CN111169615A

CN111169615A - 一种推进器复合材料导管及其制备方法

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Publication number: CN111169615A
Application number: CN202010023870.6A
Authority: CN
Inventors: 赵浩; 高婷; 唐泽辉; 石广兴; 孙超明
Original assignee: Beijing Composite Material Co Ltd
Current assignee: Beijing Composite Material Co Ltd
Priority date: 2020-01-09
Filing date: 2020-01-09
Publication date: 2020-05-19
Anticipated expiration: 2040-01-09
Also published as: CN111169615B

Abstract

本发明目的在于提供一种推进器复合材料导管及其制备方法，涉及新材料及新工艺；包括如下步骤：采用碳纤维/环氧树脂预浸布做为原料，按照热压罐工艺制作毂体、叶片及筋板；制作支撑架；采用热压罐工艺加工成型内蒙皮，在内蒙皮环状内壁上开设有槽孔；在筋板上加工设置螺栓孔和/或榫卯接头的固定端；将叶片的连接端穿过槽孔并与内蒙皮粘接；将筋板与连接端固定连接；将筋板与内蒙皮的内型面粘接；在由筋板与内蒙皮的内型面围成的多个间隔空间内分别填充成型浮力材料并将其外露的部位修整出外型面，在外型面上铺粘碳纤维/环氧树脂预浸布，采用热压罐工艺成型外蒙皮，并修整后获得产品成品。本发明能够减轻现有推进器导管重量，并更佳耐海水腐蚀。

Description

一种推进器复合材料导管及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合导管技术领域，尤其是涉及一种推进器复合材料导管及其制备方法。

背景技术

现有技术中深海载人潜水器推进器导管通常采用金属材料制造，存在着重量大、耐海水腐蚀性差的技术问题。碳纤维增强树脂基复合材料具有低密度、耐腐蚀、高比强度和比模量及可设计性等特点，是一种性能优异的结构材料。相比金属材料，碳纤维增强树脂基复合材料一方面可较大地减轻其本体重量，另一方面还可提高其耐海水的腐蚀能力，延长深海载人潜水器的使用寿命。依现有技术获得的碳纤维增强树脂基复合材料在制造深海载人潜水器推进器导管时仍存在很多技术障碍，致今仍未获得结构强度及耐腐蚀性满足深海载人潜水器推进器使用要求的复合导管产品。

因此，针对上述问题提供一种复合材料导管及其制备方法，用于深海载人潜水器推进器导管，使设定荷载的深海载人潜水器可相对多地配置设备仪器，更便于深海调查和研究成为一种必需。

发明内容

本发明的目的在于提供一种推进器复合材料导管的制备方法及推进器复合材料导管，通过采用新材料及新工艺制作推进器导管，以解决现有推进器导管重量大，耐海水腐蚀性差的技术问题。

本发明提供的一种推进器复合材料导管的制备方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：制作毂体粗坯，采用碳纤维/环氧树脂预浸布做为原料，按照热压罐工艺制作毂体粗坯；

步骤2：制作毂体，采用机械加工工艺在所述毂体粗坯的侧壁上加工至少三个叶片安装槽；所述叶片安装槽以所述毂体粗坯的轴线为轴，间隔相同的角度等间距设置；

步骤3：制作叶片粗坯，采用碳纤维/环氧树脂预浸布做为原料，按照热压罐工艺成型制作叶片粗坯；所述叶片粗坯一端的外形与所述叶片安装槽的外形相适配；

步骤4：制作叶片，采用机械加工工艺加工所述叶片粗坯，并在所述叶片粗坯的另一端加工适于拆卸的连接端；所述连接端设置有螺栓孔和/或榫卯接头；

步骤5：制作支撑架，将所述叶片外形与所述叶片安装槽的外形相适配的一端与所述叶片安装槽紧固连接；

步骤6：制作内蒙皮，采用热压罐工艺加工成型内蒙皮粗坯；采用机械加工工艺将所述内蒙皮粗坯加工成环状内壁，并在所述环状内壁上开设与所述支撑架上叶片适于拆卸的连接端的空间位置相对应的槽孔；

步骤7：制作筋板粗坯，采用碳纤维/环氧树脂预浸布做为原料，按照热压罐工艺制成筋板粗坯；所述筋板粗坯的一处侧边的外形与所述环状内壁轴截面位于所述轴线一侧的曲线外形相适配；

步骤8：制作筋板，采用机械加工工艺在所述筋板粗坯上加工用于连接所述叶片的所述连接端的固定端；所述固定端设置有螺栓孔和/或榫卯接头；

步骤9：组装内蒙皮，将所述支撑架上叶片的连接端与所述内蒙皮的槽孔位置对正后，穿过所述槽孔并与所述内蒙皮粘接；将所述筋板与穿过所述槽孔的所述连接端固定连接；将所述筋板与所述内蒙皮的内型面粘接；

