CN104358708B - 碳纤维复合材料泡沫夹层结构风洞风扇叶片及成型方法 - Google Patents

碳纤维复合材料泡沫夹层结构风洞风扇叶片及成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种碳纤维复合材料泡沫夹层结构风洞风扇叶片，其中外部为蒙皮，蒙皮内前端连接前缘加强区，蒙皮内中部连接主承力梁，泡沫芯材填充在蒙皮、前缘加强区和主承力梁形成的内部空间；蒙皮分为内蒙皮和外蒙皮，内蒙皮表面铺贴外蒙皮；主承力梁厚度从叶片根部8～10mm过渡至叶尖2～4mm；所述的前缘加强区厚度为2～5mm；内蒙皮厚度为2～5mm，外蒙皮厚度为1～3mm。该成型方法包括如下步骤：(a)叶柄与泡沫芯材粘接；(b)预浸料下料；(c)前缘加强区和主承力梁铺层及吸胶压实；(d)内蒙皮铺层及吸胶压实；(e)固化；(f)外蒙皮成型。本发明能够制造出高性能风洞风扇叶片，同时满足低温、高压、高湿和常温真空模拟气候环境下使用的要求。

Description

碳纤维复合材料泡沫夹层结构风洞风扇叶片及成型方法
技术领域
本发明属于先进复合材料技术领域，涉及一种高性能碳纤维复合材料风洞风扇叶片及其成型方法。
背景技术
现有风洞风扇叶片大多数采用金属或者玻璃钢材料制造，在低转速、低环境条件下(转速不大于300转/min，无苛刻低温条件)能够满足使用要求。但高性能风洞风扇叶片材料需要满足重量轻、热变形小，常规条件及特殊工况下具有较高力学性能要求，因此一般金属、玻璃钢叶片难以满足。
碳纤维增强复合材料则具有重量轻、热变形小、不同使用环境下保持较高强度及刚度的特点，适合制造大型高性能风洞风扇叶片。纵观国内外文章、报道和专利，很少有碳纤维复合材料风洞风扇叶片具体结构构造和叶片生产工艺的实质内容。
发明内容
本发明的目的是为了解决高性能风洞风扇叶片制造问题，提出一种高性能碳纤维复合材料泡沫夹层结构风洞风扇叶片及成型方法。
本发明所述的一种碳纤维复合材料泡沫夹层结构风洞风扇叶片，该叶片是整体泡沫夹层结构，叶片根部连接金属叶柄；所述的叶片包括蒙皮、前缘加强区、主承力梁和泡沫芯材，其中外部为蒙皮，蒙皮内前端连接前缘加强区，蒙皮内中部连接主承力梁，泡沫芯材填充在蒙皮、前缘加强区和主承力梁形成的内部空间；所述的蒙皮分为内蒙皮和外蒙皮，内蒙皮表面铺贴外蒙皮；所述的主承力梁厚度从叶片根部8～10mm过渡至叶尖2～4mm；所述的前缘加强区厚度为2～5mm；所述的内蒙皮厚度为2～5mm，外蒙皮厚度为1～3mm。
如上所述的一种碳纤维复合材料泡沫夹层结构风洞风扇叶片，其所述的内蒙皮、前缘加强区和主承力梁为碳纤维复合材料，其使用的树脂基体为环氧树脂或双马来酰亚胺树脂，预浸料制作用的纤维为T300、T700或M40级碳纤维单向带；所述的外蒙皮用纤维为T300碳纤维织物。
如上所述的一种碳纤维复合材料泡沫夹层结构风洞风扇叶片，其所述的金属叶柄采用锻钢或钛合金；所述的泡沫芯材为聚甲基丙烯酰亚胺硬质闭孔泡沫。
本发明所述的一种碳纤维复合材料泡沫夹层结构风洞风扇叶片的成型方法，其包括如下步骤
(a)叶柄与泡沫芯材粘接
使用数控机床加工泡沫芯材毛坯料；然后利用工装适配金属叶柄和泡沫芯材，保证金属叶柄和泡沫芯材轴线共线；适配后将胶膜均匀铺覆到金属叶柄和泡沫芯材的胶接面，将金属叶柄固定在泡沫芯材上，在热压罐中固化；固化温度为160℃～170℃，固化时间为3h～6h，热压罐内压力为0.2MPa～0.3Mpa；
