深海環(huán)境下浮力材料的力學(xué)性能研究*

梁小杰，梁寧寧，劉 志，王慶穎，周 媛，翟曉康

（1海洋化工研究院有限公司，山東青島266071；2海洋涂料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266071；3 煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，山東煙臺(tái)264006）

隨著世界對(duì)海洋探索日益深入和重視，深海潛器得到了快速的發(fā)展，對(duì)深海勘探發(fā)揮著重要的作用[1]。浮力材料作為深海潛器的重要配套材料，為其在深海中正常工作提供了重要保障，一定程度上浮力材料的性能直接決定了深海潛器的安全性。浮力材料具有吸水率低、力學(xué)性能優(yōu)異、密度低、耐介質(zhì)性好等優(yōu)點(diǎn)[2-4]，憑借其優(yōu)異的性能，應(yīng)用廣泛，可應(yīng)用于自治無(wú)人水下機(jī)器人（AUV）、載人水下機(jī)器人（HOV）、遙控機(jī)器人（ROV）、浮標(biāo)、潛標(biāo)及深海探測(cè)設(shè)備等[5-8]。

浮力材料應(yīng)用范圍較廣，最重要的應(yīng)用方向是作為浮力單元應(yīng)用到深海領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外對(duì)浮力材料常壓下的性能和靜水壓環(huán)境下的吸水性能進(jìn)行了較多的研究。但是浮力材料的工作環(huán)境為深海，全方位靜水壓力會(huì)對(duì)浮力材料的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，目前相關(guān)研究較少，為了保證浮力材料在深海環(huán)境中安全工作，保障深海裝備的安全運(yùn)行，因此，本文主要研究了浮力材料常壓及靜水壓作用后的力學(xué)性能，包括壓縮性能、剪切性能、拉伸性能、沖擊性能及形變，并研究了靜水壓作用時(shí)間對(duì)吸水率的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

0161 環(huán)氧樹(shù)脂，環(huán)氧當(dāng)量為190，工業(yè)級(jí)，無(wú)錫樹(shù)脂廠提供；異佛爾酮二胺，工業(yè)級(jí)，巴斯夫公司提供；空心玻璃微珠，工業(yè)級(jí)，3M 公司提供。

1.2 試驗(yàn)儀器

真密度分析儀，TD-220，北京彼奧德電子技術(shù)有限公司；成型模具，自制；干燥箱，最高溫度300℃，上海市試驗(yàn)儀器總廠；電子天平，精度0.1g，賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；等螺紋靜水壓裝置，上海大隆化工設(shè)備有限公司；電子天平，精度1g，上海友聲衡器有限公司；JU-22 沖擊試驗(yàn)機(jī)；華龍電子拉力機(jī)，上海華龍測(cè)試儀器有限公司；Instron 電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，3369 型，美國(guó)Instron 公司。

1.3 浮力材料試樣制備

稱取一定量環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑于反應(yīng)釜中強(qiáng)力混合均勻，加入經(jīng)KH550 處理的空心玻璃微珠，緩慢攪拌均勻，將預(yù)混物澆注于模具中，固化后得成品浮力材料，密度范圍為0.416g/cm3～0.421g/cm3。試樣編號(hào)分別為1#、2#、3#，密度見(jiàn)表1。

表1 浮力材料密度Table 1 Densities of specimens

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 單軸壓縮強(qiáng)度測(cè)試方法

按照GB/T 1041-2008 進(jìn)行單軸壓縮強(qiáng)度的測(cè)試，試樣的尺寸為10mm×20mm，加載速率為1mm/min，分別取6 個(gè)平行樣品的平均值。

1.4.2 剪切強(qiáng)度測(cè)試方法

按照HG/T 3839-2006 進(jìn)行剪切強(qiáng)度的測(cè)試，試樣的尺寸：邊長(zhǎng)50mm 的正方形板，厚度4mm，中心有一直徑為11mm 的孔。加載速率為1mm/min，分別取6 個(gè)平行樣品的平均值。

