浮力材料及其应用概述.pdf
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1、浮 力 材 料 及 其 应 用 概 述摘要院随着全球化的扩展与全球海洋问题的频发袁我国加速实施海洋强国战略袁对深海的探索和开发明显加快遥浮力材料是高性能水下装备的关键材料之一袁可以为装备提供足够的浮力袁实现更高的载荷和悬浮定位尧航行袁其性能直接关系到水下装备的可靠性和安全性遥 本文综述了浮力材料的研究背景和研究现状袁概述了浮力材料制备方法袁简述了国内浮力材料的企业分布情况袁介绍了代表性企业在浮力材料方向的成果及未来发展方向遥关键词院浮力材料曰空心玻璃微珠曰复合泡沫引言我国作为海洋大国袁拥有漫长的海岸线尧广阔的管辖海域以及丰富的海洋资源袁 海洋科学技术研究不仅在维护地球生态平衡和资源管理中发挥着
2、核心作用袁 为全球环境治理和海洋资源的可持续利用提供了关键支持袁 还在国家战略布局和国际合作中扮演着重要角色员遥 随着海洋资源开发和科学考察活动日益扩展至深海区域袁 海洋装备的作业模式正在经历从短期作业向长期底部停留和反复往返的逐渐转变袁 这一变化对深潜器的关键子系统之一要要要浮力材料提出了更专业化的要求袁包括低密度尧对高静水压力的耐受性以及在长期深水环境下的稳定性等遥 这些因素直接影响潜水器的性能和安全性袁 也是设计和选择浮力材料时的重要考虑因素遥 在潜水器设计中袁浮力材料约占到总质量的三分之一袁 不仅为潜水器提供必要浮力袁 还使其在抛弃压载铁后能在水下悬浮定位或实现无动力上浮袁 在减小深潜
3、器外形尺寸和维持系统的结构稳定性方面表现出关键作用袁 实现下潜实验设备和探测数据的有效回收圆-猿遥 因此袁浮力材料的研究和优化是材料学领域内深海技术研究的一个重要分支袁 对于深海探索和相关技术的发展具有重大意义遥浮力材料的分类1.化学发泡浮力材料利用化学发泡法制备浮力材料袁一种是通过在芯材成型阶段添加发泡剂袁使其借助树脂固化过程中产生的热量分解产生气体曰另一种则由材料本身的组分间反应产生气体袁 这些气体在受热后膨胀袁在材料内部形成泡沫结构遥化学发泡法制备的浮力材料的主要优势在于其低密度袁能够提供较大的浮力袁通过调节发泡剂与各组分的比例袁实现超低密度泡沫材料的制备袁可达到 0.008 g/cm3
4、遥 然而袁这类材料压缩强度较低尧稳定性较差袁在浅水环境下易破裂和渗水袁导致浮力丧失袁因而在深潜应用中的可靠性较低源遥 由于化学泡沫复合材料的这一局孙雯悦1廖斌1,2(1.中科海锐 厦门 科技研究院有限公司,福建 厦门 361100;2.中国科学院理化技术研究所,北京 100190)厦 门 科 技XIAMEN SCIENCE&TECHNOLOGY第30卷 第1期2024年2月Vol.30 No.1Feb.2024限性袁 在实际应用中局限在水面及水深小于1000m 的范围内袁 且表面采用涂覆密封防水层的方式以防止过度吸水和浮力丧失遥目前应用最广泛的发泡浮力材料当以聚氨酯泡沫材料为代表袁因优异的浮力
