秦亞軍，孫海威

（中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一○研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，常用的金屬及非金屬材料越來越難以滿足工程上的需求，特別是對于制造海上應(yīng)用的水下探測設(shè)備。于是逐漸出現(xiàn)了復(fù)合材料，尤其是高性能纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料的出現(xiàn)，在航空航天、汽車及軍事裝備等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其優(yōu)良的機(jī)械和物理特性已被各行各業(yè)所重視。如考核現(xiàn)代常規(guī)軍事裝備的先進(jìn)程度，復(fù)合材料的用量是一項(xiàng)重要指標(biāo)；美國汽車制造業(yè)把復(fù)合材料的應(yīng)用視作當(dāng)前汽車發(fā)展的重大技術(shù)措施。

1 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料簡介

圖1 順纖維方向受力模型

圖2 垂直于纖維方向受力模型

2 設(shè)備使用環(huán)境及功能要求

海洋探測設(shè)備主要用于海洋環(huán)境觀察及相關(guān)數(shù)據(jù)與資料的收集，有些還需在水下一定深度對各層面進(jìn)行監(jiān)測與探視，因而要求能承受一定的外界壓力；同時(shí)耐壓殼體還是水下探測設(shè)備的安裝平臺，所以應(yīng)具備在全天候海洋環(huán)境下保證設(shè)備在水面或水中均能正常工作，且外表面不被腐蝕。

3 結(jié)構(gòu)及制造

3.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)成

為使探測設(shè)備能安全可靠地在水下完成各類探測與相關(guān)數(shù)據(jù)的收集任務(wù)，確保耐壓殼體具有一定的承壓和抗腐蝕能力，依據(jù)復(fù)合材料的特性及實(shí)際使用環(huán)境，耐壓殼體的制造常以輕金屬為內(nèi)膽，在其外表面敷以增強(qiáng)纖維。同時(shí)為使纖維能承受任意載荷，用基體材料將纖維組合成型。實(shí)際操作時(shí)，通常將纖維按90°方向（周向）纏繞若干層，再按0°方向（軸向）纏繞若干層，組合成單向板復(fù)合材料，以增大其承受外載荷的能力；為提高纏繞后纖維層板的抗碰撞能力，在其外層澆注高強(qiáng)度聚胺脂材料，將輕金屬內(nèi)膽與復(fù)合材料連接成一體，外層聚胺脂不僅可起到密封作用，而且韌性也好，提高了使用中的抗沖擊能力，同時(shí)亦解決了水下防腐蝕的問題。

3.2 設(shè)備的制造

由于耐壓殼體通常是作為水下探測儀的安裝平臺，考慮到使用時(shí)的抗腐蝕性能及內(nèi)部測試儀的適用性，內(nèi)膽常采用非磁性鋁材或不銹鋼或非金材料制造［2］。為增加整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛性，將殼體分為3層：①殼體內(nèi)膽采用鋁合金制作，其目的一是減輕重量，二是以其作為繞制纖維的模具，降低制造成本；②在內(nèi)膽外有一層樹脂膠液，以增強(qiáng)外層增強(qiáng)型纖維和內(nèi)膽的結(jié)合強(qiáng)度；③最外層敷以增強(qiáng)型纖維，既增加耐壓強(qiáng)度，同時(shí)又能減輕重量，還便于加工成整體結(jié)構(gòu)，且可一次固化成型，節(jié)省了原材料及工時(shí)，改善了結(jié)構(gòu)承傳力的特性。對于單件產(chǎn)品通常采用手工成型工藝，其主要操作工序是：用加工成型的殼體內(nèi)膽作為纖維纏繞的模芯，在內(nèi)膽外表面均勻刷或噴射一層樹脂膠液后，再敷一層纖維復(fù)合材料，在操作過程中要使連續(xù)纖維一邊浸漬膠液樹脂，一邊按規(guī)律纏繞到內(nèi)膽外表面上，最后固化成型。需指出的是在操作過程中纖維應(yīng)浸透膠液樹脂，并排除內(nèi)部氣泡。根據(jù)樹脂的種類，成型溫度控制在25 ℃～120 ℃。對于手工制造時(shí)成型溫度一般控制在25 ℃～50 ℃，成型周期在2h～24h，無需加壓［3］。耐壓殼體外層澆注高強(qiáng)度聚胺脂材料是借助其自身具有橡膠和塑料的特性，在高硬度時(shí)具備高回彈性，且有很高的疲勞壽命及化學(xué)穩(wěn)定性，提高了使用中的抗沖擊能力，同時(shí)確保了整體構(gòu)件的密封性能。

4 主要特點(diǎn)

按上述方法由結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制造出的耐壓殼體具有以下特點(diǎn)：

（1）具有較高的抗疲勞與斷裂性能：金屬裂紋的擴(kuò)展速度很快，發(fā)生較突然，而復(fù)合材料的裂紋擴(kuò)展速度慢，在發(fā)生破壞前易被發(fā)現(xiàn)。

（2）設(shè)計(jì)性好：復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能具有可設(shè)計(jì)性，用混合律可估算出單向復(fù)合材料的基本力學(xué)性能，選擇合適的纖維與基體品種，利用層板理論通過合理的鋪層設(shè)計(jì)，可以獲得結(jié)構(gòu)所需的層板各項(xiàng)異性及耦合特性。

（3）工藝性好：便于采用整體結(jié)構(gòu)，可一次固化成型，利于制造復(fù)雜的構(gòu)件，且可改善結(jié)構(gòu)的承傳力特性。

（4）物理性能可變：依據(jù)不同的使用工況，采用不同的基體可制成不同物理性能的復(fù)合材料。

5 結(jié)論

綜上所述，作為結(jié)構(gòu)材料來說，復(fù)合材料突出的優(yōu)點(diǎn)是重量輕、節(jié)約能量、比強(qiáng)度及比剛度等物理性能高。復(fù)合材料是新時(shí)代工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，目前在交通、能源、宇航等領(lǐng)域均發(fā)揮出作用，同時(shí)復(fù)合材料的研究和應(yīng)用也關(guān)系到國家未來發(fā)展的戰(zhàn)略，因而成為世界各國關(guān)注的重點(diǎn)。

［1］ 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第3卷）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［2］ 金穜.航空金屬學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，1961.

［3］ 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］.第4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.