CN111531767B - 一种无机富勒烯碳纤维复合材料无人机螺旋桨的制备方法 - Google Patents

一种无机富勒烯碳纤维复合材料无人机螺旋桨的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无机富勒烯碳纤维复合材料无人机螺旋桨的制备方法，属于无人航行器零部件技术领域，本发明通过无机富勒烯的加入可以提高碳纤维复合材料的耐磨性、抗弯强度和抗冲击性能。螺旋桨在碳纤维基体的高强度性能基础上，还具有通过混合无机富勒烯和聚四氟乙烯所加强的耐磨性，抗弯强度以及柔韧性等优点，无机富勒烯增强铝基纳米复合材料具有轻质的特点和极佳的减震性能，以及吸收冲击波的能力，使得其在轻质减震材料和高性能防护材料中具有良好的应用前景，并且制备成本较低，可进行工业化生产，具有较高的实用价值。

Description

一种无机富勒烯碳纤维复合材料无人机螺旋桨的制备方法
技术领域
本发明涉及无人航行器零部件技术领域，尤其涉及一种无机富勒烯碳纤维复合材料无人机螺旋桨的制备方法。
背景技术
无人驾驶飞机简称无人机(UAV)，具有机动灵活、反应快速、安全性高、无人飞行、操作要求低等优点，被广泛应用于电力、通信、气象、农业、海洋、摄影等领域。
螺旋桨作为无人机主要的升力部件，是无人机必不可少的一部分，对无人机的整体性能参数具有十分重要的影响。由于无人机的特性，往往要求螺旋桨需要具有轻质高强、耐高温、耐腐蚀等特点，尤其在沙尘等恶劣天气下，螺旋桨能够保证自身质量不受影响。因此，如何获得一种具备更优越的耐磨性、抗弯强度和抗冲击性能的螺旋桨是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无机富勒烯碳纤维复合材料无人机螺旋桨的制备方法，解决现有无人机螺旋桨比较重，耐高温特性不好和不具有耐腐蚀的技术问题。
一种无机富勒烯碳纤维复合材料无人机螺旋桨的制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：制作基体，将碳纤维、聚四氟乙烯、固化剂按重量比为2：1：1的配比进行搅拌混合，混合后加入熔融炉中持续加热至500℃，加热期间持续搅拌，待混合均匀后，利用注塑机将熔融后的混合物注入到基体模具中，待基体模具在常温下自然冷却后打开基体模具，取出碳纤维基片；
步骤2：制作加强材料，将碳纤维、无机富勒烯、环氧树脂、添加剂按重量比为1：0.5：2：1的配比进行搅拌混合后，将混合物加入磁力搅拌器，加热到80℃，加热期间持续搅拌20分钟；
步骤3：将步骤2中磁力搅拌器搅拌后的混合物加入螺旋桨模具的凹槽底部，使搅拌后的混合物浸满模具的凹槽底部，并保证其比重约占螺旋桨整体的25-30％，然后立即用真空吸盘将步骤1中的碳纤维基片放入到螺旋桨模具中，最后再添加步骤2中占比25-30％的混合物，浸满整个模具，物料添加完毕，合模并进行固化处理；
步骤4：待步骤3中的模具自然冷却至室温时，打开模具并取出成型的螺旋桨；
步骤5：打磨螺旋桨的边缘去除毛边，并对螺旋桨的表面进行抛光处理，完成制备。
所述步骤1中，注塑期间保持注塑压力为15-25MPa，注塑时的温度为500℃。
所述步骤1中碳纤维为甘蔗渣基碳纤维，甘蔗渣基碳纤维的制备过程为：选取甘蔗渣放入装有质量分数为5％的次氯酸钠溶液的烧杯中，浸泡12h，然后反复过滤至滤液PH接近中性，将过滤后的甘蔗渣放入烘干箱，在80℃下干燥10h；
