CN104149361A - 一种二次成型的碳纤维复合材料螺旋桨制作方法 - Google Patents

一种二次成型的碳纤维复合材料螺旋桨制作方法 Download PDF

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Abstract

一种二次成型的碳纤维复合材料螺旋桨制作方法，先对模具及材料的选用及处理，将增强材料与树脂经过涂膜、热压、冷却、覆膜、卷取加工制成碳纤维预浸料，用机械加工的方法制造金属桨毂，将碳纤维预浸料包覆于经过喷丸处理后的金属桨毂上，将复合成型的桨毂作为镶嵌件放置在螺旋桨金属模具的中心定位，再逐一用增强材料对螺旋桨进行整体铺层，共铺十二层，铺层后合模、注胶、固化及后处理。本发明通过采用碳纤维复合材料制作螺旋桨，使得螺旋桨比强度高、比模量大、抗疲劳、低振动、低噪音、轻质高效、耐腐蚀、易维修、寿命长；先对桨毂进行第一次成型，再对螺旋桨进行第二次成型，工艺简单、成熟，实现自主生产碳纤维复合材料螺旋桨。

Description

一种二次成型的碳纤维复合材料螺旋桨制作方法
技术领域
 本发明涉及一种碳纤维复合材料螺旋桨的制作方法，特别涉及一种二次成型的碳纤维复合材料螺旋桨制作方法。
背景技术
船用螺旋桨长期以来一直以金属材料为主，较少考虑材质对螺旋桨性能的影响。金属材料具有硬度大、变形小、屈服强度高等特征，是被长期认可的原因。但同时也存在较多不利因素，如阻尼性能较差，水噪声大；重量大，容易引起传动轴的振动；易出现空泡腐蚀和诱发疲劳裂纹等等。与传统的金属螺旋桨相比，复合材料螺旋桨特别是碳纤维复合材料螺旋桨，比强度高、比模量大、抗疲劳、低振动、低噪音、轻质高效、耐海水腐蚀、易维修、寿命长等优点，这些都给纤维增强复合材料螺旋桨在今后的使用带来了巨大的潜力，特别国防、军事应用领域显得尤为突出，大大的提高了船舰的“隐身”性能，被许多国家列为重点发展的国防技术。
在国外，复合材料螺旋桨特别是碳纤维复合材料螺旋桨，应用方面已初见成效。在军用方面，意大利的黑鲨鱼雷螺旋桨、美国的 MK54鱼雷螺旋桨、德国 206A 潜艇螺旋桨等均采用碳纤维增强复合材料制造，且已达到实用化程度；在民用方面，瑞典Propulse AB制作的螺旋桨是由一个金属桨毂和若干个可替换复合材料桨叶组合而成，适合于功率为20-300hp的发动机，一经试用，市场反响良好。复合材料螺旋桨特别是碳纤维复合材料螺旋桨，在国外已成功装配于超级游艇或舰船，螺旋桨的耗燃量减少了近10%，但国内还未有成熟的复合材料螺旋桨的制作方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种设计合理，二次成型的碳纤维复合材料螺旋桨制作方法。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的，本发明是一种二次成型的碳纤维复合材料螺旋桨制作方法，其特点是，其步骤如下，
     1.准备工作：
     1.1模具的选用及处理：
     1.1.1模具的选用：模具分为上下模，上下模均采用金属模具；
     1.1.2模具的处理：先用软质材料的布擦除模具表面的灰尘和油渍，在干净模具的表面均匀打蜡，打蜡至少2-4遍，在打好蜡的模具上均匀喷涂胶衣树脂，备用；
     1.2材料的选用及处理：
     1.2.1增强材料的选用：选用抗冲击性及浸润性好的纤维布、连续毡、针织短切毡或复合毡；
