CN112848378B - 具有仿生结构的纤维增强复合叶片材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有仿生结构的纤维增强复合叶片材料及其制备方法，本发明其特征在于由芯部仿生取向性强化结构与外层仿生承载结构组成，采用逐次成型的方法进行制备。本发明的目的在于提供一种具有仿生结构的纤维增强复合叶片材料，改善由于传统纤维增强复合材料采用单一方向的铺层方式而导致其各向异性明显，抗扭能力不佳，易发生断裂的问题，提高其力学性能。同时基于鸮类羽轴和羽枝的分级结构，设计碳纤维束扭转分级分枝仿生结构，提升纤维承载能力，从而增加复合材料的强度。

Description

具有仿生结构的纤维增强复合叶片材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料技术领域，具体涉及具有仿生结构的纤维增强复合叶片材料及其制备方法。
背景技术
伴随着现代工程技术的逐渐发展，在航空、航天、汽车、轨道交通等领域对工程材料方面的要求不断提升。与传统工程材料存在重量大的缺点相比较，纤维增强复合材料具有质量轻、力学性能好等优良特性，使其在材料技术领域应用越来越多。根据纤维增强复合材料所具有的优点，可用来制造复合材料叶片。而纤维增强复合材料易从应力集中点开始失效，影响叶片的使用寿命及疲劳寿命，需要提高其力学性能；自然界中的大型鸮类翼羽分级结构为复合材料叶片的设计和制备提供了一种可行的思路。鸮类羽轴与羽枝呈现刚柔耦合排布，根据这一特征，采用长短碳纤维缠绕构建仿羽毛纤维结构，并制备仿生复合材料，以提升承载能力。
传统的纤维增强复合材料有着抗拉、抗弯等优良的力学性能，由于它的铺层方式采用的是单一方向，且纤维束间无连接，传统的纤维增强复合材料的抗扭能力较差，容易发生断裂。而三维编织复合材料中的纤维机织物编织工艺复杂，因此纤维增强层状材料依然是工程材料轻量化设计的重要研究方向。使纤维复合材料保持轻量化的同时，增强层状复合材料的抗弯、抗扭等复杂载荷的能力是目前材料工程领域需要解决的难题。
现有技术需要进一步的改进。
通过专利检索暂未检索到与本发明相同技术的专利文献报道，大多集中在复合材料叶片铺层及结构设计方面，即以45度或者90度进行纤维铺层设计，鲜有涉及利用鸮类翼羽的多级结构进行碳纤维铺排设计的发明。与本发明有一定关系的专利主要有以下专利：
申请号为“201710623548.5”申请日为“2017.12.12”公开号为“CN107458564A”公开日为“2017.12.12”名称为“船舶用组合式连续纤维增强复合材料叶片螺旋桨”申请人为“中国航空工业集团公司基础技术研究院”的中国发明专利，该专利公开了一种船舶用组合式连续纤维增强复合材料叶片螺旋桨。本发明属于螺旋桨技术领域，涉及一种组合式连续纤维增强复合材料叶片螺旋桨，涉及一种船舶用组合式连续纤维增强复合材料叶片螺旋桨。
另外，也有文献和专利报道采用三维编织技术，先进行纤维的三维混编，然后采用真空导入和热固化工艺，对混杂纤维叶片预制体进行树脂浸渍和真空固化处理。
申请号为“201510137028.4”申请日为“2015.03.26”公开号为“CN104743087A”公开日为“2015.07.01”名称为“一种船舶用三维编织复合材料螺旋桨叶片及其制备方法”申请人为“北京勤达远致新材料科技股份有限公司”的中国发明专利，该专利公开了一种船舶用三维混编的复合材料螺旋桨叶片及其制备方法。