步骤10：填充成型浮力材料，在由所述筋板与所述内蒙皮的内型面围成的多个间隔空间内分别填充成型浮力材料；

步骤11：加工外型面，采用机械加工工艺将所述成型浮力材料外露的部位修整出外型面；

步骤12：制作外蒙皮，在所述外型面上铺粘碳纤维/环氧树脂预浸布，采用热压罐工艺成型外蒙皮；将所述外蒙皮外形修整后获得推进器复合材料导管成品；

所述步骤1至12中不区分操作先后顺序，对于前后操作无顺序关联的两个操作步骤亦适宜同时并行操作处理。

进一步地，所述毂体粗坯的外形为圆台状，并同轴线设置有圆柱状通孔。

进一步地，在步骤：“制作支撑架”中，所述叶片与所述叶片安装槽紧固连接的方式为粘接。

进一步地，所述外型面的外形与推进器复合材料导管外壁设计外形相适配。

进一步地，所述成型浮力材料为环氧树脂复合材料。

进一步地，所述成型浮力材料为空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料；所述成型浮力材料的密度范围为0.5到0.9克每立方厘米。

本发明在上述方案基础上还进一步提供一种推进器复合材料导管，所述推进器复合材料导管由如前所述的方法制成。

进一步地，包括：支撑架和蒙皮；所述蒙皮的外形为环状；所述支撑架包括：毂体和叶片；所述叶片的两端分别固定连接所述毂体的外壁和所述蒙皮的内壁。

进一步地，所述蒙皮包括外蒙皮和内蒙皮；所述蒙皮内设置有筋板；所述叶片的一端与所述筋板固定连接。

进一步地，所述叶片的一端通过螺钉与所述筋板固定连接。

进一步地，所述推进器复合材料导管的外壁涂覆有疏水涂层。

本发明提供的推进器复合材料导管的制备方法与现有技术相比具有以下进步：

1、制备工艺简单，依现有成熟机械加工工艺及热压罐工艺即可加工制作完成，制作成本低廉。

2、本发明采用碳纤维/环氧树脂预浸布做为原料，具有结构强度大且密度轻的技术优点，能够大幅降低推进器导管的重量及制作成本。

3、本发明采用上述方法获得的推进器复合材料导管除局部连接件为金属部件外均采用耐海水腐蚀材料制成，且金属部件会被防水密封在蒙皮中，因此具有较高的耐海水腐蚀性，具有有较长的使用寿命。

4、本发明采用成型浮力材料与筋板相结合作为蒙皮内部的结构支撑构件不仅能大幅减轻推进器复合材料导管的重量还能不失其应有的结构强度，水下推进时动能转化效率更高，能够大幅降低水下推进器的能耗。

5、本发明采用胶粘、螺栓连接及榫卯结构相结合的连接方式来连接固定叶片，能够充分保障叶片连接的稳固性，使用中不会发生意外松动及脱落。

本发明提供的推进器复合材料导管具有：制作工艺简单，结构强度大，制作成本低，耐海水腐蚀的技术优点，易于批量生产加工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中推进器复合材料导管的制备方法的操作流程图；

图2为本发明实施例1中毂体粗坯的结构示意图；

图3为本发明实施例1中毂体的结构示意图；

图4为本发明实施例1中位于工装上的支撑架的结构示意图；

图5为本发明实施例1中内蒙皮组装完成后的结构示意图；

图6为为本发明实施例1中制得的推进器复合材料导管成品的结构示意图；

图7为本发明实施例1中推进器复合材料导管的制备方法其中一种制备顺序下的工艺流程示意图；

图8为本发明实施例2中推进器复合材料导管的结构俯视图；

图9为图9的A向结构剖视图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

热压罐工艺是指将单层预浸料按预定方向铺叠成的复合材料坯料,放在热压罐内,在定温度和压力下完成固化过程的工艺方法。热压罐是一种能承受和调控定温度、压力范围的专用压力容器。坯料被铺放在附有脱模剂的模具表面,然后依次用多孔防粘布(膜)、吸狡毡透气毡覆盖,并密封于真空袋内,再放入热压罐中。加温固化前先将袋抽真空,除去空气和挥发物,然后按不同树脂的固化制度升温、加压、固化。

固化制度的制定与执行是保证热压罐成型制件质量的关键。在加热到一定温度后,再对坯料加压,压力大小以保证制件压实为宜,即保证最大限度地排出空气和挥发物,又不会挤压出过多的树脂,需要通过测定树脂在固化过程中粘度、介电常数或反应热的变化确定加温、加压程序。所用的模具结构简单,压制的制件密实,孔隙率低；制件中纤维方向和体积分数、制件形状和几何尺寸可得到保证。适合于层压板和夹层结构的复合材料成型。

