CN111499338B - 一种高比强度通风机用复合材料叶片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高比强度通风机用复合材料叶片及其制备方法。所述叶片由三部分组成，由内及外分别以位于内部的复合纤维骨架为主体，填充在复合纤维骨架之间的基底填充层作为增强体，以及喷涂在外部的表面功能层作为防护体，复合纤维骨架、基底填充层、表面功能涂层的重量比为(10‑12)：(3‑5)：0.5。本发明以镂空的复合纤维骨架为主体，既能够满足金属框架的主体强度，也能减轻质量；然后在镂空的复合纤维骨架之间填充有含有纳米弹簧的环氧树脂发泡材料作为增强体，利用纳米弹簧的储能缓冲特性，用于在通风机叶片工作时对沿径向施加在叶片上的离心力进行有效缓冲，提高叶片的比强度。
Description
技术领域
本发明属于零价加工技术领域，具体涉及一种高比强度通风机用复合材料叶片及其制备方法。
背景技术
在一些例如矿井或者排烟等通风等场所需要使用通风机进行换气，常规的通风机的扇叶一般选择铝质、铝合金质或钢质材料制成，然而在长时间的通风条件下，通风机的扇叶在运行过程中将产生强大的离心力，由于金属实心叶片自重较大，而通风机在运行过程中所产生离心力的大小与风扇扇叶的自重成正比，并且叶片体积大小与产生的离心力大小也成正比，每个通风机的叶片上产生的离心力均在数吨甚至数十吨，在通风机运行过程中，强大的的离心力和气流流动的压力很容易将叶片拉断。
公开号为CN101787987A的中国发明专利公开了一种一体型矿用通风机风扇扇叶及其制备方法，该扇叶是由叶体和金属材料的叶柄注塑或浇注成型为一体结构，其中：叶体是由PC工程塑料或PC复合材料、增强材料、增硬耐磨材料和导电材料配制而成，并通过注塑或浇注的方法将风扇叶体与叶柄结合为一体。该发明以塑料为主要材质进行浇注成型制备扇叶，虽然质量轻但是塑料的抗拉强度会大大降低，尤其容易老化，使用寿命也不高，不能满足实际应用。
发明内容
针对以上存在的技术问题，本发明提供一种高比强度通风机用复合材料叶片及其制备方法。
本发明的技术方案为：一种高比强度通风机用复合材料叶片，叶片由三部分组成，由内及外分别以位于内部的复合纤维骨架为主体，填充在复合纤维骨架之间的基底填充层作为增强体，以及喷涂在外部的表面功能层作为防护体，复合纤维骨架、基底填充层、表面功能涂层的重量比为(10-12)：(3-5)：0.5。
本发明还提供了一种高比强度通风机用复合材料叶片的制备方法，包括含以下步骤：
S1：设计叶片的外形参数，并采用3D打印法打印出镂空的复合纤维骨架作为主体；
S2：将含有纳米弹簧的发泡材料填充在复合纤维骨架之内作为增强体，并放入热压模具中，调节热压参数，得到填充有基底填充层的复合纤维骨架；
S3：冷却至室温后，采用机械打磨方式将填充有基底填充层的复合纤维骨架表面多余突出物打磨平整，在打磨平整后的表面喷涂表面功能材料形成表面功能层作为防护体，最终得到复合材料叶片。
进一步地，按重量组份计，复合纤维骨架包括以下原材料：20-25份微晶石墨粉、18-23份纳米碳化硅、40-45份纳米钛铝合金粉末、1-3份1，2氨丙基三乙氧基硅烷、10-12份聚丙烯酸酯。钛铝合金粉末为市售产品，其中钛含量≥50％，以聚丙烯酸酯作为高分子粘合剂和1，2氨丙基三乙氧基硅烷作为辅助粘合剂，能够提高复合纤维骨架中各个成分的结合强度。
更进一步地，复合纤维骨架的原材料预处理方法为：
第一步，将上述份数的聚丙烯酸酯溶于丙酮中，聚丙烯酸酯与丙酮的重量比为1:40-60，然后加入上述组份的1，2氨丙基三乙氧基硅烷充分搅拌均匀，制备成粘合剂乳液；
第二步，取上述组份的微晶石墨粉、纳米碳化硅、纳米钛铝合金粉末采用球磨方式混合均匀，得到混合粉，然后将粘合剂乳液喷成雾状液滴覆盖在混合粉表面形成包衣；
