CN113119492B - 一种船用螺旋桨叶纤维增强复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种船用螺旋桨叶纤维增强复合材料的制备方法，所述螺旋桨叶包括叶根部，桨叶中部和叶尖部，整个螺旋桨叶先采用纤维进行三维立体编织形成预制体部分，在叶根部和叶尖部采用更大的纤维材料编织密度，在桨叶中部采用相对较小的纤维材料编织密度。然后将预制体置于模具中，并使树脂胶液进入模具进行浸渍。模具上设有排气通道，浸渍过程将模具内的气体逐步排出。浸渍完成后，继续维持模具的加热状态使树脂固化。本方法维持了桨叶的强度，并节省了工序，提高了效率，避免了浸渍后的气泡残留，提高了质量的稳定性。

Description

一种船用螺旋桨叶纤维增强复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及新材料技术领域，具体涉及一种船用螺旋桨叶纤维增强复合材料的制备方法。
背景技术
传统上，舰艇等船类螺旋桨的制备常使用锰-镍-铝-铜材(manganese-nickel-aluminum-bronze,MAB)或镍-铝-铜(nickel-aluminum-bronze,NAB)材料，因为上述材料的变形小、强度高，同时抗腐蚀性和可靠性都十分优秀。但是其缺陷也很明显，如加工叶片成本过高、声学阻尼性较差、振动噪声大等。近年来复合材料螺旋桨开始逐步发展，复合材料具有高的比强度和比刚度,因而可以大大减轻螺旋桨的重量。另复合材料螺旋桨不仅具有维修保养费用低、耐腐蚀、耐辐射等特点，同时极大地改善了螺旋桨的阻尼性能。
目前船用螺旋桨叶复合材料通常采用预先编织、铺设、热模压等方式形成预制体，随后对其进行树脂浸渍和固化处理的方法制备，如CN201510137028.4、CN201610865621.5、CN201810272471.6等公开的。其中浸渍和固化可以采用将预制体放入上下模具中，随后倒入树脂材料进行浸渍和固化，该过程耗时长，浸渍不均匀，如果在常压下进行还容易留下气孔，如果采用真空浸渍则会增加成本，目前关于该过程并未见更多的优化方案。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种船用螺旋桨叶纤维增强复合材料的制备方法。
本发明完整的技术方案包括：
一种船用螺旋桨叶纤维增强复合材料的制备方法，所述螺旋桨叶包括叶根部，桨叶中部和叶尖部，整个螺旋桨叶先采用纤维进行三维立体编织形成预制体部分，然后对预制部分采用热固性树脂胶液进行浸渍和固化，在叶根部和叶尖部采用更大的纤维材料编织密度，在桨叶中部采用相对较小的纤维材料编织密度。
优选的，浸渍时，将预制体置于模具中，并使树脂胶液进入模具进行浸渍。
优选的，其特征在于，模具上设有排气通道，浸渍过程将模具内的气体逐步排出。
优选的，浸渍前将模具加热到树脂固化温度。
优选的，浸渍完成后，继续维持模具的加热状态使树脂固化。
优选的，固化完成后，开模将浸渍和固化完成的螺旋桨叶取出。
附图说明
图1为本发明船用螺旋桨叶示意图。
图2为本发明船用螺旋桨叶制备装置示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施方式，对本申请的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本申请。
本发明的船用螺旋桨叶纤维增强复合材料的制备方法，如图1所示，所制备的螺旋桨叶1包括叶根部2，中部3和叶尖部4，整个螺旋桨叶先采用纤维进行三维立体编织形成预制部分，然后对预制部分采用热固性树脂胶液进行浸渍和固化。
该预制部分的纤维材质和编织方法，可以参考CN201510137028.4的制备工艺，采用混杂纤维纱线，运用三维立体编织技术，进行螺旋桨叶片混杂纤维预制体的连续编织成型。本发明区别在于，本发明没有采用该专利中的增强结构部分，而是桨叶在不同部位采用不同纤维编织密度的方法以提高该部位的强度。该方法避免了采用芯模以及连接部的缝编结构，节省了工序并提高了桨叶制备的稳定性。具体的，在叶根部和叶尖部采用更密的纤维材料编织密度，在桨叶中部采用相对较稀疏的纤维材料编织密度。
该桨叶的制备装置如图2所示，包括下模5和上模6，下模和上模合模后形成桨叶的浸渍空间7，上模上部设有排气道8，排气道设于桨叶浸渍空间的最高处，并且斜着通到上模外侧，下模上设有用以定位的台阶部9，同时上下模具内还设有模具加热装置(图中未示出)，以便于浸渍完成后的固化。下模固定于下模固定板10上，上模固定于上模固定板11上，下模固定板设于下模板12上，上模固定板设于上模板13上，上模板13和下模板12通过导柱14和导柱套15连接固定，形成主体框架。上模板上方设有上模驱动机构16，该驱动机构可以采用电机或油缸等装置。浸渍空间下方设有树脂进液通道17，该通道用以连接树脂罐，树脂在气体压力驱动下上升进入浸渍空间。采用气泵以气体压力驱动树脂胶液上升，可以使胶液迅速浸渍预制体，大大提高了效率，同时设置排气通道，可以不采用真空的方式就能实现气体迅速排出，不用安装真空机构，降低了成本。
具体的船用螺旋桨叶纤维增强复合材料的制备过程包括如下步骤：
(1)编织三维结构的预制体，采用混杂纤维纱线，运用三维立体编织技术，进行螺旋桨叶片混杂纤维预制体的连续编织成型。其中桨叶在不同部位采用不同纤维编织密度，在叶根部和叶尖部采用更大的纤维材料编织密度，在桨叶中部采用相对较小的纤维材料编织密度。叶根部和叶尖部纤维材料编织密度为桨叶中部纤维材料编织密度的4～6倍，具体的，叶根部和叶尖部的纤维编织密度可以为20～100根/cm2。
(2)将预制体放入下模中，使桨叶下部进入下模上定位部分的台阶部，实现定位；
(3)启动上模驱动机构，使上模板带动上模下降并实现合模，启动模具加热装置将模具加热到树脂固化温度；
(4)启动气泵，驱动树脂从进液通道进入，并逐步充满桨叶的浸渍空间，对其中的预制体进行浸渍；该浸渍过程中，逐步增加气泵的压力，以使得树脂液面能逐步上升，同时浸渍空间内的气体从上模上部的排气道逐步排出。在该过程中，需要考虑气泵压力增加的速度，该过程需要使树脂能快速且平稳上升，浸满预制体纤维周围的空间，上升过快容易液面不平稳，气体不能及时排出，容易在预制体中造成气泡。上升过慢则会影响生产效率。因此本发明采用分阶段增压的方式，在第一阶段，对桨叶根部进行浸渍，因为该部位编织密度较大，空隙较小，气体不易排出，因而采用相对较小的增压速度P1。在第二阶段，对桨叶中部进行浸渍，该部位编织密度较小，气体容易排出，因而采用相对较大的增压速度P2。在第三阶段，对桨叶叶尖部位进行浸渍，同样由于该部位编织密度较大，采用较小的增压速度P1。经过实际验证，对P1宜采用2.5kPa/s的增压速度。P2的确定方法采用
Figure BDA0003017261770000041
的关系确定，L1为叶根和叶尖部位的纤维编织密度，L2为桨叶中部部位的纤维编织密度。在本实施例中，L1/L2为4～6，则P2的取值范围为5～6.1kPa/s。采用这种增压关系，既提高了效率，又避免了浸渍后的气泡残留，提高了浸渍后的桨叶强度。
(5)浸渍完成后，继续维持模具的加热状态使树脂固化。
(6)开模将螺旋桨叶取出。
以上申请的仅为本申请的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (4)

