CN112696235B - 具有仿生结构的碳纤维增强发动机叶片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了具有仿生结构的碳纤维增强发动机叶片及其制备方法，该方法是由碳纤维捻制而成仿生碳纤维束和由光敏树脂和热敏树脂混合而成预浸料的混合物，预浸料混合物在光照下照射做轻微固化处理，将处理后的混合物在多层弹性内衬模上进行缠绕后，经由内高压成型方法制备得到仿生碳纤维增强发动机叶。本发明的单层碳纤维的排列方式不断变化，单纤维可以随性排布，沿着应力方向随型排布，具有更好地承载应力，更加轻质坚固而且阻力更低。
Description
技术领域
本发明涉及仿生复合材料技术领域，具体涉及具有仿生结构的碳纤维增强发动机叶片及其制备方法。
背景技术
随着人类生活水平的提高，飞机作为最主要的交通工具越来越受到人们的重视。机翼是飞机的重要部件之一，飞行时产生升力支持飞机在空中飞行。由于机翼的工作环境差、承受外力大等问题，为了增强机翼的强度，提高机翼的使用寿命，目前大部分机翼都使用复合材料。
单向碳纤维具有质量轻、热膨胀系数小、抗拉能力强等优点。但碳纤维材料存在脆性大、抗剪能力差、与金属的粘附性差等问题。因此，设计一种能够抗剪耐久的碳纤维复合材料一直是一个悬而未决的挑战。
现有碳纤维复合材料的成型方法仅能实现有序排列，构成层合板的每一层碳纤维，都是以统一的方式排列，如此无法实现最优承载，影响材料的坚固性，同时统一的方式排列的材料作为发动机叶片，阻力较高。
发明内容
本发明的目的在于：提供了具有仿生结构的碳纤维增强发动机叶片及其制备方法。本发明的优点在于单层碳纤维的排列方式不断变化，单纤维可以随性排布，沿着应力方向随型排布，更好地承载应力，有利于产生更轻质坚固而且阻力更低的具有仿生结构的碳纤维增强发动机叶片。
为了实现上述目的，本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明首先提供了具有仿生结构的碳纤维增强发动机叶片，由仿生碳纤维束和预浸料混合后在弹性内衬模上进行缠绕后，经由内高压成型方法制备得到；所述仿生碳纤维束由8～12条碳纤维捻制而成，其中每条碳纤维的直径范围为5～15μm，碳纤维束的捻距为25～250μm，捻向为S型；所述预浸料中双酚A环氧树脂含量为55％～60％，对氨基苯酚环氧树脂含量为10％～15％，甘油环氧树脂含量为25％～30％；为保证弹性内衬具有最优的使用条件，所述弹性内衬模由多层结构构成，最外层为厚度为2～5mm的天然橡胶层，中间层分别为5～8mm的帘线支撑层和5～8mm的硅胶层，最内层为8～12mm的乙丙橡胶内衬层，且最内层表面具有形成内腔减振结构的预制孔，能够容留多余树脂，所述弹性内衬模的外形尺寸为发动机叶片内腔尺寸的88～96％。
进一步地，所述预制孔的孔径为8-15mm，孔深为3-4mm，深径比为2～5。
进一步地，所述预制孔在缠绕碳纤维前孔内需涂硅胶脱模剂。
进一步地，所述仿生碳纤维束和预浸料采用制备机进行混合，所述制备机包括入料口、环氧树脂注入口、分散性固化剂加入口、电加热层和出料口，其中环氧树脂注入口和分散性固化剂加入口的内径为20mm，外径为30mm，高度为80mm；电加热层套在出料口壁中，电加热层的长度为350mm；入料口和出料口的高度为1mm；制备机的总长度为600mm。
进一步地，为了固化形态，利于成型，预浸料混合物在光照下照射做轻微固化处理，所述仿生碳纤维束和预浸料通过以下方法混合：将碳纤维束在4.5～15V的电压下进行磁化吸附，提高结合强度，将吸附的碳纤维束单向排列平铺在预浸料表层，实现微观结构上的多向纤维排布，为重复步骤实现成型，在表层覆盖相同厚度的预浸料后，为内高压前结构固化，提高加工精度，在300～600lx的光照强度下照射5～10min对混合物的表层进行轻微固化处理。
