CN109515667A - 一种用于船舶的碳纤维复合螺旋桨及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于船舶的碳纤维复合螺旋桨，包括一个金属轮毂和安装在金属轮毂上的四个碳纤维复合桨叶，金属轮毂与碳纤维复合桨叶之间通过安装卡槽与安装凸起装配并附加黏胶层，使得两者固定连接；碳纤维复合桨叶由预制体和树脂基体复合而成，预制体是在预制体的模具上，采用铺缝织物层层叠加铺贴而成的。本发明制得的碳纤维复合螺旋桨具有尺寸精度高，强度大、刚性好、自重轻、噪音低、耐腐蚀及抗微生物附着等特点，同时具有良好的疲劳性能与抗冲击性能。

Description

一种用于船舶的碳纤维复合螺旋桨及其制备方法

技术领域

本发明涉及船用螺旋桨的技术领域，尤其涉及一种用于船舶的碳纤维复合螺旋桨及其制备方法，具体来说是一种采用碳纤维复合材料制成的船用螺旋桨。

背景技术

目前，随着船舶工业的发展壮大，所涉及的科技技术对维护国家海洋权益、加快海洋开发、保障战略运输安全具有重要意义。

螺旋桨 ( 尤其是大型船用螺旋桨) 是船舶动力***的核心部件之一，其制造质量直接影响整船性能和推进效率。随着国内外学者的深入研究探索，船用螺旋桨的设计制造技术取得了显著进步。大型船用螺旋桨的制造涉及螺旋桨模具造型、铸造材料熔炼、浇注、手工打磨、数控加工、数字化检测等众多工艺，存在周期长、准确性差、制造成本高等缺点，加工很大程度上取决于生产工人的技术熟练程度，无法准确地反映现代设计水平和思想，不能保证螺旋桨的高精度和高强度要求。

复合材料螺旋桨因具有轻质、高效、低噪音、抗疲劳、抗腐蚀及微生物附着、易维修等特点，随着各国对复合材料研究的深入，复合材料螺旋桨的应用价值也大大体现，成型工艺是复合材料螺旋桨应用的关键，加快复合材料螺旋桨在船舶上的研究应用具有重要的意义。

因此，现有技术中，急需要一种复合材料制成的螺旋桨，来替代原先大型船用螺旋桨的材料及其复杂的制造工艺。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于船舶的碳纤维复合螺旋桨及其制备方法，通过单独制作碳纤维复合桨叶，然后再将叶片与金属进行装配，制作出一种强度高，抗腐蚀、低噪音、易维修的碳纤维复合螺旋桨。

本发明的目的可以通过下述技术方案来实现：一种用于船舶的碳纤维复合螺旋桨，其特征在于，碳纤维复合螺旋桨包括一个金属轮毂和安装在金属轮毂上的四个碳纤维复合桨叶，金属轮毂的外圈设有四个安装卡槽，碳纤维复合桨叶设有与安装卡槽相对应的安装凸起，金属轮毂与碳纤维复合桨叶之间通过安装卡槽与安装凸起装配并附加黏胶层，使得两者固定连接；碳纤维复合桨叶由预制体和树脂基体复合而成，预制体是在预制体的模具上，采用铺缝织物层层叠加铺贴而成的。

优选的，树脂基体选用如下材料中的一种或者两种以上组合：不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂或环氧树脂。