5、特性尧良好的机械强度尧包覆层抗水渗透性好以及出色的耐老化尧耐海水和电绝缘性能袁目前已在管线电缆尧水面水下平台尧浮标尧船体材料以及系泊浮筒等领域均有应用遥 陈先等人缘以化学发泡法制备了一种浮力材料袁 其主要由聚氨酯原环氧树脂硬质泡沫构成袁并包覆由环氧树脂和填料等构成的阻水层遥 这种材料的密度低于 0.33g/cm3袁抗压强度达 5.5 MPa袁吸水率小于 1%袁使用的材料与填料均不影响电磁波穿透率袁满足水下摄影尧测量尧取样等实际应用遥 曾大奎远等人以环氧树脂为基体袁偶氮二甲酰胺/二亚硝基五次甲基四胺为发泡剂袁制备了密度 0.33耀0.55 g/cm3袁压缩强度 8.01耀14.56 MPa 的化
6、学发泡浮力材料袁 通过控制各组分用量在降低密度的同时袁保证了所得材料均满足 800m 水深的力学性能要求遥 同时实验表明 70益预固化 90min 下的体系黏度最为适宜后续发泡袁既能避免发泡阻力过大袁又能确保发泡气体被有效包裹在材料内遥2.复合泡沫浮力材料渊1冤复合泡沫浮力材料的组成复合泡沫浮力材料是将低密度浮力调节介质填充到高强度基体中袁 形成的一种具有显著浮力特性的复合材料遥 浮力材料的基体可以是多种材料袁如陶瓷尧聚合物或金属袁但鉴于浮力材料在应用中的作业环境袁热固性树脂因其优异的热稳定性和化学稳定性而被广泛选用遥这种基体材料不仅提供了所需的机械强度和耐久性袁还能够在多变的使用环境中保持其
7、性能不受影响袁从而确保浮力材料在其应用领域中的长期有效性和可靠性苑遥 综合考虑深海环境的要求袁这些基体树脂必须具备包括低密度尧高抗压强度尧低吸水率以及良好的耐海水腐蚀等性能袁常用的基体树脂包括环氧树脂尧酚醛树脂尧不饱和聚酯尧聚氨酯树脂尧硅酮和聚酰胺等遥 环氧树脂因其优良的机械性能尧良好的黏结特性尧较低的吸水率以及出色的物理和化学稳定性是目前制备浮力材料最常用的基体树脂愿遥浮力材料中的密度调节剂主要为空心球材料袁 根据其材料不同可分为空心无机质微球和有机质微球两类遥 无机空心微球的类型包括玻璃尧Al2O3尧SiO2尧ZrO2尧陶瓷尧碳素尧粉煤灰漂珠尧硼酸盐以及磷酸盐的聚合体等怨-员园遥 有机空心
8、微球可以分为天然有机物和合成有机材料两大类袁 包含如大豆蛋白尧纤维素衍生物尧天然胶乳尧藻朊酸盐等天然有机物袁如酚醛树脂尧脲醛树脂尧聚乙烯醇尧乙烯-醋酸乙烯共聚物尧聚乙烯尧聚苯乙烯尧聚甲基丙烯酸甲酯尧聚酰胺尧环氧树脂尧聚氨酯等合成有机材料遥其中袁 空心玻璃微珠因其独特的物理和化学性质被广泛应用于低密度复合材料的制备遥 空心玻璃微珠是一种无机非金属球形粉体材料袁 主要成分为硼硅酸盐袁由直径在 10耀200滋m 及以上尧真密度 0.1耀0.7g/cm3的中空薄壁小球组成遥 这些微珠外观呈现灰白或白色袁表面光滑尧球状且中空袁具备低密度尧良好的流动性尧高抗压强度尧高熔点尧高电阻率尧低热传导系数和热收缩系
9、数等特性员员遥空心玻璃微珠作为填料时能显著降低材料的整体密度袁从而制备低密度复合材料遥 其光滑圆整的形状和等向性有助于防止应力集中和开裂现象遥 与其他形状的填料相比袁球形微珠的比表面积最小袁在提高填料量时体系的黏度变化较小遥 空心玻璃微珠的膨胀系数小袁在树脂中的分散性良好袁有助于减少制品的收缩和因残余应变引起的弯曲或翘曲变形袁从而提高制品的尺寸稳定性遥 空心玻璃微珠具备优异的热稳定性和阻燃特性 渊热分解温度超过 1450益冤袁能够提高聚合物填充材料的阻燃性能遥 空心玻璃微珠的电绝缘性使其适用于作为电气开关设备尧仪表板和电子封装材料的填料曰空心玻璃微珠化学稳定性高尧透明性好尧耐酸碱尧抗辐射袁适用