进一步地，所述仿生碳纤维束和预浸料的混合物采用螺旋缠绕机对弹性内衬模进行缠绕，所述螺旋缠绕机由旋转平台、基座、连接杆和橡胶模具组成，其中，旋转平台通过螺栓连接在基座上，连接杆通过螺纹连接到旋转平台，橡胶模具通过过盈配合插入连接杆中。
进一步地，为了提升承载能力和加工精度，所述仿生碳纤维束和预浸料的混合物采用以下方法对弹性内衬模进行缠绕：将弹性内衬模套在刚性支撑内胆上，再将与预浸料混合的碳纤维一端固定在弹性内衬模上，对仿生碳纤维束施加20～50MPa的预紧力，沿以下轨迹在弹性内衬模外表面进行缠绕，缠绕层数为50～85层；
x＝4×cos(18t)；
y＝[a1×exp(-(x-b1/c1)2)+a2×exp(-(x-b2/c2)2)+a3×exp(-(x-b3/c3)2)+a4×exp(-(x-b4/c4)2)]×sin(18t)；
z＝t；
其中：a1＝100.6；b1＝332.4；c1＝177.6；a2＝16.01；b2＝557.8；c2＝88.59；a3＝52.51；b3＝107.2；c3＝85.32；a4＝79.95；b4＝737.8；c4＝253.8。
进一步地，所述高压成型方法包括以下步骤：
(1)将缠绕好碳纤维的弹性内衬模放置于内高压模具中；
(2)将弹性内衬与增压器管道连接，之后对模具进行封闭；
(3)向弹性内衬中注入液压油至300～500MPa，将碳纤维混合物进行高压成型；
(4)将内高压模具放置于5～10℃的恒温箱中放置50～70min，将弹性内衬取出后得到仿生结构的碳纤维增强发动机叶片。
本发明还提供了上述的具有仿生结构的碳纤维增强发动机叶片的制备方法，包括以下步骤：
S1、将碳纤维捻制而成仿生碳纤维束；
S2、将仿生碳纤维束和预浸料在制备机中合成的混合物；
S3、将混合物采用螺旋缠绕机在弹性内衬模上进行缠绕；
S4、将缠绕好碳纤维的弹性内衬模放置于内高压模具中高压成型，将弹性内衬取出后得到仿生结构的碳纤维增强发动机叶片。
进一步地，上述的具有仿生结构的碳纤维增强发动机叶片的制备方法，包括以下步骤：
S1、将直径范围为5～15μm的8～12条碳纤维按照捻距为25～250μm、捻向为S型捻制而成仿生碳纤维束；
S2、将仿生碳纤维束在4.5～15V的电压下进行磁化吸附，将吸附的碳纤维束单向排列平铺在预浸料表层，再表层覆盖相同厚度的预浸料后在300～600lx的光照强度下照射5～10min对混合物的表层进行轻微固化处理，合成混合物；
S3、将弹性内衬模套在刚性支撑内胆上，再将与预浸料混合的碳纤维一端固定在弹性内衬模上，对仿生碳纤维束施加20～50MPa的预紧力，沿以下轨迹在弹性内衬模外表面进行缠绕，缠绕层数为50～85层；
x＝4×cos(18t)；
y＝[a1×exp(-(x-b1/c1)2)+a2×exp(-(x-b2/c2)2)+a3×exp(-(x-b3/c3)2)+a4×exp(-(x-b4/c4)2)]×sin(18t)；
z＝t；
其中：a1＝100.6；b1＝332.4；c1＝177.6；a2＝16.01；b2＝557.8；c2＝88.59；a3＝52.51；b3＝107.2；c3＝85.32；a4＝79.95；b4＝737.8；c4＝253.8；
S4、将缠绕好碳纤维的弹性内衬模放置于内高压模具中300～500MPa下5～10℃、50～70min高压成型，将弹性内衬取出后得到仿生结构的碳纤维增强发动机叶片。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的仿生结构的碳纤维增强发动机叶片，具有仿猫头鹰羽毛羽翼的仿生结构，构成层合板的每一层碳纤维，排列方式不断变化，单纤维可以随性排布，沿着应力方向随型排布，提高材料的承载能力，有利于产生更轻质坚固而且阻力更低的碳纤维增强发动机叶片。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的具有仿生结构的碳纤维增强发动机叶片的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的具有仿生结构的弹性内衬的结构示意图。
