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项目编号 N20140228 南京工程学院 大学生科技创新基金项目 立 项 申 报 书 项目名称：

环氧树脂基固体浮力材料的制备及性能研究 负 责 人：

学 号：

郑文锋 205110937 张春祥 材料工程学院 18115186273 2013.11.15 指导教师：

院 系： 联系电话：

填表日期： 共青团南京工程学院委员会印制 负 责 人 指 导 教 师 姓 专 姓 名 业 名 郑文锋 学号 205110937 联 系 电 话 专业/研究方向 联 系 电 话 班 级 高分子 111 高分子材料与工程 张春祥 讲师 18115186273 材料科学与工程 /高分子材料 13851554248 职称/职务 负责人近年来承接、组织、参与的学术科技活动情况（含科技项目、学术论文名称、 完成时间、鉴定、发展以及获奖情况等） 1.参加了 2011/2012 年度科技创新。

2.2011/2012 年度研究的《新型无卤高分子阻燃材料的研究》在第十二届大学 生课外学术科技作品中荣获三等奖。

3.多次参加学校和学院组织的有关材料等方面的学术报告会 项目组其他成员情况 序号 01 02 03 04 05 姓名 褚正佩 伍家聪 姚冬冬 肖泽崇 邵梦 学号 205110901 205110924 205110929 205121128 205131108 班 级 专业 高分子材料与工程 高分子材料与工程 高分子材料与工程 高分子材料与工程 高分子材料与工程 项目分工 资料收集 原料准备 实验 实验 实验 签名 高分子 111 高分子 111 高分子 111 高分子 122 高分子 131 项 目 组 其 他 成 员 近年来承接、组织、参与的学术科技活动情况（含科技项目、学 术论文名称、完成时间、鉴定、发展以及获奖情况等） 褚正佩参加了 2011/2012 年度科技创新并在 2011/2012 年度研究的 《新型 无卤高分子阻燃材料的研究》在第十一届大学生课外学术科技作品中荣获三 等奖。

其余同学均参加过学校或学院组织的有关材料等方面的学术报告会。 研 究 项 目 名 称 空心玻璃微球浮力材料的性能研究 浮力材料高分子基复合材料 申请经费 3000 研究方向 一、项目的研究意义、国内外研究现状、水平和发展趋势，研究预期达到的科学技术水 平、社会和经济效益。

1.项目的研究意义 近几年，人类对陆地上自然资源的过度开采，自然资源日渐衰竭,己经满 足不了人们对资源的日趋需求。人类开始把目光转向了海洋，海底蕴藏着丰 富的石油、天然气等资源,它为世界长期廉价的能源供应提供了保证。

目前，深海勘探开发主要以深潜技术为基础，利用深海潜水器(包括带缆 水下机器人、自主型水下机器人和载人潜水器等)在深海进行观察、测量、取 样，安装必要的仪器设施，以及进行水下作业等。深海潜水器由于下潜深、 环境压力大，常采用无动力上浮技术，这就需要潜水器在耐压的同时，可以 提供一定的浮力，从而保障潜水器和潜航员的安全。为了达到此目标，人们 便开始研制轻质高强的固体浮力材料，并将其作为深海潜水器的外壳，对保 证潜器浮力、增大潜器有效载荷和减小其外型尺寸等起到了重要作用。[1] 固体浮力材料是一种以胶黏剂为基体、气体空穴为浮力调节介质的复合 材料。按照气体空穴来源的不同，固体浮力材料可以分为 3 大类[2]：化学发泡 浮力材料、空心微球浮力材料(也被称为两相复合泡沫材料 )和复合轻质浮力 材料(三相复合泡沫材料)。其中复合轻质浮力材料的气体空穴除了由空心微 球(大多为空心玻璃微珠 )提供，还来自低密度填料，如中空塑料球或大径玻 璃球等。目前，空心玻璃微珠浮力材料是国内外报道最多的一类固体浮力材 料，已成功地应用于深海载人潜水器的制备当中。 2.国内外研究现状、水平和发展趋势[3,4] 美、日、俄等国家从 20 世纪 60 年代末开始研制高强度固体浮力材料，以 用于深海海底的开发事业。美国海军应用科学研究实验室研制的浮力材料， [5] 密度为 0.35g/cm? 时，抗压强度为 5.5MPa。美国洛克希德导弹空间公司研制 的深潜用 SPD(Submersible deep quest)级浮力材料,密度为 0.45～0.48g/cm ? ，压强度为 25MPa,可潜水深 2430m[6]。美国艾默生和康明复合材料公司(简 称 ECCM)最近开发了 TG 型和 DS 型两种新型的两相复合泡沫材料。TG 型材料 密度为 0.38～0.45g/cm? ，可在 0～4000m 水深区域使用；DS 型密度在 0.5～ 0.56g/cm? ，最大使用深度超过 11000m。其中 TG 型材料由于密度小，具有更 好的耐压性及安全性， 正逐渐取代三相复合泡沫材料在 0～4000m 水深的应用。