1.一种船用螺旋桨叶纤维增强复合材料的制备方法，所述螺旋桨叶包括叶根部，桨叶中部和叶尖部，整个螺旋桨叶先采用纤维进行三维立体编织形成预制体部分，然后对预制部分采用热固性树脂胶液进行浸渍和固化，其特征在于，该桨叶的制备装置包括下模和上模，下模和上模合模后形成桨叶的浸渍空间，上模上部设有排气道，排气道设于桨叶浸渍空间的最高处，并且斜着通到上模外侧，下模上设有用以定位的台阶部，同时上下模具内还设有模具加热装置，以便于浸渍完成后的固化，下模固定于下模固定板上，上模固定于上模固定板上，下模固定板设于下模板上，上模固定板设于上模板上，上模板和下模板通过导柱和导柱套连接固定，形成主体框架，上模板上方设有上模驱动机构，浸渍空间下方设有树脂进液通道，该通道用以连接树脂罐，树脂在气体压力驱动下上升进入浸渍空间，具体的船用螺旋桨叶纤维增强复合材料的制备过程包括如下步骤：
（1）编织三维结构的预制体，采用混杂纤维纱线，运用三维立体编织技术，进行螺旋桨叶片混杂纤维预制体的连续编织成型；其中桨叶在不同部位采用不同纤维编织密度，在叶根部和叶尖部采用更大的纤维材料编织密度，在桨叶中部采用相对较小的纤维材料编织密度；叶根部和叶尖部纤维材料编织密度为桨叶中部纤维材料编织密度的4~6倍；
（2）将预制体放入下模中，使桨叶下部进入下模上定位部分的台阶部，实现定位；
（3）启动上模驱动机构，使上模板带动上模下降并实现合模，启动模具加热装置将模具加热到树脂固化温度；
（4）启动气泵，驱动树脂从进液通道进入，并逐步充满桨叶的浸渍空间，对其中的预制体进行浸渍；该浸渍过程中，逐步增加气泵的压力，以使得树脂液面能逐步上升，同时浸渍空间内的气体从上模上部的排气道逐步排出；
在该过程中，采用分阶段增压的方式，在第一阶段，对桨叶根部进行浸渍，采用相对较小的增压速度P1；在第二阶段，对桨叶中部进行浸渍，采用相对较大的增压速度P2；在第三阶段，对桨叶叶尖部位进行浸渍，采用较小的增压速度P1；具体为P1采用2.5kPa/s的增压速度；P2采用
Figure DEST_PATH_IMAGE001
的关系确定，L1为叶根和叶尖部位的纤维编织密度，L2为桨叶中部部位的纤维编织密度；
（5）浸渍完成后，继续维持模具的加热状态使树脂固化；
（6）开模将螺旋桨叶取出。
2.根据权利要求1所述的一种船用螺旋桨叶纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，叶根部和叶尖部的纤维编织密度为20~100根/cm2。
3.根据权利要求2所述的一种船用螺旋桨叶纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，该驱动机构采用电机或油缸。
4.根据权利要求3所述的一种船用螺旋桨叶纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，L1/ L2为4~6，P2的取值范围为5~6.1kPa/s。
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