一种仿铁定甲虫仿生结构的深海抗压容器及其制备方法与流程

1.本发明属于仿生结构领域，特别是涉及一种仿铁定甲虫仿生结构的深海抗压容器及其制备方法。


背景技术：

2.在世界能源紧缺的今天，许多国家把目光投向了矿产资源丰富的海洋。深海探测器作为人类认识海洋、开发海洋、保护海洋的有力工具，扮演着极其重要的角色。但是深海探测器的发展依然面临海水巨大压力的挑战。而生活在美国的一种铁定甲虫具有极强的抗压能力(能承受自身重量39000倍的压力)，即使被汽车碾压也能安然无恙。这得益于它如图1所示的一种特殊的抗压腔体结构。若能利用铁定甲虫这种具有抗超高压的腔体结构来设计出一种深海抗压容器，必能促进深海探测器的快速发展。


技术实现要素：

3.为解决深海探测器的抗压难题，本发明提供了一种仿铁定甲虫仿生结构的深海抗压容器及其制备方法。
4.本发明一种仿铁定甲虫仿生结构的深海抗压容器，包括腔体和盖体。所述腔体的外壁为回转体，回转体的母线除两端为直线外，其余部分由光顺连接的多条曲线组成，且回转体的母线两端均开放；回转体除了顶部和底部内凹部分外，其余部分横截面由顶部至底部先增大后减小，且底部设有倒置碗状回转凹槽；所述腔体的内部设有回转空腔一和回转空腔二；回转空腔一位于回转空腔二顶部，且回转空腔一与回转空腔二不连通；回转空腔一的母线除两端为直线外，其余部分由光顺连接的多条曲线组成，且回转空腔一的母线两端均开放；回转空腔一靠近回转空腔二的部分横截面由顶部至底部逐渐减小；所述回转空腔二的母线为卵状的封闭曲线；腔体顶部加工有螺纹孔，螺纹孔内端与回转空腔一顶部连通；螺纹孔的内螺纹牙型为椭球形；所述盖体的侧壁加工有外螺纹，外螺纹的牙型也为椭球形；所述盖体的外螺纹与腔体顶部的螺纹孔连接。
5.优选地，所述椭球形牙型的长半轴与短半轴之比为1.8：1。
6.优选地，所述盖体的外螺纹和腔体顶部的螺纹孔的圈数均为2、4或5。
7.优选地，所述盖体的外螺纹与腔体顶部的螺纹孔连接状态下，盖体和腔体的椭球形牙型几何中心连线与腔体轴线之间的夹角为25
°
。
8.该仿铁定甲虫仿生结构的深海抗压容器的制备方法，具体如下：
9.步骤一、用3d打印技术制备盖体和腔体的铸型模具，再将熔融的tc4钛合金注入打印好的盖体和腔体铸型模具中，得到盖体和腔体，然后对盖体和腔体进行表面处理。
10.步骤二、将成型的盖体的外螺纹与腔体顶部的螺纹孔连接。
11.优选地，所述的步骤一具体过程如下：
12.①
使用3d打印机打印出盖体和腔体的铸型模具初胚。
13.②
将打印好的盖体和腔体铸型模具在170℃下保温完成盖体和腔体铸型模具初胚
中粘结剂的固化。
14.③
在20℃～25℃温度下将固化好的盖体和腔体铸型模具初胚浸入钇溶胶中浸泡，将浸泡好的盖体和腔体铸型模具初胚在温度为20℃～25℃和湿度为55％～65％的背阴条件下进行凝胶。
15.④
将凝胶处理后的盖体和腔体铸型模具初胚喷上涂料，进行焙烧，然后冷却至室温，得到盖体和腔体铸型模具。
16.⑤
在真空条件下将1900℃的tc4钛合金注入盖体和腔体铸型模具内，至钛合金凝固后，除去盖体和腔体铸型模具，取出成型的腔体和盖体。
17.⑥
对成型的腔体和盖体表面采用喷砂方法进行清理，然后对清理后的腔体和盖体进行打磨。