虽然 TG 型和 DS 型浮力材料属 ECCM 公司的核心技术，无法查询到其相关制备 方法，但作为空心玻璃微珠与聚合物树脂的复合物，它们性能的改善必然与 这两种原料及其复合工艺有关。

我国深海用固体浮力材料的研发相对于美、日、俄等深潜技术发达国， 起步较晚，与发达国家存在较大距。国内前期研制的浮力材料一般为聚氨酯 泡沫、环氧树脂泡沫或其他泡沫塑料，与国外同等材料相比，成本低，但是 存在耐压强度低的缺陷，在浸水一定时间后，会因吸水失去浮力，最大的工 作深度只有 400m 左右[7]。

1995 年海洋化工研究院研发了化学发泡浮力材料，已经成功地应用于水 下机器人、潜水钟及拖曳天线等，当密度为 0.33g/cm3 时，可用于水深 500m 的区域。此外，还对 1000m、2000m 用的可加工轻质浮力材料进行了探索研究， 并取得了突破性进展。目前研制的可加工轻质浮力材料，当密度为 0.55g/cm3 时，耐水压强度达到 50MPa，用于 4500～5000m 水深的区域。

2000 年国家海洋技术中心开始进行轻质高强的固体浮力材料的研究， 目 前已经在配方、工艺、成型等核心技术方面取得了突破性进展。该中心制备 的浮力材料的密度在 0.28～0.52g/cm3 之间，抗压强度在 5.0～25MPa 之间， 吸水率低于 1％，已经广泛地应于航天、海洋、国防等诸多领域[8]。 3.研究预期达到的科学技术水平、社会和经济效益 通过对影响环氧树脂性能的因素进行分析， 发现空心玻璃微球填充环氧树 脂后，可以达到以下各种效果：

（1）改变环氧树脂的外观及状态； （2）降低 环氧树脂的吸水率， （3）提高环氧树脂的耐压缩强度； （ 4）降低密度很大程 度的提高材料的浮力； （5）有利于浮力材料的深水作业。

空心玻璃微球浮力材料是目前国内外报道最多的一类固体浮力材料，已 成功地应用于深海载人潜水器的制备当中。其先进的制备技术目前主要为美 国、俄罗斯等国所掌握。我国在固体浮力材料的研究过程中，高强度浮力材 料密度都较为偏大，难于提供高载荷高耐压的大深度浮力材料，只能依赖于 进口[8]。因此开展并研究此课题有重大的意义。 二、项目的研究内容、预计突破或解决哪些技术难题 研究内容： 以环氧树脂胶粘剂为基体，填充空心玻璃微球，制备出适用于深海的低 密度、高强度浮力材料。

①用偶联剂对空心玻璃微球表面处理并进行分析，研究偶联剂对复合材 料的性能影响。

②对空心玻璃微球填充环氧树脂基复合材料的力学性能、密度及吸水率 进行测试，研究空心玻璃微球含量对复合材料各项性能的影响。

③研究基体对浮力材料性能的影响，以制备出高性能基体，实现对空心 玻璃微球良好的粘结和支撑作用，从而制备出低密度高强度的浮力材料。 预计突破或技术难题 1、空心玻璃微球表面处理和改性，改善与树脂的界面粘结效果。

2、降低树脂的吸水率。 3、制备低密度，高强度的浮力材料。 三、项目的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析 项目的研究方法与技术路线： 1、空心玻璃微球表面处理及改性技术 2、环氧树脂的固化与填充工艺研究 3、空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料力学性能试验研究 相容性 表面处理 及改性技 术： 空心玻璃 微球 偶联剂 经表面改 性的空心 玻璃微球 环氧树脂 基体固体浮 力复合材料 拉压强度 环氧固化 工艺研究： 环氧 树脂 固化剂 环氧树脂 基体 冲击韧性 料 其他助剂 玻璃化转变温度 材料表征 及性能检 测技术： 红外分析光谱 形貌分析 技术路线图 可行性分析： 1、本项目组曾对空心玻璃微球和环氧树脂进行过大量的调研，并对本课 题的研究内容进行过初步探索，同时参加过多项化学专业实验，具有较强的 动手实践与分析、解决问题的能力，并从中积累了一定的经验。