尿素和去离子水体积比为1:1的尿素水溶液将干燥后的甘蔗渣与尿素水溶液接触，浸泡1h，将浸泡后的甘蔗渣取出，放入烘干箱，在80℃下干燥10h，重复干燥2-3次得到上浆甘蔗渣；
将得到的上浆甘蔗渣放入真空管式炉中，密封后，通入氮气，当排尽空气后，将真空管式炉的温度以5℃/min的速度升至400℃，保持400℃碳化40min；
然后将真空管式炉的温度以5℃/min升至1200℃，保持1200℃石墨化20min得到初步碳纤维；
把初步碳纤维放入45wt％硝酸水溶液中，浸泡30min，取出后放入去离子水中漂洗2次，将氧化后的碳纤维放入烘干箱中，在80℃下干燥10h，即得到甘蔗渣基碳纤维。
所述步骤2中的添加剂由防老剂、阻燃剂、固化剂三者同比例混合组成。
所述步骤3中的固化处理为通过中频加热炉对螺旋桨模具进行保温1-3小时，保温温度为180℃。
所述步骤2中的无机富勒烯为铝基纳米复合富勒烯材料，所述铝基纳米复合富勒烯材料的合成过程为：将无机富勒烯纳米颗粒IF-WS2放入乙醇中并使用超声波探针进行分散，将无机富勒烯纳米颗粒IF-WS2与乙醇混合物在80-90℃并带有剧烈搅拌下与Al粉末混合直至所有乙醇蒸发，在110-130℃的烘箱中干燥11-13小时得到初步的混合物样品，通过熔融沉积成型3D打印技术，将样品挤出，打印挤出头的温度控制为560～670℃，完成合成。
所述超声波探针进行分散的时间为0.8-1.2小时，超声频率为80～90KHz，熔融沉积成型3D打印的过程中，热压的温度为560～650℃，压力为75～85KN，气氛为N2的条件下热压30分钟。
将无机富勒烯纳米颗粒IF-WS2与乙醇混合物加热到80℃，加入铝粉颗粒混合，并快速搅拌，直至乙醇完全挥发，制得20wt％-30wt％IF-WS2与铝粉的混合固体样品，然后置于120℃的烘箱中烘干12小时。
本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下技术效果：
本发明通过无机富勒烯的加入可以提高碳纤维复合材料的耐磨性、抗弯强度和抗冲击性能。螺旋桨在碳纤维基体的高强度性能基础上，还具有通过混合无机富勒烯和聚四氟乙烯所加强的耐磨性，抗弯强度以及柔韧性等优点，无机富勒烯增强铝基纳米复合材料具有轻质的特点和极佳的减震性能，以及吸收冲击波的能力，使得其在轻质减震材料和高性能防护材料中具有良好的应用前景，并且制备成本较低，可进行工业化生产，具有较高的实用价值。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
实施例一：
一种无机富勒烯碳纤维复合材料无人机螺旋桨的制备方法，包括以下制作步骤：
步骤1：基体制作，将碳纤维、聚四氟乙烯、固化剂按重量比为2：1：1的配比进行搅拌混合，混合后加入熔融炉中持续加热至500℃，加热期间不断进行搅拌，待混合均匀后，利用注塑机将熔融后的混合物注入到基体模具中，待基体模具在常温下自然冷却后打开基体模具，取出碳纤维基片。注塑期间保持注塑压力为15MPa，注塑时的温度为500℃，且注入到到基体模具中的混合物重量占螺旋桨总体比重为30％。
碳纤维为甘蔗渣基碳纤维，甘蔗渣基碳纤维的制备过程为：选取甘蔗渣放入装有质量分数为5％的次氯酸钠溶液的烧杯中，浸泡12h，然后反复过滤至滤液PH接近中性，将过滤后的甘蔗渣放入烘干箱，在80℃下干燥10h；
