本发明属于水下设备技术领域，涉及一种智能监控三维复合材料水下航行器壳体及其制备方法，尤其涉及一种智能监控的三维复合材料材质的水下航行器壳体结构。
背景技术：
水下航行器是一种无缆式水下机器人，自身可携带多种电子设备和能源，可以实现智能控制和自主导航，是一种先进的水下勘察设备，尤其适用于对于地质环境结构复杂的深水海域的海底工程勘察作业。
传统的水下航行器为了保证深海域环境的巨大舱内外压差，均要采用闭式密封结构，这就要求外壳材料必须为金属材质而且要具有一定的厚度，而厚度较大的金属外壳极大增加了水下航行器的自重，同时，水下航行器的续航时间和航行方向控制是其重要的性能指标，能源和动力问题将是影响性能指标的主要因素，在自重较大的情况下，水下航行器往往需要配制更大的动力，其能源消耗也大，因此目前的金属壳体水下航行器的续航时间较短，航向控制迟缓。
此外，海洋勘探开发逐渐向深海地区推进，要适应目前复杂的深海航行环境、提高水下航行器的工作寿命，实现航行器服役过程中耐压及冲击条件的实时监控尤为重要，这往往需要在水下航行器的结构特定部位引入压力、应变等感应装置，而这也是金属材质结构所无法解决的问题。
技术实现要素：
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明在水下航行器的制备材质及结构方面进行革新和优化，选用一种新颖的材质来替代原有的金属材质制备水下航行器壳体，降低其自重，以达到配备更大容量的电池提高续航能力的目的。
本发明的目的之一在于提供一种智能监控三维复合材料水下航行器壳体结构，该壳体结构在保证整个壳体的良好力学稳定性的基础上，有效的降低自重，并实现了整个壳体结构及结构内层在高外压条件下微小应变的有效感知。
本发明的目的之二在于提供一种智能监控三维复合材料水下航行器壳体结构的制备方法，通过材料和结构的合理设计，达到水下航行器的性能需求，尤其是适用于不同类型的复杂水体环境。
本发明的目的还包括一种采用上述壳体结构的水下航行器及其应用。
为实现上述发明目的，具体的，本发明涉及以下技术方案：
首先，本发明公开了一种智能监控三维复合材料水下航行器壳体结构，其采用多层结构组成，由外到内依次为耐腐蚀层、耐冲击层、刚性层和金属密封层，
耐腐蚀层由短切纤维增强树脂基复合材料制成，树脂基为改性热固性树脂；
耐冲击层由第一三维编织复合材料预制体和热塑性树脂基体复合成型；
刚性层第二三维编织复合材料预制体和热固性树脂基体复合成型；
金属密封层由金属或合金制成；
耐冲击层和/刚性层中置入一个或多个应变感应装置。
为实现水下航行器良好性能的使用，本发明对于水下航行器壳体进行多层结构辅以材料的优化设计。通过由外到内依次耐腐蚀层、耐冲击层、刚性层和金属密封层的设置，使得整个壳体结构有效的相互配合支撑，不仅降低了纯金属壳体水下航行器的自重，而且有利于保持水下航行器壳体良好的力学稳定性；填充短切纤维的耐腐蚀层，不仅满足了水下航行器必要的防海水侵蚀性能需求，而且利用短切纤维的随机取向特性，可以满足壳体的不同受力状态要求，同时短切纤维还可以增强耐腐蚀层的结合强度；通过耐冲击层和刚性层的设计，充分考虑海洋水体复杂压力环境，充分的保证水下航行器壳体可以适应不同复杂的水下环境作业的需要；通过耐腐蚀层、耐冲击层、刚性层中纤维增强树脂基复合材料的使用，不仅可以有效的降低水下航行器的自重，而且其材料本身性能优异，有效的提高了水下航行器壳体的稳定性能；进一步的，考虑到水下航行器压力应变实时监控的必要性，以及纤维增强树脂基复合材料的使用，本发明将智能感应装置一体化引入到水下航行器壳体结构中，实现了两者性能的有效结合。
本发明优选的实施方案中，水下航行器壳体的基本外型为圆筒状。