     1.2.2树脂的选用：选用刚性好、低粘度、低收缩、浸润性好的环氧树脂；
     1.2.3材料的预处理：将增强材料与树脂经过涂膜、热压、冷却、覆膜、卷取加工制成碳纤维预浸料；
     2.螺旋桨桨毂的复合成型：先用机械加工的方法制造金属桨毂，将加工好的金属桨毂擦干净，再进行粘接表面喷丸处理，将碳纤维预浸料包覆于经过喷丸处理后的金属桨毂上，用胶带捆扎，将捆扎好的复合桨毂放入烘箱内固化，固化1-2小时，出炉，去掉胶带后打磨，备用；
    3.螺旋桨的复合成型：将复合成型的桨毂作为镶嵌件放置在螺旋桨金属模具的中心，定位，再进行螺旋桨整体铺层；
3.1 铺层前的准备：首先检查模具上喷的胶衣树脂是否处于凝胶状态，当胶衣树脂处于凝胶状态还没有完全固化时即可铺设增强材料，此时增强材料容易固定在模具内；
3.2 铺层：
第一层：作为螺旋桨的外观层，将形状、大小与螺旋桨一样的增强材料铺在模具底部，形成第一层增强材料，第一层增强材料的厚度为0.20mm；
第二层：作为螺旋桨的结构层，将形状与螺旋桨形状一样的增强材料按45o预先叠好，在第一层增强材料的基础上边沿缩小5-10mm，在第一层增强材料上喷上胶，将叠好的增强材料铺在第一层增强材料上，形成第二层增强材料，第二层增强材料的厚度为0.20mm；
第三层：作为螺旋桨的结构层，将形状与螺旋桨形状一样的增强材料按45o预先叠好，在第二层增强材料的基础上边沿缩小10-15mm，在第二层增强材料上喷上胶，将叠好的增强材料铺在第二层增强材料上，形成第三层增强材料，第三层增强材料的厚度为0.20mm；
第四层：作为螺旋桨的结构层，将形状与螺旋桨形状一样的增强材料按45o预先叠好，在第三层增强材料的基础上边沿缩小15-20mm，在第三层增强材料上喷上胶，将叠好的增强材料铺在第三层增强材料上，形成第四层增强材料，第四层增强材料的厚度为0.20mm；
第五层：作为螺旋桨的结构层，将形状与螺旋桨形状一样的增强材料按45o预先叠好，在第四层增强材料的基础上边沿缩小20-25mm，在第四层增强材料上喷上胶，将叠好的增强材料铺在第四层增强材料上，形成第五层增强材料，第五层增强材料的厚度为0.20mm；
第六、七层：作为螺旋桨的中间层，将形状与螺旋桨形状一样的增强材料在第五层增强材料的基础上边沿缩小25-30mm，在第五层增强材料上喷上胶，再将增强材料按0o平铺在第五层增强材料上，铺两层，形成第六、七层增强材料，第六、七层增强材料的总厚度为0.40mm；
第八层：作为螺旋桨的结构层，与第五层增强材料的大小、形状一样，铺在喷胶的第七层增强材料上；
第九层：作为螺旋桨的结构层，与第四层增强材料的大小、形状一样，铺在喷胶的第八层增强材料上；
第十层：作为螺旋桨的结构层，与第三层增强材料的大小、形状一样，铺在喷胶的第九层增强材料上；
第十一层：作为螺旋桨的结构层，与第二层增强材料的大小、形状一样，铺在喷胶的第十层增强材料上；
第十二层：作为螺旋桨的外观层，与第一层增强材料的大小、形状一样，铺在喷胶的第十一层增强材料上；
铺层的原则是以中间层为中心对称铺设，根据螺旋桨的外形为中间厚两边薄而将沿边对称递减铺设，共铺设12层，每铺一层都要用工具压实，防止注胶时树脂的堆积，以免影响致密度和强度，铺设后的总厚度为2.4mm；
4 合模：将模具的上模沿模具导柱缓慢小心地扣在下模上，将螺旋桨整体铺层夹在上下模之间，用螺栓锁紧上下模；
5 注胶：
