一种混杂纤维复合材料水下助推器壳体的制作方法

本发明涉及水下助推器领域，尤其涉及一种利用多种纤维混杂结构增强树脂基体复合材料材质的水下助推器壳体。

背景技术

水下无人航行器或水下助推器是一种具有自主航行能力和水下信息通信交互能力的智能产品，多用于执行水下作战、远程运载、海洋监测、情报收集、资源调查、预报预警以及科学研究等多种任务，其在军事和民用方面都已经被广泛应用。水下助推器早期主要用于海上石油与天然气的开发等，军用方面主要用于打捞试验丢失的海底武器等。关于水下助推器或者航行器的研究已经有二十多年的历史，诸多沿海国家尤其是发达国家都致力于水下助推器的产品开发。美国、加拿大、英国、日本、俄罗斯以及中国等国家都成立了专门的机构或者在高校成立实验室研究水下助推器技术。其中水下助推器要实现多种军事和民用功能，则需要配备诸如控制系统、动力系统、能源系统、导航定位系统等多种组件，而这些特殊组件要在水下严苛环境发挥稳定作用则需要装配在特殊材料制成的壳体内，因此对水下助推器的壳体材料则提出了越来越高的技术要求。

为了实现最大程度的配件系统装载，水下助推器的壳体除了要具备防腐蚀、大浮力、高强度、抗生物附着等基本功能外，还需要最大程度的减重，因此传统的金属材料已经越来越不能适应水下航行器的技术要求。碳纤维及其多种高性能纤维增强树脂基复合材料，具有高强度、高模量、耐腐蚀、抗疲劳、耐冲击等诸多综合性能，因此也成为各种水下助推器壳体的首选研究材料，随着多种纤维混杂技术在各种领域的不断应用以及混杂多维编织技术的不断研究，也由此带来了水下助推器壳体结构和功能特性的不断提升。在此背景下，本发明提出一种新的混杂纤维复合材料水下助推器壳体。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种混杂纤维复合材料水下助推器壳体。本发明的水下助推器壳体结构采用多层结构嵌套组成整体，其中单层结构中采用多种纤维混杂多维织物增强，同时在外置功能组件的壳体接口位置采用高强度碳纤维多维织物重点结构增强。该混杂纤维水下助推器壳体具有密封性好、重量轻、耐腐蚀、耐水下高压、防渗漏、耐生物附着等诸多特点，可广泛应用于水下助推器、水下航行器产品的成品组装。

为实现上述发明目的，具体的，本发明公开了下述技术方案：

本发明公开了一种混杂纤维复合材料水下助推器壳体，由外到内包括：内部密封层、中间刚性层、外部强度层；其中，所述内部密封层由最内部的金属内壳和位于金属内壳表面的缠绕层组成；所述中间刚性层设置在缠绕层的表面；所述外部强度层设置在中间刚性层的表面；所述缠绕层以高强度碳纤维为主体纤维，混杂高韧性纤维后以热固性树脂浸渍固化构成整体；所述中间刚性层以高模量碳纤维为主体纤维，混杂高刚性陶瓷纤维构成混杂织物，然后采用热固性树脂浸渍复合固化构成整体；所述外部强度层以高强度碳纤维为主体纤维，混杂高韧性纤维构成混杂织物后以热塑性树脂浸渍复合固化构成整体，所述助推器壳体上还包括预埋组件的接口，在组件的表面编织高强度碳纤维三维织物结构层，同时采用热固性树脂浸渍固化形成增强织物结构层，且组件表面的三维织物结构层与中间刚性层以及外部强度层织物的界面位置采用三维立体缝编结构形成整体，以增强壳体局部的力学稳定性和服役耐久性。

所述金属内壳由高强度不锈钢、高强铝合金、高强钛合金等中的任意一种材质制成；所述金属内壳的厚度及尺寸规格根据产品要求灵活调整确定。

优选的，所述高强度不锈钢包括ns-30、ns-46、ns-63、ns-80、ns-90、ns-110等。

优选的，所述高强铝合金为a357高强铝合金等。

优选的，所述高强钛合金包括iit-1m、iit-7m、ti-6al-4v等。

所述缠绕层缠绕在金属内壳的外表面，所述缠绕层中高强度碳纤维和高韧性纤维的混杂比例控制在2-5:1之间，缠绕角度控制在30-90°之间。

优选的，所述缠绕层中，高强度碳纤维包括t300、t700、t800、t1000等中的任意一种，更优选为日本东丽t300、t700、t800、t1000等中的任意一种。

