复合材料在海洋环境中的应用

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§1 玻璃钢在海洋环境中的应用
1、玻璃钢的组成
无碱、低碱、中碱、 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） 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。 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。 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。 辅助剂：影响玻璃钢的性能。
上述密度极限为理想值，实际上是很难实现的！ 上述密度极限为理想值，实际上是很难实现的！
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（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 已被成功地用于海面浮标系统，密度范围从0.008g/cm3到相 海面浮标系统 到相 当于基本树脂密度的75 左右 左右。 当于基本树脂密度的 %左右。 Reichhold化学公司提供的聚氨酯泡沫，用于生产船用硬质泡 化学公司提供的聚氨酯泡沫， 化学公司提供的聚氨酯泡沫 沫材料，其性能如下： 沫材料，其性能如下： 密度， 密度， g/cm3： 0.03-0.08 ： 0.12-1 2.5-1.7 0.08-0.4 0.55-10 1.7-0.5 0.4-0.8 5.5-31 0.5 压缩强度， 压缩强度，MPa： ： 体积吸水率， ： 体积吸水率，%：
劳动强度高、效率低、制作环境有害于健康！ 劳动强度高、效率低、制作环境有害于健康！
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§பைடு நூலகம் 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！ 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 近海油气田：水深300m左右 左右 水深较大的开采和探寻项目：北海作业 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 ，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、 利用载人或无人潜器在深海中直接进行观察、摄影、测量、 深潜技术是海 取样以至设置必要的仪器设施、水下作业等深潜技术 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。 洋开发必不可少的。
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英国：也是最早试制玻璃纤维增强塑料船的国家之一， 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。 已颁布了建造长 米大型玻璃钢船的技术规范。 目前世 米大型玻璃钢船的技术规范 界上最大扫雷艇是英国的“威尔逊” 界上最大扫雷艇是英国的 “ 威尔逊 ” 号 ， 长 47米 ， 排水 米 多吨。 量500多吨。此外，英国还设计了长 米，排水量 000 多吨 此外，英国还设计了长76米 排水量1 吨以上的大型扫雷艇。 吨以上的大型扫雷艇。
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浮力材料的具体要求： 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。 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， 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。 浮力系数减小。 吸水率低，吸水平衡时间短。 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（ 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）。 料耐腐蚀和抗冲击以延长它的使用寿命）。
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3、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 年代开始研究工作，
力材料的技术难题，并已形成系列标准！ 力材料的技术难题，并已形成系列标准！
纳号” 纳号”、“海狸号”等，另外还用玻璃钢制造了潜艇指挥塔、 海狸号” 另外还用玻璃钢制造了潜艇指挥塔、 导流罩、声纳罩等。 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、 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。 吨玻璃钢。 天线罩和桅杆等约用了 吨玻璃钢
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4、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 美国：是最早在船舶工业中应用玻璃钢的国家，早在
年就制造了第一艘玻璃钢交通艇，l947年又试制了 米纤维 年又试制了10米纤维 年就制造了第一艘玻璃钢交通艇， 年又试制了 增强塑料船。1970年大约有 吨的玻璃纤维增强塑料用于 增强塑料船。 年大约有16吨的玻璃纤维增强塑料用于 年大约有 造船，作各种船体结构、甲板、上层建筑物等多种产品。 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 万余艘。现在美 ～ 年间纤维增强塑料船总数达55万余艘 年间纤维增强塑料船总数达 万余艘。 国海军部规定， 米以下的舰船全部采用增强塑料制做。 国海军部规定，长1 6米以下的舰船全部采用增强塑料制做。 米以下的舰船全部采用增强塑料制做
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2、玻璃钢的成形工艺
船用玻璃钢多采用手糊法，包括： 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 ）
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3、玻璃钢的性能
（1）比重小、比强度高（快速船舶理想材料） ）比重小、比强度高（快速船舶理想材料） 玻璃钢：比重 ～ ，约为钢材的1/5 玻璃钢：比重1.6～1.9，约为钢材的 优点：可增加船舶载重量， 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 ）非磁性材料， 优点：用于船舶能提高电子设备的精确性 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 ）耐腐蚀性强、 优点： 优点：使用寿命长