注胶前：先做凝胶试验，即将液体环氧树脂放入纸杯大小的器皿中，然后根据体积比加入1-3%的固化剂，同时搅拌均匀，开始计算凝胶时间，凝胶时间控制在10-30分钟，以保证产品在此时间内，全部浸透后开始凝胶即可；
再检查一下管路连接是否可靠，是否有漏气现象，确保密封良好后，再开始注胶；
按照凝胶试验确定的固化剂比例配胶，调整注射参数；
注胶：注射机自动完成注射过程，当模具出气口有连续的无气泡的胶液冒出，关闭出气口，注射机继续工作，直到显示模腔有0.2-0.3MPa的压力，关闭注胶口，注胶完毕；
6 固化及后处理：将模具加热到60°-80°，保温30-60分钟，树脂即可完全固化，固化后开模，脱出产品；然后进行打磨、修整；最后喷漆，制成成品。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述增强材料为3K碳纤维斜纹编织布或12K碳纤维平纹编织布，规格为200-400 g/m2。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述树脂为流动性好的环氧树脂-双酚A型环氧树脂，其黏度在200-600mPa.S，环氧值在0.4-0.6，具有较好的刚性。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述金属桨毂的外形呈锥台形，金属桨毂的中心设有与锥台形锥度一致的内孔，内孔的孔壁上设有传扭键槽。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述金属选用钢、铝、铜。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述铜选用锰黄铜，牌号为HMn58-2。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述胶带选用OPP胶带。
本发明通过采用金属桨毂作镶嵌件，保证了螺旋桨的比强度高、比模量大、抗疲劳性，用碳纤维预浸料包覆于金属桨毂，确保金属桨毂的耐腐蚀、寿命长；采用碳纤维复合材料制作螺旋桨，使得螺旋桨低振动、低噪音、轻质高效、耐腐蚀；在制作过程中，先对桨毂进行第一次成型，再将桨毂与桨叶对螺旋桨进行第二次复合成型，工艺简单、成熟，实现了我国自主生产碳纤维复合材料螺旋桨。与现有技术相比，其设计合理，实现了我国自主生产碳纤维复合材料螺旋桨。
附图说明
图1是金属桨毂的结构示意图;
图2是图1的A-A向剖视图。
具体实施方式
以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。
一种二次成型的碳纤维复合材料螺旋桨制作方法，其步骤如下，
     1.准备工作：
     1.1模具的选用及处理：
     1.1.1模具的选用：模具分为上下模，上下模均采用金属模具；模具满足以下条件：①充分考虑树脂在模具中的流动性，合理设定注射口和排气口；②模具的强度高、变形小、尺寸准确；
     1.1.2模具的处理：先用软质材料的布擦除模具表面的灰尘和油渍，在干净模具的表面均匀打蜡，打蜡至少2-4遍，以便于脱模，在打好蜡的模具上均匀喷涂胶衣树脂，待胶衣树脂厨余凝胶状态时即可进行增强材料的铺设；
     1.2材料的选用及处理：
     1.2.1增强材料的选用：选用抗冲击性及浸润性好的纤维布、连续毡、针织短切毡或复合毡；
     1.2.2树脂的选用：选用刚性好、低粘度、低收缩、浸润性好的环氧树脂；
