CN110406194A - 阻尼减震式增强型碳纤维复合材料及碳纤维螺旋桨叶 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了阻尼减震式增强型碳纤维复合材料及碳纤维螺旋桨叶，该碳纤维复合材料包括增强碳纤维复合片材、以及内嵌于增强碳纤维复合片材内的压电阻尼异熔材料，其中，增强碳纤维复合片材为包覆碳纤维骨架的铝合金片材，压电阻尼异熔材料为掺杂嵌合压电材料的Cu‑Zn合金颗粒；本发明将碳纤维与阻尼材料结合，制得的复合材料具有优异的力学性能和压电阻尼性，将其应用于螺旋桨叶中，有效提高了产品性能质量，且使用寿命和能源消耗都有明显的改善，应用价值高，制得推广应用。

Description

阻尼减震式增强型碳纤维复合材料及碳纤维螺旋桨叶
技术领域
本发明涉及碳纤维材料技术领域，具体涉及一种阻尼减震式增强型碳纤维复合材料及碳纤维螺旋桨叶。
背景技术
碳纤维是指含碳量在90％以上的高强度高模量纤维，其耐高温居所有化纤之首，用腈纶和粘胶纤维做原料，经高温氧化碳化而成，是制造航天航空等高技术器材的优良材料。碳纤维具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，外形呈纤维状、柔软、可加工成各种织物，由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量，而且，碳纤维的密度小，因此比强度和比模量高。碳纤维的主要用途是作为增强材料与树脂、金属、陶瓷及炭等复合，制造先进复合材料。
螺旋桨是指靠桨叶在空气或水中旋转，将发动机转动功率转化为推进力的装置，可有两个或较多的叶与毂相连，叶的向后一面为螺旋面或近似于螺旋面的一种推进器。螺旋桨分为很多种，应用也十分广泛，如飞机、轮船的推进器等。其中船只的螺旋桨常年浸泡于水中、甚至海水中，往往需要极高的耐腐蚀效果，同时，对其强硬度也有非常高的要求。为了适应船舶的不断发展，高品质的螺旋桨必不可少，显然，碳纤维材料的出世对高品质螺旋桨的生产具有非常积极的促进意义。对此，本发明提出了一种高强、减震的碳纤维材料，并将其应用于螺旋桨叶中，以期获得高性能、高质量的螺旋桨。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提出了一种阻尼减震式增强型碳纤维复合材料及碳纤维螺旋桨叶，将碳纤维与阻尼材料结合，制得的复合材料具有优异的力学性能和压电阻尼性，将其应用于螺旋桨叶中，有效提高了产品性能质量，且使用寿命和能源消耗都有明显的改善，应用价值高，制得推广应用。
为了实现上述的目的，本发明采用以下的技术方案：
阻尼减震式增强型碳纤维复合材料，包括增强碳纤维复合片材、以及内嵌于增强碳纤维复合片材内的压电阻尼异熔材料，
所述增强碳纤维复合片材为包覆碳纤维骨架的铝合金片材，其中，碳纤维骨架为由连续碳纤维和冷感纤维复合纺丝的网状纤维毡，铝合金为Cu-Mg-Al合金；
所述压电阻尼异熔材料为掺杂嵌合压电材料的Cu-Zn合金颗粒，颗粒粒径为0.5-5μm，其中，压电材料采用无机压电材料
作为本发明的进一步优化，碳纤维骨架质量占比为增强碳纤维复合片材质量的3-10wt％，碳纤维骨架的复合纤维丝中连续碳纤维与冷感纤维混纺质量比为1:0.5-1；压电材料质量占比为压电阻尼异熔材料质量的10-20wt％。
作为本发明的进一步优化，碳纤维骨架外侧包覆有约束阻尼层，约束阻尼层采用粘弹性发泡树脂，约束阻尼层厚度为复合纤维丝直径的3-5％。