图3为本发明实施例提供的具有仿生结构的制备机的结构示意图。
图4为本发明实施例提供的具有仿生结构的螺旋缠绕机的结构示意图。
附图标记说明：
1、入料口；2、环氧树脂注入口；3、分散性固化剂加入口；4、电加热层；5、出料口；6、旋转平台；7、基座；8、连接杆；9、橡胶模具；10、天然橡胶层；11、帘线支撑层和硅胶层；12、乙丙橡胶内衬层；13、弹性内衬；14、碳纤维增强发动机叶片；15、模具。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明提供的具有仿生结构的碳纤维增强发动机叶片，是将碳纤维束和预浸料在制备机中组合成混合物，预浸料混合物在光照下照射做轻微固化处理，将处理后的混合物采用螺旋缠绕机在多层弹性内衬模上进行缠绕后，经由内高压成型方法制备得到。所述仿生碳纤维束由8～12条碳纤维捻制而成，其中每条碳纤维的直径范围为5～15μm，碳纤维束的捻距为25～250μm，捻向为S型；所述预浸料中双酚A环氧树脂含量为55％～60％，对氨基苯酚环氧树脂含量为10％～15％，甘油环氧树脂含量为25％～30％；所述弹性内衬模的最外层为厚度为2～5mm的天然橡胶层，中间层分别为5～8mm的帘线支撑层和5～8mm的硅胶层，最内层为8～12mm的乙丙橡胶内衬层，且最内层表面具有形成内腔减振结构的预制孔，所述弹性内衬模的外形尺寸为发动机叶片内腔尺寸的88～96％。
其中，制备机包括入料口、环氧树脂注入口、分散性固化剂加入口、电加热层和出料口，如图3所示，其中环氧树脂注入口和分散性固化剂加入口的内径为20mm，外径为30mm，高度为80mm；电加热层套在出料口壁中，电加热层的长度为350mm；入料口和出料口的高度为1mm；制备机的总长度为600mm。
螺旋缠绕机由旋转平台、基座、连接杆和橡胶模具组成，如图4所示，其中，旋转平台通过螺栓连接在基座上，连接杆通过螺纹连接到旋转平台，橡胶模具通过过盈配合插入连接杆中。
实施例1
本发明提供的具有仿生结构的碳纤维增强发动机叶片的制备方法，其具体实施方式步骤如下：
步骤一：
将10条碳纤维捻制而成碳纤维束，其中每条碳纤维的直径范围为10μm，碳纤维束的捻距为50μm，捻向为S型。
步骤二：
将光敏树脂和热敏树脂混合而成预浸料，其中双酚A环氧树脂含量为60％，对氨基苯酚环氧树脂含量为15％，甘油环氧树脂含量为25％。
步骤三：
将碳纤维束在7.5V的电压下进行磁化吸附，将吸附的碳纤维束单向排列平铺在预浸料表层，再表层覆盖相同厚度的预浸料后在500lx的光照强度下照射10min对混合物的表层进行轻微固化处理。
步骤四：
将弹性内衬模套在刚性支撑内胆上，再将与预浸料混合的碳纤维一端固定在弹性内衬模上，对仿生碳纤维束施加40MPa的预紧力，沿以下轨迹在弹性内衬模外表面进行缠绕，缠绕层数为70层。
x＝4×cos(18t)；
y＝[a1×exp(-(x-b1/c1)2)+a2×exp(-(x-b2/c2)2)+a3×exp(-(x-b3/c3)2)+a4×exp(-(x-b4/c4)2)]×sin(18t)；
z＝t；
其中：a1＝100.6；b1＝332.4；c1＝177.6；a2＝16.01；b2＝557.8；c2＝88.59；a3＝52.51；b3＝107.2；c3＝85.32；a4＝79.95；b4＝737.8；c4＝253.8；
步骤五：
高压成型方法，具有以下步骤和工艺参数：