进一步，所述的铺缝织物是在基布上采用缝纫线按照预制体模具形状而缝制的铺缝织物，所述的基布采用玻璃纤维布，缝纫线采用可熔尼龙线。

一种用于船舶的碳纤维复合螺旋桨的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括如下步骤：a、制备铺缝织物，根据所需要制备的碳纤维复合桨叶的大小，将预先设计好的铺缝路径图导入到铺缝机器里，将基布放在铺缝机器的平台上并固定，调节铺缝机器铺缝针距与速度，运行铺缝机器，完成铺缝织物的制作；b、将铺缝织物的基布去除，裁剪铺缝织物使其边缘与织物边缘有5-15mm余量，利用加热的方式使得基布与铺缝织物分离；c、预制体的制备，将去掉基布的铺缝织物铺贴在预制体模具上，每铺贴一片铺缝织物，就通过加热的方式定型铺缝织物一次，铺缝织物铺贴完毕，预制体制作完成并密封保存；d、树脂转移模塑成型处理，将预制体放入模具中并合模，当模具升温至30-50℃开始注胶，注胶结束按照树脂固化制度给模具升温，固化结束模具降温，待模具降温至30-40℃，开始脱模，完成碳纤维复合桨叶的制作；e、金属轮毂与碳纤维复合桨叶的装配和胶接，在金属轮毂胶接区域铺贴胶膜，放置加压气囊和夹紧工装，给加压气囊加压，并在一定温度下，完成金属轮毂与的碳纤维复合桨叶胶接，获得碳纤维复合螺旋桨。

优选的，a步骤中，在铺缝机器上安装纤维线轴和缝纫线线轴，调节铺缝机器铺缝针距为3-8mm，调节车速每分钟500-800针。b步骤中，将裁剪完基布的铺缝织物放在金属铁板上，调节手动加热设备的温度为高于缝纫线熔点温度的80-150℃，控制手动加热设备与基布的距离为10-30mm之间，利用手动加热设备的瞬时温度，使基布表面的缝纫线熔融断裂，让基布与织物分离。

更进一步，c步骤中，利用丙酮清理模具表面，在预制体模具上按照拟定的铺缝织物顺序铺贴铺缝织物，每层铺缝织物铺贴完毕之后，在高于缝纫线熔点20-30℃的温度下定型铺缝织物，定型时间为0.5-1h。

相对于现有技术，本发明的技术方案除了整体技术方案的改进，还包括很多细节方面的改进，具体而言，具有以下有益效果：

1、本发明所述的改进方案，本发明的碳纤维复合桨叶由预制体和树脂基体复合而成，预制体是在预制体的模具上，采用铺缝织物层层叠加铺贴而成的，该种船舶用碳纤维复合材料螺旋桨具有轻质、高效、低噪音、抗疲劳、抗腐蚀及微生物附着、易维修等特点；

2、本发明的技术方案中，碳纤维复合桨叶的制备先制作预制体，将预制体放入模具中并合模，完成树脂转移模塑成型处理，该制作方法为闭模工艺，对环境没有污染；

3、本发明的碳纤维复合桨叶在制作过程中需要经过制备铺缝织物、基布去除、预制体的制备和树脂转移模塑成型处理这些严密的过程，因此制成的产品具有轮廓度精度高，表面粗糙度低，变形量小等特点；

4、本发明的碳纤维复合桨叶预制体采用铺缝工艺制备，增加了设计的自由度，大大的降低了螺旋桨叶片的分层风险；

5、本发明的碳纤维复合桨叶在制作过程中将铺缝织物的基布去除，利用加热的方式使得基布与铺缝织物分离，大大提高铺缝织物层与层之间的力学性能；

6、本发明的金属轮毂与碳纤维复合桨叶的装配和胶接，在金属轮毂胶接区域铺贴胶膜，放置加压气囊和夹紧工装，给加压气囊加压，并在一定温度下，完成金属轮毂与的碳纤维复合桨叶胶接，获得碳纤维复合螺旋桨，增加了螺旋桨的结构稳定性；