10、于制造半透明制品袁能吸收紫外线袁提高制品的光稳定性和光反射性员圆渊空心玻璃微珠如图1 所示冤遥孙雯悦等院浮力材料及其应用概述第30卷 第1期45在浮力材料的构成中袁空心玻璃微珠占据超过60%的体积比例袁 对材料整体性能有着决定性影响袁使得空心玻璃微珠在浮力材料的研究与应用中展现出不可替代的关键地位遥空心玻璃微珠的生产在全球范围内都是一个技术上的挑战袁只有少数国家真正掌握这一技术遥 目前袁主要的空心玻璃微珠制造商有 3M尧Trelleborg尧AkzoNobel 和 Glaverbel等公司员猿遥 空心玻璃微珠的主要生产方法可分为 2种技术路线院固相粉末法和软化学法遥 固相粉末法是一种传统的生产
11、方法袁以 3M 公司为代表袁是将玻璃粉末与发泡剂混合后经过高温处理促使玻璃粉末软化并膨胀袁 从而形成空心结构得到空心球体遥 这种方法的优势在于其相对简单和成本效益袁但可能面临发泡和粉末颗粒分布不均尧成珠率低的问题曰软化学法将浆液体系经过喷雾干燥制作出前驱体袁 接着通过烧结处理使制备好的前驱体发泡袁进而形成中空微球结构袁这一工艺烧结温度远低于固相粉末法袁能够灵活调整组成成分袁以便制备具有不同性能的空心玻璃微珠袁提供了更大的灵活性和更优的产品性能员源遥 中国科学院理化技术研究所张敬杰和她的团队员缘利用自主研发的野软化学冶法成功制造出具备高抗等静压强度尧高球形度和小粒度分布等优异性能的空心玻璃微珠袁
12、开发的 TG 系列空心玻璃微珠与 3M 公司制造的高强度系列在性能上基本持平袁这标志着我国在浮力材料研究领域取得了重要的核心技术进展遥渊2冤复合泡沫浮力材料的分类与对比复合泡沫浮力材料按照结构组成的不同可以分为两相复合浮力材料与三相复合浮力材料遥两相复合浮力材料主要由基体树脂和填料空心玻璃微球组成袁在这种材料中树脂和微球填充了整个体积袁没有分散的气体空穴袁材料的密度主要由树脂的密度尧微球的密度和堆积因素决定袁理论上两相复合泡沫材料的最低密度极限是由轻质微球的紧密堆积因素决定曰材料的压缩强度主要取决于空心玻璃微球的填充的体积量和树脂的性能遥Gupta 和 Woldesenbet员远选择 5 种尺
13、寸相同平均粒径都在 40mm袁但内径不同的空心玻璃微珠袁在改变合成泡沫密度的同时袁保持制备的复合浮力材料中微球的体积分数和界面面积恒定袁通过抗压性能测试袁表明复合泡沫材料的压缩性能与断裂特性同微球的壁厚密切相关遥 Kim 和 Plubrai员苑对由玻璃空心微球和环氧树脂制成复合浮力材料在压缩下的断裂韧性尧断口形貌尧弯曲性能和冲击力进行了研究遥 纵向分裂和分层破碎是 2 种失效模式袁在泡沫材料密度较低时袁纵向破坏占主导地位袁但在泡沫材料密度相对较高时袁分层破坏占主导地位遥三相复合泡沫材料则包含基体树脂尧填料空心微球和空气穴袁通常把密度很小的塑料大球与无机微珠制成的复合泡沫材料也归属于三相复合泡沫
14、类遥三相复合泡沫材料的密度主要受空气穴含量和微球含量的影响曰三相复合泡沫材料的压缩强度则主要取决于微球的性能袁 例如微球填充的体积量尧微球密度袁以及微球间结合的键能大小等遥图 1 中科海锐生产的空心玻璃微珠实物照片图 2 三相复合泡沫浮力材料结构与两相复合泡沫材料切面图对比18厦 门 科 技462024年2月Qiao 等人员怨以环氧树脂为基体袁采用模板法制得环氧空心大球袁 再由模压法制备出具有宏观中空结构的复合泡沫浮力材料遥 通过调节壳层厚度袁制备的空心球的密度在 0.140.27 g/cm3袁单轴压缩性能在渊0.30依0.01冤渊2.39依0.17冤 MPa遥研究了材料的弯曲和压缩性能袁并分
