本發(fā)明屬于水下設備技術領域，涉及一種水下航行器用殼體結構，特別涉及一種多層二維纏繞復合材料材質(zhì)的、帶有多種智能監(jiān)控功能的水下航行器殼體。
背景技術：
水下航行器是自身攜帶多種電子設備和能源的、能夠通過計算機智能控制并自主航行的水下智能機器設備，可用于水下勘探、深海探測等領域的海底工程工作。
傳統(tǒng)的水下航行器采用密封結構來保證在海底環(huán)境的艙體內(nèi)外壓差，因此金屬材質(zhì)的航行設備就需要具備一定的厚度來制備。在金屬厚度增加的同時，水下航行器的自重增加，由此帶來了攜帶裝備數(shù)量的減少，這將嚴重影響航行設備的功能和續(xù)航能力，而且自重的增加也會影響水下航行器的航向控制。要改變這種現(xiàn)狀，適應目前較為苛刻的深海航行環(huán)境并提高續(xù)航能力，就需要對水下航行器的主體結構和/材質(zhì)進行革新。
此外，海洋勘探開發(fā)逐漸向深海地區(qū)推進，要適應目前復雜的深海航行環(huán)境、提高水下航行器的工作壽命，實現(xiàn)航行器服役過程中耐壓及沖擊條件的實時監(jiān)控尤為重要，這往往需要在水下航行器的結構特定部位引入壓力、應變等感應裝置，而這也是金屬材質(zhì)結構所無法解決的問題。
復合材料具有高比強、高比模、耐高溫、韌性好、抗腐蝕與耐磨損等特性，已應用于空間飛行器、艦(潛)艇、軍用水下航行體(魚雷、誘餌、偵察器、靶雷等)、導彈、民用客機等各種軍民用產(chǎn)品上。各種先進的特殊材料層出不窮，諸如石墨/芳綸混雜復合材料、耐高溫的碳/碳復合材料、抗拉強度為鋼絲強度10倍以上的高強度聚乙烯、強度比鋼高100倍、密度僅為鋼的1/6、導電性能超過銅的碳納米管等。
其中，碳纖維復合材料是一種低密度、高強度、耐腐蝕、抵抗變形能力強的新型材質(zhì)，在軍用及民用領域均得到了廣泛的應用，尤其在海洋領域的海上油田、海上甲板、海上航行器等主體結構材料方面有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。然而，在實際應用的特定領域中，如何合理有效的利用各種復合材料，對技術人員而言是必須解決的問題。
技術實現(xiàn)要素：
為了解決上述現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明對水下航行器的制備材質(zhì)及結構進行革新和優(yōu)化，制備一種新的水下航行器殼體。
本發(fā)明的目的之一在于提供一種應變監(jiān)控二維纏繞復合材料水下航行器殼體結構，該殼體結構在保證整個殼體的良好力學穩(wěn)定性的基礎上，有效的降低自重，并實現(xiàn)了整個殼體結構及結構內(nèi)層在高外壓條件下微小應變的有效感知。
本發(fā)明的目的之二在于提供一種應變監(jiān)控二維纏繞復合材料水下航行器殼體結構的制備方法，通過材料和結構的合理設計，達到水下航行器的性能需求，尤其是適用于不同類型的復雜水體環(huán)境。
本發(fā)明的目的還包括一種采用上述殼體結構的水下航行器及其應用。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，具體的，本發(fā)明涉及以下技術方案：
首先，本發(fā)明公開了一種應變監(jiān)控二維纏繞復合材料水下航行器殼體結構，其采用多層結構組成，由內(nèi)到外依次為金屬密封層、剛性強度層、耐腐蝕層；
金屬密封層由金屬或合金制成；
剛性強度層由浸漬熱固性樹脂后的高性能混雜碳纖維均勻纏繞至金屬密封層表面制得；
耐腐蝕層由短切纖維增強樹脂基復合材料制成，樹脂基為改性熱固性樹脂；
剛性強度層中置入一個或多個應變感應裝置。