1.4.3 拉伸強(qiáng)度測(cè)試方法

按照GB/T 1040.2-2006 進(jìn)行拉伸強(qiáng)度的測(cè)試，試樣的尺寸參考標(biāo)準(zhǔn)中1B 型試樣，加載速率為1mm/min，分別取6 個(gè)平行樣品的平均值。

1.4.4 沖擊強(qiáng)度測(cè)試方法

按照GB/T 1843-2008 進(jìn)行懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測(cè)試，試樣的尺寸為10mm×10mm×100mm，分別取10 個(gè)平行樣品的平均值。

1.4.5 尺寸穩(wěn)定性測(cè)試方法

參考MIL-S-14154A 方法，選取長(zhǎng)方體試樣，分別測(cè)試在12.5MPa@24h 靜水壓環(huán)境前后試樣的質(zhì)量和體積，得到浮力材料的吸水率和靜水壓環(huán)境壓縮形變。靜水壓環(huán)境壓縮形變計(jì)算方法為：分別在固體浮力材料的6 個(gè)面上取點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)將每條邊平分為4 部分，其位置如圖1 所示，即每?jī)蓚€(gè)面間的距離測(cè)三個(gè)數(shù)值，取其平均值作為邊長(zhǎng)。加壓前，采用游標(biāo)卡尺預(yù)先測(cè)量試樣6 個(gè)面上的尺寸。加壓后，取出試樣并重新測(cè)量所對(duì)應(yīng)位置的尺寸，然后利用公式（1）計(jì)算加壓后固體浮力材料的尺寸變形率：

圖1 浮力材料尺寸測(cè)量取點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of syntactic foam dimension measurement

1.4.6 吸水率測(cè)試方法

加壓前將樣塊在水中浸泡2min 后取出擦干，采用精度為1g 的電子天平進(jìn)行稱量；加壓結(jié)束后將樣塊從壓力罐中取出擦掉表面的水分，進(jìn)行稱量。利用公式（2）計(jì)算吸水率：

式（2）中， 為尺寸變形率，%； 為加壓前樣塊的質(zhì)量，g； 為加壓后樣塊的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 靜水壓力對(duì)壓縮性能的影響

圖2 和圖3 分別列出了常壓和12.5MPa 靜水壓作用24h 條件下浮力材料的壓縮強(qiáng)度和壓縮模量?？梢钥闯?，靜水壓前后浮力材料的壓縮強(qiáng)度基本沒(méi)有變化，且浮力材料靜水壓后壓縮模量較常壓壓縮模量有少許提高，分別提高了3.6%、4.1%、3.8%，表明全方位靜水壓不會(huì)降低浮力材料的壓縮性能，并且靜水壓作用后壓縮模量隨著浮力材料的密度的增加而增加。

圖2 常壓和12.5MPa@24h 下浮力材料壓縮強(qiáng)度Fig.2 Compressive strength of syntactic foam at atmosphere pressure and 12.5MPa@24h

圖3 常壓和12.5MPa@24h 下浮力材料壓縮模量Fig.3 Compressive modulus of syntactic foam at atmosphere pressure and 12.5MPa@24h

2.2 靜水壓力對(duì)剪切性能的影響

圖4 列出了常壓和12.5MPa 靜水壓作用24h 條件下浮力材料的剪切強(qiáng)度。可以看出，12.5MPa 靜水壓作用24h 后浮力材料的剪切強(qiáng)度有所降低，但是仍有95% 以上的保留率，分別為95.15%、96.29%、96.45%，表明全方位靜水壓對(duì)浮力材料的剪切強(qiáng)度影響較小，并且靜水壓作用后剪切強(qiáng)度保留率隨著浮力材料的密度的增加而增加。

圖4 常壓和12.5MPa@24h 下浮力材料剪切強(qiáng)度Fig.4 Shear strength of syntactic foam at atmosphere pressure and 12.5MPa@24h

2.3 靜水壓力對(duì)拉伸性能的影響

圖5 列出了常壓和12.5MPa 靜水壓作用24h 條件下浮力材料的拉伸強(qiáng)度?？梢钥闯?，12.5MPa 靜水壓作用24h 后浮力材料的拉伸性能高于常壓下浮力材料的拉伸強(qiáng)度，增加量超過(guò)15%，分別提高了21.1%、16.9%、20.1%。