7、本发明的碳纤维复合桨叶由于其制备材料性能优异，且结构的设计合理，同时成本较低，易于推广和应用。

附图说明

图1是本发明所述的金属轮毂结构示意图。

图2是本发明所述的碳纤维复合桨叶的结构示意图。

图3是本发明所述的金属轮毂与碳纤维复合桨叶的配合示意图。

图4是本发明所述的碳纤维复合材料螺旋桨整桨的结构示意图。

附图标记：

1 键槽、2安装卡槽、3黏胶层、4金属轮毂、5碳纤维复合桨叶、6安装凸起、7支撑条。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种用于船舶的碳纤维复合螺旋桨，参考图1中，其与现有技术的区别在于，碳纤维复合螺旋桨包括一个金属轮毂和安装在金属轮毂上的四个碳纤维复合桨叶，金属轮毂的外圈设有四个安装卡槽，碳纤维复合桨叶设有与安装卡槽相对应的安装凸起，金属轮毂与碳纤维复合桨叶之间通过安装卡槽与安装凸起装配并附加黏胶层，使得两者固定连接；碳纤维复合桨叶由预制体和树脂基体复合而成，预制体是在预制体的模具上，采用铺缝织物层层叠加铺贴而成的。

具体来说，这里安装卡槽呈T字型，由纵向槽和横向槽垂直拼接而成，其中横向槽的两端设有向内倾斜的倒角，便于与安装凸块配合后更好的卡合，在螺旋桨旋转和使用过程中不易脱落，同时为了安装到位，增加碳纤维复合桨叶与金属轮毂之间的接触面积，除了设置于安装卡槽相配合的安装凸块，更是在安装凸块的底部加设了一条支撑条，安装时，所述的黏胶层则铺设在支撑条上，支撑条呈圆弧状，与金属轮毂的外形相匹配。所属安装卡槽在金属轮毂上呈均分设置。

优选的，树脂基体选用如下材料中的一种或者两种以上组合：不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂或环氧树脂。具体来说，可以选用环氧树脂EH301或者环氧树脂EL306，或者不饱和聚酯树脂TM182与EH031环氧树脂按1：9的重量百分比比例混合会有效的提高螺旋桨的力学性能。

进一步，所述的铺缝织物是在基布上采用缝纫线按照预制体模具形状而缝制的，所述的基布采用玻璃纤维布，缝纫线采用可熔尼龙线。所述玻璃纤维布厚度为0.1-0.15mm，缝纫线累积厚度不得超过铺缝织物总厚度的2.5%。

现有的复合材料螺旋桨的制备方法采用传统的铺层方式，织物的角度有0°、±45°、 90°，设计自由度受到很大限制，传统的叠层铺层方式，长久服役下易引发叶片导边和随边处的脱层剥离，降低工作效率，甚至失效。本发明通过控制纤维牵引方向，在各单层内可自由设计随空间位置连续变化的纤维取向，同时对刚度和强度进行裁剪优化设计，充分发挥纤维力学性能。

本发明的碳纤维复合桨叶由预制体和树脂基体复合而成，预制体是在预制体的模具上，采用铺缝织物层层叠加铺贴而成的，该种船舶用碳纤维复合材料螺旋桨具有轻质、高效、低噪音、抗疲劳、抗腐蚀及微生物附着、易维修等特点。同时金属轮毂与碳纤维复合桨叶通过装配和胶接进行固定连接，由此获得碳纤维复合螺旋桨，增加了螺旋桨的结构稳定性，同时具有良好的疲劳性能与抗冲击性能。

本发明所述的一种用于船舶的碳纤维复合螺旋桨的制备方法，其与现有技术的区别在于，所述的制备方法包括如下步骤：a、制备铺缝织物，根据所需要制备的碳纤维复合桨叶的大小，将预先设计好的铺缝路径图导入到铺缝机器里，将基布放在铺缝机器的平台上并固定，调节铺缝机器铺缝针距与速度，运行铺缝机器，完成铺缝织物的制作；b、将铺缝织物的基布去除，裁剪铺缝织物使其边缘与织物边缘有5-15mm余量，利用加热的方式使得基布与铺缝织物分离；c、预制体的制备，将去掉基布的铺缝织物铺贴在预制体模具上，每铺贴一片铺缝织物，就通过加热的方式定型铺缝织物一次，铺缝织物铺贴完毕，预制体制作完成并密封保存；d、树脂转移模塑成型处理，将预制体放入模具中并合模，当模具升温至30-50℃开始注胶，注胶结束按照树脂固化制度给模具升温，固化结束模具降温，待模具降温至30-40℃，开始脱模，完成碳纤维复合桨叶的制作；e、金属轮毂与碳纤维复合桨叶的装配和胶接，在金属轮毂胶接区域铺贴胶膜，放置加压气囊和夹紧工装，给加压气囊加压，并在一定温度下，完成金属轮毂与的碳纤维复合桨叶胶接，获得碳纤维复合螺旋桨。