第三步，将包裹有包衣的混合粉整体放入-10℃至-5℃的环境中冷冻干燥60-120min，取出后采用35kHz-50kHz频率超声波振荡分散成为包裹有粘合剂包衣的混合粉末，即完成复合纤维骨架的原材料预处理。通过将粘合剂均匀包裹在粉末的外层然后进过3D打印成型，相较于将常规方式打印出来的材质中各粉末成分结合度更高，比强度也更高。
进一步地，按重量组份计，基底填充层由以下原材料混合而成：12-14份纳米弹簧、25-30份环氧树脂粉末、1-3份Ac发泡剂、60-80份丙酮、1-3份悬浮剂。纳米弹簧具有实体弹簧的储能缓冲特性，能够在通风机叶片工作时对沿径向施加在叶片上的离心力进行有效缓冲，提高叶片的比强度。
更进一步地，纳米弹簧为钨金属单晶纳米线、碳纳米弹簧中任意一种。
进一步地，按重量组份计，表面功能涂层的原材料包括：14-20份纳米聚乙烯粉末、8-10份石墨烯粉末。聚乙烯粉末具有一定的抗拉强度，并且防腐性能优良，石墨烯粉末与纳米聚乙烯粉末组合能够提高叶片表面防腐防污性能同时不增加叶片重量。
更进一步地，表面功能涂层的原材料的预处理方法为：取上述组份的石墨烯粉末与去离子水混合，配置成为1.4-1.8g/L的石墨烯水溶液，然后将上述组份的纳米聚乙烯粉末放入石墨烯水溶液中搅拌，使得石墨烯在纳米聚乙烯粉末外层组装成为外壳，60-70℃烘干，即得石墨烯包覆聚乙烯粉。通过石墨烯包覆的聚乙烯粉能够提高喷涂粉末的流动性，使得喷涂更加均匀，并且形成的涂层致密性更高，表面防护更加优越。
进一步地，S 2中热压参数为热压温度110-120℃，热压时间60-90min，热压压力1.0-2.5MPa。
进一步地，S3中的喷涂参数为：喷涂的工作压力为0.9-1MPa,喷涂距离40mm-45mm，喷涂角度70°-80°，喷涂速度8cm/s-10cm/s。
本发明的有益效果为：本发明以镂空的复合纤维骨架为主体，既能够满足金属框架的主体强度，也能减轻质量；然后在镂空的复合纤维骨架之间填充有含有纳米弹簧的环氧树脂发泡材料作为增强体，其中，纳米弹簧具有实体弹簧的储能缓冲特性，能够在通风机叶片工作时对沿径向施加在叶片上的离心力进行有效缓冲，提高叶片的比强度。同时发泡的环氧树脂不仅质轻而且多孔材质也能对复合纤维骨架进行包裹形成缓冲层，抵御离心力对叶片的伤害。最后采用含有聚乙烯粉末和石墨烯粉末的涂层在叶片表面形成功能保护层，能够提高叶片的防腐性能
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种高比强度通风机用复合材料叶片，叶片由三部分组成，由内及外分别以位于内部的复合纤维骨架为主体，填充在复合纤维骨架之间的基底填充层作为增强体，以及喷涂在外部的表面功能层作为防护体。
按重量组份计，复合纤维骨架包括以下原材料：20份微晶石墨粉、18份纳米碳化硅、40份纳米钛铝合金粉末、1份1，2氨丙基三乙氧基硅烷、10份聚丙烯酸酯。钛铝合金粉末为市售产品，其中钛含量≥50％，以聚丙烯酸酯作为高分子粘合剂和1，2氨丙基三乙氧基硅烷作为辅助粘合剂，能够提高复合纤维骨架中各个成分的结合强度。
按重量组份计，基底填充层由以下原材料混合而成：12份纳米弹簧、25份环氧树脂粉末、1份Ac发泡剂、60份丙酮、1份悬浮剂。纳米弹簧具有实体弹簧的储能缓冲特性，能够在通风机叶片工作时对沿径向施加在叶片上的离心力进行有效缓冲，提高叶片的比强度。悬浮剂为市售常规产品。
按重量组份计，表面功能涂层的原材料包括：14份纳米聚乙烯粉末、8份石墨烯粉末。聚乙烯粉末具有一定的抗拉强度，并且防腐性能优良，石墨烯粉末与纳米聚乙烯粉末组合能够提高叶片表面防腐防污性能同时不增加叶片重量。
