钛合金/碳纤维复合材料耐压舱及其制作工艺

技术领域

本发明涉及一种深海潜航器的耐压舱，特别涉及一种钛合金/碳纤维复合材料耐压舱及其制作工艺，属于海洋设备技术领域。

背景技术

目前，随着陆地资源的日渐匮乏，研究深海资源开放成为热点，深海资源勘查技术正向着大深度、近海底的方向发展。21世纪中叶，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，在对环境影响最小的前提下，大力发展深海开发技术有着十分重要的意义，开发一种深海潜水器尤为重要。深海潜水器系统中，耐压舱的设计制造是关系到潜水器体积、重量、安全性等性能指标的重要因素。随着海水深度的增加，传统的金属材料耐压舱的质量体积比不断增加，潜水器需要更多的浮力材料来抵消自身的重量，进而造成潜航器重量、体积越来越庞大。在此背景下，研究使用轻质、高强度和高稳定性的耐压舱成为潜航器实现全海深目标的关键部件。

复合材料是运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料，一般由增强材料和基体材料组成。复合材料耐压舱壳体由于其低密度、高强度、高模量、可设计性等优点已应用于水下耐压舱壳体的制造。其中碳纤维增强树脂基复合材料通常以树脂为基体，以碳纤维织物为增强体，具有密度低、热膨胀系数小、比热容高、比强度高、比刚度高、耐腐蚀及可设计性等优点，得到了广泛的运用。碳纤维复合材料一般通过模压成型技术、层压成型技术和缠绕成型技术制备。其中缠绕成型技术具有制备纤维体积含量高、可改变纤维缠绕角度和生产效率高的优点，适用于圆柱体、圆筒形等回转体构件的制备。传统的深海潜航器耐压舱主要采用锻钢、铝合金、钛合金等金属材料制作，技术相对成熟。使用碳纤维复合材料制作的耐压舱，重量比同尺寸的金属耐压舱减少40％～60％，可以搭载更多的科学仪器和人员。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种钛合金/碳纤维复合材料耐压舱及其制作工艺，该型耐压舱的结构更加合理可靠，且通过该制作工艺制作的耐压舱的各项性能优异，可以适用于深海的各种复杂的服役环境，从而克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明一方面提供了一种钛合金/碳纤维复合材料耐压舱，包括舱体和端盖，所述舱体与端盖固定连接并在内部围合形成一密闭的收容空间，所述舱体由钛合金/碳纤维复合材料形成，并且，所述舱体上设置有第一连接部，所述端盖上设置有第二连接部和第三连接部，所述第一连接部与所述第二连接部固定连接且密封配合，以及，至少所述第三连接部的部分还延伸设置在所述舱体内部且与所述舱体密封配合。

本发明另一方面还提供了所述的钛合金/碳纤维复合材料耐压舱的制作工艺，包括：

制作舱体的步骤：提供筒状的舱体内胆，并在舱体内胆上铺设和/或缠绕环氧树脂增强的复合碳纤维，从而形成包覆舱体内胆的舱体碳纤维层；在舱体碳纤维层表面制作包覆舱体碳纤维层的舱体防护层；

制作端盖的步骤；

将端盖固定在舱体两端，且使所述端盖与舱体密封结合，从而在所述端盖与舱体内部围合形成一密闭的收容空间。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

1)本发明提供的一种耐压舱的结构合理高效，通过使用比强度高的碳纤维复合材料作为舱体碳纤维层的主要材料，在保证强度和稳定性的条件下，可以有效降低耐压舱的重量和体积，提高材料的利用率；

2)本发明使用高强度金属作为舱体的内胆，可以为碳纤维缠绕工艺提供支撑和着力点，另外内胆属于内部密封，可以有效的避免泄漏问题；

3)本发明提供的一种耐压舱的端盖的部分延伸到舱体内胆的内部且与其内壁相贴合，从而降低了两个接触面的应力集中，从而可以为第一连接部提供更大的支撑面，进而提高了整体的结构强度；

4)本发明提供的一种耐压舱的舱体碳纤维层的缠绕工艺先进，结构密封形式稳定可靠，防护层具有防水、密封、抗冲击、耐磨损及柔韧性能，更适用于深海潜航器长期服役环境中的高压、低温、交变应力且具有腐蚀作用的海洋环境。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中提供的一种耐压舱的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例1中提供的一种耐压舱的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例2中使用的一种内胆缠绕夹具的结构示意图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明提供了一种新型深海潜航器的耐压舱，为海洋战略的顺利实施提供关键材料、技术和装备支撑。