尿素和去离子水体积比为1:1的尿素水溶液将干燥后的甘蔗渣与尿素水溶液接触，浸泡1h，将浸泡后的甘蔗渣取出，放入烘干箱，在80℃下干燥10h，重复干燥2-3次得到上浆甘蔗渣；
将得到的上浆甘蔗渣放入真空管式炉中，密封后，通入氮气，当排尽空气后，将真空管式炉的温度以5℃/min的速度升至400℃，保持400℃碳化40min；
然后将真空管式炉的温度以5℃/min升至1200℃，保持1200℃石墨化20min得到初步碳纤维；
把初步碳纤维放入45wt％硝酸水溶液中，浸泡30min，取出后放入去离子水中漂洗2次，将氧化后的碳纤维放入烘干箱中，在80℃下干燥10h，即得到甘蔗渣基碳纤维。
步骤2：加强材料制作，将碳纤维、无机富勒烯、环氧树脂、固化剂按重量比为1：0.5：2：1的配比进行搅拌混合后，将混合物加入磁力搅拌器，加热到80度，加热期间持续搅拌20分钟。
无机富勒烯为铝基纳米复合富勒烯材料，所述铝基纳米复合富勒烯材料的合成过程为：将无机富勒烯纳米颗粒IF-WS2放入乙醇中并使用超声波探针进行分散，将无机富勒烯纳米颗粒IF-WS2与乙醇混合物在80-90℃并带有剧烈搅拌下与Al粉末混合直至所有乙醇蒸发，在110-130℃的烘箱中干燥11-13小时得到初步的混合物样品，通过熔融沉积成型3D打印技术，将样品挤出，打印挤出头的温度控制为560～670℃，完成合成。
所述超声波探针进行分散的时间为0.8-1.2小时，超声频率为80～90KHz，熔融沉积成型3D打印的过程中，热压的温度为560～650℃，压力为75～85KN，气氛为N2的条件下热压30分钟。
将无机富勒烯纳米颗粒IF-WS2与乙醇混合物加热到80℃，加入铝粉颗粒混合，并快速搅拌，直至乙醇完全挥发，制得20wt％-30wt％IF-WS2与铝粉的混合固体样品，然后置于120℃的烘箱中烘干12小时。
步骤3：螺旋桨成型，将步骤2中磁力搅拌器搅拌后的混合物加入螺旋桨模具的凹槽底部，使搅拌后的混合物浸满模具的凹槽底部，并保证其比重约占螺旋桨整体的35％。完成上一动作之后立即利用真空吸盘将步骤1中的碳纤维基片放入到螺旋桨模具中。最后再添加占35％左右的混合物，使之浸满整个模具，物料添加完毕，合模并进行固化处理。通过中频加热炉对螺旋桨模具进行保温1小时，保温温度为180℃。
步骤4：取件，待步骤3中的模具自然冷却至室温时，打开模具并取出成型的螺旋桨。
步骤5：处理，打磨螺旋桨的边缘去除毛边，并对螺旋桨的表面进行抛光处理。
一种高性能无机富勒烯/碳纤维复合材料无人机螺旋桨的制备方法，包括以下制作步骤：
步骤1：基体制作，将碳纤维、聚四氟乙烯、固化剂按重量比为2：1：1的配比进行搅拌混合，混合后加入熔融炉中持续加热至500℃，加热期间不断进行搅拌，待混合均匀后，利用注塑机将熔融后的混合物注入到基体模具中，待基体模具在常温下自然冷却后打开基体模具，取出碳纤维基片。注塑期间保持注塑压力为15MPa，注塑时的温度为500℃，且注入到到基体模具中的混合物占螺旋桨总体比重为40％。
碳纤维为甘蔗渣基碳纤维，甘蔗渣基碳纤维的制备过程为：选取甘蔗渣放入装有质量分数为5％的次氯酸钠溶液的烧杯中，浸泡12h，然后反复过滤至滤液PH接近中性，将过滤后的甘蔗渣放入烘干箱，在80℃下干燥10h；