我国： 年以来也研制了各种玻璃钢船。 我国：自1958年以来也研制了各种玻璃钢船。现已批量 年以来也研制了各种玻璃钢船
生产6～ 米工作艇 米工作艇， ～ 米交通艇 米交通艇， ～ 米舢板 米舢板， 人 生产 ～7米工作艇，6～7米交通艇，5～6米舢板，68人 救生艇， 吨驳船等 吨驳船等。 救生艇，40吨驳船等。
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（3）海洋环境下玻璃钢的应用局限性 ）
目前， 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、 弹性模量低 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 有老化现象、生产工艺落后、原料成本和造价过高、 性差等原因，玻璃钢用于建造大型舰船， 性差等原因，玻璃钢用于建造大型舰船，目前尚受到一定 等原因 限制，有待进一步研究以获解决。 限制，有待进一步研究以获解决。
目前的应用： 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、 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。 浮力拖体、无人遥控潜水器等。
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2、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 低密度、高强度的多孔结构材料，
化学泡沫塑料：利用化学发泡法制成的泡沫复合材料， 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 密度极限是 复合泡沫塑料： 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， 混合而成。轻质填料是指玻璃微珠或其它材料的中空微珠， 的粒径均匀地分散在主体树脂中。 以5-300µm的粒径均匀地分散在主体树脂中。 的粒径均匀地分散在主体树脂中
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（2）复合泡沫塑料
国外资料介绍最多的浮力材料！ 国外资料介绍最多的浮力材料！ 材料
成型工艺：振动浇注，抽真空浇注，模压等方法。 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。 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 轻质填料：空心球尺寸范围0.02-50mm，密度 ，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 、密度为 最常用轻质填料是平均直径为 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 空心球制备都是通过将发泡剂加入到粉碎的基材中， 后加热膨胀而获得） 后加热膨胀而获得）
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（4）可根据使用特点进行设计施工，成型工艺简单 ）可根据使用特点进行设计施工， 优点： 优点：建造周期短 （5） 玻璃钢的冲击韧性好，吸收冲击能量大。 ） 玻璃钢的冲击韧性好，吸收冲击能量大。 优点： 优点：良好的防弹性能 击穿时不会产生严重破坏，且易修补 击穿时不会产生严重破坏， （6）良好的透声性、抗震性和化学稳定等 ）良好的透声性、
本章主要内容（2学时） 本章主要内容（ 学时）
§1 玻璃钢在海洋环境中的应用
1、玻璃钢的组成 、 3、玻璃钢的性能 、 2、玻璃钢的成形工艺 、 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 、 、
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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 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） 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） 工艺的研究（涂覆材料防渗水的可靠性、耐海水侵蚀性等）
泡沫塑料用于全潜式浮力材料的两个基本限制因素： 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 ）
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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 泡沫塑料的抗水渗透性能十分关键性！（泡沫塑料泡孔壁在 抗水渗透性能十分关键性！（ 很浅的水下就会破裂而渗水） 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 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 静水压下强度和可靠性 验验证！洛克希德公司的初步评估性研究表明： 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！ 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）。 在深潜浮力的应用是十分有限）。
目前一次饱和潜水过程的极限为600m10 ！
为了解决深潜拖体、深潜器和水下机器人等的耐压性、 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 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 (Solid Buoyancy Materials，简称 ，简称SBM) 以替 代传统的耐压浮力球和浮力筒。 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 是发展现代深潜技术的重要组成部分， 所必须的浮力，对提高潜器的有效载荷，减少其外型尺寸， 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。 尤其是在建造大深度的潜器中，有着重要的作用。
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（2）玻璃钢在潜艇与深水考查船中的应用 ） 优点：比强度高， 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。 ，可达 米以下。 钢耐压壳深 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 年开始相继制造了玻璃钢耐压壳潜艇“ 美国： 年开始相继制造了玻璃钢耐压壳潜艇