CN108466686B - 一种具有压电阻尼的船舶用螺旋桨叶片及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有压电阻尼的船舶用螺旋桨叶片及制备方法，螺旋桨叶片由80～120质量份的压电阻尼复合材料芯核及120～200质量份的纤维增强热塑性复合材料预浸料包覆层制成；压电阻尼复合材料芯核由5～8质量份的压电陶瓷粉、0.05～0.09质量份的碳纳米管、100质量份的热塑性聚合物在加热混合后常温脱模制作而成。本发明通过压电阻尼复合材料芯核与纤维增强热塑性复合材料包覆层的共固化成型工艺，使复合材料螺旋桨具备压电阻尼功能和优良的整体结构力学性能，可以显著提高复合材料螺旋桨减振与降噪性能，能有效解决现有船用复合材料螺旋桨由于水下附加质量惯性力作用，艉流场振动噪声大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种螺旋桨叶片及制备方法，尤其涉及一种具有压电阻尼的船舶用螺旋桨叶片及制备方法。
背景技术
复合材料螺旋桨相较传统的金属螺旋桨具有重量轻、比强度高、比刚度大、耐海水腐蚀等优点，因此船用复合材料螺旋桨的应用日益增多。然而现有研究发现，由于水下惯性的存在，复合材料螺旋桨叶片在水下模态分析中增加了自身6倍的附加质量，由于结构固有频率与质量成反比关系，因此复合材料螺旋桨叶片低阶主模态频率下降明显，从而造成复合材料螺旋桨在艉流场中容易产生水下低频共振，引起无法忽视的复合材料螺旋桨水下振动及噪声问题。
目前复合材料螺旋桨叶片多数采用高性能纤维增强树脂基复合材料制备，由于纤维增强树脂基复合材料铺层结构的动态力学性能不可控、树脂基体体积含量受限制、树脂基体阻尼性能受温度和频率影响较大，因此纤维增强树脂基复合材料螺旋桨结构的阻尼性能有限，无法通过纤维增强复合材料铺层设计有效提高螺旋桨叶片的减振及降噪性能。
压电阻尼复合材料是一种新型的高性能阻尼材料，它不仅保留有聚合物材料的粘弹性阻尼特性，而且可利用材料中的压电相将振动产生的机械能转化为电能，并通过材料中自身的电阻再将电能转化为热能耗散掉。相比于传统的粘弹性阻尼材料，压电阻尼复合材料具有阻尼性能高、阻尼性能依据振动频率可调控、刚度大、不受温度影响等突出优点。因此，将压电阻尼复合材料应用于螺旋桨叶片的制作，将会是对克服传统螺旋桨叶片水下振动及噪声问题的有益尝试。
发明内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种具有压电阻尼的船舶用螺旋桨叶片及制备方法。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种具有压电阻尼的船舶用螺旋桨叶片，由80～120质量份的压电阻尼复合材料芯核及120～200质量份的纤维增强热塑性复合材料预浸料采用热模压工艺制成；压电阻尼复合材料芯核包覆于纤维增强热塑性复合材料预浸料的内部；
压电阻尼复合材料芯核由5～8质量份的压电陶瓷粉、0.05～0.09质量份的碳纳米管、100质量份的热塑性聚合物在加热混合后常温脱模制作而成。
进一步地，压电陶瓷粉为粉末状经极化的二氧化铅或锆酸铅或钛酸铅或钛酸钡或镁铌酸铅或偏铌酸钾钠或钛酸铋钠。
进一步地，碳纳米管为经浓硫酸与浓硝酸按体积分数为3：1的混酸溶液酸化处理后的单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。
进一步地，热塑性聚合物为聚酰胺或聚醚酮或聚酰亚胺或聚醚酰亚胺或聚苯硫醚。
进一步地，纤维增强热塑性复合材料预浸料是通过连续浸渍法将浸渍热塑性聚合物溶液的碳纤维烘干制成的；所述碳纤维为T300碳纤维或T700碳纤维或T800碳纤维。
