一种新型碳纤维高分子复合材料耐压舱体及其制作工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明专利涉及一种深海用新型耐压舱体，尤其是一种新型碳纤维高分子复合材 料制作的耐压舱体及该耐压舱体的制作工艺。
【背景技术】
[0002] 目前，随着陆地上资源的日渐匮乏以及深海开发技术的不断进展，各国纷纷将目 光投向深海大洋，石油、可燃冰、锰结核、富钴结壳、热液硫化物、生物基因库等等，人类向海 洋进军的脚步日渐深入，深海资源勘查技术正向着大深度、近海底的方向发展。根据目前的 勘探和开发能力，我国以500米为界来划分浅海和深海。深海资源主要包括深海油气资源、 深海矿产资源、深海生物及基因资源。相对于浅海资源的开发，我国深海资源的勘探和开发 仍然处于起始阶段。深海开发技术的核心问题是如何解决由于水深造成的低温、高压、环境 恶劣、作业条件复杂下的一系列开发技术问题。21世纪中后叶，人类将进入开发利用海洋的 新时代，海洋资源对人类社会可持续发展越来越重要，在尽量降低对环境影响的前提下，大 力发展深海开发技术有着十分重要的意义，开发一种新型材料耐压壳体以满足深海条件下 正常工作尤为重要。
[0003] 据了解，传统的深海耐压舱主要采用锻钢及铝、钛合金等金属材料制作，技术相对 成熟。而用碳纤维和高分子树脂等轻型复合材料制作的耐压舱，重量可比同规格的金属舱 减少40%~60%，这就意味着在深海探测中可搭载更多的科学仪器，具有优越的性能价格比。 由于轻型高分子复合材料具有耐高压、高温的优良性能，其在航海、航空和航天等领域中有 着广泛的应用。
[0004] 碳纤维复合材料也叫碳纤维增强复合材料，其是以碳纤维织物增强体，以树脂、陶 瓷、金属、水泥、碳质或者橡胶为基体所形成的复合材料，简称碳纤维复合材料，用碳纤维制 备高级复合材料构件，通常都以碳纤维织物为增强体，其他物质作为基体采用铺层或模压 工艺成型，其密度低，热膨胀系数小，比热容高，耐热烧蚀的性能好。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中的问题，本发明的目的是要提供一种新型的碳纤维高分子复合材 料耐压舱体及该舱体的制作工艺，该新型耐压舱体的结构更加可靠，而且通过该制作工艺 得出的耐压舱体的性能更加优越，完全可以适用于水深造成的低温、高压、环境恶劣的工作 环境。
[0006] 为了达到上述目的，本发明的技术方案是： 一种新型碳纤维高分子复合材料耐压舱体，该耐压舱体包括圆筒状的舱体和位于舱体 两端的端盖7两个部分，其特征在于:所述的舱体由内至外依次为内防护层1、碳纤维筒体2、 防渗层3、外防护层4,舱体两端通过连接件5和密封圈6与端盖7密封连接，且舱体与连接件5 胶接。
[0007] 进一步地，所述的内防护层1 丁晴橡胶改性的环氧树脂和外防护层4的材质为超高 分子量聚乙烯材质，其厚度为2~3_，该厚度范围可根据使用环境确定，防渗层3的材质为经 过丁晴橡胶改性的环氧树脂或聚氨酯弹性体中的一种。
[0008] 进一步地，所述的端盖7为椭球形端盖，其长短轴比为2。
[0009] 优选地，所述的端盖7的材质为钛合金或铝合金。
[0010]进一步优选地，所述的端盖7的材质为七系铝合金7505-T6。
[0011] 进一步地，所述的碳纤维筒体2为由T700S和M40J两种材料缠绕制备而成。
[0012] 本发明同时公开了如上所述的一种新型碳纤维高分子复合材料耐压舱体的制作 工艺，其特征在于该制作工艺包括以下步骤： A模具准备：首先根据舱体的图纸要求，加工耐压舱体用的碳纤维桶体2的模具，模具 为碳钢经机械加工、磨削而成;然后将模具安装至全自动四轴碳纤维缠绕机上，模具外表面 喷涂液体石蜡作为隔离剂。