本发明优选的实施方案中，所述的耐腐蚀层由短切纤维增强树脂基复合材料制成，树脂基为改性热固性树脂，改性热固性树脂中填充短切纤维。优选的，耐腐蚀层中树脂含量为40-60％。
优选的，短切纤维选用碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维、氮化硼纤维、氧化铝纤维、玄武岩纤维中的一种的或多种组合，其中采用多种组合的混杂纤维时，不同短切纤维混杂比例根据表面耐腐蚀层增强效果灵活调整。优选的，短切纤维的长度为10-50mm。
优选的，改性热固性树脂为热塑性树脂共混改性的热固性树脂。进一步优选的实施方案中，热塑性树脂共混改性的热固性树脂中，热固性树脂选自环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的任意一种。热塑性树脂选用聚氨酯、聚乙烯、聚苯硫醚中的任意一种。更为优选的，热塑性树脂与热固性树脂共混比例，根据耐腐蚀层的使用要求灵活调整。
本发明优选的实施方案中，所述的耐冲击层采用的第一三维编织复合材料预制体中，三维编织所用的纤维为长丝纤维。优选的，采用高韧性纤维进行编织或采用高韧性纤维为主配合高强度纤维为辅的混杂编织结构。高韧性纤维选自uhmwpe纤维、芳纶纤维中的一种或多种。高强度纤维选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、碳化硅纤维中的一种或多种，如高强度碳纤维，选用t300及以上的碳纤维，包括但不限于t300、t700、t800。采用混杂纤维结构时，则高强度纤维与高韧性纤维的混杂比例为2:1-10:1。
优选的技术方案中，第一三维编织复合材料预制体中，采用的编织结构可选用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的一种或多种编织结构。更为优选的，在靠近耐腐蚀层和刚性层的接触界面上，选择维度较大的编织结构以强化界面接触。
优选的技术方案中，所述耐冲击层中，热塑性树脂选用聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯硫醚、聚醚醚酮中的任意一种。
优选的技术方案中，耐冲击层的三维复合材料结构中的树脂含量为30-60％。
本发明优选的实施方案中，所述的刚性层采用第二三维编织复合材料预制体结构，所用的纤维为长丝纤维。优选的，三维编织结构中选用高强度纤维和/高刚性纤维进行编织，如采用高强度碳纤维、高模量碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维、氧化铝纤维、氮化硼纤维中任意一种或多种组合进行混杂编织。优选的，采用混杂纤维进行第二三维编织复合材料预制体制备时，混杂比例根据刚性要求可任意灵活调整。
优选的，所述的刚性层中，热固性树脂可选用环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的任意一种。
优选的，刚性层中的树脂含量控制在30-60％之间，可灵活调整。
优选的，刚性层中第二三维编织复合材料预制体，采用的编织结构可选用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的一种或其中的多维度编织结构混杂。更优选的，在靠近耐冲击层和金属密封层的接触界面上，选择维度较大的编织结构以强化界面接触。
本发明优选的实施方案中，所述金属密封层的材质为高强不锈钢、铝合金、钛合金等其中的任意一种。
优选的，金属密封层的厚度根据密封要求灵活调整。
优选的，金属密封层的表面设有螺纹状粗糙表面。通过在金属密封层与刚性层接触的界面进行螺纹状粗糙化处理，可以有效增强金属密封层与刚性层接触界面的结合强度与密封性。更优选的，螺纹装粗糙表面，螺纹深度控制在1-2mm范围内。