尿素和去离子水体积比为1:1的尿素水溶液将干燥后的甘蔗渣与尿素水溶液接触，浸泡1h，将浸泡后的甘蔗渣取出，放入烘干箱，在80℃下干燥10h，重复干燥2-3次得到上浆甘蔗渣；
将得到的上浆甘蔗渣放入真空管式炉中，密封后，通入氮气，当排尽空气后，将真空管式炉的温度以5℃/min的速度升至400℃，保持400℃碳化40min；
然后将真空管式炉的温度以5℃/min升至1200℃，保持1200℃石墨化20min得到初步碳纤维；
把初步碳纤维放入45wt％硝酸水溶液中，浸泡30min，取出后放入去离子水中漂洗2次，将氧化后的碳纤维放入烘干箱中，在80℃下干燥10h，即得到甘蔗渣基碳纤维。
步骤2：加强材料制作，将碳纤维、无机富勒烯、环氧树脂、固化剂按重量比为1：0.5：2：1的配比进行搅拌混合后，将混合物加入磁力搅拌器，加热到80度，加热期间持续搅拌20分钟。
无机富勒烯为铝基纳米复合富勒烯材料，所述铝基纳米复合富勒烯材料的合成过程为：将无机富勒烯纳米颗粒IF-WS2放入乙醇中并使用超声波探针进行分散，将无机富勒烯纳米颗粒IF-WS2与乙醇混合物在80-90℃并带有剧烈搅拌下与Al粉末混合直至所有乙醇蒸发，在110-130℃的烘箱中干燥11-13小时得到初步的混合物样品，通过熔融沉积成型3D打印技术，将样品挤出，打印挤出头的温度控制为560～670℃，完成合成。
所述超声波探针进行分散的时间为0.8-1.2小时，超声频率为80～90KHz，熔融沉积成型3D打印的过程中，热压的温度为560～650℃，压力为75～85KN，气氛为N2的条件下热压30分钟。
将无机富勒烯纳米颗粒IF-WS2与乙醇混合物加热到80℃，加入铝粉颗粒混合，并快速搅拌，直至乙醇完全挥发，制得20wt％-30wt％IF-WS2与铝粉的混合固体样品，然后置于120℃的烘箱中烘干12小时。
步骤3：螺旋桨成型，将步骤2中磁力搅拌器搅拌后的混合物加入螺旋桨模具的凹槽底部，使搅拌后的混合物浸满模具的凹槽底部，并保证其比重约占螺旋桨整体的30％。完成上一动作之后立即利用真空吸盘将步骤1中的碳纤维基片放入到螺旋桨模具中。最后再添加占比30％的混合物，使之浸满整个模具，物料添加完毕，合模并进行固化处理。通过中频加热炉对螺旋桨模具进行保温2小时，保温温度为180℃。
步骤4：取件，待步骤3中的模具自然冷却至室温时，打开模具并取出成型的螺旋桨。
步骤5：处理，打磨螺旋桨的边缘去除毛边，并对螺旋桨的表面进行抛光处理。
实施例二：
一种无机富勒烯碳纤维复合材料无人机螺旋桨的制备方法，包括以下制作步骤：
步骤1：基体制作，将碳纤维、聚四氟乙烯、固化剂按重量比为2：1：1的配比进行搅拌混合，混合后加入熔融炉中持续加热至500℃，加热期间不断进行搅拌，待混合均匀后，利用注塑机将熔融后的混合物注入到基体模具中，待基体模具在常温下自然冷却后打开基体模具，取出碳纤维基片。注塑期间保持注塑压力为15MPa，注塑时的温度为500℃，且注入到基体模具中的混合物占螺旋桨总体比重为50％。
碳纤维为甘蔗渣基碳纤维，甘蔗渣基碳纤维的制备过程为：选取甘蔗渣放入装有质量分数为5％的次氯酸钠溶液的烧杯中，浸泡12h，然后反复过滤至滤液PH接近中性，将过滤后的甘蔗渣放入烘干箱，在80℃下干燥10h；
尿素和去离子水体积比为1:1的尿素水溶液将干燥后的甘蔗渣与尿素水溶液接触，浸泡1h，将浸泡后的甘蔗渣取出，放入烘干箱，在80℃下干燥10h，重复干燥2-3次得到上浆甘蔗渣；
