论文部分内容阅读
21世纪被称之为海洋的世纪,随着我国对海洋开发的逐步加速及海洋开发战略的实施,满足不同使用条件的轻质、高强浮力材料的应用前景开始变得更加广阔。围绕深海浮力材料研究与技术开发领域,一些深海装备上使用的浮力材料已初步研制出来,因受制于国外对高端制造领域的技术封锁,研究制备高性能固体浮力材料是我们亟待解决的问题。我国对高性能海洋浮力材料的研究尚处在起步阶段,研制轻质高强的高性能固体浮力材料,将在很大程度上取代进口材料,打破国外少数公司垄断市场的局面。综合考虑制备工艺及使用环境特点等因素,论文确定了双酚A型环氧树脂(E-44)/新戊二醇二缩水甘油醚(XY678)/三乙烯四胺(TETA)的聚合物基低温快速固化体系。根据计算所得的固化动力学方程对体系的固化反应特性进行了预测并确定体系的固化工艺为室温凝胶固化/2d+后固化80℃/1h,该固化体系具有固化工艺简单、能耗低的优点。根据非等温DSC测定数据,采用外推法推算出该体系的固化起始温度为32.55℃,峰值温度为79.55℃,终点温度为136.6℃。通过DSC法对E-44/XY678/TETA体系的固化动力学进行了研究,得出该体系固化反应的表观活化能Eo为46.74kJ/mmol,指前因子A=6.664×105S-1,反应级数n=0.88,体系固化为一级反应。通过理论计算与实际测试数据研究了掺加不同体积分数微珠下浮力材料密度与孔隙率的关系,结果表明,材料中随着微珠体积分数的增加,材料密度显著降低,同时材料的实际测试密度比理论计算密度略低,证明材料中微珠外部与基体之间还含有少量的空气泡。依据此计算方法,确定了后续实验中塑料微珠及玻璃纤维的适宜掺加质量分数。制备了密度为0.706g/cm3,压缩强度为67.49MPa,饱和吸水率低于1%的轻质浮力材料。研究了硅烷偶联剂对玻璃微珠表面改性对复合材料性能的影响；对浮力材料的失效机理进行了分析,其破坏主要由微珠破坏和树脂基体与玻璃微珠间界面剥离两种机制导致。通过采用力学性能好的树脂基体、抗压强度高的空心微珠和提高微珠与树脂间界面结合强度等方法可以有效提高浮力材料的综合性能。研究了氧化石墨烯(GO)表面修饰玻璃微珠及掺加低密度塑料微珠对复合材料综合性能的影响。结果表明,玻璃微珠(phr=20)先吸附GO后将其还原、先将GO还原然后微珠将其完全吸附、空心玻璃微珠只吸附GO三种状态下填充环氧树脂制备的浮力材料,在玻璃微珠只吸附GO状态下的制得浮力抗压强度最大;GO浓度为0.7mg/mL时复合材料的抗压强度为92.75MPa,密度为0.883g/cm3,较未吸附GO状态下制得浮力材料的抗压强度提高了8.20%,密度仅增加了1.12%。通过塑料微珠与玻璃微珠混杂作为填料添加到树脂基体中,探讨在获得满足抗压使用要求条件下降低材料密度的有效方法,进一步丰富了轻质高强浮力材料的制备工艺。结果表明,可以通过调节玻璃微珠及塑料微珠的质量分数来制备密度在0.454-0.872g/cm3,抗压强度在35.21-85.72MPa的轻质浮力材料。研究了短切玻璃纤维对玻璃微珠/环氧树脂基体的增强机理,并研究了纤维浸润剂表面处理对浮力材料性能的影响。结果表明,作为增强相,纤维与树脂基体的界面结合强度、玻璃纤维的质量分数及分散状态等都是影响浮力材料的重要因素。玻璃纤维作为增强相(分散相)添加到树脂基体中,其模量与强度会比基体材料高很多,是外部受力的主要承载体,通过纤维浸润剂表面处理可以有效提高纤维与树脂基体界面结合强度。当玻璃微珠质量分数为40、1mm短切玻璃纤维质量分数为1时,制得的轻质浮力材料密度为0.724g/cm3,抗压强度达到78.21 MPa,比压缩强度为108.03MPa/(g/cm3)。玻璃纤维/玻璃微珠环氧树脂基复合材料是由两种细小形状(直径为微米级)的增强材料分散于环氧树脂基体中而固化形成的复合材料,玻璃纤维与玻璃微珠起着承受载荷的主要作用,而树脂基体则起着粘接、支撑与保护增强材料和传递应力的作用。当材料受力时,应力首先传递给纤维增强骨架(弹性变形区),随着外部应力的增大,玻璃纤维与树脂基体结合界面破坏,纤维增强骨架出现破裂,由于此时应力较大,将直接导致玻璃微珠与树脂基体界面结合破坏及玻璃微珠的破碎(塑性变形区),从而导致材料的整体破坏。