(1)将缠绕好碳纤维的弹性内衬模放置于内高压模具中
(2)将弹性内衬与增压器管道连接，之后对模具进行封闭
(3)向弹性内衬中注入液压油至500MPa，将碳纤维混合物进行高压成型。
(4)将内高压模具放置于10℃的恒温箱中放置70min，将弹性内衬取出后得到仿生结构的碳纤维增强发动机叶片。
实施例2
步骤一：
将12条碳纤维捻制而成碳纤维束，其中每条碳纤维的直径范围为5μm，碳纤维束的捻距为250μm，捻向为S型。
步骤二：
将光敏树脂和热敏树脂混合而成预浸料，其中双酚A环氧树脂含量为55％，对氨基苯酚环氧树脂含量为15％，甘油环氧树脂含量为30％。
步骤三：
将碳纤维束在15V的电压下进行磁化吸附，将吸附的碳纤维束单向排列平铺在预浸料表层，再表层覆盖相同厚度的预浸料后在300lx的光照强度下照射8min对混合物的表层进行轻微固化处理。
步骤四：
将弹性内衬模套在刚性支撑内胆上，再将与预浸料混合的碳纤维一端固定在弹性内衬模上，对仿生碳纤维束施加20MPa的预紧力，沿以下轨迹在弹性内衬模外表面进行缠绕，缠绕层数为50层。
x＝4×cos(18t)；
y＝[a1×exp(-(x-b1/c1)2)+a2×exp(-(x-b2/c2)2)+a3×exp(-(x-b3/c3)2)+a4×exp(-(x-b4/c4)2)]×sin(18t)；
z＝t；
其中：a1＝100.6；b1＝332.4；c1＝177.6；a2＝16.01；b2＝557.8；c2＝88.59；a3＝52.51；b3＝107.2；c3＝85.32；a4＝79.95；b4＝737.8；c4＝253.8；
步骤五：
高压成型方法，具有以下步骤和工艺参数：
(1)将缠绕好碳纤维的弹性内衬模放置于内高压模具中
(2)将弹性内衬与增压器管道连接，之后对模具进行封闭
(3)向弹性内衬中注入液压油至300MPa，将碳纤维混合物进行高压成型。
(4)将内高压模具放置于5℃的恒温箱中放置70min，将弹性内衬取出后得到仿生结构的碳纤维增强发动机叶片。
实施例3
步骤一：
将8条碳纤维捻制而成碳纤维束，其中每条碳纤维的直径范围为15μm，碳纤维束的捻距为25μm，捻向为S型。
步骤二：
将光敏树脂和热敏树脂混合而成预浸料，其中双酚A环氧树脂含量为60％，对氨基苯酚环氧树脂含量为10％，甘油环氧树脂含量为30％。
步骤三：
将碳纤维束在4.5V的电压下进行磁化吸附，将吸附的碳纤维束单向排列平铺在预浸料表层，再表层覆盖相同厚度的预浸料后在600lx的光照强度下照射5min对混合物的表层进行轻微固化处理。
步骤四：
将弹性内衬模套在刚性支撑内胆上，再将与预浸料混合的碳纤维一端固定在弹性内衬模上，对仿生碳纤维束施加50MPa的预紧力，沿以下轨迹在弹性内衬模外表面进行缠绕，缠绕层数为85层。
x＝4×cos(18t)；
y＝[a1×exp(-(x-b1/c1)2)+a2×exp(-(x-b2/c2)2)+a3×exp(-(x-b3/c3)2)+a4×exp(-(x-b4/c4)2)]×sin(18t)；
z＝t；
其中：a1＝100.6；b1＝332.4；c1＝177.6；a2＝16.01；b2＝557.8；c2＝88.59；a3＝52.51；b3＝107.2；c3＝85.32；a4＝79.95；b4＝737.8；c4＝253.8；
步骤五：
高压成型方法，具有以下步骤和工艺参数：
(1)将缠绕好碳纤维的弹性内衬模放置于内高压模具中
(2)将弹性内衬与增压器管道连接，之后对模具进行封闭
(3)向弹性内衬中注入液压油至400MPa，将碳纤维混合物进行高压成型。
(4)将内高压模具放置于10℃的恒温箱中放置50min，将弹性内衬取出后得到仿生结构的碳纤维增强发动机叶片。