     1.2.3材料的预处理：将增强材料与树脂经过涂膜、热压、冷却、覆膜、卷取加工制成碳纤维预浸料；
     2.螺旋桨桨毂的复合成型：先用机械加工的方法制造金属桨毂，将加工好的金属桨毂擦干净，再进行粘接表面喷丸处理，将碳纤维预浸料包覆于经过喷丸处理后的金属桨毂上，用胶带捆扎，将捆扎好的复合桨毂放入烘箱内固化，固化1-2小时，出炉，去掉胶带后打磨，备用；
    3.螺旋桨的复合成型：将复合成型的桨毂作为镶嵌件放置在螺旋桨金属模具的中心，定位，再进行螺旋桨整体铺层；
3.1 铺层前的准备：首先检查模具上喷的胶衣树脂是否处于凝胶状态，当胶衣树脂处于凝胶状态还没有完全固化时即可铺设增强材料，此时增强材料容易固定在模具内；
3.2 铺层：
第一层：作为螺旋桨的外观层，将形状、大小与螺旋桨一样的增强材料铺在模具底部，形成第一层增强材料，第一层增强材料的厚度为0.20mm；
第二层：作为螺旋桨的结构层，将形状与螺旋桨形状一样的增强材料按45o预先叠好，在第一层增强材料的基础上边沿缩小5-10mm，在第一层增强材料上喷上胶，将叠好的增强材料铺在第一层增强材料上，形成第二层增强材料，第二层增强材料的厚度为0.20mm；
第三层：作为螺旋桨的结构层，将形状与螺旋桨形状一样的增强材料按45o预先叠好，在第二层增强材料的基础上边沿缩小10-15mm，在第二层增强材料上喷上胶，将叠好的增强材料铺在第二层增强材料上，形成第三层增强材料，第三层增强材料的厚度为0.20mm；
第四层：作为螺旋桨的结构层，将形状与螺旋桨形状一样的增强材料按45o预先叠好，在第三层增强材料的基础上边沿缩小15-20mm，在第三层增强材料上喷上胶，将叠好的增强材料铺在第三层增强材料上，形成第四层增强材料，第四层增强材料的厚度为0.20mm；
第五层：作为螺旋桨的结构层，将形状与螺旋桨形状一样的增强材料按45o预先叠好，在第四层增强材料的基础上边沿缩小20-25mm，在第四层增强材料上喷上胶，将叠好的增强材料铺在第四层增强材料上，形成第五层增强材料，第五层增强材料的厚度为0.20mm；
第六、七层：作为螺旋桨的中间层，将形状与螺旋桨形状一样的增强材料在第五层增强材料的基础上边沿缩小25-30mm，在第五层增强材料上喷上胶，再将增强材料按0o平铺在第五层增强材料上，铺两层，形成第六、七层增强材料，第六、七层增强材料的总厚度为0.40mm；
第八层：作为螺旋桨的结构层，与第五层增强材料的大小、形状一样，铺在喷胶的第七层增强材料上；
第九层：作为螺旋桨的结构层，与第四层增强材料的大小、形状一样，铺在喷胶的第八层增强材料上；
第十层：作为螺旋桨的结构层，与第三层增强材料的大小、形状一样，铺在喷胶的第九层增强材料上；
第十一层：作为螺旋桨的结构层，与第二层增强材料的大小、形状一样，铺在喷胶的第十层增强材料上；
第十二层：作为螺旋桨的外观层，与第一层增强材料的大小、形状一样，铺在喷胶的第十一层增强材料上；
铺层的原则是以中间层为中心对称铺设，根据螺旋桨的外形为中间厚两边薄而将沿边对称递减铺设，共铺设12层，每铺一层都要用工具压实，防止注胶时树脂的堆积，以免影响致密度和强度，铺设后的总厚度为2.4mm；
4 合模：将模具的上模沿模具导柱缓慢小心地扣在下模上，将螺旋桨整体铺层夹在上下模之间，用螺栓锁紧上下模；
5 注胶：
注胶前：先做凝胶试验，即将液体环氧树脂放入纸杯大小的器皿中，然后根据体积比加入1-3%的固化剂，同时搅拌均匀，开始计算凝胶时间，凝胶时间控制在10-30分钟，以保证产品在此时间内，全部浸透后开始凝胶即可；