在一个实施例中，金属轮毂的外圈设有四个安装卡槽，这四个安装卡槽只要保持沿着金属轮毂的圆心线保持左右对称和上下对称即可，不一定沿着圆周均匀分布，可以沿着圆周分设在30度、150度、210度和330度位置，也可以沿着圆周分设在40度、140度、220度和320度位置，都能取得比较的好的应用效果。

预制体由铺缝织物铺贴制得，所述的铺缝织物采用铺缝工艺制备。树脂基体选用酚醛树脂。碳纤维复合桨叶设有与安装卡槽相对应的安装凸起，金属轮毂与碳纤维复合桨叶之间通过安装卡槽与安装凸起装配并附加黏胶层，使得两者固定连接。这种结构的碳纤维复合螺旋桨具有轻质、高效、低噪音、抗疲劳、抗腐蚀及微生物附着、易维修等特点。

在一个方法的实施例中，包括如下步骤：a、制备铺缝织物，根据所需要制备的碳纤维复合桨叶的大小，将预先设计好的铺缝路径图导入到铺缝机器里，将基布放在铺缝机器的平台上并固定，调节铺缝机器铺缝针距与速度，运行铺缝机器，完成铺缝织物的制作，其中，在铺缝机器上安装纤维线轴和缝纫线线轴，调节铺缝机器铺缝针距为5mm，调节车速每分钟650针；b、将铺缝织物的基布去除，裁剪铺缝织物使其边缘与织物边缘有12mm余量，将裁剪完基布的铺缝织物放在金属铁板上，调节手动加热设备的温度为高于缝纫线熔点温度的120℃，控制手动加热设备与基布的距离为10-12mm之间，利用手动加热设备的瞬时温度，使基布表面的缝纫线熔融断裂，让基布与织物分离；c、预制体的制备，将去掉基布的铺缝织物铺贴在预制体模具上，每铺贴一片铺缝织物，就通过加热的方式定型铺缝织物一次，铺缝织物铺贴完毕，预制体制作完成并密封保存；d、树脂转移模塑成型处理，将预制体放入模具中并合模，当模具升温至45℃开始注胶，注胶结束按照树脂固化制度给模具升温，固化结束模具降温，待模具降温至32℃，开始脱模，完成碳纤维复合桨叶的制作；e、金属轮毂与碳纤维复合桨叶的装配和胶接，在金属轮毂胶接区域铺贴胶膜，放置加压气囊和夹紧工装，给加压气囊加压，并在一定温度下，完成金属轮毂与的碳纤维复合桨叶胶接，获得碳纤维复合螺旋桨。

这里的碳纤维复合桨叶在制作过程中需要经过制备铺缝织物、基布去除、预制体的制备和树脂转移模塑成型处理这些严密的过程，因此制成的产品具有轮廓度精度高，表面粗糙度低，变形量小等特点，同时预制体采用铺缝工艺制备，增加了设计的自由度，大大的降低了螺旋桨叶片的分层风险。

在另一个实施例中，首先制备铺缝织物，根据所需要制备的碳纤维复合桨叶的大小，将预先设计好的铺缝路径图导入到铺缝机器里，将基布放在铺缝机器的平台上并固定，调节铺缝机器铺缝针距与速度，运行铺缝机器，完成铺缝织物的制作；接着将铺缝织物的基布去除，裁剪铺缝织物使其边缘与织物边缘有5-15mm余量，利用加热的方式使得基布与铺缝织物分离；预制体的制备，利用丙酮清理模具表面，在预制体模具上按照拟定的铺缝织物顺序铺贴铺缝织物，每层铺缝织物铺贴完毕之后，在高于缝纫线熔点28℃的温度下定型铺缝织物，定型时间为0.67h，铺缝织物铺贴完毕，预制体制作完成并密封保存，预制体的厚度是渐变的，最厚的区域300-500mm，最薄的区域10-50mm。