15、析了其失效机理袁所得环氧泡沫的最高比弯曲强度尧比弯曲模量尧比压缩强度和比压缩模量分别为 30.77依3.04 MPa cm3/g尧2.66依0.19GPa cm3/g尧45.78 依1.58MPa cm3/g 和 1.60 依0.26GPa cm3/g遥 研究表明大尺寸空心球的排列结构设计可以在保持一定的强度的同时有效地降低复合泡沫材料的密度袁 所得复合泡沫材料在重量受限尧强度要求高的领域具有广阔的应用前景遥 Wu 等人圆园使用气凝胶材料尧环氧树脂体系和发泡聚苯乙烯珠制备气凝胶增强空心环氧大球袁 再通过压缩成型法制造了三相环氧复合泡沫材料遥 在实验中添加了不同种类的碳纤维增强体系强度袁 研究了
16、气凝胶增强环氧空心大球的体积堆积分数尧 内径和层数以及体系中碳纤维的含量和类型对复合浮力材料抗压强度的影响遥 当堆积体积分数为 90%尧内径 9耀10mm尧碳纤维含量 1.5wt豫时袁材料具有较低 的 密 度 渊0.428g/cm3冤 和 较 好 的 抗 压 强 度渊20.76MPa冤袁可用于 2076m 深的海底遥Engineered Syntactic Systems 公 司 生 产 的MacroFoam 系列复合浮力材料通过在其标准合成结构中加入纤维增强球体袁 降低了材料的密度使其控制在 0.29依0.03 g/cm3至 0.39依0.02 g/cm3范围内袁抗压强度 8耀14MPa袁适
17、用水深 300耀1000m袁可应用于浮标尧电缆浮体尧潜水浮力装置和仪器支撑等圆员遥与基于化学发泡法的浮力材料相比袁 复合泡沫材料的密度通常较高尧具备更强的抗压缩能力尧较好的稳定性和抗吸水性能袁 使其成为全海深应用的理想选择遥 这类材料的另一个关键优势还在于其密度和抗压强度可以通过调控体系中各组分的含量尧类型及分布来优化袁因此在深海浮力材料的开发中袁复合泡沫浮力材料扮演着主导角色袁其性能调整的灵活性和在极端海洋环境中的稳定性为深海探索提供了可靠的材料解决方案圆圆渊具体性能对比如表 1 所示冤遥浮力材料的成型工艺经过多年的技术发展袁 浮力材料的成型工艺已逐渐成熟袁主要包括浇注法尧真空浸渍法尧液体传
18、递模塑法和模压成型法等遥1.浇注法这种方法是将构成浮力材料的空心玻璃微珠尧树脂等组分直接混合后浇注到模具内袁由流体交联固化成热固性制品的过程遥 浇注法的优点为低压下成型产品内应力小尧模具要求较低尧对产品尺寸限制小等袁 适宜生产大型或形状尺寸要求不高的制品遥 然而袁当混合物黏度较大时袁材料内部的气体难以排除袁易形成气孔缺陷遥真空浇注工艺与自动压力凝胶工艺是目前浇注法中应用较为广泛尧 工艺条件较为成熟的工艺方法圆源遥真空浇注工艺的技术核心在于各组分混合和转移至模具时实施真空脱气尧真空浇注袁确保浇注材料在固化过程中不受气体夹杂的影响袁 最大限度地减少浇注制品内部和表面的气隙和气泡袁减少内部应力袁 从
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