(b)预浸料下料
预浸料由碳纤维和环氧树脂复合而成，采用热熔法制备；根据叶片的蒙皮、前缘加强区和主承力梁型面，将叶片三维模型的铺层展开，并转化为二维图形，使用自动下料机裁切出相应的合适图形；
(c)前缘加强区和主承力梁铺层及吸胶压实
在步骤(a)制备的泡沫芯材表面铺贴步骤(b)制备的预浸料，前缘加强区和主承力梁铺贴预浸料过程中，分3～5次吸胶压实，每次吸胶采用不同尺寸的贴合叶片型面的玻璃钢阴模模具；所述的模具为沿着叶片型面分开的2瓣阴模；所述的吸胶是在热压罐内进行，吸胶温度60℃～80℃，吸胶时间20min～80min，热压罐内压力0.1MPa～0.3Mpa，吸胶过程中对待吸胶的产品进行抽真空；
(d)内蒙皮铺层及吸胶压实
将步骤(b)制备的预浸料铺放于步骤(c)得到的前缘加强区和主承力梁表层，在完成内蒙皮一半厚度的铺层时进行吸胶，吸胶采用型面相应的模具；所述的模具为沿着叶片型面分开的2瓣玻璃钢阴模；然后再完成内蒙皮剩余部分的铺层，得到待固化产品；所述的吸胶是在热压罐内进行，吸胶温度60℃～80℃，吸胶时间20min～80min，热压罐内压力0.1MPa～0.3Mpa，吸胶过程中对待吸胶的产品进行抽真空；
(e)固化
将步骤(d)得到的待固化产品包覆辅助材料，并固定固化外阴模，然后将产品放入热压罐内，对待固化产品抽真空固化；固化温度为160℃～170℃，固化时间为3h～6h，热压罐内压力为0.2MPa～0.3Mpa；
(f)外蒙皮成型
将步骤(e)得到的产品表面逐层包覆碳纤维织物，将包裹碳纤维织物后的产品放入RTM成型模具中进行注胶；注胶方式为线式注射；注胶过程结束后固化；固化过程是在真空烘箱内进行的，固化温度90℃～110℃，固化时间2h～4h。
本发明的效果在于：
本发明所述的碳纤维复合材料泡沫夹层结构风洞风扇叶片及成型方法，其叶片为整体泡沫夹层结构，叶片分多次吸胶，每次吸胶过程中使用不同尺寸的贴合叶片型面的玻璃钢阴模，保证不同厚度区域受到均匀压力；从而排出预浸料中的气体和小分子，以保证成型质量。叶片主承力梁、前缘加强区和内蒙皮等使用热压罐工艺固化，在内蒙皮表面铺贴外蒙皮，并RTM工艺固化。这种结合热压罐固化工艺与RTM工艺优势可以实现双曲面夹层结构型面及气动外型的控制。
本发明所述的碳纤维复合材料泡沫夹层结构风洞风扇叶片及成型方法，能够制造出高性能风洞风扇叶片，同时已成功在某试验基地装机运行。所制得的叶片既具有承受巨大离心力和气动载荷的强度和刚度，又兼顾叶片高速旋转需要的型面精度和气动外形。本发明的碳纤维复合材料风扇叶片力学性能考核满足设计指标；同时满足低温、高压、高湿，和常温真空模拟气候环境下使用的要求。
附图说明
图1为本发明所述的一种叶片整体结构(蒙皮未显示)；
图2为本发明所述的一种叶片整体结构；
图3为本发明所述的一种叶片结构剖面示意图；
图4为本发明所述的一种叶片外蒙皮用阴模A；
图5为本发明所述的一种叶片外蒙皮用阴模B；
图中：1.前缘加强区；2.蒙皮；3.泡沫芯材；4.主承力梁；5.金属叶柄。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种碳纤维复合材料泡沫夹层结构风洞风扇叶片及成型方法作进一步描述。
实施例1