本发明一方面提供了一种钛合金/碳纤维复合材料耐压舱，包括舱体和端盖，所述舱体与端盖固定连接并在内部围合形成一密闭的收容空间，所述舱体由钛合金/碳纤维复合材料形成，并且，所述舱体上设置有第一连接部，所述端盖上设置有第二连接部和第三连接部，所述第一连接部与所述第二连接部固定连接且密封配合，以及，至少所述第三连接部的部分还延伸设置在所述舱体内部且与所述舱体密封配合。

进一步的，所述第二连接部与第三连接部交叉设置，至少所述第一连接部设置在第二连接部与第三连接部之间。

进一步的，所述第一连接部具有第一连接面，所述第二连接部具有第二连接面，所述第三连接部具有第三连接面，至少所述第一连接部设置在第二连接面和第三连接面之间，且所述第一连接面与第二连接面密封配合，所述第三连接面与所述舱体的内壁密封配合。

进一步的，所述端盖沿第一方向设置在所述舱体的端部，所述第一连接部是由舱体的局部沿第一方向凸伸形成的，所述第二连接部是由端盖的局部沿第一方向凸伸形成的，所述第三连接部是由端盖的局部沿第二方向凸伸形成的，其中，所述第一方向为钛合金/碳纤维复合材料耐压舱的轴向，第二方向为钛合金/碳纤维复合材料耐压舱的径向。

进一步的，在第一方向上，所述第一连接部的宽度小于所述第三连接部的宽度，所述第一连接部沿第二方向形成的第一正投影区域完全位于所述第三连接部沿第二方向形成的第二正投影区域内。

进一步的，所述端盖具有沿第一方向背对设置的第一表面和第二表面，所述第二表面位于所述收容空间内，其中，所述第一表面和第二表面均为沿第一方向远离收容空间且连续的弧形面，所述第三连接部具有沿第二方向背对设置的第三表面和第四表面，所述第三表面为所述第三连接面，所述第四表面位于所述收容空间内，且与所述第二表面连接，所述第四表面的延伸面与所述舱体的内壁相交。

进一步的，所述第三连接部于第二方向上的厚度沿远离端盖的方向逐渐减小。

进一步的，所述第四表面为与所述第二表面平顺连接的弧形面，或者，所述第四表面为倾斜的平面。

进一步的，所述第一表面和第二表面均为半球面。

进一步的，所述第一连接部与第二连接部之间还设置有第一密封结构，所述第三连接部与舱体的内壁之间还设置有第二密封结构。

进一步的，所述舱体包括舱体内胆、包覆在所述舱体内胆表面的舱体碳纤维层以及包覆在舱体碳纤维层表面的舱体碳防护层，所述第一连接部固定设置在所述舱体内胆上，所述舱体碳纤维层是由环氧树脂增强的复合碳纤维通过铺设和/或缠绕的方式形成的。

本发明另一方面还提供了所述的钛合金/碳纤维复合材料耐压舱的制作工艺，包括：

制作舱体的步骤：提供筒状的舱体内胆，并在舱体内胆上铺设和/或缠绕环氧树脂增强的复合碳纤维，从而形成包覆舱体内胆的舱体碳纤维层(或者称之为碳纤维缠绕层)；在舱体碳纤维层表面制作包覆舱体碳纤维层的舱体防护层；

制作端盖的步骤；

将端盖固定在舱体两端，且使所述端盖与舱体密封结合，从而在所述端盖与舱体内部围合形成一密闭的收容空间。

进一步的，所述的制作工艺具体包括：

先在舱体内胆表面铺设环氧树脂增强的复合碳纤维以形成至少一层第一复合碳纤维层，每一第一复合碳纤维层包括多根环氧树脂增强的复合碳纤维，多根环氧树脂增强的复合碳纤维沿舱体内胆的周向依次排列设置，每根环氧树脂增强的复合碳纤维沿舱体内胆的轴向设置；

在第一复合碳纤维层上螺旋缠绕环氧树脂增强的复合碳纤维以形成至少一层第二复合碳纤维层，且在形成所述第二复合纤维层的过程中，控制所述环氧树脂增强的复合碳纤维的张力为50-150N，且使环氧树脂增强的复合碳纤维的张力沿远离舱体内胆的方向逐渐递减。