将得到的上浆甘蔗渣放入真空管式炉中，密封后，通入氮气，当排尽空气后，将真空管式炉的温度以5℃/min的速度升至400℃，保持400℃碳化40min；
然后将真空管式炉的温度以5℃/min升至1200℃，保持1200℃石墨化20min得到初步碳纤维；
把初步碳纤维放入45wt％硝酸水溶液中，浸泡30min，取出后放入去离子水中漂洗2次，将氧化后的碳纤维放入烘干箱中，在80℃下干燥10h，即得到甘蔗渣基碳纤维。
步骤2：加强材料制作，将碳纤维、无机富勒烯、环氧树脂、固化剂按重量比为1：0.5：2：1的配比进行搅拌混合后，将混合物加入磁力搅拌器，加热到80度，加热期间持续搅拌20分钟。
无机富勒烯为铝基纳米复合富勒烯材料，所述铝基纳米复合富勒烯材料的合成过程为：将无机富勒烯纳米颗粒IF-WS2放入乙醇中并使用超声波探针进行分散，将无机富勒烯纳米颗粒IF-WS2与乙醇混合物在80-90℃并带有剧烈搅拌下与Al粉末混合直至所有乙醇蒸发，在110-130℃的烘箱中干燥11-13小时得到初步的混合物样品，通过熔融沉积成型3D打印技术，将样品挤出，打印挤出头的温度控制为560～670℃，完成合成。
所述超声波探针进行分散的时间为0.8-1.2小时，超声频率为80～90KHz，熔融沉积成型3D打印的过程中，热压的温度为560～650℃，压力为75～85KN，气氛为N2的条件下热压30分钟。
将无机富勒烯纳米颗粒IF-WS2与乙醇混合物加热到80℃，加入铝粉颗粒混合，并快速搅拌，直至乙醇完全挥发，制得20wt％-30wt％IF-WS2与铝粉的混合固体样品，然后置于120℃的烘箱中烘干12小时。
步骤3：螺旋桨成型，将步骤2中磁力搅拌器搅拌后的混合物加入螺旋桨模具的凹槽底部，使搅拌后的混合物浸满模具的凹槽底部，并保证其比重约占螺旋桨整体的25％。完成上一动作之后立即利用真空吸盘将步骤1中的碳纤维基片放入到螺旋桨模具中。最后再添加占比25％的混合物，使之浸满整个模具，物料添加完毕，合模并进行固化处理；通过中频加热炉对螺旋桨模具进行保温3小时，保温温度为180℃。
步骤4：取件，待步骤3中的模具自然冷却至室温时，打开模具并取出成型的螺旋桨。
步骤5：处理，打磨螺旋桨的边缘去除毛边，并对螺旋桨的表面进行抛光处理。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种无机富勒烯碳纤维复合材料无人机螺旋桨的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤1：制作基体，将碳纤维、聚四氟乙烯、固化剂按重量比为2：1：1的配比进行搅拌混合，混合后加入熔融炉中持续加热至500℃，加热期间持续搅拌，待混合均匀后，利用注塑机将熔融后的混合物注入到基体模具中，待基体模具在常温下自然冷却后打开基体模具，取出碳纤维基片；
步骤2：制作加强材料，将碳纤维、无机富勒烯、环氧树脂、添加剂按重量比为1：0.5：2：1的配比进行搅拌混合后，将混合物加入磁力搅拌器，加热到80℃，加热期间持续搅拌20分钟；
步骤3：将步骤2中磁力搅拌器搅拌后的混合物加入螺旋桨模具的凹槽底部，使搅拌后的混合物浸满模具的凹槽底部，并保证其比重约占螺旋桨整体的25-30％，然后立即用真空吸盘将步骤1中的碳纤维基片放入到螺旋桨模具中，最后再添加步骤2中占比25-30％的混合物，浸满整个模具，物料添加完毕，合模并进行固化处理；