作为本发明的进一步优化，约束阻尼层包括以下质量份数组分，POSS改性环氧树脂20-30份、聚酰亚胺2-4份、纳米TiO20.2-1份、固化剂1-3份、发泡剂0.3-1份。POSS改性环氧树脂具有优异的粘结性、透气性和介电性，能够有效降低网状纤维毡的位移错位情况，另外，纳米TiO2在形成的树脂网络结构中能够提供良好的导电通路，为电热的传递转化具有促进效果，有利于提高降噪消能效果。另外，在螺旋桨叶制备过程中，高温环境使得树脂材料被去除挥发，其中的游离离子与纤维结合，同时形成高孔隙过渡层，类似能量传递的隔离带，具有良好的缓冲效果。
作为本发明的进一步优化，冷感纤维采用矿石纤维，选自玄武岩纤维、海泡石纤维、云母纤维、莫来石纤维中的一种或多种。
阻尼减震式增强型碳纤维复合材料，制备方法为，
1)取网状纤维毡、Cu-Mg-Al合金、Cu-Zn合金颗粒、粘弹性发泡树脂，将纤维毡浸渍在聚乙二醇400中，加入适量的表面活性剂，40℃搅拌处理至少20min，备用；
2)a、取1张步骤1)中浸渍处理后的网状纤维毡，并将粘弹性发泡树脂加热至熔融流体状，取部分熔融流体状的树脂与Cu-Zn合金颗粒共混，然后将其均匀涂覆于浸渍后的网状纤维毡上，将置于惰性氛围下固化至凝胶状态，再将剩余的熔融流体状树脂涂覆于外侧，置于惰性氛围下至完全固化，得处理后的碳纤维骨架，备用；
b、取2-5张步骤1)中浸渍处理后的网状纤维毡，并将粘弹性发泡树脂加热至熔融流体状，取部分熔融流体状的树脂与Cu-Zn合金颗粒共混，然后将其均匀涂覆于浸渍后的网状纤维毡上，并将多张网状纤维毡叠设压制，置于惰性氛围下固化至凝胶状态，再将剩余的熔融流体状树脂涂覆于外侧，置于惰性氛围下至完全固化，得处理后的碳纤维骨架，备用
3)将处理后的碳纤维骨架置于模具中，将Cu-Mg-Al合金加热熔融然后注入模具中，固化成型，取出后进行热处理和表面处理，即得。
一种碳纤维螺旋桨叶，包括基体以及内嵌于基体内的增强阻尼层，所述增强阻尼层由上述的阻尼减震式增强型碳纤维复合材料制得，所述基体采用铝合金材质。具体的增强阻尼层厚度占比为桨叶总厚度的10-18％，铝合金材质采用6系或7系铝合金。
由于采用上述的技术方案，本发明的有益效果是：
本发明将碳纤维与阻尼材料结合，制得的复合材料具有优异的力学性能和压电阻尼性，将其应用于螺旋桨叶中，有效提高了产品性能质量，且使用寿命和能源消耗都有明显的改善，应用价值高，制得推广应用。
本发明增强碳纤维复合材料以网状纤维毡为增强连接骨架，为组织结构的稳定提供了束缚力和结合基础，大大提高了合金材料的抗拉性能、屈服强度和冲击韧性等力学性能，而且添加有压电阻尼异熔材料，其中压电阻尼材料用于提高减震缓冲性(优选无机压电材料如陶瓷、石英等)，异熔材料在Cu-Mg-Al合金中具有良好的支撑空间效果，为压电材料的性能发挥提供了保障，相较于常规的直接在基体内掺杂压电材料，本发明将含压电材料的合金颗粒有效使用寿命提高了2倍以上。
由于铝合金的优异性能，其被广泛应用于螺旋桨叶领域，对此，本申请针对性的将包覆用合金片材选用Cu-Mg-Al合金，其中的Cu、Mg作为活化元素，在热熔连接压合的过程中，与铝合金间具有良好的界面结合效果，不仅有利于组织结构的结合稳定性，同时，对基体热固溶时效热处理也具有良好的辅助效果，对晶粒的细化以及低脆性改善效果明显。同时，压电阻尼异熔材料选用含压电材料的Cu-Zn合金颗粒，相较于包覆用合金以及桨叶基体合金，其熔点高100-150℃，即，在桨叶压铸成型过程中，对Cu-Zn合金颗粒只有助熔促结合的效果，能够保证一定的空间支撑，最终形成的桨叶结构，在使用过程中，产生的噪音震动等在压电材料的作用下，产生电子并随合金、网状纤维毡传递，以热量传递消散。
附图说明
图1为本发明碳纤维复合材料结构示意图；
图2为本发明压电阻尼异熔材料；
图中：1增强碳纤维复合片材、11碳纤维骨架、12Cu-Mg-Al合金、13约束阻尼层、2压电阻尼异熔材料。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
