠：用作浮力调节介质，已形成产品秦皇岛市玻璃微珠厂：由硼硅酸盐原料制成空心玻璃微珠，粒度为10-250m，壁厚1-2m。该产品具有质轻、低导热、较高的强度、良好的化学稳定性等优点，其表面经过特殊处理，具有亲油憎水性能，非常容易分散于树脂等有机材料中。274、微球复合泡沫材料制备技术（1）微球复合泡沫材料制备常用方法微球复合泡沫材料的性能与制备技术有很大关系!微球壳壁很薄，不耐剪切和高压，在成型中应避免高剪切力和高压力存在（注塑或挤出等成型工艺不适用）(a)浇注法适合于环氧，聚酯等液体树脂，可直接将空心微球与树脂混合形成糊状混合物，除去气泡后浇注模内并固化成型。优点：产品大小及形状不收限制缺点：粘度大而气泡不易排出，填充量低而制品比重大28(b)真空浸渍法先将中空微球填入成型模具中，然后模具抽真空，同时吸入树脂，使微球间的空隙完全充满树脂，最后固化定型。该法制得的复合泡沫质量均匀，微球的填充率高。但生产规模有限，制造大型制品困难。(c)液体传递模塑法将基体树脂与中空微球在减压条件下混合，然后在正压下注入模具内，固化成型。该法的生产规模可不受限制。但微球的填充量较低，分布均匀性差。29(d)颗粒堆积法直接将粉末状树脂基体和空心微球及固化剂混合均匀，倒入模具后微幅振动，使其颗粒堆积密实后加热熔化树脂。微球粘接成一体，最后固化成型。优点是不受液体树脂混合粘度大和不易注模等缺陷的影响，可控制空隙率大小，微球填充率高。缺点是通常树脂含量少，制品强度较低。(e)压塑法将树脂与中空微球混合倒入模具中，加热