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新型碳纤维浮力材料制备及耐水压性能研究

摘要

从古至今，人类对海洋的探索都没有中断过，不管是丰富的资源，还是重要的战略

角度，发展海洋探索和侦测都具有重大的意义。水下浮力材料在水面浮标、海洋钻井平

台、水下航行器等多种海洋装备都具有广泛的应用，是促进海洋探索不可或缺的工程材

料。水下浮力材料的减重增强能够大幅提高水下航行器的续航能力和有效载荷，是当前

水下航行器发展的重中之重。空心玻璃微珠浮力材料是目前最广泛使用的浮力材料，但

国内外对其研究已经陷入瓶颈，进一步降低密度困难重重。而且从目前来看，虽然国内

对空心玻璃微珠的研制正在飞速发展，但与国外仍然存在不小的差距。因此，发展一种

新型轻质高强、满足海洋工况的浮力材料，是一种破除浮力材料“卡脖子”问题的重要方

式。

本文设计了一种新型碳纤维浮力材料结构，由碳纤维圆管、环氧树脂以及端帽组成。

碳纤维圆管作为碳纤维浮力材料的主要承载部位，其自身强度和稳定性分别决定了碳纤

维浮力材料的上限和下限。本文首先对碳纤维管的铺层设计、长径比和制备工艺进行了

探索，从仿真设计和制备工艺两个角度，研究影响碳纤维圆管静水压性能的主要参数。

在碳纤维管的研究基础之上，本文提出了一种新型碳纤维浮力材料，采用环氧树脂填充

进而抑制碳纤维管的屈曲失效。在研究过程中，使用ABAQUS软件建立碳纤维浮力材

料的仿真模型，并对其进行水压环境下的仿真计算，分析其水压破坏强度及失效形式。

研究过程中发现，浮力材料轴向长度及截面单胞数量对其水压强度均有不同程度的影响。

通过改变浮力材料横向及纵向尺寸，研究单胞数量及纵向长度对碳纤维浮力材料性能的

影响规律。同时对浮力材料各位置碳纤维管的力学特性进行分析，分析结构失效原因，

并通过管壁加厚、内置加筋等方式进一步优化结构耐水压性能。为了验证上述仿真计算

的准确性，本文开展了碳纤维浮力材料制备工艺研究，制备出了性能稳定的碳纤维浮力

材料结构，并在深海高压模拟系统中对其进行实验验证。通过仿真与实验对比，验证了

仿真模型的正确性，并对其破坏强度和失效模式进行了分析总结。最后探究环氧树脂吸

水性对碳纤维浮力材料静水压强度的影响。通过高压吸水实验对碳纤维浮力材料的吸水

率和吸水后静水压强度进行测试，给出了结构的吸水性与碳纤维浮力材料静水压强度的

关系，同时验证了碳纤维浮力材料应用的合理性。

关键词：碳纤维浮力材料；碳纤维圆管；静水压强度；失效形式

哈尔滨工程大学硕士学位论文

Abstract

Fromancienttimestothepresent,humanexplorationoftheoceanhasnotbeeninterrupted.

Whetheritisrichresourcesorimportantstrategicperspectives,thedevelopmentofmarine

explorationanddetectionisofgreatsignificance.Underwaterbuoyancymaterialsarewidely

usedinvariousmarineequipmentsuchassurfacebuoys,offshoredrillingplatforms,and

underwatervehicles.Andtheyareindispensableengineeringmaterialsforpromotingmarine

exploration.Theweightreductionandenhancementofunderwaterbuoyancymaterialscan

greatlyimprovetheenduranceandpayloadofunderwatervehicles,whichisthetoppriorityof

thecurrentdevelopmentofunderwatervehicles.Hollowglassmicrospherebuoyancymaterial

isth