优选的，所述缠绕层中，高韧性纤维包括uhmwpe纤维、芳纶纤维、pbo纤维中的任意一种。

优选的，所述缠绕层中，热固性树脂包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂等中的任意一种。

优选的，所述缠绕层中，树脂含量控制在缠绕层质量的40-60％之间。

所述中间刚性层中，高模量碳纤维与高刚性陶瓷纤维的混杂比例控制在2-5:1之间，两者形成的混杂织物采用三维立体织物结构或二维叠层辅助层间铺缝强化立体结构任意一种类型。

所述中间刚性层中，高模量碳纤维与高刚性陶瓷纤维形成的混杂织物浸渍热固性树脂在在真空条件下进行，然后热固化在缠绕表层表面形成整体结构。

优选的，所述中间刚性层中，高模量碳纤维包括m40、m40j、m55、m55j、m60、m60j中的任意一种。

优选的，所述中间刚性层中，高刚性陶瓷纤维包括氧化铝纤维、碳化硼纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维等任意一种。

优选的，所述中间刚性层中，热固性树脂包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂等中的任意一种。

优选的，所述中间刚性层中，热固性树脂含量控制在中间刚性层质量的40-60％。

优选的，所述中间刚性层中，三维立体织物结构包括三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的任意一种。

优选的，所述中间刚性层中，二维叠层辅助层间铺缝强化立体结构包括平纹、斜纹、缎纹中任意一种。

优选的，所述中间刚性层中，层间铺缝强化的纤维强化比例控制在整体织物纤维质量的20％-40％之间。

所述外部强度层中，高强度碳纤维和高韧性纤维的混杂比例控制在2-5:1之间；两者形成的混杂织物采用三维立体织物结构或二维叠层辅助层间铺缝强化立体结构任意一种类型。

所述外部强度层中，高强度碳纤维和高韧性纤维形成的混杂织物浸渍热固性树脂在在真空条件下进行，然后热固化在中间刚性层表面形成整体结构。

优选的，所述外部强度层中，高强度碳纤维包括t300、t700、t800、t1000等中的任意一种；更优选为日本东丽t300、t700、t800、t1000等中的任意一种。

优选的，所述外部强度层中，高韧性纤维包括uhmwpe纤维、芳纶纤维、pbo纤维中的任意一种。

优选的，所述外部强度层中，热塑性树脂包括聚乙烯、丙烯酸-乙烯基共聚物、聚丙烯、聚氨酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚酰胺等中的任意一种。

优选的，所述外部强度层中，热塑性树脂的含量控制在外部强度层质量的30-60％之间。

优选的，所述外部强度层中，三维立体织物结构包括三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的任意一种。

优选的，所述外部强度层中，二维叠层辅助层间铺缝强化立体结构包括平纹、斜纹、缎纹中任意一种。

优选的，所述外部强度层中，层间铺缝强化的纤维强化比例控制在整体织物纤维质量的20％-40％之间。

所述组件中，用于表面编织的高强度碳纤维包括t300、t700、t800、t1000等中的任意一种，优选为日本东丽t300、t700、t800、t1000等中的任意一种。

所述组件中，热固性树脂包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂等中的任意一种。

优选的，所述组件中，热固性树脂含量控制在高强度碳纤维三维织物结构层质量的40-60％。

所述组件中，高强度碳纤维三维织物结构层的结构包括三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的任意一种。

所述组件表面的三维编织结构层与中间刚性层以及外部强度层织物的界面位置采用uhmwpe纤维、芳纶纤维、pbo纤维中的任意一种进行缝编形成整体。

与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：

(1)本发明的水下助推器壳体结构采用多层结构嵌套组成整体，其中单层结构中采用多种纤维混杂多维织物增强，同时在外置功能组件的壳体接口位置采用高强度碳纤维多维织物重点结构增强。该混杂纤维水下助推器壳体具有密封性好、重量轻、耐腐蚀、耐水下高压、防渗漏等诸多特点，可广泛应用于水下助推器、水下航行器产品的成品组装。

(2)本发明在特定组件接口部位采用高强度碳纤维多维度编织结构强化，同时，组件接口表面的多维度编织结构层与中间刚性层以及外部强度层织物的界面位置采用三维立体缝编结构形成整，大幅度增强了壳体局部的力学稳定性和服役耐久性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明混杂纤维复合材料水下助推器壳体的结构示意图。