再检查一下管路连接是否可靠，是否有漏气现象，确保密封良好后，再开始注胶；
按照凝胶试验确定的固化剂比例配胶，调整注射参数；
注胶：注射机自动完成注射过程，当模具出气口有连续的无气泡的胶液冒出，关闭出气口，注射机继续工作，直到显示模腔有0.2-0.3MPa的压力，关闭注胶口，注胶完毕；
6 固化及后处理：将模具加热到60°-80°，保温30-60分钟，树脂即可完全固化，固化后开模，脱出产品；然后进行打磨、修整；最后喷漆，制成成品。
所述增强材料为3K碳纤维斜纹编织布或12K碳纤维平纹编织布，规格为200-400 g/m2，所述增强材料为3K碳纤维斜纹编织布或12K碳纤维平纹编织布为纤维布的一种。
所述树脂为流动性好的环氧树脂-双酚A型环氧树脂，其黏度在200-600mPa.S，环氧值在0.4-0.6，具有较好的刚性。
参照图1和图2，所述金属桨毂1的外形呈锥台形，金属桨毂1的中心设有与锥台形锥度一致的内孔2，内孔2的孔壁上设有传扭键槽3。
所述金属选用钢、铝、铜。
所述铜选用锰黄铜，牌号为HMn58-2。
所述胶带选用OPP胶带。

Claims (7)

1.一种二次成型的碳纤维复合材料螺旋桨制作方法，其特征在于：其步骤如下，
     1.准备工作：
     1.1模具的选用及处理：
     1.1.1模具的选用：模具分为上下模，上下模均采用金属模具；
     1.1.2模具的处理：先用软质材料的布擦除模具表面的灰尘和油渍，在干净模具的表面均匀打蜡，打蜡至少2-4遍，在打好蜡的模具上均匀喷涂胶衣树脂，备用；
     1.2材料的选用及处理：
     1.2.1增强材料的选用：选用抗冲击性及浸润性好的纤维布、连续毡、针织短切毡或复合毡；
     1.2.2树脂的选用：选用刚性好、低粘度、低收缩、浸润性好的环氧树脂；
     1.2.3材料的预处理：将增强材料与树脂经过涂膜、热压、冷却、覆膜、卷取加工制成碳纤维预浸料；
     2.螺旋桨桨毂的复合成型：先用机械加工的方法制造金属桨毂，将加工好的金属桨毂擦干净，再进行粘接表面喷丸处理，将碳纤维预浸料包覆于经过喷丸处理后的金属桨毂上，用胶带捆扎，将捆扎好的复合桨毂放入烘箱内固化，固化1-2小时，出炉，去掉胶带后打磨，备用；
    3.螺旋桨的复合成型：将复合成型的桨毂作为镶嵌件放置在螺旋桨金属模具的中心，定位，再进行螺旋桨整体铺层；
3.1 铺层前的准备：首先检查模具上喷的胶衣树脂是否处于凝胶状态，当胶衣树脂处于凝胶状态还没有完全固化时即可铺设增强材料，此时增强材料容易固定在模具内；
3.2 铺层：
第一层：作为螺旋桨的外观层，将形状、大小与螺旋桨一样的增强材料铺在模具底部，形成第一层增强材料，第一层增强材料的厚度为0.20mm；
第二层：作为螺旋桨的结构层，将形状与螺旋桨形状一样的增强材料按45o预先叠好，在第一层增强材料的基础上边沿缩小5-10mm，在第一层增强材料上喷上胶，将叠好的增强材料铺在第一层增强材料上，形成第二层增强材料，第二层增强材料的厚度为0.20mm；
第三层：作为螺旋桨的结构层，将形状与螺旋桨形状一样的增强材料按45o预先叠好，在第二层增强材料的基础上边沿缩小10-15mm，在第二层增强材料上喷上胶，将叠好的增强材料铺在第二层增强材料上，形成第三层增强材料，第三层增强材料的厚度为0.20mm；