一种具有压电阻尼的船舶用螺旋桨叶片的制备方法，具体步骤为：
一、依据螺旋桨的水动力性能要求，对压电阻尼复合材料芯核及纤维增强热塑性复合材料预浸料进行包覆结构设计；
二、根据包覆结构设计要求，确定压电阻尼复合材料芯核中压电陶瓷粉、碳纳米管、热塑性聚合物的比例，以及纤维增强热塑性复合材料的种类，并进行纤维增强热塑性复合材料预浸料制备；
三、将纤维增强热塑性复合材料预浸料进行尺寸裁剪，通过手工方法按照设计顺序及铺层角度层合叠加放入上、下模具中；
四、将碳纳米管完全放入浓硫酸与浓硝酸按体积分数为3：1的混酸溶液中进行酸化处理，超声3小时，然后4000r/min离心1小时；用去离子水洗涤数次，烘干；
五、在加热条件下，将压电陶瓷粉、热塑性聚合物及经酸化处理后的碳纳米管混合搅拌均匀；将混合料倒入芯核模具中冷却固化，常温脱模制成压电阻尼复合材料预制体；
六、将压电阻尼复合材料预制体按照步骤一中的设计方案放入铺设有纤维增强热塑性复合材料预浸料的下模具中，闭合上、下模具，加热加压共固化制得复合材料螺旋桨叶片。
进一步地，步骤五中，混合料搅拌时间为30-60min，加热温度为210-260℃。
进一步地，步骤六中，共固化过程的压制温度在150-195℃，加热时间为15-30分钟，加载压力为20-40Mpa；然后室温下脱模。
本发明通过压电阻尼复合材料芯核与纤维增强热塑性复合材料包覆层的共固化成型工艺，使复合材料螺旋桨具备压电阻尼功能和优良的整体结构力学性能，可以显著提高复合材料螺旋桨减振与降噪性能，能有效解决现有船用复合材料螺旋桨由于水下附加质量惯性力作用，艉流场振动噪声大的问题。
附图说明
图1为实施例一中螺旋桨叶片在横向上的剖面结构示意图。
图2为实施例一中螺旋桨叶片在纵向上的剖面结构示意图。
图中：1、压电阻尼复合材料芯核；2、纤维增强热塑性复合材料预浸料包覆层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种具有压电阻尼的船舶用螺旋桨叶片，由80～120质量份的压电阻尼复合材料芯核及120～200质量份的纤维增强热塑性复合材料预浸料采用热模压工艺制成；压电阻尼复合材料芯核包覆于纤维增强热塑性复合材料预浸料的内部；
压电阻尼复合材料芯核由5～8质量份的压电陶瓷粉、0.05～0.09质量份的碳纳米管、100质量份的热塑性聚合物在加热混合后常温脱模制作而成。
其中，压电陶瓷粉为粉末状经极化的二氧化铅或锆酸铅或钛酸铅或钛酸钡或镁铌酸铅或偏铌酸钾钠或钛酸铋钠。
碳纳米管为经浓硫酸与浓硝酸按体积分数为3：1的混酸溶液酸化处理后的单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。
热塑性聚合物为聚酰胺或聚醚酮或聚酰亚胺或聚醚酰亚胺或聚苯硫醚。
纤维增强热塑性复合材料预浸料是通过连续浸渍法将浸渍热塑性聚合物溶液的碳纤维烘干制成的；所述碳纤维为T300碳纤维或T700碳纤维或T800碳纤维。
一种具有压电阻尼的船舶用螺旋桨叶片的制备方法，具体步骤为：
一、依据螺旋桨的水动力性能要求，对压电阻尼复合材料芯核及纤维增强热塑性复合材料预浸料进行包覆结构设计；
二、根据包覆结构设计要求，确定压电阻尼复合材料芯核中压电陶瓷粉、碳纳米管、热塑性聚合物的比例，以及纤维增强热塑性复合材料的种类，并进行纤维增强热塑性复合材料预浸料制备；
三、将纤维增强热塑性复合材料预浸料进行尺寸裁剪，通过手工方法按照设计顺序及铺层角度层合叠加放入上、下模具中；
四、将碳纳米管完全放入浓硫酸与浓硝酸按体积分数为3：1的混酸溶液中进行酸化处理，超声3小时，然后4000r/min离心1小时；用去离子水洗涤数次，烘干；