进一步的，所述的制作工艺具体包括：

将碳纤维浸没在包含环氧树脂的混合胶体中形成环氧树脂增强的复合碳纤维，并以所述环氧树脂增强的复合碳纤维制作形成舱体纤维层，且将舱体纤维层中的含环氧树脂的含量保持在50-65％：

先于80-90℃条件下对所述舱体纤维层固化处理100-120min；

再于120-130℃条件下对所述舱体纤维层固化处理100-120min；

之后再于160℃条件下对所述舱体纤维层固化处理240min。

如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明所采用的密封圈、螺栓、法兰、碳纤维、环氧树脂等均可以通过市购获得，在此不对其具体的结构、产品型号等进行限定。

实施例1

请参阅图1和图2，一种耐压舱1，包括舱体2和端盖3，所述舱体2与端盖3固定连接并在内部围合形成一密闭的收容空间。

在本实施例中，所述舱体2整体为两端开口的圆筒状结构，所述舱体2是耐压舱1最重要的组成部分，所述舱体2包括位于中间的主体部分和位于两端的连接部分，所述主体部分由内之外依次设置舱体内胆8、舱体碳纤维层(或者称之为碳纤维缠绕层)9和舱体防护层10，连接部分用于与端盖3固定和密封，所述连接部分包括第一连接部7，所述第一连接部7与舱体内胆8固定连接。

在本实施例中，所述的舱体内胆8的材质为铝合金、钛合金等高强度金属，优选材质为钛合金TC4，钛合金TC4是一种中等强度的α-β型两相钛合金，含有6％α稳定元素Al和4％β稳定元素V。该合金具有良好的工艺塑性和超塑性，适合于各种压力加工成形，可采用各种方式进行焊接和机械加工；该合金具有优异的综合性能，长时间工作温度可达400℃，在航空和航天工业中主要用于制造发动机的风扇和压气机盘及叶片，以及结构中的梁、接头和隔框等重要承力构件。用钛合金TC4代替30CrMnSiA等结构钢，可以实现减轻零件重量约30％。

在本实施例中，所述的舱体碳纤维层9包覆在舱体内胆8的表面，所述舱体碳纤维层9是由环氧树脂增强的复合碳纤维通过铺设和/或缠绕的方式形成的，在缠绕工艺过程中，提供缠绕支撑，其中，所述的舱体碳纤维层9材质为碳纤维增强环氧树脂基复合材料(或者称之为环氧树脂增强的碳纤维材料或复合材料)，优选的碳纤维增强材料为T800S，碳纤维增强材料的基体为双酚A型环氧树脂862，固化剂为4207，促进剂为邻苯二甲基酸二丁酯等添加剂。

需要说明的是，所述的舱体碳纤维层9具备可设计性，可以通过有限元力学分析，优化缠绕顺序、缠绕层数和缠绕角度，在满足其环向强度、轴向强度和环向稳定性的前提下，通过优化缠绕工艺参数来提高耐压舱1的力学性能。

在本实施例中，所述舱体防护层10在舱体碳纤维层9成型后喷涂形成的防护涂层，所述舱体防护层10覆设在舱体碳纤维层9的外表面，其厚度可根据实际需求确定，所述舱体防护层10要提供高粘接强度和良好的防水、密封、抗冲击、耐磨损及柔韧性能。

在本实施例中，所述第一连接部7环绕设置在所述舱体内胆8的端口处，并沿舱体内胆8的径向方向延伸，所述第一连接部7为环形结构；具体的，所述第一连接部7可以是连接法兰，其可以通过焊接或其他固定连接的方式固定在舱体内胆8上，或者，所述第一连接部7可以与舱体内胆8一体成型设置，即所述第一连接部7是由舱体内胆8的局部沿自身径向方向向外凸伸形成的(本发明实施例中外是指相对于耐压舱内部的收容空间而言的)，示例性的，所述第一连接部7与舱体内胆8通过管材车削一体加工而成。

在本实施例中，所述端盖3上设置有第二连接部31和第三连接部32，所述第一连接部7与所述第二连接部32固定连接且密封配合，以及，至少所述第三连接部32的部分还延伸设置在所述舱体内胆8内部且与所述舱体内胆8密封配合。

在本实施例中，所述第二连接部31与第三连接部32交叉设置，至少所述第一连接部7设置在第二连接部31与第三连接部32之间，具体的，所述第一连接部7具有第一连接面，所述第二连接部31具有第二连接面，所述第三连接部32具有第三连接面，至少所述第一连接部7设置在第二连接面和第三连接面之间，且所述第一连接面与第二连接面密封配合，所述第三连接面与所述舱体内胆8的内壁密封配合。

