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海洋涂料國家重點(diǎn)實(shí)驗室，山東青島266071；3 煙臺工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，山東煙臺264006）

隨著世界對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，國內(nèi)外對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，全方位靜水壓力會對浮力材料的力學(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間對吸水率的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

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

1.2 試驗儀器

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 沖擊試驗機(jī)；華龍電子拉力機(jī)，上海華龍測試儀器有限公司；Instron 電子萬能材料試驗機(jī)，3369 型，美國Instron 公司。

1.3 浮力材料試樣制備

稱取一定量環(huán)氧樹脂和固化劑于反應(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。試樣編號分別為1#、2#、3#，密度見表1。

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

1.4 試驗方法

1.4.1 單軸壓縮強(qiáng)度測試方法

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

1.4.2 剪切強(qiáng)度測試方法

按照HG/T 3839-2006 進(jìn)行剪切強(qiáng)度的測試，試樣的尺寸：邊長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 個平行樣品的平均值。

1.4.3 拉伸強(qiáng)度測試方法

按照GB/T 1040.2-2006 進(jìn)行拉伸強(qiáng)度的測試，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 個平行樣品的平均值。

1.4.4 沖擊強(qiáng)度測試方法

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

1.4.5 尺寸穩(wěn)定性測試方法

參考MIL-S-14154A 方法，選取長方體試樣，分別測試在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)境壓縮形變計算方法為：分別在固體浮力材料的6 個面上取點(diǎn)測量，測量點(diǎn)將每條邊平分為4 部分，其位置如圖1 所示，即每兩個面間的距離測三個數(shù)值，取其平均值作為邊長。加壓前，采用游標(biāo)卡尺預(yù)先測量試樣6 個面上的尺寸。加壓后，取出試樣并重新測量所對應(yīng)位置的尺寸，然后利用公式（1）計算加壓后固體浮力材料的尺寸變形率：

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

1.4.6 吸水率測試方法

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。可以看出，靜水壓前后浮力材料的壓縮強(qiáng)度基本沒有變化，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。可以看出，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。可以看出，12.5MPa 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a、邊長b、邊長c分別表示浮力材料3 個面的尺寸，測量時取點(diǎn)位置見圖1。由表2 可見，3 個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 靜水壓作用時間對吸水率的影響

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間變化的關(guān)系。可以看出，隨著浮力材料密度的增加，浮力材料的吸水率減小；且浮力材料的吸水率隨著靜水壓作用時間的延長先增長較快后趨于緩慢。一方面，在靜水壓開始作用階段，環(huán)境中的水分快速進(jìn)入樹脂體系的低交聯(lián)密度區(qū)域并達(dá)到溶脹平衡；隨著時間的延長，水分緩慢進(jìn)入高交聯(lián)密度區(qū)，這個過程需要較長時間完成，吸水率增長緩慢直至水分達(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，隨著靜水壓作用時間的增長，浮力材料吸水逐漸達(dá)到平衡，吸水率增長緩慢。

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12.5MPa@24h 靜水壓力作用后，壓縮強(qiáng)度基本無變化，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12.5MPa@24h 靜水壓力作用后，形變很小，邊長最大形變率為0.020%，具有良好的尺寸穩(wěn)定性。

（3）隨著靜水壓作用時間的延長，浮力材料吸水率變化先快后慢。