6000米用高强度低密度固体浮力材料的制备及性能研究

6000米用高强度低密度固体浮力材料的制备及性能研究刘志;梁忠旭;杨明会;梁小杰;周媛;汪杰;王庆颖
【摘要】选用双酚A型环氧树脂和酸酐固化剂,采用真空法制备了低密度、高强度的空心玻璃微珠/环氧树脂固体浮力材料.通过密度测试、耐全方位静水压测试和压缩性能测试等手段对浮力材料进行了表征.结果表明,制备的浮力材料密度为(0.58±0.02)g/cm3,66MPa、24h全方位静水压下的吸水率小于0.4％,平均压缩强度大于69.93MPa,完全达到使用要求.
【期刊名称】《合成材料老化与应用》
【年(卷),期】2019(048)001
【总页数】4页(P47-50)
【关键词】浮力材料;低密度;静水压;压缩强度
【作者】刘志;梁忠旭;杨明会;梁小杰;周媛;汪杰;王庆颖
【作者单位】海洋化工研究院有限公司,海洋涂料国家重点实验室,山东青岛266071;海洋化工研究院有限公司,海洋涂料国家重点实验室,山东青岛266071;青岛爱尔家佳新材料股份有限公司,山东青岛266111;海洋化工研究院有限公司,海洋涂料国家重点实验室,山东青岛266071;海洋化工研究院有限公司,海洋涂料国家重点实验室,山东青岛266071;海洋化工研究院有限公司,海洋涂料国家重点实验室,山东青岛266071;海洋化工研究院有限公司,海洋涂料国家重点实验室,山东青岛266071
【正文语种】中文
【中图分类】TB332
随着我国海洋科学及海洋技术的不断发展，海洋调查、勘探、开发等活动逐渐由浅海走向深海，从而对固体浮力材料的性能要求也大大增加。

高强度固体浮力材料是现代深潜技术的重要组成部分，它对保证潜器的净浮力，增大潜器的有效载荷，有着重要作用[1-4]。

固体浮力材料是一种以树脂为基体，以空气穴为浮力调节介质的低密度、高强度的复合材料[5-7]。

应用于深海领域的浮力材料，为了保证较高的抗压强度和较大的
安全可靠性，大多只能采用高强度树脂和空心玻璃微珠复合的材料[8-10]。

本文以环氧为基体树脂，空心玻璃微珠为密度调节介质，采用真空法制备出了6000米用固体浮力材料，综合性能优异，满足使用要求。

1 实验部分
1.1 主要原料
双酚A型环氧树脂：工业级，南通星辰合成材料有限公司；甲基四氢邻苯二甲酸
酐(MeTHPA)：工业级，濮阳惠成电子材料股份有限公司；空心玻璃微珠：
VS5500，美国3M公司；2，4，6-三(二甲基氨基甲基)苯酚(DMP-30)：工业级，上海三爱思试剂有限公司。

1.2 仪器设备
机械搅拌器：RW20，德国IKA集团公司；油润滑旋片真空泵：XD-063；电热鼓风干燥箱：101A-1，上海实验仪器厂有限公司；电子万能材料试验机：3369，美国INSTRON公司；密度测试仪：自制；静水压测试设备：自制；浮力材料浇注
体模具：自制。

1.3 固体浮力材料制备
将双酚A型环氧树脂、甲基四氢邻苯二甲酸酐和DMP-30(环氧树脂质量的0.3%)
按照一定的比例加入到烧瓶中，搅拌均匀后抽真空除气泡，采用真空法将混合物导入装有微珠的模具中，待混合物完全将空心玻璃微珠浸润后放置于110℃的烘箱
中固化4h～5h，固化成型；将固化成型的浮力材料脱模后，再放入130℃的烘箱后固化4h，即可得到6000米用高强度低密度固体浮力材料。

1.4 性能测试
(1)密度测试：将样品切割成规则的长方体状试样，按照GB/T 1033.1-2008“塑
料非泡沫塑料密度的测定”的规定测量。

(2)耐全方位静水压强度测试：依据MIL-S-24154A，压力值为66MPa。

(3)单轴压缩性能测试：参考GB/T 8813-2008“硬质泡沫塑料压缩试验方法”进行，圆柱体试样尺寸为Φ(10±0.2)mm、高(20±0.2)mm，室温下进行单轴压缩试验，加载变形速率为1mm/min。