在本实施例中，所述的端盖3的一部分伸入到舱体2的内部，与第一连接部和舱体内胆8接触，可降低两个接触面的应力集中，提供给第一连接部和舱体内胆8更大的支撑面，从而提升耐压舱在海水深度变化明显且承受交变载荷作用下的可靠性。

在本实施例中，所述端盖3沿舱体内胆8的轴向设置在所述舱体内胆8的端部，所述第二连接部3l是由端盖3的局部沿端盖3的径向凸伸形成的，所述第三连接部32是由端盖3的局部沿端盖3的轴向凸伸形成的。

在本实施例中，耐压舱的轴向上，所述第一连接部7的宽度小于所述第三连接部32的宽度，所述第一连接部7沿第二方向形成的第一正投影区域完全位于所述第三连接部32沿第二方向形成的第二正投影区域内。

在本实施例中，所述端盖3具有沿第一方向背对设置的第一表面和第二表面，所述第二表面位于所述收容空间内，其中，所述第一表面和第二表面均为沿第一方向远离收容空间且连续的弧形面，所述第三连接部32具有沿第二方向背对设置的第三表面和第四表面，所述第三表面为所述第三连接面，所述第四表面位于所述收容空间内，且与所述第二表面连接，所述第四表面的延伸面与所述舱体内胆8的内壁相交。

在本实施例中，所述第三连接部32于第二方向上的厚度沿远离端盖3的方向逐渐减小，所述第四表面为与所述第二表面平顺连接的弧形面，或者，所述第四表面为倾斜的平面。

在本实施例中，所述第一表面和第二表面均为半球面，示例性的，所述端盖3为半球形结构，材质可以为铝合金、钛合金等高强度金属，优选材质为钛合金TC4。

在本实施例中，所述第一连接部7与第二连接部31可以通过螺纹连接组件6进行固定连接，具体的，所述第一连接部7上设置有至少一第一紧固孔11，所述第二连接部31上设置有至少一第二紧固孔12，所述第一紧固孔11和第二紧固孔12相对应，所述螺纹连接组件包括设置在一第一紧固孔11和一第二紧固孔12内的螺栓15和与螺栓螺纹连接的螺母16，所述第一紧固孔11和第二紧固孔12的数量和位置可以根据需求进行设置，螺栓和螺母连接来施加一定的预紧力，螺栓和螺母的尺寸和规格根据实际需要而定，依据国家相关标准。

在本实施例中，所述第一连接部7与第二连接部31之间还设置有第一密封结构4，所述第三连接部32与舱体22的内壁之间还设置有第二密封结构5，具体的，所述第一密封结构4和第二密封结构5均包括至少一个密封圈，所述第一密封结构4设置在所述第一连接面和第二连接面之间，所述第二密封结构5设置在所述第三连接面和舱体内胆8的内壁之间。

具体的，所述第一密封结构和第二密封结构可以包括至少一个O型密封圈，O型密封圈的材质为丁腈橡胶，符合国家相关标准。

在本实施例中，所述第二连接部31的第二连接面上设置有轴向密封槽，所述第一密封结构4设置在所述轴向密封槽内，即所述第一密封结构的一部分设置在所述轴向密封槽内，另一部分露出并与第一连接部的第一连接面密封贴合；所述第三连接部的第三连接面上设置有径向密封槽，所述第二密封结构设置在所述径向密封槽内，即所述第二密封结构的一部分设置在所述径向密封槽内，另一部分露出并与舱体内胆的内壁密封贴合。

实施例2

一种钛合金/碳纤维复合材料耐压舱的制作工艺，包括：

A舱体内胆及夹具加工：首先根据舱体内胆的图纸要求，经机械加工制造舱体内胆，然后使用碳钢经机械加工、磨削制造如图3中所示的内胆缠绕夹具17，使用螺栓等将舱体内胆和左右两个内胆缠绕夹具连接，再一起安装至全自动纤维缠绕机上。

B胶料配制：按照环氧树脂：固化剂：添加剂＝100：80：0.8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200-300r/min进行连续定向匀速搅拌20min，得到均匀混合胶体，即所述的碳纤维增强材料。