步骤4：待步骤3中的模具自然冷却至室温时，打开模具并取出成型的螺旋桨；
步骤5：打磨螺旋桨的边缘去除毛边，并对螺旋桨的表面进行抛光处理，完成制备。
2.根据权利要求1所述的一种无机富勒烯碳纤维复合材料无人机螺旋桨的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，注塑期间保持注塑压力为15-25MPa，注塑时的温度为500℃。
3.根据权利要求1所述的一种无机富勒烯碳纤维复合材料无人机螺旋桨的制备方法，其特征在于：所述步骤1中碳纤维为甘蔗渣基碳纤维，甘蔗渣基碳纤维的制备过程为：选取甘蔗渣放入装有质量分数为5％的次氯酸钠溶液的烧杯中，浸泡12h，然后反复过滤至滤液PH接近中性，将过滤后的甘蔗渣放入烘干箱，在80℃下干燥10h；
尿素和去离子水体积比为1:1的尿素水溶液将干燥后的甘蔗渣与尿素水溶液接触，浸泡1h，将浸泡后的甘蔗渣取出，放入烘干箱，在80℃下干燥10h，重复干燥2-3次得到上浆甘蔗渣；
将得到的上浆甘蔗渣放入真空管式炉中，密封后，通入氮气，当排尽空气后，将真空管式炉的温度以5℃/min的速度升至400℃，保持400℃碳化40min；
然后将真空管式炉的温度以5℃/min升至1200℃，保持1200℃石墨化20min得到初步碳纤维；
把初步碳纤维放入45wt％硝酸水溶液中，浸泡30min，取出后放入去离子水中漂洗2次，将氧化后的碳纤维放入烘干箱中，在80℃下干燥10h，即得到甘蔗渣基碳纤维。
4.根据权利要求1所述的一种无机富勒烯碳纤维复合材料无人机螺旋桨的制备方法，其特征在于：所述步骤2中的添加剂由防老剂、阻燃剂、固化剂三者同比例混合组成。
5.根据权利要求1所述的一种无机富勒烯碳纤维复合材料无人机螺旋桨的制备方法，其特征在于：所述步骤3中的固化处理为通过中频加热炉对螺旋桨模具进行保温1-3小时，保温温度为180℃。
6.根据权利要求1所述的一种无机富勒烯碳纤维复合材料无人机螺旋桨的制备方法，其特征在于：所述步骤2中的无机富勒烯为铝基纳米复合富勒烯材料，所述铝基纳米复合富勒烯材料的合成过程为：将无机富勒烯纳米颗粒IF-WS2放入乙醇中并使用超声波探针进行分散，将无机富勒烯纳米颗粒IF-WS2与乙醇混合物在80-90℃并带有剧烈搅拌下与Al粉末混合直至所有乙醇蒸发，在110-130℃的烘箱中干燥11-13小时得到初步的混合物样品，通过熔融沉积成型3D打印技术，将样品挤出，打印挤出头的温度控制为560～670℃，完成合成。
7.根据权利要求6所述的一种无机富勒烯碳纤维复合材料无人机螺旋桨的制备方法，其特征在于：所述超声波探针进行分散的时间为0.8-1.2小时，超声频率为80～90KHz，熔融沉积成型3D打印的过程中，热压的温度为560～650℃，压力为75～85KN，气氛为N2的条件下热压30分钟。
8.根据权利要求6所述的一种无机富勒烯碳纤维复合材料无人机螺旋桨的制备方法，其特征在于：将无机富勒烯纳米颗粒IF-WS2与乙醇混合物加热到80℃，加入铝粉颗粒混合，并快速搅拌，直至乙醇完全挥发，制得20wt％-30wt％IF-WS2与铝粉的混合固体样品，然后置于120℃的烘箱中烘干12小时。
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