如图1至图3所示，本发明所述的一种碳纤维复合材料泡沫夹层结构风洞风扇叶片，该叶片是整体泡沫夹层结构，叶片根部连接金属叶柄5；所述的叶片包括蒙皮2、前缘加强区1、主承力梁4和泡沫芯材3，其中外部为蒙皮2，蒙皮2内前端连接前缘加强区1，蒙皮2内中部连接主承力梁4，泡沫芯材3填充在蒙皮2、前缘加强区1和主承力梁4形成的内部空间；所述的蒙皮2分为内蒙皮和外蒙皮，内蒙皮表面铺贴外蒙皮；
所述的主承力梁4厚度从叶片根部9.75mm过渡至叶尖3.75mm，渐变区域采用3mm递增形式；
所述的前缘加强区1厚度为3.75mm；
所述的内蒙皮厚度为2.4mm，外蒙皮厚度为1mm。
所述的内蒙皮、前缘加强区1和主承力梁4为碳纤维复合材料，其使用的树脂基体为环氧树脂，预浸料制作用的纤维为T700碳纤维单向带；所述的外蒙皮用纤维为T300碳纤维织物。
所述的金属叶柄5采用35CrMo锻钢；所述的泡沫芯材3为聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)硬质闭孔泡沫(密度为110kg/m3)。
上述的碳纤维复合材料泡沫夹层结构风洞风扇叶片的成型方法，其包括如下步骤
(a)叶柄与泡沫芯材粘接
使用数控机床加工泡沫芯材3毛坯料；然后利用工装适配金属叶柄5和泡沫芯材3，保证金属叶柄5和泡沫芯材3轴线共线；适配后将胶膜(例如SJ-2A)均匀铺覆到金属叶柄5和泡沫芯材3的胶接面，将金属叶柄5固定在泡沫芯材3上，在热压罐中固化；固化温度为165℃，固化时间为6h，热压罐内压力为0.25Mpa；
(b)预浸料下料
预浸料由碳纤维和环氧树脂复合而成，采用热熔法制备；根据叶片的蒙皮2、前缘加强区1和主承力梁4型面，将叶片三维模型的铺层展开，并转化为二维图形，使用自动下料机裁切出相应的合适图形；
(c)前缘加强区和主承力梁铺层及吸胶压实
在步骤(a)制备的泡沫芯材3表面铺贴步骤(b)制备的预浸料，前缘加强区1和主承力梁4铺贴预浸料过程中，分4次吸胶压实，每次吸胶采用不同尺寸的贴合叶片型面的玻璃钢阴模模具；所述的模具为沿着叶片型面分开的2瓣阴模；所述的吸胶是在热压罐内进行，吸胶温度65℃，吸胶时间30min，热压罐内压力0.25Mpa，吸胶过程中对待吸胶的产品进行抽真空；
(d)内蒙皮铺层及吸胶压实
将步骤(b)制备的预浸料铺放于步骤(c)得到的前缘加强区1和主承力梁4表层，在完成内蒙皮一半厚度的铺层时进行吸胶，吸胶采用型面相应的模具；所述的模具为沿着叶片型面分开的2瓣玻璃钢阴模；然后再完成内蒙皮剩余部分的铺层，得到待固化产品；所述的吸胶是在热压罐内进行，所述的吸胶是在热压罐内进行，吸胶温度65℃，吸胶时间30min，热压罐内压力0.25Mpa，吸胶过程中对待吸胶的产品进行抽真空；
(e)固化
将步骤(d)得到的待固化产品包覆辅助材料，并固定固化外阴模，然后将产品放入热压罐内，对待固化产品抽真空固化；固化温度为165℃，固化时间为6h，热压罐内压力为0.25Mpa；
(f)外蒙皮成型
将步骤(e)得到的产品表面逐层包覆碳纤维织物，将包裹碳纤维织物后的产品放入RTM成型模具(如图4和图5所示)中进行注胶；注胶方式为线式注射；注胶过程结束后固化；固化过程是在真空烘箱内进行的，固化温度100℃，固化时间2h。
制造完成的叶片如图3所示，叶片组件进行性能试验，包括叶片挥舞面、摆振面弯曲刚度、叶片静强度、固有频率、叶片与叶柄结合处强度、动平衡以及质心测量等性能试验，符合设计要求。
实施例2