然后完成树脂转移模塑成型处理，将预制体放入模具中并合模，当模具升温至40℃开始注胶，注胶结束按照树脂固化制度给模具升温，固化结束模具降温，待模具降温至35℃，开始脱模，完成碳纤维复合桨叶的制作；金属轮毂与碳纤维复合桨叶的装配和胶接，在金属轮毂胶接区域铺贴胶膜，放置加压气囊和夹紧工装，给加压气囊加压，加热金属轮毂至45℃，给加压气囊加压2bar，并在100-130℃下，完成金属轮毂与的碳纤维复合桨叶胶接，获得碳纤维复合螺旋桨。

在一个具体的实施例中，船舶用碳纤维复合材料螺旋桨，包括一个金属轮毂与四个复合材料桨叶，所述复合材料桨叶片采用RTM工艺制得，其特征在于：所述RTM工艺的预制体由铺缝织物铺贴制得，所述的铺缝织物采用铺缝工艺制备。所述的复合材料叶片与金属轮毂通过装配，胶接工艺制得船舶用碳纤维复合材料螺旋桨。上述船舶用碳纤维复合材料螺旋桨，包括以下步骤：

1）制备铺缝织物：将预先设计好的铺缝路径图导入到铺缝机器里，将基布放在铺缝机器的平台上并固定，安装纤维线轴、缝纫线线轴。调节铺缝机器铺缝针距为3-8mm，调节车速每分钟500-800针，在机器操作过程中需要人员时刻关注铺缝情况，并处理铺缝过程中出现的断纱、断线等缺陷，待铺缝织物铺缝完毕，取下铺缝织物并称重

2）基布撕离：取称重后的铺缝织物，裁剪基布使其边缘与织物边缘有5-15mm余量，将裁剪完基布的铺缝织物放在金属铁板上，调节手动加热设备的温度为高于缝纫线熔点温度的80-150℃，控制手动加热设备与基布的距离为10-30mm之间，利用手动加热设备的瞬时温度，使基布表面的缝纫线熔融断裂，让基布与织物分离。

3）预制体制备：预制体模具准备，并利用丙酮清理模具表面，涂抹封孔剂、脱模剂。在预制体模具上按照拟定的铺缝织物顺序铺贴铺缝织物，每层铺缝织物铺贴完毕之后，铺贴脱模布，真空袋密封，在高于缝纫线熔点20-30℃的温度下定型铺缝织物，定型时间为0.5-1h。待复合材料螺旋桨预制体制备完成，需真空密封保存等待合模。

4）RTM成型：将预制体放入模具中并合模，检测模具气密性，密封性完好将模具运至加热设备中，待模具温度升温至30-50℃开始注胶，注胶过程通过调节注胶压力来保证预制体充分浸润，压力调节范围为1-12bar，注胶结束按照树脂固化制度给模具升温，固化结束模具降温，待模具降温至30-40℃，开始脱模。脱模后复合材料桨叶需打磨掉残留的树脂片。