本发明优选的实施方案中，所述的应变感应装置为应变式传感器。
优选的，应变感应装置置入耐冲击层和/或者刚性层中，置入形式可选用光纤混杂三维预制体结构的编织方式，或者选用应变片、光栅、磁栅等任意一种预埋方式实现。
优选的，应变感应装置采用预埋方式实现时，应变感应装置的数量可选用多组。更优选的，水下航行器壳体的基本外型为圆筒状时，应变感应装置埋入位置沿着水下航行器筒状壳体的长度以及截面圆形进行均匀分布。
所述的应变感应装置主要用以实时监控水下航行器壳体在水下服役工作过程中，在不同水压变化或者水下冲击变化复杂情况下的壳体应变变化，采用一个或多个应变感应器引入到复合材料结构中，通过壳体在工作过程中的微小变形感知，以控制监控壳体结构的受力状态。
其次，本发明公开了一种智能监控三维复合材料水下航行器壳体的制备方法，包括：
(1)采用金属或合金制备金属密封层；
(2)在金属密封层表面采用高强度纤维和/高刚性纤维进行三维编织复合材料预制体的制备，然后将三维编织复合材料预制体与热固性树脂浸渍复合成型，在金属密封层外围制备出刚性层；
(3)在刚性层表面采用采用高韧性纤维进行编织或采用高韧性纤维为主配合高强度纤维为辅的混杂纤维进行三维编织复合材料预制体的制备，然后将三维编织复合材料预制体与热塑性树脂浸渍复合成型，在刚性层外围制备出耐冲击层；
(4)在耐冲击层表面，选用短切纤维、采用热塑性树脂共混改性的热固性树脂为基体，通过注射或手糊成型制备耐腐蚀层；
步骤(2)、(3)中采用光纤混杂三维预制体结构的编织方式，或者选用应变片、光栅、磁栅等任意一种预埋方式进行应变感应装置的置入。
优选的技术方案中，所述水下航行器壳体基本外型为圆筒状。
优选的技术方案中，步骤(1)中，金属密封层进行螺纹状粗糙化处理。优选的，螺纹深度为1-2mm。
优选的技术方案中，步骤(2)中，三维编织中选用高强度纤维和/高刚性纤维进行编织，如采用高强度碳纤维、高模量碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维、氧化铝纤维、氮化硼纤维中任意一种或多种组合进行混杂编织。优选的，采用混杂纤维进行三维编织复合材料预制体制备时，混杂比例根据刚性要求可任意灵活调整。
优选的，所述的刚性层中，热固性树脂可选用环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的任意一种。
优选的，刚性层中的树脂含量控制在30-60％之间，可灵活调整。
优选的，刚性层中三维编织复合材料预制体，采用的编织结构可选用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的一种或其中的多维度编织结构混杂。更优选的，在靠近耐冲击层和金属密封层的接触界面上，选择维度较大的编织结构以强化界面接触。
优选的技术方案中，步骤(3)中，高韧性纤维选自uhmwpe纤维、芳纶纤维中的一种或多种。高强度纤维选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、碳化硅纤维中的一种或多种，如高强度碳纤维，选用t300及以上的碳纤维，包括但不限于t300、t700、t800。采用混杂纤维结构时，则高强度纤维与高韧性纤维的混杂比例为2:1-10:1。
优选的技术方案中，耐冲击层中三维编织复合材料预制体中，采用的编织结构可选用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的一种或多种编织结构。更为优选的，在靠近耐腐蚀层和刚性层的接触界面上，选择维度较大的编织结构以强化界面接触。