2、指导老师在实验室建设和相关科研过程中，购置了满足空心玻璃微球 填充环氧树脂实验所需的相关设备和仪器，保证了实验的进行和部分检测工 作的顺利开展。

3、与南京理工大学等兄弟院校保持良好协作关系，确保部分未能在本单 位完成的测试项目的顺利进行。

综上分析，根据现有的理论基础、研究经验和成果，结合研究保障条件， 能够完成以上的研究内容和技术指标。 四、研究工作条件和基础（包括前期研究工作基础，已有研究成果，现有的主要仪器设 备、研究技术及协作条件等） 本项目组成员在指导老师的精心指导下， 认真调研了有关高分子材料空心 玻璃微球和环氧树脂的分类、选择以及各自的特性和多种偶联剂和固化剂的 改性等内容。并接触了相关的部分实验仪器与装置。对空心玻璃微球的表面 改性与环氧树脂的固化等基本理论有一定的了解和认识，对相关的研究方法 和实验过程也有了较为清晰、详细的规划。

实验室具有空心玻璃微球表面处理和环氧树脂的固化和填充所必须的基 本仪器和设备，具备扫描电子显微镜（SEM） 、万能拉伸试验机，静水压检测 装置等分析测试设备，并与南京理工大学等兄弟院校保持良好协作关系，确 保部分未能在本单位完成的测试项目的顺利进行。 五、预期研究成果 为了改善环氧树脂与空心玻璃微球的相容性， 改性空心玻璃微球的界面相 容性，增加环氧树脂力学性能，减小环氧树脂的吸水率，通过改性后的空心 玻璃微球对固化后的环氧树脂进行填充，并对改性条件进行探索，确定填充 工艺条件。

主要预期研究成果：

1、获得改性后的空心玻璃微球以及经填充后的环氧树脂。

2、获得低密度，高强度的复合浮力材料。

3、完成项目结题书，其中包括改性条件以及改性环氧树脂工艺条件等详细的 实验数据与图表（如红外光谱分析、热重分析图以及扫描电子显微镜图等） 。 六、考核目标 1、研究总结空心玻璃微球表面改性样品。完成结题报告书。

2、将样品加填充到环氧树脂中，预计得到密度低于 0.8g/cm? ，压缩强度高 于 60MPa，吸水率低于 5%的浮力材料。

3、申请 1 项发明专利或发表 1 篇研究论文。 七、主要参考文献或资料 [1] 李乐 , 于良民 , 李昌诚 , 等 . 固体浮力材料及其性能研究现状 [J]. 材料导 报,2012,26(17):66-69. [2] 陈先 , 张树华 . 新型深潜用固体浮力材料 [J]. 化工新型材料 ,1999,27(7): 15-17. [3]张德志.国内外高强度浮力材料的现状 [J].声学与电子工程,2003,71(3): 45-47. [4]潘鹏举.深海用聚合物基浮力材料制备及性能表征 [D].浙江大学硕士学位 论文,2005. [5]Winer.Journal of Cellular Plastics. May，1966:157 [6] Anderson H D. Low Density Materials for Buoyancy Applications[R]. LOCKHEED MISSILES AND SPACE CO SUNNYVALE CALIF,1969. [7] 程鹏 , 王元超 . 提高浮力材料性能的研究 [J]. 哈尔滨船舶工程学院学报 , 1993,14(4):64-69. [8] 李乐 . 基于空心玻璃微球的浮力材料的成型及性能研究 [D]. 中国海洋大 学.2012:14-15 [9]潘顺龙,张敬杰,宋广智.深潜用空心玻璃微珠和固体浮力材料的研制及其 研究现状[J].热带海洋学报,2009,28(4):17-21. [10]孙向东,孙旭东,张慧波,等.空心玻璃微珠填充 MC 尼龙复合材料的研究 [J].工程塑料应用,2005,33(1):7-9. [11]梁基照.PVC/HGB 拉伸性能的研究[J].合成树脂及塑料,2002,19(4): 6-9. 八、经费预算 支 出 科 目 原材料费用 试验检测费用 资料及其它费用 出版费 总经费 5000 金 额 （元） 2000 1000 1000 1000 元，其中申请 3000 计 划 根 据 各种实验原材料 现有设备的预算 资料查找、交通、调研费用等 版面费 元，自筹 2000 元 项目组意见（项目的意义、项目组成员的学术水平、完成本项目的条件、填报内容的真 实性等） 该项目具有很强的实用性和潜在的社会和经济效益，研发更高性能的树 脂基体对国内先进浮力材料的研制有着非常重要的意义。项目组成员均为高 分子材料专业的本科学生，具备良好的专业水平和专业素养，具有熟练的实 验技能和良好的动手能力。因此，完成本项目人力和社会资源具备，试验条 件也基本具备，但还缺少原辅材料及相关的检测手段等，还需要购置和外协 支持。

本项目立项申请书所填报各项内容均属实。 项目负责人签字：

年 月 日 指导教师签字：

年 月 日 院系专家组意见（项目的意义、项目组成员的学术水平、完成本项目的条件、填报内容 的真实性等） 专家评审组组长：

年 学校大学生科技创新基金指导委员会意见： （部门盖章） 月 日 专家评审组组长： （团委代章） 年 月 日 

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