為實現(xiàn)水下航行器良好性能的使用，本發(fā)明對于水下航行器殼體進行多層結構輔以材料的優(yōu)化設計。通過內(nèi)到外依次金屬密封層、剛性強度層、耐腐蝕層的設置，使得整個殼體結構有效的相互配合支撐，不僅降低了純金屬殼體水下航行器的自重，而且有利于保持水下航行器殼體良好的力學穩(wěn)定性；填充短切纖維的耐腐蝕層，不僅滿足了水下航行器必要的防海水侵蝕性能需求，而且利用短切纖維的隨機取向特性，可以滿足殼體的不同受力狀態(tài)要求，同時短切纖維還可以增強耐腐蝕層的結合強度；通過剛性強度層的設計，充分考慮海洋水體復雜壓力環(huán)境，充分的保證水下航行器殼體可以適應不同復雜的水下環(huán)境作業(yè)的需要；通過耐腐蝕層中纖維增強樹脂基復合材料和剛性強度層中二維纏繞高性能混雜碳纖維的使用，不僅可以有效的降低水下航行器的自重，而且其材料本身性能優(yōu)異，有效的提高了水下航行器殼體的穩(wěn)定性能；進一步的，考慮到水下航行器壓力應變實時監(jiān)控的必要性，以及二維纏繞高性能混雜碳纖維的使用，本發(fā)明將智能感應裝置一體化引入到水下航行器殼體結構中，實現(xiàn)了兩者性能的有效結合。
本發(fā)明優(yōu)選的實施方案中，水下航行器殼體的基本外型為圓筒狀。相對而言，圓筒狀的殼體對于復合材料殼體結構的制備更為便利，但其他形狀的殼體也可以實現(xiàn)。
本發(fā)明優(yōu)選的實施方案中，所述金屬密封層的材質(zhì)為高強不銹鋼、鋁合金、鈦合金等其中的任意一種。
優(yōu)選的，金屬密封層的厚度根據(jù)密封要求靈活調(diào)整。
優(yōu)選的，金屬密封層表面采用界面改性劑進行粗糙化處理。通過對金屬密封層表面進行粗糙化處理，可以便于二維纏繞的碳纖維復合材料的粘附，有效的配合剛性強度層的形成和剛性強度層所述材料性能的有效發(fā)揮。
優(yōu)選的，所述的金屬密封層的界面粗糙化處理，選用壓縮空氣為動力，形成高速噴射束將噴料高速噴射到需處理工件表面。更優(yōu)選的，所用的噴料可為銅礦砂、石英砂、金剛砂、鐵砂、海砂的任意一種，所用的空氣壓力不超過0.8MPa。
本發(fā)明優(yōu)選的實施方案中，所述的剛性強度層在金屬密封層的表面進行制備。所述的高性能混雜碳纖維通過二維纏繞工藝制備。具體的，高性能混雜碳纖維采用高強度碳纖維與高模量碳纖維通過并紗工藝混合纏繞制成。其中，高強度碳纖維選用T300、T700、T800中的任意一種，高模量碳纖維選用MJ40、MJ60中的任意一種。
優(yōu)選的，考慮到剛性強度層中殼體強度的要求，混雜碳纖維中高強度碳纖維與高模量碳纖維的混合比例在2:1到8:1之間調(diào)節(jié)。
優(yōu)選的，所述的剛性強度層表面的制備，所用的二維纏繞碳纖維在混雜之后，浸漬熱固性樹脂。更優(yōu)選的，所用的熱固性樹脂可以是環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂中的任意一種。
優(yōu)選的技術方案中，漬熱固性樹脂后的高性能混雜碳纖維以3度到50度之間的角度均勻纏繞至金屬密封層表面，在該纏繞角度下，獲得的剛性強度層致密性和強度更高。優(yōu)選的，剛性強度層的樹脂含量為30-60％之間靈活調(diào)整。剛性強度層的厚度根據(jù)殼體強度及剛度要求靈活調(diào)整。
本發(fā)明優(yōu)選的實施方案中，所述的耐腐蝕層由短切纖維增強樹脂基復合材料制成，樹脂基為改性熱固性樹脂，改性熱固性樹脂中填充短切纖維。本發(fā)明的耐腐蝕層在滿足最基本的防侵蝕性能要求下，其中采用取向性能良好的短切纖維，可以使得殼體最外層能夠適應海水中多種復雜應力/壓力條件，并結合纖維增強樹脂基復合材料的使用，有效的滿足耐腐蝕層的韌性和強度需要。
優(yōu)選的，耐腐蝕層中樹脂含量為30-60％。相對而言，在此含量下，耐腐蝕層的整體力學性能和抗海水侵蝕性能更優(yōu)。
優(yōu)選的，短切纖維選用玻璃纖維、碳化硅纖維、氮化硼纖維、氧化鋁纖維、玄武巖纖維中的一種的或多種組合，其中采用多種組合的混雜纖維時，不同短切纖維混雜比例根據(jù)表面耐腐蝕層增強效果靈活調(diào)整。優(yōu)選的，短切纖維的長度為10-40mm。