C舱体碳纤维层缠绕：

1)首先使用浸渍有环氧树脂(具体是碳纤维增强材料)的碳纤维丝预浸料沿舱体内胆的轴向方向铺设，具体铺设层数可根据舱体的强度和稳定性需求确定；

2)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，且保持混合胶体的温度为50-60℃，在张力器的作用下，使碳纤维丝连续通过浸胶槽，使混合胶液充分浸润到碳纤维内；

3)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T800S按照不同的角度、螺旋、环向的混合形式缠绕在步骤A的舱体内胆外表面的中间凹陷区域，并达到一定层数和厚度以满足其强度要求；其中，在缠绕过程中的保持碳纤维的张力为50-150N，并根据铺层厚度逐渐递减，以保证整个碳纤维层的含胶量为50-65％，实际张力大小依据成品质量控制。

D舱体碳纤维层固化：将步骤C完成缠绕的舱体内胆、舱体碳纤维层和内胆缠绕夹具一起放入固化炉内进行旋转离心固化，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80-100r/min，匀速状态，并提供热风内循环，其固化步骤如下：

1)在30-40min内将固化炉温度升至80-90℃，并在此温度下固化100-120min；

2)在30min内将固化炉温度升至120-130℃，保温100-120min后，将固化炉温度升至160℃，保温240min；

3)自然降温到80℃后，备用。

E舱体防护层的加工：

首先拆卸内胆缠绕夹具，得到具有碳纤维缠绕层的舱体，使用一定目数的砂纸打磨碳纤维缠绕层的外表面，再用二氯甲烷溶剂清洗，然后用去离子水清洗，之后放入烘箱在50-60℃环境下烘干水分；

之后在其表面刷涂偶联剂，并于室温环境下放置20-30min，以使偶联剂挥发干燥；

将舱体放入加热炉加热到50-60℃，将经过改性的环氧树脂底漆均匀地喷涂到碳纤维缠绕层上，环氧树脂底漆的厚度为0.5-0.6mm，在80℃温度下固化40-60min；

最后将经过改性的聚氨酯面漆喷涂在环氧树脂底漆上并固化形成l-2mm的舱体防护层。

F端盖的装配：使用螺栓等将端盖连接到舱体内胆上，同时安装密封圈以实现密封连接。

在本实施例中，步骤B中的环氧树脂为862，固化剂为4207，添加剂为邻苯二甲基酸二丁酯，其质量配比为100：80：0.8，另外，该制作工艺中用到多个生产设备，其主要生产设备为：全自动碳纤维缠绕机、数控张力传感器、浸胶机、自动调温固化炉等，其均为本领域技术人员已知的。

本发明提供的一种耐压舱的结构合理高效，通过使用比强度高的碳纤维复合材料作为舱体碳纤维层的主要材料，在保证强度和稳定性的条件下，可以有效降低耐压舱的重量和体积，提高材料的利用率；同时，本发明使用高强度金属作为舱体的内胆，可以为碳纤维缠绕工艺提供支撑和着力点，另外内胆属于内部密封，可以有效的避免泄漏问题。

本发明提供的一种耐压舱的舱体防护层为舱体碳纤维层的外圆柱面提供了良好的防水、密封、抗冲击、耐磨损及柔韧性能。

本发明提供的一种耐压舱的端盖的部分延伸到舱体内胆的内部且与其内壁相贴合，从而降低了两个接触面的应力集中，从而可以为第一连接部提供更大的支撑面，进而提高了整体的结构强度。

本发明提供的一种耐压舱的舱体碳纤维层的缠绕工艺先进，结构密封形式稳定可靠，防护层具有防水、密封、抗冲击、耐磨损及柔韧性能，更适用于深海潜航器长期服役环境中的高压、低温、交变应力且具有腐蚀作用的海洋环境；另外，本发明提供的一种耐压舱的适用性强，工程应用价值高，对于国家海洋战略的顺利实施提供关键材料、技术和装备支撑具有重要意义。

上面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，需要说明的是，本发明实施例意在解释和说明该种耐压舱的结构构成、各组成结构之间的连接/配合关系及制作工艺除非特别说明的之外，该种耐压舱各组成结构的形状、尺寸、材质及比例等均可以根据具体情况进行选择，在此不作特别的限定和说明。

相反，本发明涵盖了任何由权利要求定义的本发明的精神、原则和范围上做的替代、修改、等效方法及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。此外，当使用两侧、两端、上下等位置术语时，应理解为仅用作便于理解和描述，考虑到结构可能是面向其他位置的。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。