《Science China Technological Sciences》2025年1月刊研究报告：碳纤维浮力材料（CFBM）在静水压力下的力学与吸水特性研究
一、研究团队与发表信息
本研究的通讯作者为哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院的Yang Jin与Wu Linzhi，合作单位包括哈尔滨工程大学先进船舶材料与力学重点实验室及海军工程大学基础部。论文于2025年1月发表于《Science China Technological Sciences》第68卷第1期（DOI: 10.1007/s11431-024-2790-8）。
二、学术背景与研究目标
科学领域：海洋工程材料学，聚焦轻质高强浮力材料设计。
研究动机：传统空心玻璃微珠（Hollow Glass Microspheres, HGMs）基浮力材料存在吸水率高、承载能力受限等问题，制约深海装备发展。碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP）因高强度、耐腐蚀等特性成为潜在替代材料，但其在浮力材料中的应用仍需解决薄壁结构抗压稳定性与长期耐久性问题。
研究目标：设计一种新型碳纤维浮力材料（Carbon Fiber Buoyancy Material, CFBM），通过复合圆管密集排列与环氧树脂填充优化力学性能，揭示其静水压力失效机制，并评估长期吸水对性能的影响。
三、研究流程与方法
1. CFBM设计与制备
- 设计原理：CFBM由薄壁碳纤维圆管（半径-厚度比14）以最密六方堆积排列，间隙填充高强度环氧树脂，两端用7075铝合金端盖密封（图2）。
- 制备工艺：
- 碳纤维管成型：T700碳纤维预浸料缠绕模具，外包双向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜加热固化（80℃ 30分钟→135℃ 120分钟）。
- 端盖密封：切割抛光后采用铝合金端盖密封。
- CFBM整体成型：碳纤维管阵列浇注环氧树脂，室温初固化24小时后80℃加热4小时完成固化（图3）。
2. 有限元模型（FEM）构建与验证
- 模型开发：基于三维Hashin-Yeh失效准则（公式1-5），通过Abaqus软件建立非线性渐进损伤模型（VUMAT子程序），模拟CFBM在静水压力下的失效过程（图4）。
- 实验验证：使用海洋环境模拟装置（图5）对CFBM进行静水压力测试（ASTM D2736-78标准），对比模拟与实验数据（误差15.14%）。
3. 参数化分析与优化
- 关键参数：碳纤维管长度（100–300 mm）、单元数量（7–67个）、壁厚（1.0–1.5 mm）。
- 方法：通过FEM分析应力分布与失效模式，优化边缘碳纤维管（位置1、3）的壁厚以提升抗屈曲能力。
4. 吸水特性测试
- 实验设计：12.5 MPa压力下进行60天吸水实验，测量吸水率（公式13）及静水强度衰减。
- 机制分析：结合环氧树脂水解与水分扩散过程解释性能变化（图19）。
四、主要研究结果
1. 静水压力性能
- 失效机制：CFBM破坏源于边缘碳纤维管（位置1）的屈曲失效（图6-7）。位置1管在330°处应力达1200 MPa（T700抗压极限），而内部管（位置6）应力仅为材料强度的66.67%（图8）。
- 强化效果：CFBM静水强度（40 MPa）较单独碳纤维管（12 MPa）提升233.33%，归因于环氧树脂填充提供的均匀载荷传递路径（图10）。
2. 参数化分析结果
- 长度影响：碳纤维管长度＞300 mm时，静水强度趋于稳定（图11）。
- 单元数量：≥67个单元后强度稳定在38 MPa（图13）。
- 壁厚优化：边缘管壁厚增至1.5 mm可使整体强度提升17.5%（图14），失效位置转移至位置2（图15）。
3. 吸水特性
- 吸水率：60天内最大吸水率0.59%，后期稳定于0.31%（图18）。
- 强度衰减：静水强度仅下降7.97%（表5），远低于传统HGMs材料。
4. 与传统材料对比
CFBM密度（0.36 g/cm³）与HGMs基材料相当，但静水强度显著更高（图20），适用于1000米深海（安全系数3.5）。
五、研究结论与价值
科学价值：
1. 揭示了CFBM边缘管屈曲主导的失效机制，提出基于位置差异的强度优化策略。
2. 开发了结合三维Hashin-Yeh准则的非线性FEM模型，为复合材料设计提供高精度仿真工具。
应用价值：
1. CFBM在深潜器、水下机器人等领域具有工程化潜力，解决了传统材料吸水率高、承载不足的痛点。
2. 参数化设计方法为定制化浮力材料开发提供理论支撑。
六、研究亮点
- 创新设计：首次将薄壁碳纤维管密集排列与环氧树脂填充结合，实现轻量化与高强度的平衡。
- 方法创新：自主开发渐进损伤FEM模型，准确预测复杂载荷下的失效行为。
- 耐久性验证：长期吸水实验证实CFBM在高压环境下的稳定性，填补该领域数据空白。
七、其他价值
研究团队提出的“等强度设计”理念（通过调整边缘管壁厚均衡应力分布）可推广至其他复合材料结构优化中，具有普适性意义。