在叶片的实际制造过程中，复合纤维骨架、基底填充层、表面功能涂层的重量比为10：3：0.5。
实施例2
本实施例提供一种高比强度通风机用复合材料叶片，叶片由三部分组成，由内及外分别以位于内部的复合纤维骨架为主体，填充在复合纤维骨架之间的基底填充层作为增强体，以及喷涂在外部的表面功能层作为防护体。
按重量组份计，复合纤维骨架包括以下原材料：22份微晶石墨粉、20份纳米碳化硅、43份纳米钛铝合金粉末、2份1，2氨丙基三乙氧基硅烷、11份聚丙烯酸酯。钛铝合金粉末为市售产品，其中钛含量≥50％，以聚丙烯酸酯作为高分子粘合剂和1，2氨丙基三乙氧基硅烷作为辅助粘合剂，能够提高复合纤维骨架中各个成分的结合强度。
按重量组份计，基底填充层由以下原材料混合而成：13份纳米弹簧、27份环氧树脂粉末、2份Ac发泡剂、70份丙酮、2份悬浮剂。纳米弹簧具有实体弹簧的储能缓冲特性，能够在通风机叶片工作时对沿径向施加在叶片上的离心力进行有效缓冲，提高叶片的比强度。悬浮剂为市售常规产品。
按重量组份计，表面功能涂层的原材料包括：17份纳米聚乙烯粉末、9份石墨烯粉末。聚乙烯粉末具有一定的抗拉强度，并且防腐性能优良，石墨烯粉末与纳米聚乙烯粉末组合能够提高叶片表面防腐防污性能同时不增加叶片重量。
在叶片的实际制造过程中，复合纤维骨架、基底填充层、表面功能涂层的重量比为11：4：0.5。
实施例3
本实施例提供一种高比强度通风机用复合材料叶片，叶片由三部分组成，由内及外分别以位于内部的复合纤维骨架为主体，填充在复合纤维骨架之间的基底填充层作为增强体，以及喷涂在外部的表面功能层作为防护体。
按重量组份计，复合纤维骨架包括以下原材料：25份微晶石墨粉、23份纳米碳化硅、45份纳米钛铝合金粉末、3份1，2氨丙基三乙氧基硅烷、12份聚丙烯酸酯。钛铝合金粉末为市售产品，其中钛含量≥50％，以聚丙烯酸酯作为高分子粘合剂和1，2氨丙基三乙氧基硅烷作为辅助粘合剂，能够提高复合纤维骨架中各个成分的结合强度。
按重量组份计，基底填充层由以下原材料混合而成：14份纳米弹簧、30份环氧树脂粉末、3份Ac发泡剂、80份丙酮、3份悬浮剂。纳米弹簧具有实体弹簧的储能缓冲特性，能够在通风机叶片工作时对沿径向施加在叶片上的离心力进行有效缓冲，提高叶片的比强度。悬浮剂为市售常规产品。
按重量组份计，表面功能涂层的原材料包括：20份纳米聚乙烯粉末、10份石墨烯粉末。聚乙烯粉末具有一定的抗拉强度，并且防腐性能优良，石墨烯粉末与纳米聚乙烯粉末组合能够提高叶片表面防腐防污性能同时不增加叶片重量。
在叶片的实际制造过程中，复合纤维骨架、基底填充层、表面功能涂层的重量比为12：5：0.5。
实施例4
在实施例2的基础上，本实施例提供了一种高比强度通风机用复合材料叶片的制备方法，包括含以下步骤：
S1：设计叶片的外形参数，按重量组份计，取25份微晶石墨粉、23份纳米碳化硅、45份纳米钛铝合金粉末、3份1，2氨丙基三乙氧基硅烷、12份聚丙烯酸酯混合均匀作为复合纤维骨架制作原料，采用3D打印法打印出镂空的复合纤维骨架作为主体；
S2：按重量组份计，取14份纳米弹簧(钨金属单晶纳米线，具体为单晶钨纳米线)、30份环氧树脂粉末、3份Ac发泡剂、80份丙酮、3份悬浮剂混合均匀，得到含有纳米弹簧的发泡材料，并将其填充在复合纤维骨架之内作为增强体，放入热压模具中，调节热压参数为热压温度115℃，热压时间70min，热压压力2MPa，得到填充有基底填充层的复合纤维骨架；
S3：冷却至室温后，采用机械打磨方式将填充有基底填充层的复合纤维骨架表面多余突出物打磨平整，在打磨平整后的表面喷涂表面功能材料形成表面功能层作为防护体，其中表面功能材料按重量组份计为17份纳米聚乙烯粉末、9份石墨烯粉末，最终得到复合材料叶片。喷涂的工作压力为0.92MPa,喷涂距离43mm，喷涂角度75°，喷涂速度9cm/s。