请参见图1，本发明提供一种推进器复合材料导管的制备方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：制作毂体粗坯，采用碳纤维/环氧树脂预浸布做为原料，按照热压罐工艺制作毂体粗坯；其中，如图2所示，本实施例中所述毂体粗坯100的外形为圆台状，并设置有同轴线的圆柱状通孔110。

步骤2：制作毂体，如图3所示，采用机械加工工艺在所述毂体粗坯100的侧壁上加工至少三个叶片安装槽120；所述叶片安装槽以所述毂体粗坯的轴线为轴，间隔相同的角度等间距设置；图3中本实施例加工了6个叶片安装槽，背侧3个叶片安装槽因被遮挡故未进一步图示。

步骤3：制作叶片粗坯，采用碳纤维/环氧树脂预浸布做为原料，按照热压罐工艺成型制作叶片粗坯；所述叶片粗坯一端的外形与所述叶片安装槽的外形相适配；(需要说明的是本申请中叶片外形结构设计基于现有技术，亦非本申请中的主要技术改进点，故相关外形细节在此不再进一步图示与赘述。)

步骤4：制作叶片，采用机械加工工艺加工所述叶片粗坯，并在所述叶片粗坯的另一端加工适于拆卸的连接端；所述连接端设置有螺栓孔和/或榫卯接头；其中，本实施例优选在叶片粗坯的另一端加工两个螺栓孔，并选择性的为方便连接固定而设置有单侧沉槽。

步骤5：制作支撑架，将所述叶片外形与所述叶片安装槽的外形相适配的一端与所述叶片安装槽紧固连接；具体的，参见图4，将毂体100套接在工装G的圆柱G1上，将叶片200分别放入工装G的卡槽G2内，将叶片200的一端插入叶片安装槽120内，并与叶片安装槽120粘接，将叶片200的另一端通过两个螺钉210与工装G的立柱G3紧固连接，固定保持叶片200的粘接位置；待粘接牢固后拆除螺钉210，并将装有叶片200的毂体100取下，获得支撑架。

步骤6：制作内蒙皮，采用热压罐工艺加工成型内蒙皮粗坯；采用机械加工工艺将所述内蒙皮粗坯加工成环状内壁，并在所述环状内壁上开设与所述支撑架上叶片适于拆卸的连接端的空间位置相对应的槽孔；其中，本实施例中内蒙皮的外形结构参见图5。

步骤8：制作筋板，采用机械加工工艺在所述筋板粗坯上加工用于连接所述叶片的所述连接端的固定端；所述固定端设置有螺栓孔和/或榫卯接头；其中，本实施例中筋板的结构参见图5。

步骤9：组装内蒙皮，参见图5，先将内蒙皮固定在蒙皮工装M上；将所述支撑架上叶片200的连接端与所述内蒙皮300的槽孔310位置对正后，穿过所述槽孔310并与所述内蒙皮300粘接；将所述筋板400与穿过所述槽孔310的所述连接端固定连接；将所述筋板400与所述内蒙皮300的内型面H粘接；(需要说明的是上述蒙皮工装M仅为方便装配时使用，非本申请中的必要步骤特征；由于槽孔310已被叶片200所贯穿，故图5中仅图示其孔壁边缘；筋板400的外形结构依现有推进器导管相同部位的截面外形所设计，其主要设置目的为固定支撑外蒙皮与内蒙皮，提高蒙皮部位的结构强度。)

步骤10：填充成型浮力材料，在图5所示由所述筋板400与所述内蒙皮300的内型面H围成的多个间隔空间内分别填充成型浮力材料；

步骤11：加工外型面，采用机械加工工艺将所述成型浮力材料外露的部位修整出外型面。

步骤12：制作外蒙皮500，在所述外型面上铺粘碳纤维/环氧树脂预浸布，采用热压罐工艺成型外蒙皮500；将所述外蒙皮外形修整后获得推进器复合材料导管成品如图6所示；需要说明的是上述外型面的形状基于现有推进器导管相同部位的截面外形所设计，非本申请的主要改进点，因此相关外形细节在此不再进一步图示与赘述，本申请中由于外蒙皮的外形与外型面的外形相一致，因此可参见图6所示外蒙皮的外形推断出本实施例中外型面所采用的外形。

需要说明的是上述操作步骤不区分操作先后顺序，对于前后操作无顺序关联的两个操作步骤亦适宜同时并行操作处理。

优选的，在本申请其中一个优选技术方案中，其中一种操作制作顺序如图7所示。

优选的，在本申请其中一个优选技术方案中，在步骤：“制作支撑架”中，所述叶片与所述叶片安装槽紧固连接的方式为粘接。

优选地，在本申请其中一个优选技术方案中，所述外型面的外形与推进器复合材料导管外壁设计外形相适配。

优选地，在本申请其中一个优选技术方案中，所述成型浮力材料为环氧树脂复合材料。

优选地，在本申请其中一个优选技术方案中，所述成型浮力材料为空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料；所述成型浮力材料的密度范围为0.5到0.9克每立方厘米。