优选的技术方案中，所述耐冲击层中，热塑性树脂选用聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯硫醚、聚醚醚酮中的任意一种。
优选的技术方案中，耐冲击层的三维复合材料结构中的树脂含量为30-60％。
此外，采用上述壳体结构的水下航行器也属于本发明的保护范围。
进一步的，本发明还公开了所述水下航行器在海洋工程勘察作业中的应用。
通过以上技术方案，本发明取得了以下有益效果：
(1)本发明水下航行器壳体采用三维或多维复合材料结构，同时在由外到内的不同层进行的多种纤维的组合设置，三维预制体结构保证了整个壳体的力学稳定性，同时通过耐冲击层和刚性层的设置，使得复合材料水下航行器壳体可以适应不同复杂的水下环境。
(2)本发明水下航行器壳体表面采用了短切纤维增强树脂基复合材料耐腐蚀层的设计。通过短切纤维增强树脂基体复合材料，使得表面不仅具有耐海水腐蚀的特点，同时通过短切纤维的增强作用也是得该耐腐蚀层的结合强度达到提升，有效保证使用寿命。
(3)本发明采用智能感应装置的一体化引入技术，通过三维编织预制体耐冲击层和刚性层结构中的光纤或应变片等不同形式的应变感应器的嵌入使用，可有效感知整个壳体结构或结构内层在高外压条件下的微小应变，达到实时监控水下航行器壳体的服役状态变化，对复杂压力和冲击条件下的壳体结构稳定性达到预测的目的，延长整个航行器壳体结构的使用寿命。
附图说明
图1是一种智能监控三维复合材料水下航行器壳体的结构示意图。包括内部金属密封层1、三维编织复合材料刚性层2、三维编织复合材料耐冲击层3、表面耐腐蚀层4，其中耐冲击层中预埋入应变片5，刚性层内带有应变感应光纤6。
具体实施方式
实施例1
采用厚度为3mm的高强不锈钢制备圆筒状金属密封层，整个圆筒长度为1m。金属密封筒的表面制备深度在1mm的螺纹。
之后在金属密封套筒表面制备刚性层，采用高强度碳纤维为主体纤维，辅助玻璃纤维，混杂纤维中碳纤维与辅助纤维的比例控制在5:1范围内，选用三维四向的编织结构，在刚性层预制体3mm的厚度的中间位置埋入6组应变感应片，应变感应片采用沿着圆筒长度均匀布置的形式，在截面圆上按角度均匀分布。在刚性层预制体结构的内外两表面采用三维五向编织技术。将制备好的刚性层三维预制体结构通过真空导入工艺浸渍含量在30％的环氧树脂，经过热固化成型，刚性层厚度为6mm。
在刚性层制备完毕后在其表面制备耐冲击层，耐冲击层选用高韧性纤维的uhmwpe纤维为主体纤维，辅助高强度的碳纤维，主体纤维与辅助纤维的混杂比例为2:1。选用三维四向编织结构，在耐冲击层的3mm的厚度中间位置的混杂纤维预制体结构中引入光纤应变感应装置，在耐冲击层的内外两表面采用三维五向编织结构。采用真空导入工艺将耐冲击层的三维预制体结构浸渍聚氨酯，树脂含量为30％，耐冲击层厚度为6mm。
在耐冲击层表面制备耐腐蚀层，耐腐蚀层选用短切长度为15mm的碳纤维，选用聚氨酯共混改性热固性环氧树脂为基体，其中改性树脂与热固性本体树脂的混合比例为1:6，最终的树脂含量为40％，整个耐腐蚀层采用注射或手糊成型制备，耐腐蚀层厚度为2mm。
实施例2
采用厚度为3mm的铝合金制备圆筒状金属密封层，整个圆筒长度为1.6m。金属密封筒的表面制备深度在1mm的螺纹。
之后在金属密封套筒表面制备刚性层，采用高模量碳纤维为主体纤维，辅助玻璃纤维，混杂纤维中碳纤维与辅助纤维的比例控制在5:1范围内，选用三维五向的编织结构，在刚性层预制体4mm的厚度的中间位置埋入8组应变感应片，应变感应片采用沿着圆筒长度均匀布置的形式，在截面圆上按角度均匀分布。在刚性层预制体结构的内外两表面采用三维七向编织技术。将制备好的刚性层三维预制体结构通过真空导入工艺浸渍含量在38％的环氧树脂，经过热固化成型，刚性层厚度为8mm。