5）装配与胶接：取金属轮毂，并用丙酮清理金属轮毂表面，利用校验膜，校验金属轮毂与复合材料叶片之间间隙，并记录校验情况，加热金属轮毂至30-50℃，根据校验结果将回温超过6h的校验膜铺贴在金属轮毂胶接区域，装配金属轮毂与复合材料叶片，放置加压气囊，放置夹紧工装。给加压气囊加压1-3bar，并在100-130℃下，完成金属轮毂与复合材料叶片的胶接，并利用无损检测设备检测碳纤维复合材料螺旋桨质量。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种用于船舶的碳纤维复合螺旋桨，其特征在于，碳纤维复合螺旋桨包括一个金属轮毂和安装在金属轮毂上的四个碳纤维复合桨叶，金属轮毂的外圈设有四个安装卡槽，碳纤维复合桨叶设有与安装卡槽相对应的安装凸起，金属轮毂与碳纤维复合桨叶之间通过安装卡槽与安装凸起装配并附加黏胶层，使得两者固定连接；碳纤维复合桨叶由预制体和树脂基体复合而成，预制体是在预制体的模具上，采用铺缝织物层层叠加铺贴而成的。

2.根据权利要求1所述的一种用于船舶的碳纤维复合螺旋桨，其特征在于，树脂基体选用如下材料中的一种或者两种以上组合：不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂或环氧树脂。

3.根据权利要求1所述的一种用于船舶的碳纤维复合螺旋桨，其特征在于，所述的铺缝织物是在基布上采用缝纫线按照预制体模具形状而缝制的铺缝织物，所述的基布采用玻璃纤维布，缝纫线采用可熔尼龙线。

4.根据权利要求1所述的一种用于船舶的碳纤维复合螺旋桨的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括如下步骤：a、制备铺缝织物，根据所需要制备的碳纤维复合桨叶的大小，将预先设计好的铺缝路径图导入到铺缝机器里，将基布放在铺缝机器的平台上并固定，调节铺缝机器铺缝针距与速度，运行铺缝机器，完成铺缝织物的制作；b、将铺缝织物的基布去除，裁剪铺缝织物使其边缘与织物边缘有5-15mm余量，利用加热的方式使得基布与铺缝织物分离；c、预制体的制备，将去掉基布的铺缝织物铺贴在预制体模具上，每铺贴一片铺缝织物，就通过加热的方式定型铺缝织物一次，铺缝织物铺贴完毕，预制体制作完成并密封保存；d、树脂转移模塑成型处理，将预制体放入模具中并合模，当模具升温至30-50℃开始注胶，注胶结束按照树脂固化制度给模具升温，固化结束模具降温，待模具降温至30-40℃，开始脱模，完成碳纤维复合桨叶的制作；e、金属轮毂与碳纤维复合桨叶的装配和胶接，在金属轮毂胶接区域铺贴胶膜，放置加压气囊和夹紧工装，给加压气囊加压，并在一定温度下，完成金属轮毂与的碳纤维复合桨叶胶接，获得碳纤维复合螺旋桨。

5.根据权利要求4所述的一种用于船舶的碳纤维复合螺旋桨的制备方法，其特征在于，a步骤中，在铺缝机器上安装纤维线轴和缝纫线线轴，调节铺缝机器铺缝针距为3-8mm，调节车速每分钟500-800针。

6.根据权利要求4所述的一种用于船舶的碳纤维复合螺旋桨的制备方法，其特征在于，b步骤中，将裁剪完基布的铺缝织物放在金属铁板上，调节手动加热设备的温度为高于缝纫线熔点温度的80-150℃，控制手动加热设备与基布的距离为10-30mm之间，利用手动加热设备的瞬时温度，使基布表面的缝纫线熔融断裂，让基布与织物分离。

7.根据权利要求4所述的一种用于船舶的碳纤维复合螺旋桨的制备方法，其特征在于，c步骤中，利用丙酮清理模具表面，在预制体模具上按照拟定的铺缝织物顺序铺贴铺缝织物，每层铺缝织物铺贴完毕之后，在高于缝纫线熔点20-30℃的温度下定型铺缝织物，定型时间为0.5-1h。

8.根据权利要求4所述的一种用于船舶的碳纤维复合螺旋桨的制备方法，其特征在于，e步骤中，加热金属轮毂至30-50℃，给加压气囊加压1-3bar，并在100-130℃下，完成金属轮毂与复合材料叶片的胶接，并利用无损检测设备检测碳纤维复合材料螺旋桨质量。