如图1至图3所示，本发明所述的一种碳纤维复合材料泡沫夹层结构风洞风扇叶片，该叶片是整体泡沫夹层结构，叶片根部连接金属叶柄5；所述的叶片包括蒙皮2、前缘加强区1、主承力梁4和泡沫芯材3，其中外部为蒙皮2，蒙皮2内前端连接前缘加强区1，蒙皮2内中部连接主承力梁4，泡沫芯材3填充在蒙皮2、前缘加强区1和主承力梁4形成的内部空间；所述的蒙皮2分为内蒙皮和外蒙皮，内蒙皮表面铺贴外蒙皮；
所述的主承力梁4厚度从叶片根部8mm过渡至叶尖2mm，渐变区域采用3mm递增形式；
所述的前缘加强区1厚度为2mm；
所述的内蒙皮厚度为2mm，外蒙皮厚度为1.5mm。
所述的内蒙皮、前缘加强区1和主承力梁4为碳纤维复合材料，其使用的树脂基体为环氧树脂，预浸料制作用的纤维为T300碳纤维单向带；所述的外蒙皮用纤维为T300碳纤维织物。
所述的金属叶柄5采用钛合金；所述的泡沫芯材3为聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)硬质闭孔泡沫(密度为110kg/m3)。
上述的碳纤维复合材料泡沫夹层结构风洞风扇叶片的成型方法，其包括如下步骤
(a)叶柄与泡沫芯材粘接
使用数控机床加工泡沫芯材3毛坯料；然后利用工装适配金属叶柄5和泡沫芯材3，保证金属叶柄5和泡沫芯材3轴线共线；适配后将胶膜(例如SJ-2A)均匀铺覆到金属叶柄5和泡沫芯材3的胶接面，将金属叶柄5固定在泡沫芯材3上，在热压罐中固化；固化温度为160℃，固化时间为6h，热压罐内压力为0.2MPa；
(b)预浸料下料
预浸料由碳纤维和环氧树脂复合而成，采用热熔法制备；根据叶片的蒙皮2、前缘加强区1和主承力梁4型面，将叶片三维模型的铺层展开，并转化为二维图形，使用自动下料机裁切出相应的合适图形；
(c)前缘加强区和主承力梁铺层及吸胶压实
在步骤(a)制备的泡沫芯材3表面铺贴步骤(b)制备的预浸料，前缘加强区1和主承力梁4铺贴预浸料过程中，分3次吸胶压实，每次吸胶采用不同尺寸的贴合叶片型面的玻璃钢阴模模具；所述的模具为沿着叶片型面分开的2瓣阴模；所述的吸胶是在热压罐内进行，吸胶温度60℃，吸胶时间80min，热压罐内压力0.1Mpa，吸胶过程中对待吸胶的产品进行抽真空；
(d)内蒙皮铺层及吸胶压实
将步骤(b)制备的预浸料铺放于步骤(c)得到的前缘加强区1和主承力梁4表层，在完成内蒙皮一半厚度的铺层时进行吸胶，吸胶采用型面相应的模具；所述的模具为沿着叶片型面分开的2瓣玻璃钢阴模；然后再完成内蒙皮剩余部分的铺层，得到待固化产品；所述的吸胶是在热压罐内进行，所述的吸胶是在热压罐内进行，吸胶温度60℃，吸胶时间80min，热压罐内压力0.1Mpa，吸胶过程中对待吸胶的产品进行抽真空；
(e)固化
将步骤(d)得到的待固化产品包覆辅助材料，并固定固化外阴模，然后将产品放入热压罐内，对待固化产品抽真空固化；固化温度为160℃，固化时间为6h，热压罐内压力为0.2Mpa；
(f)外蒙皮成型
将步骤(e)得到的产品表面逐层包覆碳纤维织物，将包裹碳纤维织物后的产品放入RTM成型模具(如图4和图5所示)中进行注胶；注胶方式为线式注射；注胶过程结束后固化；固化过程是在真空烘箱内进行的，固化温度90℃，固化时间4h。
制造完成的叶片如图3所示，叶片组件进行性能试验，包括叶片挥舞面、摆振面弯曲刚度、叶片静强度、固有频率、叶片与叶柄结合处强度、动平衡以及质心测量等性能试验，符合设计要求。
实施例3