五、在加热条件下，将压电陶瓷粉、热塑性聚合物及经酸化处理后的碳纳米管混合搅拌均匀；混合料搅拌时间为30-60min，加热温度为210-260℃；将混合料倒入芯核模具中冷却固化，常温脱模制成压电阻尼复合材料预制体；
六、将压电阻尼复合材料预制体按照步骤一中的设计方案放入铺设有纤维增强热塑性复合材料预浸料的下模具中，闭合上、下模具，加热加压共固化制得复合材料螺旋桨叶片。共固化过程的压制温度在150-195℃，加热时间为15-30分钟，加载压力为20-40Mpa；然后室温下脱模。
本发明生产的复合材料螺旋桨叶片在20℃水下一阶主模态阻尼损耗因子可达到0.15～0.22。在设计工况下，由本发明复合材料叶片所构成的复合材料螺旋桨能够满足螺旋桨水动力设计要求。
下面通过具体实施例对发明的技术方案及效果进行详细说明：
实施例一、
一种具有压电阻尼的船舶用螺旋桨叶片，由80质量份的压电阻尼复合材料芯核及200质量份的T300碳纤维增强聚酰胺复合材料预浸料包覆层制成；
压电阻尼复合材料芯核位于螺旋桨叶片的中部，由5质量份的二氧化铅压电陶瓷粉、0.09质量份的经酸化处理的单壁碳纳米管、100质量份的聚酰胺在210℃下均匀搅拌30分钟后，倒入模具冷却至室温脱模制成。
制得压电阻尼复合材料芯核后，对0.4m厚度单向T300碳纤维增强聚酰胺复合材料预浸料进行裁剪，以桨叶侧斜角为基准角度，按照
的铺层顺序由下而上将压电阻尼复合材料芯核与碳纤维包覆层放置于钢制模具中，为避免产生层间空隙，复合材料预浸料铺放前表面涂刷少量聚酰胺溶液。闭合模具后，采用共固化热压工艺，在150℃温度及20Mpa压力下固化15分钟，制得具有压电阻尼的船舶用复合材料螺旋桨叶片。
实施例二、
一种具有压电阻尼的船舶用螺旋桨叶片，由120质量份的压电阻尼复合材料芯核及120质量份的T700碳纤维增强聚醚酮复合材料预浸料包覆层制成；
压电阻尼复合材料芯核位于螺旋桨叶片的根部，由8质量份的锆酸铅压电陶瓷粉、0.05质量份经酸化的多壁碳纳米管、100质量份的聚醚酮在230℃下均匀搅拌45分钟后，倒入模具冷却至室温脱模制成。
制得压电阻尼复合材料芯核后，对0.35m厚度单向T700碳纤维增强聚醚酮复合材料预浸料进行裁剪，以桨叶侧斜角为基准角度，按照
的铺层顺序由下而上将压电阻尼复合材料芯核与碳纤维包覆层放置于钢制模具中，为避免产生层间空隙，复合材料预浸料铺放前表面涂刷少量聚醚酮溶液。闭合模具后，采用共固化热压工艺，在180℃温度及30Mpa压力下固化25分钟，制得具有压电阻尼的船舶用复合材料螺旋桨叶片。
实施例三、
一种具有压电阻尼的船舶用螺旋桨叶片，由95质量份的压电阻尼复合材料芯核及150质量份的T800碳纤维增强聚酰亚胺复合材料预浸料包覆层制成；
压电阻尼复合材料芯核位于螺旋桨叶片的叶梢，由7质量份的钛酸铅压电陶瓷粉、0.07质量份经酸化的单壁碳纳米管、100质量份的聚酰亚胺在260℃下均匀搅拌60分钟后，倒入模具冷却至室温脱模制成。
制得压电阻尼复合材料芯核后，对0.3m厚度单向T800碳纤维增强聚酰亚胺复合材料预浸料进行裁剪，以桨叶侧斜角为基准角度，按照
的铺层顺序由下而上将压电阻尼复合材料芯核与碳纤维包覆层放置于钢制模具中，为避免产生层间空隙，复合材料预浸料铺放前表面涂刷少量聚酰亚胺溶液。闭合模具后，采用共固化热压工艺，在195℃温度及40Mpa压力下固化30分钟，制得具有压电阻尼的船舶用复合材料螺旋桨叶片。
实施例四、
一种具有压电阻尼的船舶用螺旋桨叶片，由110质量份的压电阻尼复合材料芯核及140质量份的T300碳纤维增强聚醚酰亚胺复合材料预浸料包覆层制成；