圖5 常壓和12.5MPa@24h 下浮力材料拉伸強(qiáng)度Fig.5 Tensile strength of syntactic foam at atmosphere pressure and 12.5MPa@24h

2.4 靜水壓力對(duì)沖擊性能的影響

圖6 列出了常壓和12.5MPa 靜水壓作用24h 條件下浮力材料的沖擊強(qiáng)度?？梢钥闯觯?2.5MPa 靜水壓作用24h 后浮力材料的沖擊強(qiáng)度高于常壓下浮力材料的沖擊強(qiáng)度，增加量超過(guò)10%，分別提高11.5%、10.4%、10.8%，并且靜水壓作用后沖擊強(qiáng)度隨著浮力材料的密度的增加而降低。

圖6 常壓和12.5MPa@24h 下浮力材料沖擊強(qiáng)度Fig.6 Impact strength of syntactic foam at atmosphere pressure and 12.5MPa@24h

2.5 靜水壓力對(duì)浮力材料尺寸穩(wěn)定性的影響

表2 列出了常壓下試樣尺寸及在靜水壓力12.5MPa并保壓24h 的條件下試樣的尺寸變形率，其中邊長(zhǎng)a、邊長(zhǎng)b、邊長(zhǎng)c分別表示浮力材料3 個(gè)面的尺寸，測(cè)量時(shí)取點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。由表2 可見(jiàn)，3 個(gè)試樣各邊的變化率均較小，最大形變率為0.020%，體積最大變形率為0.032%。表明1000 米固體浮力材料在靜水壓環(huán)境下（1.25 倍安全系數(shù)）具有良好的尺寸穩(wěn)定性。

表2 常壓和12.5MPa@24h 下浮力材料尺寸Table 2 Dimension of syntactic foam at atmosphere pressure and 12.5MPa@24h

2.6 靜水壓作用時(shí)間對(duì)吸水率的影響

圖7 所示為12.5MPa 靜水壓環(huán)境下浮力材料的吸水率隨著靜水壓作用時(shí)間變化的關(guān)系?？梢钥闯?，隨著浮力材料密度的增加，浮力材料的吸水率減?。磺腋×Σ牧系奈孰S著靜水壓作用時(shí)間的延長(zhǎng)先增長(zhǎng)較快后趨于緩慢。一方面，在靜水壓開(kāi)始作用階段，環(huán)境中的水分快速進(jìn)入樹(shù)脂體系的低交聯(lián)密度區(qū)域并達(dá)到溶脹平衡；隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，水分緩慢進(jìn)入高交聯(lián)密度區(qū)，這個(gè)過(guò)程需要較長(zhǎng)時(shí)間完成，吸水率增長(zhǎng)緩慢直至水分達(dá)到平衡不再吸水。另一方面，浮力材料屬于三相結(jié)構(gòu)，內(nèi)部存在微孔，在靜水壓環(huán)境下，水分沿內(nèi)部空隙及微珠與樹(shù)脂基體間的界面向浮力材料內(nèi)部滲透，使得浮力材料內(nèi)部較為薄弱的玻璃微珠壁破裂，導(dǎo)致吸水率迅速增大，隨著靜水壓作用時(shí)間的增長(zhǎng)，浮力材料吸水逐漸達(dá)到平衡，吸水率增長(zhǎng)緩慢。

圖7 12.5MPa 靜水壓環(huán)境下浮力材料的吸水率Fig.7 Water absorption of syntactic foam at 12.5MPa hydrostatic pressure

3 結(jié)論

（1）浮力材料經(jīng)過(guò)12.5MPa@24h 靜水壓力作用后，壓縮強(qiáng)度基本無(wú)變化，壓縮模量、拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度有一定提高，剪切強(qiáng)度保留率在95%以上。

（2）浮力材料經(jīng)過(guò)12.5MPa@24h 靜水壓力作用后，形變很小，邊長(zhǎng)最大形變率為0.020%，具有良好的尺寸穩(wěn)定性。

（3）隨著靜水壓作用時(shí)間的延長(zhǎng)，浮力材料吸水率變化先快后慢。