实施例5
本实施例与实施例4基本相同，不同之处在于：S1中复合纤维骨架的原料需要经过预处理，按重量组份计，预处理的方法为：
第一步，将12份聚丙烯酸酯溶于丙酮中，聚丙烯酸酯与丙酮的重量比为1:40-60，然后加入3份1，2氨丙基三乙氧基硅烷充分搅拌均匀，制备成粘合剂乳液；
第二步，取25份微晶石墨粉、23份纳米碳化硅、45份纳米钛铝合金粉末采用球磨方式混合均匀，得到混合粉，然后将粘合剂乳液喷成雾状液滴覆盖在混合粉表面形成包衣；
第三步，将包裹有包衣的混合粉整体放入-8℃的环境中冷冻干燥90min，取出后采用45kHz频率超声波振荡分散成为包裹有粘合剂包衣的混合粉末，即完成复合纤维骨架的原材料预处理。通过将粘合剂均匀包裹在粉末的外层然后进过3D打印成型，相较于将常规方式打印出来的材质中各粉末成分结合度更高，比强度也更高。
实施例6
本实施例与实施例4基本相同，不同之处在于：S3中表面功能材料即基底填充层的原材料的预处理方法为：按照重量组份计，取9份石墨烯粉末与去离子水混合，配置成为1.6g/L的石墨烯水溶液，然后将17份纳米聚乙烯粉末放入石墨烯水溶液中搅拌，使得石墨烯在纳米聚乙烯粉末外层组装成为外壳，65℃烘干，即得石墨烯包覆聚乙烯粉。通过石墨烯包覆的聚乙烯粉能够提高喷涂粉末的流动性，使得喷涂更加均匀，并且形成的涂层致密性更高，表面防护更加优越。
实施例7
本实施例与实施例4基本相同，不同之处在于：
S1中复合纤维骨架的原料需要经过预处理，按重量组份计，预处理的方法为：
第一步，将12份聚丙烯酸酯溶于丙酮中，聚丙烯酸酯与丙酮的重量比为1:40-60，然后加入3份1，2氨丙基三乙氧基硅烷充分搅拌均匀，制备成粘合剂乳液；
第二步，取25份微晶石墨粉、23份纳米碳化硅、45份纳米钛铝合金粉末采用球磨方式混合均匀，得到混合粉，然后将粘合剂乳液喷成雾状液滴覆盖在混合粉表面形成包衣；
第三步，将包裹有包衣的混合粉整体放入-8℃的环境中冷冻干燥90min，取出后采用45kHz频率超声波振荡分散成为包裹有粘合剂包衣的混合粉末，即完成复合纤维骨架的原材料预处理。
S3中表面功能材料即基底填充层的原材料的预处理方法为：按照重量组份计，取9份石墨烯粉末与去离子水混合，配置成为1.6g/L的石墨烯水溶液，然后将17份纳米聚乙烯粉末放入石墨烯水溶液中搅拌，使得石墨烯在纳米聚乙烯粉末外层组装成为外壳，65℃烘干，即得石墨烯包覆聚乙烯粉。
实施例8
本实施例与实施例4基本相同，不同之处在于：所述纳米弹簧为碳纳米弹簧。
实验例1
采用实施例4的制备方法制备实施例1-3中不同成分配比的叶片作为实验组1-3，并利用公开号为CN101787987A公开的扇叶作为对比例，以及普通铝合金扇叶作为对比例2，分别测试其力学性能，测试结果如表1所示：
表1实验组1-3和对比例1-2制备的通风机叶片的力学性能测试结果
从表1中可以看出，采用本发明的的实施例4的方法制备的不同配比的叶片的力学性能差不多，比强度可达到290MPag/cm3以上，并且以实施例2中的配比制备的叶片力学性能最佳，比强度可达到298.7MPag/cm3。相较于对比例1和对比例2均有明显的提升。
实施例2
以实施例2中配比为例，并对比实施例4-7中不同制备方法制备出的叶片的比强度Rm/ρ检测，结果如表2所示：
表2实施例4-7中不同制备方法制备出的叶片的比强度Rm/ρ检测结果
由表2可以看出，由本发明实施例7的制备方法制备的叶片的比强度最高可达到318.3MPag/cm3。
实施例3
以实施例4的制备方法为基础，纳米弹簧分别采用实施例4中的钨金属单晶纳米线，具体为单晶钨纳米线，实施例8中的碳纳米弹簧，以及不添加纳米弹簧作为空白组，对比添加不同的纳米弹簧对叶片的比强度Rm/ρ性能测试结果，测试结果如表3所示：