在刚性层制备完毕后在其表面制备耐冲击层，耐冲击层选用高韧性纤维的芳纶纤维为主体纤维，辅助高强度的玻璃纤维，主体纤维与辅助纤维的混杂比例为5:1。选用三维六向编织结构，在耐冲击层的2mm的厚度中间位置的混杂纤维预制体结构中引入光纤应变感应装置，在耐冲击层的内外两表面采用三维七向编织结构。采用真空导入工艺将耐冲击层的三维预制体结构浸渍聚苯硫醚，树脂含量为38％，耐冲击层厚度为4mm。
在耐冲击层表面制备耐腐蚀层，耐腐蚀层选用短切长度为30mm的碳纤维，选用聚苯硫醚共混改性热固性酚醛树脂为基体，其中改性树脂与热固性本体树脂的混合比例为1:7，最终的树脂含量为43％，整个耐腐蚀层采用注射或手糊成型制备，耐腐蚀层厚度为2mm。
实施例3
采用厚度为2mm的钛合金制备圆筒状金属密封层，整个圆筒长度为2m。金属密封筒的表面制备深度在1mm的螺纹。
之后在金属密封套筒表面制备刚性层，采用高模量碳纤维为主体纤维，辅助玄武岩纤维，混杂纤维中碳纤维与辅助纤维的比例控制在6:1范围内，选用三维五向的编织结构，在刚性层预制体2mm的厚度的中间位置埋入10组应变感应片，应变感应片采用沿着圆筒长度均匀布置的形式，在截面圆上按角度均匀分布。在刚性层预制体结构的内外两表面采用三维七向编织技术。将制备好的刚性层三维预制体结构通过真空导入工艺浸渍含量在40％的环氧树脂，经过热固化成型，刚性层厚度为4mm。
在刚性层制备完毕后在其表面制备耐冲击层，耐冲击层选用高韧性纤维的uhmwpe纤维为主体纤维，辅助高强度的玻璃纤维，主体纤维与辅助纤维的混杂比例为7:1。选用三维四向编织结构，在耐冲击层的3mm的厚度中间位置的混杂纤维预制体结构中引入光纤应变感应装置，在耐冲击层的内外两表面采用三维七向编织结构。采用真空导入工艺将耐冲击层的三维预制体结构浸渍聚醚醚酮树脂，树脂含量为50％，耐冲击层厚度为6mm。
在耐冲击层表面制备耐腐蚀层，耐腐蚀层选用短切长度为30mm的碳化硅纤维，选用聚氨酯共混改性热固性不饱和聚酯树脂为基体，其中改性树脂与热固性本体树脂的混合比例为1:3，最终的树脂含量为45％，整个耐腐蚀层采用注射或手糊成型制备，耐腐蚀层厚度为2mm。
实施例4
采用厚度为5mm的钛合金制备圆筒状金属密封层，整个圆筒长度为1m。金属密封筒的表面制备深度在2mm的螺纹。
之后在金属密封套筒表面制备刚性层，采用高强度碳纤维为主体纤维，辅助氮化硼纤维，混杂纤维中碳纤维与辅助纤维的比例控制在5:1范围内，选用三维四向的编织结构，在刚性层预制体3mm的厚度的中间位置埋入5组应变感应片，应变感应片采用沿着圆筒长度均匀布置的形式，在截面圆上按角度均匀分布。在刚性层预制体结构的内外两表面采用三维四向三维五向编织技术。将制备好的刚性层三维预制体结构通过真空导入工艺浸渍含量在37％的环氧树脂，经过热固化成型，刚性层厚度为6mm。
在刚性层制备完毕后在其表面制备耐冲击层，耐冲击层选用高韧性纤维的uhmwpe纤维为主体纤维，辅助高强度的碳化硅纤维，主体纤维与辅助纤维的混杂比例为9:1。选用三维四向编织结构，在耐冲击层的3mm的厚度中间位置的混杂纤维预制体结构中引入光纤应变感应装置，在耐冲击层的内外两表面采用三维七向编织结构。采用真空导入工艺将耐冲击层的三维预制体结构浸渍聚氨酯树脂，树脂含量为40％，耐冲击层厚度为6mm。
在耐冲击层表面制备耐腐蚀层，耐腐蚀层选用短切长度为20mm的碳纤维，选用聚氨酯共混改性热固性酚醛树脂为基体，其中改性树脂与热固性本体树脂的混合比例为1:8，最终的树脂含量为40％，整个耐腐蚀层采用注射或手糊成型制备，耐腐蚀层厚度为2mm。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。