如图1至图3所示，本发明所述的一种碳纤维复合材料泡沫夹层结构风洞风扇叶片，该叶片是整体泡沫夹层结构，叶片根部连接金属叶柄5；所述的叶片包括蒙皮2、前缘加强区1、主承力梁4和泡沫芯材3，其中外部为蒙皮2，蒙皮2内前端连接前缘加强区1，蒙皮2内中部连接主承力梁4，泡沫芯材3填充在蒙皮2、前缘加强区1和主承力梁4形成的内部空间；所述的蒙皮2分为内蒙皮和外蒙皮，内蒙皮表面铺贴外蒙皮；
所述的主承力梁4厚度从叶片根部10mm过渡至叶尖4mm，渐变区域采用3mm递增形式；
所述的前缘加强区1厚度为5mm；
所述的内蒙皮厚度为5mm，外蒙皮厚度为3mm。
所述的内蒙皮、前缘加强区1和主承力梁4为碳纤维复合材料，其使用的树脂基体为环氧树脂，预浸料制作用的纤维为M40级碳纤维单向带；所述的外蒙皮用纤维为T300碳纤维织物。
所述的金属叶柄5采用35CrMo锻钢；所述的泡沫芯材3为聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)硬质闭孔泡沫(密度为110kg/m3)。
上述的碳纤维复合材料泡沫夹层结构风洞风扇叶片的成型方法，其包括如下步骤
(a)叶柄与泡沫芯材粘接
使用数控机床加工泡沫芯材3毛坯料；然后利用工装适配金属叶柄5和泡沫芯材3，保证金属叶柄5和泡沫芯材3轴线共线；适配后将胶膜(例如SJ-2A)均匀铺覆到金属叶柄5和泡沫芯材3的胶接面，将金属叶柄5固定在泡沫芯材3上，在热压罐中固化；固化温度为170℃，固化时间为3h，热压罐内压力为0.3Mpa；
(b)预浸料下料
预浸料由碳纤维和环氧树脂复合而成，采用热熔法制备；根据叶片的蒙皮2、前缘加强区1和主承力梁4型面，将叶片三维模型的铺层展开，并转化为二维图形，使用自动下料机裁切出相应的合适图形；
(c)前缘加强区和主承力梁铺层及吸胶压实
在步骤(a)制备的泡沫芯材3表面铺贴步骤(b)制备的预浸料，前缘加强区1和主承力梁4铺贴预浸料过程中，分4次吸胶压实，每次吸胶采用不同尺寸的贴合叶片型面的玻璃钢阴模模具；所述的模具为沿着叶片型面分开的2瓣阴模；所述的吸胶是在热压罐内进行，吸胶温度80℃，吸胶时间20min，热压罐内压力0.3Mpa，吸胶过程中对待吸胶的产品进行抽真空；
(d)内蒙皮铺层及吸胶压实
将步骤(b)制备的预浸料铺放于步骤(c)得到的前缘加强区1和主承力梁4表层，在完成内蒙皮一半厚度的铺层时进行吸胶，吸胶采用型面相应的模具；所述的模具为沿着叶片型面分开的2瓣玻璃钢阴模；然后再完成内蒙皮剩余部分的铺层，得到待固化产品；所述的吸胶是在热压罐内进行，所述的吸胶是在热压罐内进行，吸胶温度80℃，吸胶时间20min，热压罐内压力0.3Mpa，吸胶过程中对待吸胶的产品进行抽真空；
(e)固化
将步骤(d)得到的待固化产品包覆辅助材料，并固定固化外阴模，然后将产品放入热压罐内，对待固化产品抽真空固化；固化温度为170℃，固化时间为3h，热压罐内压力为0.3Mpa；
(f)外蒙皮成型
将步骤(e)得到的产品表面逐层包覆碳纤维织物，将包裹碳纤维织物后的产品放入RTM成型模具(如图4和图5所示)中进行注胶；注胶方式为线式注射；注胶过程结束后固化；固化过程是在真空烘箱内进行的，固化温度110℃，固化时间2h。
制造完成的叶片如图3所示，叶片组件进行性能试验，包括叶片挥舞面、摆振面弯曲刚度、叶片静强度、固有频率、叶片与叶柄结合处强度、动平衡以及质心测量等性能试验，符合设计要求。

Claims (2)