18.更优选地，所述3d打印机使用的打印材料包含如下组分：90wt％覆膜锆砂、6wt％阻燃剂和4wt％填充材料；所述的填充材料包含氧化钇；所述覆膜锆砂的材料组分包含91.1wt％锆砂、5wt％固化剂、1.5wt％酚醛树脂、1.4wt％润滑剂和1.0wt％偶联剂。
19.更优选地，所述的固化剂为六亚甲基四胺。
20.更优选地，所述覆膜锆砂的具体制备方法为：将锆砂加热到190℃保温30分钟后，倒入混砂机中，搅拌30秒；加入偶联剂，使锆砂湿润均匀；待温度降至130℃,加入酚醛树脂，保持搅拌状态；降温至120℃时，加入润滑剂，保持搅拌状态；降温至90℃时，加入固化剂，保持搅拌状态；降温至80℃时，取出覆膜锆砂；平铺晾干使覆膜锆砂冷却至室温；将冷却的覆膜锆砂在60℃鼓风炉内烘干5小时；将烘干好的覆膜锆砂破碎，筛出粒径在100～160目的覆膜锆砂。
21.本发明具有的有益效果：
22.1、本发明中腔体的回转空腔二以及腔体底部的倒置碗状回转凹槽可降低腔体的容重比，将产生的应力较为均匀的分布在腔体结构中，增加腔体的支撑强度；腔体顶部和底部的内凹部分以及腔体外壁的光顺弯曲变化结构能为腔体提供弹性支撑，避免腔体受到压力时遭到结构性破坏，进一步增加腔体的支撑强度作用。
23.2、本发明的腔体与盖体之间通过椭球形螺纹连接，椭球形螺纹能够将产生的应力分布在椭球形螺纹周围，这种椭球形螺纹与传统标准螺纹相比，可避免应力集中在螺牙颈部以及腔体与盖体连接界面处，而且采用铸造成型避免传统标准螺纹采用机加工造成的残余应力和应变，使得本发明的椭球形螺纹可以承受拉伸力，在螺纹纵向方向可以允许发生一定的旋转，并且在发生变形时仍可以起到连接密封的作用。进一步，本发明椭球形螺纹的螺纹圈数为2时，椭球形螺纹韧性最大，螺纹圈数为4和5时，椭球形螺纹能承受的力和椭球形螺纹的刚度分别最大，可根据不同应用场合对椭球形螺纹的螺纹圈数进行选择。
附图说明
24.图1为铁定甲虫腔体的截面示意图。
25.图2为本发明深海抗压容器的腔体截面示意图。
26.图3为本发明深海抗压容器的腔体外形示意图。
27.图4为本发明深海抗压容器的盖体示意图。
28.图5为本发明中盖体的外螺纹与腔体顶部的螺纹孔连接示意图。
29.图6为本发明中椭球形螺纹的示意图。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明作进一步说明。
31.如图2、3和4所示，一种仿铁定甲虫仿生结构的深海抗压容器，包括腔体和盖体。腔体的外壁为回转体，回转体的母线除两端为直线外，其余部分由光顺连接的多条曲线组成，且回转体的母线两端均开放(两端不是连接形成封闭曲线)；回转体除了顶部和底部内凹部分外，其余部分横截面由顶部至底部先增大后减小，且底部设有倒置碗状回转凹槽；腔体的内部设有回转空腔一和回转空腔二；回转空腔一位于回转空腔二顶部，且回转空腔一与回转空腔二不连通；回转空腔一的母线除两端为直线外，其余部分由光顺连接的多条曲线组成，且回转空腔一的母线两端均开放；回转空腔一靠近回转空腔二的部分横截面由顶部至底部逐渐减小；回转空腔二的母线为卵状的封闭曲线；腔体顶部加工有螺纹孔，螺纹孔内端与回转空腔一顶部连通；螺纹孔的内螺纹牙型为椭球形，如图6所示。盖体的侧壁加工有外螺纹，外螺纹的牙型也为椭球形；盖体的外螺纹与腔体顶部的螺纹孔连接，使盖体固定在腔体顶部。