图1中附图标记分别代表：1-内部密封层、2-中间刚性层、3-外部强度层、4-金属内壳、5-缠绕层、三维织物结构层6。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，随着多种纤维混杂技术在各种领域的不断应用以及混杂多维编织技术的不断研究，也由此带来了水下助推器壳体结构和功能特性的不断提升。因此，本发明提出了一种混杂纤维复合材料水下助推器壳体，下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，一种混杂纤维复合材料水下助推器壳体，由外到内包括：内部密封层1、中间刚性层2、外部强度层3；其中，所述内部密封层1由最内部的金属内壳4和位于金属内壳表面的缠绕层5组成。

采用ns-30高性能不锈钢制备厚度为2mm的金属内壳4，在金属壳体表面采用30°的缠绕角度以混杂比例为5:1的日本东丽t300碳纤维混杂uhmwpe纤维，进行缠绕层制备，缠绕层在缠绕过程浸渍环氧树脂，最终通过热固化形成厚度为1mm的缠绕层，树脂含量为缠绕层质量的40％。

在缠绕层5的外表面制备中间刚性层2，用酚醛树脂浸渍m40高模量碳纤维与氧化铝纤维的混杂织物，混杂比例为2:1，混杂织物采用三维四向三维立体结构，采用热固化的方式在内部缠绕层表面形成中间刚性层整体结构，树脂含量为中间刚性层质量的43％。

在中间刚性层2的外表面制备外部强度层3，真空条件下用聚乙烯树脂浸渍混杂比例2:1的日本东丽t700高强度碳纤维混杂芳纶纤维的立体织物，其中混杂织物采用三维七向三维立体织物结构，浸渍后采用热固化方式在中间刚性层表面形成整体结构，树脂含量为外部强度层3质量的30％。

在助推器壳体的组件接口部位预埋a357铝合金结构件，在该铝合金结构件的表面编织高强度碳纤维三维织物结构层6，所述高强度碳纤维为日本东丽t1000碳纤维，编织成三维四向立体结构，用有机硅树脂浸渍后热固化在铝合金结构件的表面，树脂含量为三维织物结构层质量的40％，该铝合金表面的高强度碳纤维三维织物结构层与中间刚性层以及外部强度层织物的界面位置采用uhmwpe纤维缝编形成整体。

实施例2

一种混杂纤维复合材料水下助推器壳体，同实施例1，区别在于：

采用ns-80高性能不锈钢制备厚度为3mm的金属内壳4，在金属壳体表面采用60°的缠绕角度以混杂比例为3:1的日本东丽t800碳纤维混杂pbo纤维，进行缠绕层制备，缠绕层在缠绕过程浸渍酚醛树脂，最终通过热固化形成厚度为2mm的缠绕层，树脂含量为缠绕层质量的50％。

在缠绕层5的外表面制备中间刚性层2，用酚醛树脂浸渍m60j高模量碳纤维与碳化硼纤维的混杂织物，混杂比例为4:1，混杂织物采用三维五向三维立体结构，采用热固化的方式在内部缠绕层表面形成中间刚性层整体结构，树脂含量为中间刚性层质量的50％。

在中间刚性层2的外表面制备外部强度层3，真空条件下用聚苯硫醚树脂浸渍混杂比例3:1的日本东丽t800高强度碳纤维混杂芳纶纤维的立体织物，其中混杂织物采用三维七向三维立体织物结构，浸渍后采用热固化方式在中间刚性层表面形成整体结构，树脂含量为外部强度层3质量的45％。

在助推器壳体的组件接口部位预埋iit-1m钛合金结构件，在该钛合金结构件的表面编织高强度碳纤维三维织物结构层6，所述高强度碳纤维为日本东丽t800碳纤维，编织成三维五向立体结构，用有机硅树脂浸渍后热固化在铝合金结构件的表面，树脂含量为三维织物结构层质量的53％，该铝合金表面的高强度碳纤维三维织物结构层与中间刚性层以及外部强度层织物的界面位置采用pbo纤维缝编形成整体。

实施例3

一种混杂纤维复合材料水下助推器壳体，同实施例1，区别在于：

采用a357高强铝合金制备厚度为1mm的金属内壳4，在金属壳体表面采用45°的缠绕角度以混杂比例为2:1的日本东丽t800碳纤维混杂uhmwpe纤维，进行缠绕层制备，缠绕层在缠绕过程浸渍酚醛树脂，最终通过热固化形成厚度为1mm的缠绕层，树脂含量为缠绕层质量的42％。