本发明提供的仿生结构的碳纤维增强发动机叶片，具有仿猫头鹰羽毛羽翼的仿生结构，构成层合板的每一层碳纤维，排列方式不断变化，单纤维可以随性排布，沿着应力方向随型排布，提高材料的承载能力，有利于产生更轻质坚固而且阻力更低的碳纤维增强发动机叶片。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (8)
1.具有仿生结构的碳纤维增强发动机叶片，其特征在于，由仿生碳纤维束和预浸料混合后在弹性内衬模上进行缠绕后，经由内高压成型方法制备得到；所述仿生碳纤维束由8～12条碳纤维捻制而成，其中每条碳纤维的直径范围为5～15μm，碳纤维束的捻距为25～250μm，捻向为S型；所述预浸料中双酚A环氧树脂含量为55％～60％，对氨基苯酚环氧树脂含量为10％～15％，甘油环氧树脂含量为25％～30％；所述弹性内衬模的最外层为厚度为2～5mm的天然橡胶层，中间层分别为5～8mm的帘线支撑层和5～8mm的硅胶层，最内层为8～12mm的乙丙橡胶内衬层，且最内层表面具有形成内腔减振结构的预制孔，所述弹性内衬模的外形尺寸为发动机叶片内腔尺寸的88～96％。
2.根据权利要求1所述的具有仿生结构的碳纤维增强发动机叶片，其特征在于，所述预制孔的孔径为8-15mm，孔深为3-4mm，径深比为2～5。
3.根据权利要求1所述的具有仿生结构的碳纤维增强发动机叶片，其特征在于，所述预制孔在缠绕碳纤维前孔内需涂硅胶脱模剂。
4.根据权利要求1所述的具有仿生结构的碳纤维增强发动机叶片，其特征在于，所述仿生碳纤维束和预浸料采用制备机进行混合，所述制备机包括入料口(1)、环氧树脂注入口(2)、分散性固化剂加入口(3)、电加热层(4)和出料口(5)，其中环氧树脂注入口(2)和分散性固化剂加入口(3)的内径为20mm，外径为30mm，高度为80mm；电加热层套在出料口(5)壁中，电加热层的长度为350mm；入料口(1)和出料口(5)的高度为1mm；制备机的总长度为600mm。
5.根据权利要求1所述的具有仿生结构的碳纤维增强发动机叶片，其特征在于，所述仿生碳纤维束和预浸料通过以下方法混合：将碳纤维束在4.5～15V的电压下进行磁化吸附，将吸附的碳纤维束单向排列平铺在预浸料表层，在表层覆盖相同厚度的预浸料后，在300～600lx的光照强度下照射5～10min对混合物的表层进行轻微固化处理。
6.根据权利要求1所述的具有仿生结构的碳纤维增强发动机叶片，其特征在于，所述仿生碳纤维束和预浸料的混合物采用螺旋缠绕机对弹性内衬模进行缠绕，所述螺旋缠绕机由旋转平台(6)、基座(7)、连接杆(8)和橡胶模具(9)组成，其中，旋转平台(6)通过螺栓连接在基座(7)上，连接杆(8)通过螺纹连接到旋转平台(6)，橡胶模具(9)通过过盈配合插入连接杆(8)中。
7.根据权利要求1所述的具有仿生结构的碳纤维增强发动机叶片，其特征在于，所述高压成型方法包括以下步骤：
(1)将缠绕好碳纤维的弹性内衬模放置于内高压模具中；
(2)将弹性内衬与增压器管道连接，之后对模具进行封闭；
(3)向弹性内衬中注入液压油至300～500MPa，将碳纤维混合物进行高压成型；
(4)将内高压模具放置于5～10℃的恒温箱中放置50～70min，将弹性内衬取出后得到仿生结构的碳纤维增强发动机叶片。
8.制备权利要求1所述的具有仿生结构的碳纤维增强发动机叶片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将碳纤维捻制而成仿生碳纤维束；
S2、将仿生碳纤维束和预浸料在制备机中合成的混合物；
S3、将混合物采用螺旋缠绕机在弹性内衬模上进行缠绕；
S4、将缠绕好碳纤维的弹性内衬模放置于内高压模具中高压成型，将弹性内衬取出后得到仿生结构的碳纤维增强发动机叶片。
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