32.作为一个优选实施例，椭球形牙型的长半轴与短半轴之比为1.8：1。
33.作为一个优选实施例，盖体的外螺纹和腔体顶部的螺纹孔的圈数均为2、4或5。
34.作为一个优选实施例，如图5所示，盖体的外螺纹与腔体顶部的螺纹孔连接状态下，盖体和腔体的椭球形牙型几何中心连线与腔体轴线之间的夹角为25
°
。
35.该仿铁定甲虫仿生结构的深海抗压容器的制备方法，具体如下：
36.步骤一、用3d打印技术制备盖体和腔体的铸型模具，再将熔融的tc4钛合金注入打印好的盖体和腔体铸型模具中，得到盖体和腔体，然后对盖体和腔体进行表面处理。
37.步骤二、将成型的盖体的外螺纹与腔体顶部的螺纹孔连接。
38.作为一个优选实施例，步骤一具体过程如下：
39.①
使用3d打印机(优选sls型3d打印机)打印出盖体和腔体的铸型模具初胚。
40.②
将打印好的盖体和腔体铸型模具在170℃下保温完成盖体和腔体铸型模具初胚中粘结剂的固化。
41.③
在20℃～25℃温度下将固化好的盖体和腔体铸型模具初胚浸入钇溶胶(质量浓度为14.5％，密度为1.17g/cm3，胶团直径为2nm，失水固化后氧化钇纯度为99.9％以上)中浸泡10分钟，将浸泡好的盖体和腔体铸型模具初胚在温度为20℃～25℃和湿度为55％～65％的背阴条件下凝胶处理24小时。
42.④
将凝胶处理后的盖体和腔体铸型模具初胚喷上涂料(优选涂料由质量比为3：2的钇溶胶和y
203
粉配成)，在250℃下焙烧，然后冷却至室温，得到盖体和腔体铸型模具。
43.⑤
在真空条件下将1900℃的tc4钛合金注入盖体和腔体铸型模具内，至钛合金凝固后，除去盖体和腔体铸型模具，取出成型的腔体和盖体。
44.⑥
对成型的腔体和盖体表面采用喷砂(喷砂气压小于0.5mpa))方法进行清理，然后对清理后的腔体和盖体进行打磨。
45.作为一个更优选实施例，3d打印机使用的打印材料包含如下组分：90wt％覆膜锆砂、6wt％阻燃剂(优选阻燃剂由粒径在150目以上的碳粉、硫铁矿粉和硼酸的混合物组成)
和4wt％填充材料(优选填充材料包含氧化钇，且氧化钇粒径在325目以上)。覆膜锆砂的材料组分包含91.1wt％锆砂(优选锆砂中的zr02含量为67wt％，sio2含量为32.8wt％，tio2和fe2o3含量都为0.1wt％，粒径为115～117目)、5wt％固化剂(优选六亚甲基四胺)、1.5wt％酚醛树脂(优选酚醛树脂粒径在315目以上)、1.4wt％润滑剂(优选硬脂酸钙)和1.0wt％偶联剂(优选kh550硅烷偶联剂，该偶联剂采用氨基官能团硅烷)。覆膜锆砂的具体制备方法为：将锆砂加热到190℃保温30分钟后，倒入混砂机中，搅拌30秒；加入偶联剂，使锆砂湿润均匀；待温度降至130℃,加入酚醛树脂，保持搅拌状态；降温至120℃时，加入润滑剂，保持搅拌状态；降温至90℃时，加入固化剂，保持搅拌状态；降温至80℃时，取出覆膜锆砂；平铺晾干使覆膜锆砂迅速冷却至室温，避免结块；将冷却的覆膜锆砂在60℃鼓风炉内烘干5小时；将烘干好的覆膜锆砂破碎，筛出粒径在100～160目的覆膜锆砂。