在缠绕层5的外表面制备中间刚性层2，用环氧树脂浸渍m55j高模量碳纤维与碳化硅纤维的混杂织物，混杂比例为4:1，混杂织物采用平纹二维叠层辅助20％强化纤维比例的层间铺缝强化立体织物结构，采用热固化的方式在内部缠绕层表面形成中间刚性层整体结构，树脂含量为中间刚性层质量的60％。

在中间刚性层2的外表面制备外部强度层3，真空条件下用聚醚醚酮树脂浸渍混杂比例3:1的日本东丽t1000高强度碳纤维混杂pbo纤维的立体织物，其中混杂织物采用三维六向三维立体织物结构，浸渍后采用热固化方式在中间刚性层表面形成整体结构，树脂含量为外部强度层3质量的46％。

在助推器壳体的组件接口部位预埋ti-6al-4v钛合金结构件，在该钛合金结构件的表面编织高强度碳纤维三维织物结构层6，所述高强度碳纤维为日本东丽t800碳纤维，编织成三维六向立体结构，用有环氧树脂浸渍后热固化在铝合金结构件的表面，树脂含量为三维织物结构层质量的50％，该铝合金表面的高强度碳纤维三维织物结构层与中间刚性层以及外部强度层织物的界面位置采用pbo纤维缝编形成整体。

实施例4

一种混杂纤维复合材料水下助推器壳体，同实施例1，区别在于：

采用ti-6al-4v高强钛合金制备厚度为2mm的金属内壳4，在金属壳体表面采用60°的缠绕角度以混杂比例为3:1的日本东丽t1000碳纤维混杂uhmwpe纤维，进行缠绕层制备，缠绕层在缠绕过程浸渍环氧树脂，最终通过热固化形成厚度为2mm的缠绕层，树脂含量为缠绕层质量的40％。

在缠绕层5的外表面制备中间刚性层2，用环氧树脂浸渍m55高模量碳纤维与玄武岩纤维的混杂织物，混杂比例为2:1，混杂织物采用三维七向立体织物结构，采用热固化的方式在内部缠绕层表面形成中间刚性层整体结构，树脂含量为中间刚性层质量的40％。

在中间刚性层2的外表面制备外部强度层3，真空条件下用聚酰胺浸渍混杂比例2:1的日本东丽t800高强度碳纤维混杂uhmwpe纤维的立体织物，其中混杂织物采用缎纹二维叠层辅助40％强化纤维比例的层间铺缝强化立体织物结构，浸渍后采用热固化方式在中间刚性层表面形成整体结构，树脂含量为外部强度层3质量的55％。

在助推器壳体的组件接口部位预埋ti-6al-4v钛合金结构件，在该钛合金结构件的表面编织高强度碳纤维三维织物结构层6，所述高强度碳纤维为日本东丽t1000碳纤维，编织成三维六向立体结构，用有酚醛树脂浸渍后热固化在铝合金结构件的表面，树脂含量为三维织物结构层质量的40％，该铝合金表面的高强度碳纤维三维织物结构层与中间刚性层以及外部强度层织物的界面位置采用uhmwpe纤维缝编形成整体。

实施例5

一种混杂纤维复合材料水下助推器壳体，同实施例1，区别在于：

采用ns-90高强不锈钢制备厚度为2mm的金属内壳4，在金属壳体表面采用90°的缠绕角度以混杂比例为3:1的日本东丽t700碳纤维混杂芳纶纤维，进行缠绕层制备，缠绕层在缠绕过程浸渍不饱和聚酯树脂，最终通过热固化形成厚度为2mm的缠绕层，树脂含量为缠绕层质量的60％。

在缠绕层5的外表面制备中间刚性层2，用不饱和聚酯树脂浸渍m60高模量碳纤维与玄武岩纤维的混杂织物，混杂比例为5:1，混杂织物采用三维六向立体织物结构，采用热固化的方式在内部缠绕层表面形成中间刚性层整体结构，树脂含量为中间刚性层质量的550％。