(4)材料结构表征：采用HIROX KH-7700光学显微镜对试样的表面结构进行观察。

2 结果与讨论
2.1 浮力材料的密度
固体浮力材料的性能大小与密度密切相关。

固体浮力材料的理论密度可计算为：
ρc=ρm(1-Vf)+ρfVf，其中：ρc是浮力材料的密度计算值；ρf是空心玻璃微珠的
真实密度；ρm是基体树脂的密度；Vf为微珠体积分数。

浮力材料的实际密度采用阿基米德原理测定，即物体的浮力等于其排水的质量。

(1)在空气中称量试样的质量m1。

(2)将重物悬挂在固定支架上并悬浮在水中，称量其质量m2。

(3)将试样和重物一起悬浮在水中，称量其质量m3。

(4)该温度下水的密度为ρx，则试样的密度为：ρ=m1ρx/(m1+ m2-m3)。

固体浮力材料在水下实际使用过程中，不可能100%绝对不吸水，在深海恶劣的环境下，其密度会随着海洋温度和压力引起的变化而发生相应的变化，浮力材料提供
的净浮力也会相应的发生变化，为保证潜水器的正常工作，需考察其密度变化是否在安全系数范围之内。

图1是浮力材料(试样初始密度为0.58g/cm3)在66MPa全方位静水压下的密度变化图。

从图1可以看出，浮力材料的密度随时间的增加会缓慢增大，这主要是因为材料所吸收的少量水导致；浮力材料表面喷涂阻水层之后，能有效地减少了浮力材料的吸水性，密度损失减小。

本实验制备的固体浮力材料的密度为(0.58±0.02)g/cm3，24h静水压测试之后，密度增加较小，即材料的净浮力损失较小，完全满足使用要求。

图1 66MPa全方位静水压下密度随时间变化图Fig.1 Diagram of density with time variation under 66MPa omnidirectional hydrostatic pressure
2.2 耐全方位静水压
图2是浮力材料在66MPa全方位静水压下的吸水率变化曲线。

从图2可以看出，所制备的浮力材料24h之后的吸水率为0.4%，完全满足实际(一般要求<1%)使用要求；且表面喷涂阻水层之后吸水率下降，这是因为阻水层在浮力材料表面形成了一层致密的保护膜，有效地阻止水份的渗透。

根据密度及吸水率的变化，可以算出制备的浮力材料基本未发生明显的形变。

图2 66MPa全方位静水压下吸水率随时间变化图Fig.2 Diagram of absorption with time variation under 66MPa omnidirectional hydrostatic pressure
耐全方位静水压测试是测量固体浮力材料在规定的水深下所承受的静水压强度，在实际使用过程中，一般需考察固体浮力材料在规定的静水压下保压一段时间(一般为24h)后材料的变形率和吸水率。

2.3 单轴压缩强度
图3为制备的浮力材料单轴压缩时的应力-应变曲线。

图3 浮力材料的应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of buoyant materials
由图3可以看出，开始阶段浮力材料的应变随应力的增加呈线性增加，这时材料呈明显的刚性变形行为，内部的空心微珠和树脂基体共同受力抵抗外力作用，到达峰值时，微珠开始破损，随后应力值逐渐下降，材料发生完全破坏。

浮力材料样品的压缩强度见表1。

表1 浮力材料压缩强度Table 1 Compressive strength of buoyant materials 样品12345压缩强度/MPa71.772.068.069.967.9
图4是浮力材料压缩测试后的破坏照片，由图4可知，材料破坏时不仅发生45°的剪切破坏，而且发生应力破坏。

说明材料的硬度或刚性比较大。

图4 压缩测试后样品的破坏状态Fig.4 Failure status of samples after compression test
2.4 光学显微镜分析
图5是浮力材料压缩测试前后的光学显微镜照片，可以看出，压缩测试前，空心玻璃微珠在树脂中具有规则的球形形貌，压缩测试之后，内部微珠出现了破碎，基体树脂表现出云纹屈服。

图5 浮力材料光学显微镜照片(A：压缩前；B：压缩后)Fig.5 Optical microscope image of buoyancy material (A：before compression；B：after compression)
3 结论
采用真空法成功制备出6000米用固体浮力材料，综合性能优异：(1)密度较低，66MPa，24h静水压测试之后净浮力损失较小；(2)单轴压缩强度平均可达
69.93MPa，吸水率低，未发生明显形变，完全满足使用要求。

参考文献
【相关文献】
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