优选地，在本申请其中一个优选技术方案中，成型浮力材料的压缩强度不小于115MPa。

本实施例以碳纤维/环氧树脂预浸布为原料，采用热压罐工艺制作毂体粗坯，经机械加工后得毂体；以碳纤维/环氧树脂预浸布为原料，采用热压罐工艺成型叶片粗坯，经机械加工后得叶片；采用工装将叶片和毂体组粘成支撑架；在内蒙皮模具上铺粘碳纤维/环氧树脂预浸布，采用热压罐工艺成型内蒙皮，机械加工成型内蒙皮；以碳纤维/环氧树脂预浸布为原料，采用热压罐工艺成型筋板粗坯，经机械加工制得筋板；采用工装将支撑架叶片组粘于内蒙皮上，将筋板组配粘接于内蒙皮内型面上；在内蒙皮内型面和筋板间填糊成型浮力材料，按外蒙皮内表面型值机械加工浮力材料外型面；在此浮力材料外型面上铺粘碳纤维/环氧树脂预浸布，采用热压罐工艺成型外蒙皮，按外蒙皮外表面型值加工其外表面。

上述技术方案的改进点总结如下：

1，制备工艺简单，依现有成熟机械加工工艺及热压罐工艺即可加工制作完成，制作成本低廉。

2，本发明采用碳纤维/环氧树脂预浸布做为原料，具有结构强度大且密度轻的技术优点，能够大幅降低推进器导管的重量及制作成本。

3，本发明采用上述方法获得的推进器复合材料导管除局部连接件为金属部件外均采用耐海水腐蚀材料制成，且金属部件会被防水密封在蒙皮中，因此具有较高的耐海水腐蚀性，具有有较长的使用寿命。

4，本发明采用成型浮力材料与筋板相结合作为蒙皮内部的结构支撑构件不仅能大幅减轻推进器复合材料导管的重量还能不失其应有的结构强度，水下推进时动能转化效率更高，能够大幅降低水下推进器的能耗。

5，本发明采用胶粘、螺栓连接及榫卯结构相结合的连接方式来连接固定叶片，能够充分保障叶片连接的稳固性，使用中不会发生意外松动及脱落。

实施例2：

如图8及图9所示，本实施例在实施例1的基础上，提供一种推进器复合材料导管，所述推进器复合材料导管由实施例1中所述方法制成。

优选地，如图8和图9所示，在本申请其中一个优选技术方案中，推进器复合材料导管的结构包括：支撑架7和蒙皮8；所述蒙皮8的外形为环状；所述支撑架包括：毂体1和叶片2；所述叶片2的两端分别固定连接所述毂体1的外壁和所述蒙皮8的内壁。

优选地，如图8和图9所示，在本申请其中一个优选技术方案中，所述蒙皮8包括外蒙皮6和内蒙皮3；所述蒙皮内设置有筋板4；所述叶片2的一端与所述筋板4固定连接。

优选地，在本申请其中一个优选技术方案中，所述叶片2的一端通过螺钉与所述筋板4固定连接。

优选地，在本申请其中一个优选技术方案中，所述推进器复合材料导管的外壁涂覆有疏水涂层。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims

1.一种推进器复合材料导管的制备方法，所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤：“制作支撑架”中，所述叶片与所述叶片安装槽紧固连接的方式为粘接。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外型面的外形与推进器复合材料导管外壁设计外形相适配。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成型浮力材料为环氧树脂复合材料。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述成型浮力材料为空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料；所述成型浮力材料的密度范围为0.5到0.9克每立方厘米。

6.一种推进器复合材料导管，其特征在于，所述推进器复合材料导管由权利要求1至5项中任一项所述的方法制成。

7.根据权利要求6所述的推进器复合材料导管，其特征在于，包括：支撑架和蒙皮；所述蒙皮的外形为环状；所述支撑架包括：毂体和叶片；所述叶片的两端分别固定连接所述毂体的外壁和所述蒙皮的内壁。

8.根据权利要求7所述的推进器复合材料导管，其特征在于，所述蒙皮包括外蒙皮和内蒙皮；所述蒙皮内设置有筋板；所述叶片的一端与所述筋板固定连接。

9.根据权利要求8所述的推进器复合材料导管，其特征在于，所述叶片的一端通过螺钉与所述筋板固定连接。

10.根据权利要求6所述的推进器复合材料导管，其特征在于，所述推进器复合材料导管的外壁涂覆有疏水涂层。