压电阻尼复合材料芯核位于螺旋桨叶片的中部，由6质量份的钛酸钡压电陶瓷粉、0.08质量份经酸化的多壁碳纳米管、100质量份的聚醚酰亚胺在220℃下均匀搅拌50分钟后，倒入模具冷却至室温脱模制成。
制得压电阻尼复合材料芯核后，对0.32m厚度单向T300碳纤维增强聚醚酰亚胺复合材料预浸料进行裁剪，以桨叶侧斜角为基准角度，按照
的铺层顺序由下而上将压电阻尼复合材料芯核与碳纤维包覆层放置于钢制模具中，为避免产生层间空隙，复合材料预浸料铺放前表面涂刷少量聚醚酰亚胺溶液。闭合模具后，采用共固化热压工艺，在170℃温度及30Mpa压力下固化30分钟，制得具有压电阻尼的船舶用复合材料螺旋桨叶片。
实施例五、
一种具有压电阻尼的船舶用螺旋桨叶片，由100质量份的压电阻尼复合材料芯核及180质量份的T700碳纤维增强聚苯硫醚复合材料预浸料包覆层制成；
压电阻尼复合材料芯核位于螺旋桨叶片的根部，由6质量份的镁铌酸铅压电陶瓷粉、0.06质量份经酸化的单壁碳纳米管、100质量份的聚苯硫醚在240℃下均匀搅拌40分钟后，倒入模具冷却至室温脱模制成。
制得压电阻尼复合材料芯核后，对0.34m厚度单向T700碳纤维增强聚苯硫醚复合材料预浸料进行裁剪，以桨叶侧斜角为基准角度，按照
顺序由下而上将压电阻尼复合材料芯核与碳纤维包覆层放置于钢制模具中，为避免产生层间空隙，复合材料预浸料铺放前表面涂刷少量聚苯硫醚溶液。闭合模具后，采用共固化热压工艺，在160℃温度及20Mpa压力下固化20分钟，制得具有压电阻尼的船舶用复合材料螺旋桨叶片。
实施例六、
一种具有压电阻尼的船舶用螺旋桨叶片，由90质量份的压电阻尼复合材料芯核及130质量份的T800碳纤维增强聚酰胺复合材料预浸料包覆层制成；
压电阻尼复合材料芯核位于螺旋桨叶片的叶梢，由7质量份的偏铌酸钾钠压电陶瓷粉、0.08质量份经酸化的多壁碳纳米管、100质量份的聚酰胺在250℃下均匀搅拌30分钟后，倒入模具冷却至室温脱模制成。
制得压电阻尼复合材料芯核后，对0.36m厚度单向T800碳纤维增强聚酰胺复合材料预浸料进行裁剪，以桨叶侧斜角为基准角度，按照
的铺层顺序由下而上将压电阻尼复合材料芯核与碳纤维包覆层放置于钢制模具中，为避免产生层间空隙，复合材料预浸料铺放前表面涂刷少量聚酰胺溶液。闭合模具后，采用共固化热压工艺，在190℃温度及25Mpa压力下固化20分钟，制得具有压电阻尼的船舶用复合材料螺旋桨叶片。
实施例七、
一种具有压电阻尼的船舶用螺旋桨叶片，由85质量份的压电阻尼复合材料芯核及160质量份的T300碳纤维增强聚酰胺复合材料预浸料包覆层制成；
压电阻尼复合材料芯核位于螺旋桨叶片的中部，由6质量份的钛酸铋钠压电陶瓷粉、0.07质量份经酸化的单壁碳纳米管、100质量份的聚酰胺在250℃下均匀搅拌35分钟后，倒入模具冷却至室温脱模制成。
制得压电阻尼复合材料芯核后，对0.38m厚度单向T300碳纤维增强聚酰胺复合材料预浸料进行裁剪，以桨叶侧斜角为基准角度，按照
的铺层顺序由下而上将压电阻尼复合材料芯核与碳纤维包覆层放置于钢制模具中，为避免产生层间空隙，复合材料预浸料铺放前表面涂刷少量聚酰胺溶液。闭合模具后，采用共固化热压工艺，在150℃温度及40Mpa压力下固化20分钟，制得具有压电阻尼的船舶用复合材料螺旋桨叶片。
本发明与现有技术相比，具有以下优势：
(1)特有的压电阻尼复合材料芯核以热塑性聚合物为基体，以压电陶瓷粉、碳纳米管为增强相复合而成，即保留了热塑性聚合物的粘弹性阻尼性能，又通过压电陶瓷粉和碳纳米管构成微观导电回路实现压电阻尼功能。同时碳纳米管的加入保证了压电阻尼复合材料芯核的力学性能。