[0013] B胶料配制：按照环氧树脂：固化剂:添加剂=100:80~90 :0.6~0.8的重量比，依次 将环氧树脂、固化剂、添加剂投入到混料机中，用搅拌器按照200-300转/分钟进行连续定向 匀速搅拌10-15分钟，得到混合胶体。
[0014] C碳纤维筒体缠绕:将步骤B中制得的混合胶体缓慢投入到水浴加热的浸胶槽内， 混合胶体温度控制在50-60°C;在张力器的作用下，将碳纤维丝通过浸胶槽，使胶液充分浸 润到纤维内，按照力学要求和增强纤维的铺层设计，将浸好混合胶体的碳纤维T700S和M40J 按照不同的角度，螺旋、环向的混合形式缠绕在步骤A的模具上，达到一定层数和厚度；其 中，在缠绕过程中的张力控制在100-200N，并根据铺层厚度逐渐递减，以保证整个壳体含胶 量为 25-30%。
[0015] D碳纤维筒体的固化:将步骤C缠绕完成的碳纤维筒体连同模具一起放入固化炉内 进行旋转离心固化，其整个固化过程中的模具及工件为离心旋转状态，离心速率为75-100 转/分钟，匀速状态，并提供热风内循环，其固化步骤如下： 1:在30-40分钟内将固化炉温度升至80-90°C，并在此温度下固化100-120分钟； 2:在30分钟内将固化炉温度升至120-130° C，保温100-120分钟后，将固化炉温度升至 160° C，保温240分钟； 3:自然降温到80°C后，脱模备用。
[0016] E碳纤维筒体与连接件的胶接:将步骤D固化好的碳纤维筒体通过机械加工达到图 纸要求的尺寸，然后将事先按技术要求加工完成的连接件胶接面进行喷砂处理，用改性环 氧树脂胶粘剂将壳体与两端连接进行胶接固化，并至固化后将胶接件按照图纸加工到所需 尺寸。
[0017] F碳纤维筒体防渗层的加工：首先将加工好的碳纤维筒体表面用100目细砂轮磨 肖IJ，再用二氯甲烷溶剂清洗后，然后用去离子水清洗，并在60-70°C环境下烘干后，在碳纤维 舱体表面涂刷偶联剂，室温下停放20-30分钟使表面偶联剂挥发干燥，最后将经过丁晴橡胶 改性的环氧树脂或聚氨酯弹性体中的一种材质喷涂、固化在耐压舱体表面，形成防渗层，并 进行气密性试验。
[0018] G碳纤维筒体外防护层的加工:将超高分子量聚乙烯根据需要加工成管材，管材内 径比耐压舱壳体外径小2-3mm，管材内表面进行电晕活化处理，将步骤F通过气密试验合格 的碳纤维筒体清洗干净后和高分子聚乙烯管材放到热风循环的烘箱内加热，烘箱温度控制 在70-80° C，加热至超高分子聚乙烯管膨胀未变形，然后将碳纤维筒体表面涂刷粘胶剂，将 热膨胀的超高分子聚乙烯管材套在耐压壳体表面，放入烘箱内固化110-120°C，旋转保温40 分钟，自然降温至常温，超高分子聚乙烯管冷却收缩使其与碳纤维筒体紧密结合;按图纸加 工到所需尺寸。
[0019] H碳纤维筒体内防护层的加工：将组装好的筒体，经加热炉加热到50-60°C .将经 丁晴橡胶改性的环氧树脂均匀地喷涂到筒体内壁，厚度为0.5-0.6mm，在80°C温度下固化 40-60分钟，形成内防护层。
[0020] I装配端盖:将端盖通过连接件装配到碳纤维筒体上，端盖与连接件之间设置多个 密封圈。
[0021] 进一步地，如上步骤B中的环氧树脂为E51，固化剂为甲基四氢苯酐，添加剂为DMP-30促进剂，其质量配比为:E51:甲基四氢苯酐:DMP-30=100:80~90:0.6~0.8 与现有技术相比，本发明提供的新型碳纤维高分子复合材料耐压舱体的结构和制作工 艺与众不同，该碳纤维高分子复合材料耐压舱体主要特征为:第一、采用高强度，高弹性模 量的碳纤