優(yōu)選的，改性熱固性樹脂為熱塑性樹脂共混改性的熱固性樹脂。進一步優(yōu)選的實施方案中，熱塑性樹脂共混改性的熱固性樹脂中，熱固性樹脂選自環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂中的任意一種。熱塑性樹脂選用聚氨酯、聚乙烯、聚苯硫醚中的任意一種。更為優(yōu)選的，熱塑性樹脂與熱固性樹脂共混比例，根據(jù)耐腐蝕層的使用要求靈活調(diào)整。相對其他改性熱固性樹脂而言，熱塑性樹脂共混改性的熱固性樹脂更能夠滿足海水中多種復雜應力/壓力條件下殼體的強度和韌性要求。
本發(fā)明優(yōu)選的實施方案中，所述的應變感應裝置為應變式傳感器。
優(yōu)選的，應變感應裝置置入剛性強度層中，置入形式可選用光纖混雜碳纖維纏繞的方式引入，或者選用應變片、光柵、磁柵等任意一種在纏繞過程中通過預埋方式實現(xiàn)。
優(yōu)選的，應變感應裝置采用預埋方式實現(xiàn)時，應變感應裝置的數(shù)量可選用多組。更優(yōu)選的，水下航行器殼體的基本外型為圓筒狀時，應變感應裝置埋入位置沿著水下航行器筒狀殼體的長度以及截面圓形進行均勻分布。
所述的應變感應裝置主要用以實時監(jiān)控水下航行器殼體在水下服役工作過程中，在不同水壓變化或者水下沖擊變化復雜情況下的殼體應變變化，采用一個或多個應變感應器引入到復合材料結構中，通過殼體在工作過程中的微小變形感知，以控制監(jiān)控殼體結構的受力狀態(tài)。
其次，本發(fā)明公開了一種應變監(jiān)控二維纏繞復合材料水下航行器殼體結構的制備方法，包括：
(1)采用金屬或合金制備金屬密封層；
(2)通過二維纏繞工藝制備高性能混雜碳纖維，然后浸漬熱固性樹脂，浸漬熱固性樹脂后的高性能混雜碳纖維均勻纏繞至金屬密封層表面固化成型制備剛性強度層；
(3)在剛性強度層表面，選用短切纖維、采用熱塑性樹脂共混改性的熱固性樹脂為基體，通過注射或手糊成型制備耐腐蝕層；
步驟(2)中采用光纖混雜碳纖維纏繞的方式引入，或者選用應變片、光柵、磁柵等任意一種在纏繞過程中通過預埋方式實現(xiàn)應變感應裝置的置入。
優(yōu)選的技術方案中，所述水下航行器殼體基本外型為圓筒狀。
優(yōu)選的，步驟(1)中，金屬密封層表面采用界面改性劑進行粗糙化處理。優(yōu)選的，所述的金屬密封層的界面粗糙化處理，選用壓縮空氣為動力，形成高速噴射束將噴料高速噴射到需處理工件表面。更優(yōu)選的，所用的噴料可為銅礦砂、石英砂、金剛砂、鐵砂、海砂的任意一種，所用的空氣壓力不超過0.8MPa。
優(yōu)選的，步驟(2)中，高性能混雜碳纖維采用高強度碳纖維與高模量碳纖維通過并紗工藝混合纏繞制成。其中，高強度碳纖維選用T300、T700、T800中的任意一種，高模量碳纖維選用MJ40、MJ60中的任意一種。更優(yōu)選的，混雜碳纖維中高強度碳纖維與高模量碳纖維的混合比例在2:1到8:1之間調(diào)節(jié)。
優(yōu)選的，步驟(2)中，所用的熱固性樹脂可以是環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂中的任意一種。
優(yōu)選的，步驟(2)中，漬熱固性樹脂后的高性能混雜碳纖維以3度到50度之間的角度均勻環(huán)向纏繞至金屬密封層表面。優(yōu)選的，剛性強度層的樹脂含量為30-60％之間靈活調(diào)整。剛性強度層的厚度根據(jù)殼體強度及剛度要求靈活調(diào)整。
優(yōu)選的，步驟(3)中，耐腐蝕層中樹脂含量為30-60％。
優(yōu)選的，步驟(3)中，短切纖維選用玻璃纖維、碳化硅纖維、氮化硼纖維、氧化鋁纖維、玄武巖纖維中的一種的或多種組合，其中采用多種組合的混雜纖維時，不同短切纖維混雜比例根據(jù)表面耐腐蝕層增強效果靈活調(diào)整。優(yōu)選的，短切纖維的長度為10-40mm。