(2)根据船用复合材料螺旋桨的主模态固有频率，可以调节本发明复合材料螺旋桨叶片中压电阻尼复合材料芯核材料组分的比例、叶片中的设计位置及几何尺寸，使压电阻尼复合材料芯核产生的最优阻尼损耗损耗因子与复合材料螺旋桨主模态固有频率相匹配，极大的提升了螺旋桨减振降噪性能。
(3)复合材料叶片采用共固化热压技术，利用热塑性聚合物可反复加热成型的特点，将压电阻尼复合材料芯核预制体与碳纤维增强复合材料包覆层组合式一体成型，并且所制备出的复合材料螺旋桨能够具有高效的压电阻尼功能及良好的成型质量。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种具有压电阻尼的船舶用螺旋桨叶片的制备方法，其特征在于：制备方法所制备的螺旋桨叶片由80～120质量份的压电阻尼复合材料芯核及120～200质量份的纤维增强热塑性复合材料预浸料采用热模压工艺制成；所述压电阻尼复合材料芯核包覆于纤维增强热塑性复合材料预浸料的内部；
所述压电阻尼复合材料芯核由5～8质量份的压电陶瓷粉、0.05～0.09质量份的碳纳米管、100质量份的热塑性聚合物在加热混合后常温脱模制作而成；
具有压电阻尼的船舶用螺旋桨叶片的制备方法的具体步骤为：
一、依据螺旋桨的水动力性能要求，对压电阻尼复合材料芯核及纤维增强热塑性复合材料预浸料进行包覆结构设计；
二、根据包覆结构设计要求，确定压电阻尼复合材料芯核中压电陶瓷粉、碳纳米管、热塑性聚合物的比例，以及纤维增强热塑性复合材料的种类，并进行纤维增强热塑性复合材料预浸料制备；
三、将纤维增强热塑性复合材料预浸料进行尺寸裁剪，通过手工方法按照设计顺序及铺层角度层合叠加放入上、下模具中；
四、将碳纳米管完全放入浓硫酸与浓硝酸按体积分数为3：1的混酸溶液中进行酸化处理，超声3小时，然后4000r/min离心1小时；用去离子水洗涤数次，烘干；
五、在加热条件下，将压电陶瓷粉、热塑性聚合物及经酸化处理后的碳纳米管混合搅拌均匀；将混合料倒入芯核模具中冷却固化，常温脱模制成压电阻尼复合材料预制体；
六、将压电阻尼复合材料预制体按照步骤一中的设计方案放入铺设有纤维增强热塑性复合材料预浸料的下模具中，闭合上、下模具，加热加压共固化制得复合材料螺旋桨叶片。
2.根据权利要求1所述的具有压电阻尼的船舶用螺旋桨叶片的制备方法，其特征在于：所述压电陶瓷粉为粉末状经极化的二氧化铅或锆酸铅或钛酸铅或钛酸钡或镁铌酸铅或偏铌酸钾钠或钛酸铋钠。
3.根据权利要求1或2所述的具有压电阻尼的船舶用螺旋桨叶片的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管为经浓硫酸与浓硝酸按体积分数为3：1的混酸溶液酸化处理后的单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。
4.根据权利要求1所述的具有压电阻尼的船舶用螺旋桨叶片的制备方法，其特征在于：所述热塑性聚合物为聚酰胺或聚醚酮或聚酰亚胺或聚醚酰亚胺或聚苯硫醚。
5.根据权利要求1所述的具有压电阻尼的船舶用螺旋桨叶片的制备方法，其特征在于：所述纤维增强热塑性复合材料预浸料是通过连续浸渍法将浸渍热塑性聚合物溶液的碳纤维烘干制成的；所述碳纤维为T300碳纤维或T700碳纤维或T800碳纤维。
6.根据权利要求1所述的具有压电阻尼的船舶用螺旋桨叶片的制备方法，其特征在于：所述步骤五中，混合料搅拌时间为30-60min，加热温度为210-260℃。
7.根据权利要求6所述的具有压电阻尼的船舶用螺旋桨叶片的制备方法，其特征在于：所述步骤六中，共固化过程的压制温度在150-195℃，加热时间为15-30分钟，加载压力为20-40Mpa；然后室温下脱模。
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