在中间刚性层2的外表面制备外部强度层3，真空条件下用聚氨酯浸渍混杂比例5:1的日本东丽t300高强度碳纤维混杂uhmwpe纤维的立体织物，其中混杂织物采用平纹二维叠层辅助20％强化纤维比例的层间铺缝强化立体织物结构，浸渍后采用热固化方式在中间刚性层表面形成整体结构，树脂含量为外部强度层3质量的60％。

在助推器壳体的组件接口部位预埋iit-1m钛合金结构件，在该钛合金结构件的表面编织高强度碳纤维三维织物结构层6，所述高强度碳纤维为日本东丽t700碳纤维，编织成三维七向立体结构，用有不饱和聚酯树脂浸渍后热固化在铝合金结构件的表面，树脂含量为三维织物结构层质量的60％，该铝合金表面的高强度碳纤维三维织物结构层与中间刚性层以及外部强度层织物的界面位置采用芳纶纤维缝编形成整体。

实施例6

一种混杂纤维复合材料水下助推器壳体，同实施例1，区别在于：

采用ns-110高强不锈钢制备厚度为2mm的金属内壳4，在金属壳体表面采用90°的缠绕角度以混杂比例为4:1的日本东丽t300碳纤维混杂芳纶纤维，进行缠绕层制备，缠绕层在缠绕过程浸渍有机硅树脂，最终通过热固化形成厚度为1mm的缠绕层，树脂含量为缠绕层质量的55％。

在缠绕层5的外表面制备中间刚性层2，用不饱和聚酯树脂浸渍m40j高模量碳纤维与碳化硼纤维的混杂织物，混杂比例为4:1，其中混杂织物采用缎纹二维叠层辅助40％强化纤维比例的层间铺缝强化立体织物结构，采用热固化的方式在内部缠绕层表面形成中间刚性层整体结构，树脂含量为中间刚性层质量的55％。

在中间刚性层2的外表面制备外部强度层3，真空条件下用聚氨酯浸渍混杂比例4:1的日本东丽t800高强度碳纤维混杂芳纶纤维的立体织物，其中混杂织物采用三维四向立体织物结构，浸渍后采用热固化方式在中间刚性层表面形成整体结构，树脂含量为外部强度层3质量的60％。

在助推器壳体的组件接口部位预埋iit-1m钛合金结构件，在该钛合金结构件的表面编织高强度碳纤维三维织物结构层6，所述高强度碳纤维为日本东丽t300碳纤维，编织成三维七向立体结构，用有酚醛树脂浸渍后热固化在铝合金结构件的表面，树脂含量为三维织物结构层质量的55％，该铝合金表面的高强度碳纤维三维织物结构层与中间刚性层以及外部强度层织物的界面位置采用芳纶纤维缝编形成整体。

实施例7

一种混杂纤维复合材料水下助推器壳体，同实施例1，区别在于：

采用iit-1m高强钛合金制备厚度为2mm的金属内壳4，在金属壳体表面采用70°的缠绕角度以混杂比例为3:1的日本东丽t1000碳纤维混杂芳纶纤维，进行缠绕层制备，缠绕层在缠绕过程浸渍不饱和聚酯树脂，最终通过热固化形成厚度为2mm的缠绕层，树脂含量为缠绕层质量的45％。

在缠绕层5的外表面制备中间刚性层2，用不饱和聚酯树脂浸渍m55j高模量碳纤维与氧化铝纤维的混杂织物，混杂比例为3:1，其中混杂织物采用斜纹二维叠层辅助30％强化纤维比例的层间铺缝强化立体织物结构，采用热固化的方式在内部缠绕层表面形成中间刚性层整体结构，树脂含量为中间刚性层质量的45％。

在中间刚性层2的外表面制备外部强度层3，真空条件下用聚丙烯浸渍混杂比例3:1的日本东丽t1000高强度碳纤维混杂芳纶纤维的立体织物，其中混杂织物采用三维五向立体织物结构，浸渍后采用热固化方式在中间刚性层表面形成整体结构，树脂含量为外部强度层3质量的55％。

在助推器壳体的组件接口部位预埋iit-1m钛合金结构件，在该钛合金结构件的表面编织高强度碳纤维三维织物结构层6，所述高强度碳纤维为日本东丽t800碳纤维，编织成三维七向立体结构，用有酚醛树脂浸渍后热固化在铝合金结构件的表面，树脂含量为三维织物结构层质量的50％，该铝合金表面的高强度碳纤维三维织物结构层与中间刚性层以及外部强度层织物的界面位置采用uhmwpe纤维缝编形成整体。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。