空心微珠在固体浮力材料中的应用

2022-05-13

        2020年11月10日8时12分,“奋斗者”号创造了10909米的中国载人深潜新纪录,标志着我国在大深度载人深潜领域达到世界领先水平。固体浮力材料的作用是为潜水器的顺利下潜和安全上浮提供保障,其性能直接关系到潜水器与潜航员的安全。微珠型固体浮力材料是目前国内外报道最多,同时也是我国深海浮力材料所使用的固体浮力材料。

固体浮力材料的分类

        固体浮力材料一般分为两大类:传统浮力材料与轻质高强浮力材料,轻质高强浮力材料就是为了解决深潜拖体、深潜器和水下机器人等的耐压性、结构稳定性及静浮力问题所研制的。用于深海的高强度固体浮力材料是以树脂为基体,空心微珠为浮力调节介质,经加热固化成型而成的两相复合泡沫材料,可用于全深海及环境较为恶劣的情况。

图1.微珠型固体浮力材料的结构

微珠型固体浮力材料应用

        与传统浮力材料相比,密度小、耐压强度高、耐候性好、吸水率低、稳定性好的微珠型固体浮力材料一经问世,就在海洋技术领域显示出无可比拟的优势。此外,微珠型固体浮力材料还具有优异的可加工性能,通过锯、刨、车等加工手段,可加工成任意形状,满足实际使用要求,这不仅大大的提高了效率,而且节约了成本,解决了传统浮力材料不可再加工的缺点,成为21世纪新型特种海洋工程材料,广泛应用于深海运载和作业装备、海上石油系统、海洋调查监测系统、海洋采矿系统、浮标系统等海洋领域。

图2.微珠型固体浮力材料的用途

微珠型固体浮力材料的基体选择

        微珠型固体浮力材料对密度的要求很苛刻,一般在0.25~0.7g/cm3;低吸水率:吸水率≤3%;高强度:承受更高的静水压,保证更长的使用寿命。

1、基体树脂的选择要求

低密度:在整个体系中树脂的重量占据了百分之七十多到八十的比例,树脂的密度相对较低时达到目标密度的配方就更加容易;

高粘结性能、高强度:空心玻璃微珠的堆积是松散的粉体,结合成浮力材料主要依靠树脂的粘接能力,在微珠最大填充时能够保证材料的性能,树脂基体固化后的高强度也是保障浮力材料拥有更好的力学性能的条件;

低粘度、易于加工:空心玻璃微珠是粉体材料,当树脂和微珠共混后其粘度会大大的增高,达到最大填充率时其整体的粘度会影响到加工方式的选择,当其粘度较低时可以选择更快捷高效的加工方式,而且加工过程中气泡也更容易用设备排除;

收缩率小:固化后收缩率大容易产生内应力,产品出现裂纹、变形等情况。

2、固化剂的选择要求

固化温度:一般有常温固化和加热固化。加热固化需要有加热设备,此外因为用到抽真空的工艺,变稀时树脂容易被抽出,造成树脂缺位吸水率增大。常温固化优点:节省成本,减少加热设备和加热过程中电费的投入,还能简化加工过程。

固化时间短:能够保证产品质量的前提下缩短固化时间能简化加工过程,提高效率,节约成本;

固化放热:注意针对不同的固化剂和树脂放热峰结合加工工程挑选适合的配方。

3、固体浮力材料的工艺选择

1)真空浸渍法

        真空浸渍法的优点是树脂分布均匀、微珠达到最大填充、密度稳定、强度好,但是要求树脂黏度低,黏度越高生产效率越低。此外在模具设计环节要充分考虑到要要有利于树脂浸渍。

图3.真空浸渍法生产流程

2)真空搅拌浇注法

        真空搅拌浇注法连续化的过程效率更高,可实现量化生产,但是要避免操作过程中气泡的引入,否则在静压力下吸水率会升高。

图4、真空搅拌浇注法生产流程

3)RTM工艺

        与传统成型工艺相比,RTM工艺最大的优点就是以一步浸润代替了传统成型工艺两步或多步浸润的过程,减少了预浸料制备、铺层、真空袋及在热压罐中固化等工序,从而大大的降低了成型时间和成型的成本。

图5、RMT工艺生产流程

微珠复配方案的选择

        微珠型固体浮力材料的因为浮力块的需求就是低密度、高强度、低吸水率,密度主要靠微珠调节,微珠能做到密度越低,浮力块能做到的密度范围越宽,不同粒径微珠的复配是一种可行方法。圣莱特可根据客户需求定制复配微珠,帮助客户解决不同的应用场景需求,制造出更高抗压强度,更低密度的固体浮力材料。

        此外,由于圣莱特的空心微珠采用高温固相法工艺,相同密度情况下空心微珠的强度更高,从而使得相同压力下破碎率低。圣莱特微珠粒径级配更合理,固体浮力材料中微珠的填充率更高,从而进一步降低固体浮力材料的吸水性,吸水率低于1%。

●建议使用产品:不同粒径空心微珠复配,如HL20、HS20、HS28、HL38、HS46等,可联系圣莱特定制复配微珠方案。

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