表3添加不同的纳米弹簧对叶片的比强度Rm/ρ性能测试结果
由表3可以看出，添加单晶钨纳米线比碳纳米弹簧的叶片比强度要略高，但是添加纳米弹簧要比不添加纳米弹簧的空白组均高，说明纳米弹簧对叶片的比强度有影响。
Claims (5)
1.一种高比强度通风机用复合材料叶片，其特征在于，所述叶片由三部分组成，由内及外分别以位于内部的复合纤维骨架为主体，填充在复合纤维骨架之间的基底填充层作为增强体，以及喷涂在外部的表面功能层作为防护体，所述复合纤维骨架、基底填充层、表面功能涂层的重量比为(10-12)：(3-5)：0.5；
所述复合纤维骨架包括以下原材料：20-25份微晶石墨粉、18-23份纳米碳化硅、40-45份纳米钛铝合金粉末、1-3份1，2氨丙基三乙氧基硅烷、10-12份聚丙烯酸酯；
所述基底填充层由以下原材料混合而成：12-14份纳米弹簧、25-30份环氧树脂粉末、1-3份Ac发泡剂、60-80份丙酮、1-3份悬浮剂；
所述表面功能涂层的原材料包括：14-20份纳米聚乙烯粉末、8-10份石墨烯粉末；
所述叶片的制备方法包括含以下步骤：
S1：设计叶片的外形参数，并采用3D打印法打印出镂空的复合纤维骨架作为主体；
S2：将含有纳米弹簧的发泡材料填充在所述复合纤维骨架之内作为增强体，并放入热压模具中，调节热压参数，得到填充有基底填充层的复合纤维骨架；
S3：冷却至室温后，采用机械打磨方式将填充有基底填充层的复合纤维骨架表面多余突出物打磨平整，在打磨平整后的表面喷涂表面功能材料形成表面功能层作为防护体，最终得到复合材料叶片。
2.如权利要求1所述的一种高比强度通风机用复合材料叶片，其特征在于，所述复合纤维骨架的原材料预处理方法为：
第一步，将上述份数的聚丙烯酸酯溶于丙酮中，聚丙烯酸酯与丙酮的重量比为1:40-60，然后加入上述组份的1，2氨丙基三乙氧基硅烷充分搅拌均匀，制备成粘合剂乳液；
第二步，取上述组份的微晶石墨粉、纳米碳化硅、纳米钛铝合金粉末采用球磨方式混合均匀，得到混合粉，然后将所述粘合剂乳液喷成雾状液滴覆盖在所述混合粉表面形成包衣；
第三步，将包裹有包衣的混合粉整体放入-10℃至-5℃的环境中冷冻干燥60-120min，取出后采用35kHz-50kHz频率超声波振荡分散成为包裹有粘合剂包衣的混合粉末，即完成复合纤维骨架的原材料预处理。
3.如权利要求1所述的一种高比强度通风机用复合材料叶片，其特征在于，所述纳米弹簧为钨金属单晶纳米线、碳纳米弹簧中任意一种。
4.如权利要求1所述的一种高比强度通风机用复合材料叶片，其特征在于，S2中所述热压参数为热压温度110-120℃，热压时间60-90min，热压压力1.0-2.5MPa。
5.如权利要求1所述的一种高比强度通风机用复合材料叶片，其特征在于，S3中的喷涂参数为：喷涂的工作压力为0.9-1MPa，喷涂距离40mm-45mm，喷涂角度70°-80°，喷涂速度8cm/s-10cm/s。
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Denomination of invention: Preparation method of composite material blades for high-strength ventilation fans Granted publication date: 20211126 Pledgee: Wuxi Branch of China Everbright Bank Co.,Ltd. Pledgor: JIANGSU YOUGEMAN AVIATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2024980004301 |