1.一种碳纤维复合材料泡沫夹层结构风洞风扇叶片，其特征在于：该叶片是整体泡沫夹层结构，叶片根部连接金属叶柄(5)；所述的叶片包括蒙皮(2)、前缘加强区(1)、主承力梁(4)和泡沫芯材(3)，其中外部为蒙皮(2)，蒙皮(2)内前端连接前缘加强区(1)，蒙皮(2)内中部连接主承力梁(4)，泡沫芯材(3)填充在蒙皮(2)、前缘加强区(1)和主承力梁(4)形成的内部空间；所述的蒙皮(2)分为内蒙皮和外蒙皮，内蒙皮表面铺贴外蒙皮；
所述的主承力梁(4)厚度从叶片根部8～10mm过渡至叶尖2～4mm；所述的前缘加强区(1)厚度为2～5mm；所述的内蒙皮厚度为2～5mm，外蒙皮厚度为1～3mm；
所述的内蒙皮、前缘加强区(1)和主承力梁(4)为碳纤维复合材料，其使用的树脂基体为环氧树脂或双马来酰亚胺树脂，预浸料制作用的纤维为T300、T700或M40级碳纤维单向带；所述的外蒙皮用纤维为T300碳纤维织物；
所述的金属叶柄(5)采用锻钢或钛合金；所述的泡沫芯材(3)为聚甲基丙烯酰亚胺硬质闭孔泡沫。
2.一种权利要求1所述的碳纤维复合材料泡沫夹层结构风洞风扇叶片的成型方法，其特征在于：该方法包括如下步骤
(a)叶柄与泡沫芯材粘接
使用数控机床加工泡沫芯材(3)毛坯料；然后利用工装适配金属叶柄(5)和泡沫芯材(3)，保证金属叶柄(5)和泡沫芯材(3)轴线共线；适配后将胶膜均匀铺覆到金属叶柄(5)和泡沫芯材(3)的胶接面，将金属叶柄(5)固定在泡沫芯材(3)上，在热压罐中固化；固化温度为160℃～170℃，固化时间为3h～6h，热压罐内压力为0.2MPa～0.3Mpa；
(b)预浸料下料
预浸料由碳纤维和环氧树脂复合而成，采用热熔法制备；根据叶片的蒙皮(2)、前缘加强区(1)和主承力梁(4)型面，将叶片三维模型的铺层展开，并转化为二维图形，使用自动下料机裁切出相应的合适图形；
(c)前缘加强区和主承力梁铺层及吸胶压实
在步骤(a)制备的泡沫芯材(3)表面铺贴步骤(b)制备的预浸料，前缘加强区(1)和主承力梁(4)铺贴预浸料过程中，分3～5次吸胶压实，每次吸胶采用不同尺寸的贴合叶片型面的玻璃钢阴模模具；所述的模具为沿着叶片型面分开的2瓣阴模；所述的吸胶是在热压罐内进行，吸胶温度60℃～80℃，吸胶时间20min～80min，热压罐内压力0.1MPa～0.3Mpa，吸胶过程中对待吸胶的产品进行抽真空；
(d)内蒙皮铺层及吸胶压实
将步骤(b)制备的预浸料铺放于步骤(c)得到的前缘加强区(1)和主承力梁(4)表层，在完成内蒙皮一半厚度的铺层时进行吸胶，吸胶采用型面相应的模具；所述的模具为沿着叶片型面分开的2瓣玻璃钢阴模；然后再完成内蒙皮剩余部分的铺层，得到待固化产品；所述的吸胶是在热压罐内进行，吸胶温度60℃～80℃，吸胶时间20min～80min，热压罐内压力0.1MPa～0.3Mpa，吸胶过程中对待吸胶的产品进行抽真空；
(e)固化
将步骤(d)得到的待固化产品包覆辅助材料，并固定固化外阴模，然后将产品放入热压罐内，对待固化产品抽真空固化；固化温度为160℃～170℃，固化时间为3h～6h，热压罐内压力为0.2MPa～0.3Mpa；
(f)外蒙皮成型
将步骤(e)得到的产品表面逐层包覆碳纤维织物，将包裹碳纤维织物后的产品放入RTM成型模具中进行注胶；注胶方式为线式注射；注胶过程结束后固化；固化过程是在真空烘箱内进行的，固化温度90℃～110℃，固化时间2h～4h。
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