阻尼减震式增强型碳纤维复合材料，包括增强碳纤维复合片材、以及内嵌于增强碳纤维复合片材内的压电阻尼异熔材料，
增强碳纤维复合片材为包覆碳纤维骨架的铝合金片材，其中，碳纤维骨架为由连续碳纤维和冷感纤维复合纺丝的网状纤维毡，铝合金为Cu-Mg-Al合金；
压电阻尼异熔材料为掺杂嵌合压电材料的Cu-Zn合金颗粒，颗粒粒径为0.5-5μm，其中，压电材料采用无机压电材料。
其中，碳纤维骨架质量占比为增强碳纤维复合片材质量的3-10wt％，碳纤维骨架的复合纤维丝中连续碳纤维与冷感纤维混纺质量比为1:0.5-1；压电材料质量占比为压电阻尼异熔材料质量的10-20wt％。
冷感纤维采用矿石纤维，选自玄武岩纤维、海泡石纤维、云母纤维、莫来石纤维中的一种或多种。
实施例2：
基于实施例1提出的阻尼减震式增强型碳纤维复合材料，碳纤维骨架外侧包覆有约束阻尼层，约束阻尼层采用粘弹性发泡树脂，约束阻尼层厚度为复合纤维丝直径的3-5％。
约束阻尼层包括以下质量份数组分，POSS改性环氧树脂20-30份、聚酰亚胺2-4份、纳米TiO20.2-1份、固化剂1-3份、发泡剂0.3-1份。
实施例3：
基于实施例2提出的阻尼减震式增强型碳纤维复合材料，阻尼减震式增强型碳纤维复合材料，制备方法为，
1)取网状纤维毡、Cu-Mg-Al合金、Cu-Zn合金颗粒、粘弹性发泡树脂，将纤维毡浸渍在聚乙二醇400中，加入适量的表面活性剂，40℃搅拌处理至少20min，备用；
2)取1张步骤1)中浸渍处理后的网状纤维毡，并将粘弹性发泡树脂加热至熔融流体状，取部分熔融流体状的树脂与Cu-Zn合金颗粒共混，然后将其均匀涂覆于浸渍后的网状纤维毡上，将置于惰性氛围下固化至凝胶状态，再将剩余的熔融流体状树脂涂覆于外侧，置于惰性氛围下至完全固化，得处理后的碳纤维骨架，备用；
3)将处理后的碳纤维骨架置于模具中，将Cu-Mg-Al合金加热熔融然后注入模具中，固化成型，取出后进行热处理和表面处理，即得。
实施例4：
基于实施例2提出的阻尼减震式增强型碳纤维复合材料，阻尼减震式增强型碳纤维复合材料，制备方法为，
1)取网状纤维毡、Cu-Mg-Al合金、Cu-Zn合金颗粒、粘弹性发泡树脂，将纤维毡浸渍在聚乙二醇400中，加入适量的表面活性剂，40℃搅拌处理至少20min，备用；
2)取2-5张步骤1)中浸渍处理后的网状纤维毡，并将粘弹性发泡树脂加热至熔融流体状，取部分熔融流体状的树脂与Cu-Zn合金颗粒共混，然后将其均匀涂覆于浸渍后的网状纤维毡上，并将多张网状纤维毡叠设压制，置于惰性氛围下固化至凝胶状态，再将剩余的熔融流体状树脂涂覆于外侧，置于惰性氛围下至完全固化，得处理后的碳纤维骨架，备用；
3)将处理后的碳纤维骨架置于模具中，将Cu-Mg-Al合金加热熔融然后注入模具中，固化成型，取出后进行热处理和表面处理，即得。
实施例4相较于实施例3采用多张网状纤维毡，对层间应力的传导分散具有优异的效果，抗拉性能、弯曲强度均具有明显的提升，而且期间均匀分散的压电阻尼异熔材料对降噪减震也有良好的促进效果，为了保证成本和性能的平衡，优选网状纤维毡张数为2-5张，综合性能以4张或5张最优(视力学性能需求和压电阻尼需求的主次性，4张阻尼效果更强，5张力学效果更强)。
实施例5：
一种碳纤维螺旋桨叶，包括基体以及内嵌于基体内的增强阻尼层，所述增强阻尼层由实施例3制备的阻尼减震式增强型碳纤维复合材料制得，所述基体采用铝合金材质。
具体的增强阻尼层厚度占比为桨叶总厚度的10-18％，铝合金材质采用6系或7系铝合金。
实施例6：
一种碳纤维螺旋桨叶，包括基体以及内嵌于基体内的增强阻尼层，所述增强阻尼层由实施例4制备的阻尼减震式增强型碳纤维复合材料制得，所述基体采用铝合金材质。
具体的增强阻尼层厚度占比为桨叶总厚度的10-18％，铝合金材质采用6系或7系铝合金。
对比例1：
基于实施例3制备的阻尼减震式增强型碳纤维复合材料，去除其中的约束阻尼层，制得碳纤维复合材料。