第四层：作为螺旋桨的结构层，将形状与螺旋桨形状一样的增强材料按45o预先叠好，在第三层增强材料的基础上边沿缩小15-20mm，在第三层增强材料上喷上胶，将叠好的增强材料铺在第三层增强材料上，形成第四层增强材料，第四层增强材料的厚度为0.20mm；
第五层：作为螺旋桨的结构层，将形状与螺旋桨形状一样的增强材料按45o预先叠好，在第四层增强材料的基础上边沿缩小20-25mm，在第四层增强材料上喷上胶，将叠好的增强材料铺在第四层增强材料上，形成第五层增强材料，第五层增强材料的厚度为0.20mm；
第六、七层：作为螺旋桨的中间层，将形状与螺旋桨形状一样的增强材料在第五层增强材料的基础上边沿缩小25-30mm，在第五层增强材料上喷上胶，再将增强材料按0o平铺在第五层增强材料上，铺两层，形成第六、七层增强材料，第六、七层增强材料的总厚度为0.40mm；
第八层：作为螺旋桨的结构层，与第五层增强材料的大小、形状一样，铺在喷胶的第七层增强材料上；
第九层：作为螺旋桨的结构层，与第四层增强材料的大小、形状一样，铺在喷胶的第八层增强材料上；
第十层：作为螺旋桨的结构层，与第三层增强材料的大小、形状一样，铺在喷胶的第九层增强材料上；
第十一层：作为螺旋桨的结构层，与第二层增强材料的大小、形状一样，铺在喷胶的第十层增强材料上；
第十二层：作为螺旋桨的外观层，与第一层增强材料的大小、形状一样，铺在喷胶的第十一层增强材料上；
每铺一层都要用工具压实，铺设后的总厚度为2.4mm；
4 合模：将模具的上模沿模具导柱缓慢小心地扣在下模上，将螺旋桨整体铺层夹在上下模之间，用螺栓锁紧上下模；
5 注胶：
注胶前：先做凝胶试验，即将液体环氧树脂放入纸杯大小的器皿中，然后根据体积比加入1-3%的固化剂，同时搅拌均匀，开始计算凝胶时间，凝胶时间控制在10-30分钟，以保证产品在此时间内，全部浸透后开始凝胶即可；
再检查一下管路连接是否可靠，是否有漏气现象，确保密封良好后，再开始注胶；
按照凝胶试验确定的固化剂比例配胶，调整注射参数；
注胶：注射机自动完成注射过程，当模具出气口有连续的无气泡的胶液冒出，关闭出气口，注射机继续工作，直到显示模腔有0.2-0.3MPa的压力，关闭注胶口，注胶完毕；
    6 固化及后处理：将模具加热到60°-80°，保温30-60分钟，树脂即可完全固化，固化后开模，脱出产品；然后进行打磨、修整；最后喷漆，制成成品。
2.根据权利要求1所述的二次成型的碳纤维复合材料螺旋桨制作方法，其特征在于：所述增强材料为3K碳纤维斜纹编织布或12K碳纤维平纹编织布，规格为200-400 g/m2。
3.根据权利要求1所述的二次成型的碳纤维复合材料螺旋桨制作方法，其特征在于：所述树脂为流动性好的环氧树脂-双酚A型环氧树脂，其黏度在200-600mPa.S，环氧值在0.4-0.6。
4.根据权利要求1所述的二次成型的碳纤维复合材料螺旋桨制作方法，其特征在于：所述金属桨毂的外形呈锥台形，金属桨毂的中心设有与锥台形锥度一致的内孔，内孔的孔壁上设有传扭键槽。
5.根据权利要求1或4所述的二次成型的碳纤维复合材料螺旋桨制作方法，其特征在于：所述金属选用钢、铝、铜。
6.根据权利要求5所述的二次成型的碳纤维复合材料螺旋桨制作方法，其特征在于：所述铜选用锰黄铜。
7.根据权利要求1所述的二次成型的碳纤维复合材料螺旋桨制作方法，其特征在于：所述胶带选用OPP胶带。
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