優(yōu)選的，步驟(3)中，熱塑性樹脂共混改性的熱固性樹脂中，熱固性樹脂選自環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂中的任意一種。熱塑性樹脂選用聚氨酯、聚乙烯、聚苯硫醚中的任意一種。
此外，采用上述殼體結構的水下航行器也屬于本發(fā)明的保護范圍。
進一步的，本發(fā)明還公開了所述水下航行器在海洋工程勘察作業(yè)中的應用。
本發(fā)明選用特定的碳纖維復合材料，采用適宜于水下航行器制備的復合材料成型工藝，制備輕質(zhì)耐腐蝕和耐沖擊的碳纖維復合材料水下航行器殼體，降低自重，可達到提高續(xù)航能力、提高整體強度、耐沖擊及耐腐蝕能力的目的。所述復合材料的使用，除了力學性能上的優(yōu)勢以外，碳纖維復合材料的制備是通過纖維與樹脂復合而熱固化成型的，在纖維的排布結構上具有很大的調(diào)整靈活性，這就給整個航行器主體結構的制備帶來了極大的靈活性，可根據(jù)應用要求進行設計，這也是金屬材質(zhì)所不具備的獨特性能。
本發(fā)明的一種應變監(jiān)控二維纏繞復合材料水下航行器與傳統(tǒng)金屬材質(zhì)的航行器殼體相比，具有如下優(yōu)勢：
(1)采用二維纏繞碳纖維復合材料結構，在金屬芯層表面采用多種碳纖維混雜組合方式，高強度碳纖維保證了整個殼體的抵抗破壞能力，高模量碳纖維保證了殼體抵抗變形的能力，使得復合材料水下航行器殼體可以適應不同復雜的水下環(huán)境。
(2)表面采用了短切纖維增強樹脂基復合材料耐腐蝕層的設計。通過短切纖維增強樹脂基體復合材料，使得表面不僅具有耐海水腐蝕的特點，同時通過短切纖維的增強作用也使得該腐蝕層的結合強度達到提升，有效保證使用壽命。
(3)智能感應裝置的一體化引入技術。通過二維纏繞復合材料剛性強度層結構中的光纖或應變片等不同形式的應變感應器的嵌入使用，可有效感知整個殼體結構或結構內(nèi)層在高外壓條件下的微小應變，達到實時監(jiān)控水下航行器殼體的服役狀態(tài)變化，對復雜壓力和沖擊條件下的殼體結構穩(wěn)定性達到預測的目的，延長整個航行器殼體結構的使用壽命。
附圖說明
圖1是應變監(jiān)控二維纏繞復合材料水下航行器殼體結構示意圖。該殼體采用圓筒狀結構，內(nèi)部為金屬密封層1，金屬密封層1外表面制備剛性強度層2，在剛性強度層2中嵌入應變感應片3，最外表面為耐腐蝕層4。
具體實施方式
實施例1
(1)內(nèi)部金屬密封層的制備。采用長度為1m、厚度為1mm的高強度不銹鋼制備內(nèi)部金屬密封層，在密封層表面采用銅礦砂噴料，以0.8MPa的空氣壓力進行噴射粗糙化處理，最終的粗糙度控制在Ra 0.6范圍。
(2)剛性強度層的制備。在經(jīng)過粗糙化處理的內(nèi)部金屬密封層表面制備剛性強度層，采用高強度T300碳纖維和高模量MJ40碳纖維，按照2:1的比例混雜，采用3度的角度在金屬密封層表面纏繞剛性強度層預制體，在纏繞的同時將混雜纖維浸漬含量為30％的環(huán)氧樹脂，經(jīng)過浸漬樹脂和纏繞的纖維的最終厚度為6mm，之后經(jīng)過120℃、3小時固化成型。
(3)應變感應裝置的引入。在剛性強度層制備的纏繞過程中，在厚度中間位置沿著剛性強度層的筒狀長度方向均勻埋入六組應變感應片，每組應變感應片為四片，沿著筒狀截面均勻分布。
(4)表面耐腐蝕層的制備。采用長度為10mm的玻璃纖維浸漬聚氨酯、聚乙烯、聚苯硫醚改性熱固性環(huán)氧樹脂，其中改性樹脂與熱固性樹脂的共混比例為1:5，將上述短切纖維浸漬改性樹脂，最終樹脂含量為60％，將上述浸漬混合樹脂的短切纖維采用注射熱固化的方式制備表面耐腐蝕層，最終的固化溫度為120℃，固化時間為2小時，耐腐蝕層厚度為3mm。
實施例2