对比例2：
基于实施例3制备的阻尼减震式增强型碳纤维复合材料，其中压电阻尼异熔材料直接采用压电材料，无外包覆的Cu-Zn合金，制得碳纤维复合材料。
将本发明实施例3、4，对比例1、2制得的碳纤维复合材料进行性能测试，数据如下(其中每个实施例、对比例至少制备20个样品进行测试，取均值)：
空白组1不含碳纤维骨架，含压电阻尼异熔材料(约束阻尼层涂覆于含压电阻尼异熔材料外侧)；
空白组2既不含碳纤维骨架，也不含压电阻尼异熔材料(无约束阻尼层)，单纯的为Cu-Mg-Al合金；
分贝、共振振幅为同敲击条件，受损冲击能以2.5m/s冲击速度测试，
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.阻尼减震式增强型碳纤维复合材料，其特征在于：包括增强碳纤维复合片材、以及内嵌于增强碳纤维复合片材内的压电阻尼异熔材料，
所述增强碳纤维复合片材为包覆碳纤维骨架的铝合金片材，其中，碳纤维骨架为由连续碳纤维和冷感纤维复合纺丝的网状纤维毡，铝合金为Cu-Mg-Al合金；
所述压电阻尼异熔材料为掺杂嵌合压电材料的Cu-Zn合金颗粒，颗粒粒径为0.5-5μm，其中，压电材料采用无机压电材料。
2.根据权利要求1所述的阻尼减震式增强型碳纤维复合材料，其特征在于：碳纤维骨架质量占比为增强碳纤维复合片材质量的3-10wt％，碳纤维骨架的复合纤维丝中连续碳纤维与冷感纤维混纺质量比为1:0.5-1；压电材料质量占比为压电阻尼异熔材料质量的10-20wt％。
3.根据权利要求2所述的阻尼减震式增强型碳纤维复合材料，其特征在于：碳纤维骨架外侧包覆有约束阻尼层，约束阻尼层采用粘弹性发泡树脂，约束阻尼层厚度为复合纤维丝直径的3-5％。
4.根据权利要求3所述的阻尼减震式增强型碳纤维复合材料，其特征在于：所述约束阻尼层包括以下质量份数组分，POSS改性环氧树脂20-30份、聚酰亚胺2-4份、纳米TiO20.2-1份、固化剂1-3份、发泡剂0.3-1份。
5.根据权利要求1-4任一项所述的阻尼减震式增强型碳纤维复合材料，其特征在于：所述冷感纤维采用矿石纤维，选自玄武岩纤维、海泡石纤维、云母纤维、莫来石纤维中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的阻尼减震式增强型碳纤维复合材料，其特征在于，制备方法为，
1)取网状纤维毡、Cu-Mg-Al合金、Cu-Zn合金颗粒、粘弹性发泡树脂，将纤维毡浸渍在聚乙二醇400中，加入适量的表面活性剂，40℃搅拌处理至少20min，备用；
2)a、取1张步骤1)中浸渍处理后的网状纤维毡，并将粘弹性发泡树脂加热至熔融流体状，取部分熔融流体状的树脂与Cu-Zn合金颗粒共混，然后将其均匀涂覆于浸渍后的网状纤维毡上，将置于惰性氛围下固化至凝胶状态，再将剩余的熔融流体状树脂涂覆于外侧，置于惰性氛围下至完全固化，得处理后的碳纤维骨架，备用；
b、取2-5张步骤1)中浸渍处理后的网状纤维毡，并将粘弹性发泡树脂加热至熔融流体状，取部分熔融流体状的树脂与Cu-Zn合金颗粒共混，然后将其均匀涂覆于浸渍后的网状纤维毡上，并将多张网状纤维毡叠设压制，置于惰性氛围下固化至凝胶状态，再将剩余的熔融流体状树脂涂覆于外侧，置于惰性氛围下至完全固化，得处理后的碳纤维骨架，备用；
3)将处理后的碳纤维骨架置于模具中，将Cu-Mg-Al合金加热熔融然后注入模具中，固化成型，取出后进行热处理和表面处理，即得。
7.一种碳纤维螺旋桨叶，其特征在于：包括基体以及内嵌于基体内的增强阻尼层，所述增强阻尼层由权利要求6所述的阻尼减震式增强型碳纤维复合材料制得，所述基体采用铝合金材质。
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