Runbo Zhang等人于2022年在《Composites Science and Technology》期刊上发表了一篇关于碳纤维管增强聚合物复合材料（CTPC）设计与表征的研究论文。该研究由哈尔滨工程大学先进船舶材料与力学重点实验室、工程力学系以及哈尔滨工业大学复合材料研究中心等多个机构的研究人员共同完成。研究的主要目标是设计并制造一种适用于全海洋深度潜水器的轻质、高静水强度的新型浮力材料。

学术背景

随着陆地资源的短缺和环境恶化，海洋资源的开发成为缓解资源短缺的重要途径。海洋勘探和开发对潜水器等海洋设备的需求大幅增加，尤其是在7000米和11000米这两个标志性深度。潜水器需要轻质且高静水强度的材料来应对深海环境的高压挑战。传统的复合材料蜂窝结构由于面内和面外力学性能的差异较大，限制了其在潜水器中的应用。因此，研究团队提出了一种新型的碳纤维管增强聚合物复合材料（CTPC），旨在解决这一问题。

研究流程

研究主要包括以下几个步骤：

1. 设计与制造CTPC
   研究团队设计了一种由环氧树脂和碳纤维增强聚合物（CFRP）管组成的复合材料。CFRP管具有优异的力学性能，能够作为材料的主要承载单元。环氧树脂填充在管之间，形成稳定的应力传递路径，抑制了管的屈曲失效。CTPC的制造采用了真空辅助成型法，具体步骤包括：将CFRP管密封并排列在模具中，通过真空辅助工艺注入高强度环氧树脂，并在不同温度下固化。

2. 静水压力测试
   研究使用全海洋深度环境模拟装置对CTPC的静水强度进行了测试。测试按照ASTM D2736-78标准进行，压力逐步增加到30 MPa、60 MPa和90 MPa，并保持1分钟以确保材料不会受到冲击。通过压力传感器记录压力变化，并通过压力曲线的波动和爆破声来评估结构的失效。

3. 数值模拟
   研究使用Abaqus/Explicit平台对CTPC的静水行为进行了数值模拟。模拟中仅分析了1/2的CFRP管模型和1/8的CTPC模型，以减少计算时间。对称边界条件被应用于x、y、z方向。模拟结果与实验结果进行了对比，验证了模拟的准确性。

主要结果

1. CFRP管的静水行为
   研究发现，CFRP管的铺层顺序对其静水强度有显著影响。模拟和实验均表明，[90/0/90]铺层顺序的CFRP管具有最高的静水强度，达到92 MPa。CFRP管在静水压力下的失效模式为弹性屈曲失效。

2. CTPC的静水行为
   CTPC的静水强度通过树脂与CFRP管的结合提高了35%，达到110 MPa。实验结果显示，CTPC的静水强度与模拟结果高度一致。CTPC的密度为0.55 g/cm³，静水强度为111.79 MPa，适用于7000米深度的海洋环境，安全系数为1.6。

3. 不同等效密度的CTPC
   通过调整CFRP管的壁厚，研究团队进一步计算了适用于全海洋深度的CTPC。当密度为0.67 g/cm³时，CTPC的静水强度达到134.16 MPa，适用于11000米深度的海洋环境。

结论

研究团队成功设计并制造了一种轻质、高静水强度的CTPC，该材料可作为潜水器的浮力材料。研究表明，CFRP管的铺层顺序对其静水强度有重要影响，[90/0/90]铺层顺序具有最佳效果。树脂与CFRP管的结合有效抑制了屈曲失效，提高了材料的承载效率。CTPC在7000米和11000米深度的海洋环境中表现出优异的性能，具有广阔的应用前景。

研究亮点

1. 新型材料设计：CTPC结合了碳纤维管和环氧树脂的优点，具有轻质和高静水强度的特性。
2. 创新制造工艺：采用真空辅助成型法制造CTPC，确保了材料的一致性和稳定性。
3. 全面的实验与模拟：通过实验和数值模拟相结合的方法，全面分析了CTPC的静水行为和失效机制。
4. 应用前景广阔：CTPC在深海潜水器中的应用潜力巨大，为新型浮力材料的设计提供了新思路。

其他有价值的内容

研究还对比了CTPC与传统空心玻璃微球（HGM）浮力材料的性能，结果表明CTPC在7000米深度具有明显优势，而在11000米深度与HGM性能相当。这一对比进一步验证了CTPC在深海环境中的适用性。