(1)內(nèi)部金屬密封層的制備。采用長度為2m、厚度為1mm的高強度鋁合金制備內(nèi)部金屬密封層，在密封層表面采用石英砂噴料，以0.7MPa的空氣壓力進行噴射粗糙化處理，最終的粗糙度控制在Ra0.8范圍。
(2)剛性強度層的制備。在經(jīng)過粗糙化處理的內(nèi)部金屬密封層表面制備剛性強度層，采用高強度T700碳纖維和高模量MJ60碳纖維，按照3:1的比例混雜，采用20度的角度在金屬密封層表面纏繞剛性強度層預制體，在纏繞的同時將混雜纖維浸漬含量為40％的酚醛樹脂，經(jīng)過浸漬樹脂和纏繞的纖維的最終厚度為5mm，之后經(jīng)過120℃、2小時固化成型。
(3)應變感應裝置引入。在剛性強度層的制備纏繞過程中，在混雜碳纖維纏繞紗線中引入光纖，將光纖與混雜碳纖維并紗共同纏繞。
(4)表面耐腐蝕層的制備。采用長度為20mm的碳化硅纖維浸漬聚氨酯改性熱固性不飽和聚酯樹脂，其中改性樹脂與熱固性樹脂的共混比例為1:4，將上述短切纖維浸漬改性樹脂，最終樹脂含量為40％，將上述浸漬混合樹脂的短切纖維采用注射熱固化的方式制備表面耐腐蝕層，最終的固化溫度為120℃，固化時間為2小時，耐腐蝕層厚度為1mm。
實施例3
(1)內(nèi)部金屬密封層的制備。采用長度為1.5m、厚度為1mm的高強度鈦合金制備內(nèi)部金屬密封層，在密封層表面采用金剛砂噴料，以0.5MPa的空氣壓力進行噴射粗糙化處理，最終的粗糙度控制在Ra1.2范圍。
(2)剛性強度層的制備。在經(jīng)過粗糙化處理的內(nèi)部金屬密封層表面制備剛性強度層，采用高強度T800碳纖維和高模量MJ40碳纖維，按照4:1的比例混雜，采用30度的角度在金屬密封層表面纏繞剛性強度層預制體，在纏繞的同時將混雜纖維浸漬含量為40％的環(huán)氧樹脂，經(jīng)過浸漬樹脂和纏繞的纖維的最終厚度為6mm，之后經(jīng)過130℃、2小時固化成型。
(3)應變感應裝置的引入。在剛性強度層制備的纏繞過程中，在厚度中間位置沿著剛性強度層的筒狀長度方向均勻埋入6組應變感應片，每組應變感應片為5片，沿著筒狀截面均勻分布。
(4)表面耐腐蝕層的制備。采用長度為20mm的氮化硼纖維浸漬聚乙烯改性熱固性酚醛樹脂，其中改性樹脂與熱固性樹脂的共混比例為1:6，將上述短切纖維浸漬改性樹脂，最終樹脂含量為55％，將上述浸漬混合樹脂的短切纖維采用注射熱固化的方式制備表面耐腐蝕層，最終的固化溫度為120℃，固化時間為1小時，耐腐蝕層厚度為2mm。
實施例4
(1)內(nèi)部金屬密封層的制備。采用長度為3m、厚度為1.5mm的高強度鈦合金制備內(nèi)部金屬密封層，在密封層表面采用鐵砂噴料，以0.4MPa的空氣壓力進行噴射粗糙化處理，最終的粗糙度控制在Ra0.9范圍。
(2)剛性強度層的制備。在經(jīng)過粗糙化處理的內(nèi)部金屬密封層表面制備剛性強度層，采用高強度T800碳纖維和高模量MJ40碳纖維，按照7:1的比例混雜，采用40度的角度在金屬密封層表面纏繞剛性強度層預制體，在纏繞的同時將混雜纖維浸漬含量為40％的不飽和聚酯樹脂，經(jīng)過浸漬樹脂和纏繞的纖維的最終厚度為4mm，之后經(jīng)過120℃、3小時固化成型。
(3)應變感應裝置引入。在剛性強度層的制備纏繞過程中，在混雜碳纖維纏繞紗線中引入光纖，將光纖與混雜碳纖維并紗共同纏繞。
(4)表面耐腐蝕層的制備。采用長度為15mm的氧化鋁纖維浸漬聚苯硫醚改性熱固性環(huán)氧樹脂，其中改性樹脂與熱固性樹脂的共混比例為1:7，將上述短切纖維浸漬改性樹脂，最終樹脂含量為60％，將上述浸漬混合樹脂的短切纖維采用注射熱固化的方式制備表面耐腐蝕層，最終的固化溫度為110℃，固化時間為1小時，耐腐蝕層厚度為2mm。
以上所述的實施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發(fā)明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發(fā)明權利要求書確定的保護范圍內(nèi)。