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近年来,随着我国“海洋强国战略”的实施,对深海的探索和开发明显加快,在深海探索与开发过程中,对深海材料提出了更高的要求。本文针对目前在深海探测与资源开发中广泛应用的固体浮力材料开展了研究。 本文首先应用ANSYS Workbench软件对不同微珠体积分数的固体浮力材料模型进行了单向压缩模拟,分析模型的应力分布情况,并得到固体浮力材料的压缩强度。利用硅烷偶联剂改性过的空心玻璃微珠填充环氧树脂E-51,并以甲基六氢苯酐为固化剂,N,N-二甲基苄胺为促进剂,制备出不同微珠体积分数的深海固体浮力材料样品,测试了材料的压缩、弯曲性能,分析了材料的破坏机制。最后利用所得到的实验数据对模拟结果进行验证,确立了固体浮力材料压缩强度的预报模型。 通过分析两种有限元模型中应力分布情况,结果得到:在固体浮力材料的内部出现了严重的应力集中,微珠上的最大应力要远大于树脂基体上的最大应力,故空心玻璃微珠壳体的压缩性能,对固体浮力材料的压缩性能有着重要的影响。将树脂和微珠壳体上的最大应力与各自的压缩强度进行对比分析,最后得出固体浮力材料的模拟强度。 通过实验发现:随着空心玻璃微珠体积分数的增加,固体浮力材料的密度在减小,孔隙率在升高,同时提高微珠含量使得固体浮力材料的强度和模量均下降。对压缩破坏而言,如果空心玻璃微珠的含量较低(≤45%)时,材料的破坏形式主要是树脂基体的剪切破坏,如果空心玻璃微珠的含量较高(≥50%)时,材料的破坏主要是环氧树脂基体的剪切破坏与空心玻璃微珠破碎的综合结果;对于弯曲破坏而言,如果空心玻璃微珠体积分数较低(≤45%)时,材料破坏主要是由微珠的剪切造成的,如果微珠含量较高(≥50%)时,材料破坏主要是由于微珠与树脂之间的弱粘结性引起的微珠脱落。 模拟得到的压缩强度与实验结果对比发现,模拟的强度值与实验值较为吻合,最大误差为14.5%,考虑到不可避免的误差因素,此误差率在可接受范围内。对两种模型计算结果进行比较,发现体心立方模型更适用于固体浮力材料压缩强度的模拟。