本发明的目的是提供具有仿生结构的纤维增强复合叶片材料及其制备方法，这种复合叶片材料具有整体成型、加工简单、可行，芯部具有仿生取向的强化结构的优良特性。
发明内容
本发明的目的在于提供具有仿生结构的纤维增强复合叶片材料，改善由于传统纤维增强复合材料采用单一方向的铺层方式而导致其各向异性明显，抗扭能力不佳，易发生断裂的问题，提高其力学性能。同时基于鸮类羽轴和羽枝的分级结构，设计碳纤维束扭转分级分枝仿生结构，提升纤维承载能力，从而增加复合材料的强度。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
具有仿生结构的纤维增强复合叶片材料，由芯部仿生取向性强化结构与外层仿生承载结构组成；
具有仿生结构的纤维增强复合叶片材料的制备方法，将芯部仿生取向性强化结构与外层仿生承载结构采用逐次成型方法进行制备；
具体的，逐次成型的方法，即纤维铺放技术的成型工艺是在纤维铺放机上将平行的纤维丝束预浸处理，将预浸过的纤维束在铺放头装置的作用下压到需要加工的工件或芯模表面。纤维铺放可准确控制丝束宽度，并且每个丝束可以单独铺放，通过切断、重续等工序控制铺放厚度的增减。此外，纤维丝束是通过纤维铺放机上的铺放头压在模具上的，能保证铺放每一层紧密贴合避免出现分层现象；
所述芯部仿生取向性强化结构由仿生结构碳纤维束与固化树脂通过保温模压方法制备得到，固化树脂成分为树脂单体和预聚体；
具体的，固化树脂成分为树脂单体(45％-65％)和预聚体(30％-55％)；
所述外层仿生承载结构，采用混合纤维与纳米颗粒增强树脂混合体沿特定方向敷设在芯部仿生取向性强化结构两侧，并通过保温模压方法制备；
所述混合纤维采用体积比为1:1-1:3的碳纤维与玄武岩纤维混合并进行扭转，扭转圈数与纤维长度比为9∶1-11∶1，混合纤维直径为7μm-13μm；
所述纳米颗粒增强树脂是将纳米颗粒研磨成细粉状与树脂中的孔洞进行混合，并将混合物与混合纤维再次混合得到的混合体沿特定方向敷设在芯部仿生取向性强化结构两侧；
所述混合纤维与纳米颗粒增强树脂混合体沿特定敷设方向，第一层混合纤维与芯部仿生取向性强化结构中碳纤维束排列方向呈90°，之后每层混合纤维与前一层之间的夹角和层数满足以下方程：θ＝arcsin(x)+16°其中0°≤x≤360°；
所述保温模压方法，首先将300-2000丝碳纤维束与固化树脂原料混合，混合比例为30∶70-40∶60，之后对碳纤维束加载30-50MPa的张紧力，并进行扭转形成仿生碳纤维束(假设取最长的纤维长度为L，则所取的其它纤维的长度设为L/2n；其中n代表纤维数(n＝1,2,3……)，然后对这些长短不同的纤维进行缠绕，类似于钢丝绳的缠绕，从纤维的一端开始缠绕，由于纤维的长度不同，使得比较短的纤维在随着缠绕的同时而向外凸出来，长纤维类似于羽轴，而短纤维凸出类似于羽枝)，扭转圈数与碳纤维束的长度比例为10∶1-12∶1，对仿生碳纤维束进行初步固化，之后将7-36束仿生碳纤维束沿同样方向放置于压制模具中，采用保温压制，压制压力与时间的关系满足以下方程：
P＝225t 0＜t≤1
P＝-0.6t2+16.67t+208.93 1＜t≤14
P＝352 14＜t
其中：P表示压力，t表示时间；
模腔温度与时间的关系满足以下方程：
y＝t+20 0＜t≤90
y＝0.19t+92.9 90＜t≤245
y＝0.6t-7 245＜t≤295
y＝-0.86t+423.7 295＜t≤330
y＝-1.29t+565.7 t＞330
其中：y表示温度，t表示时间。
本发明的有益效果：
1.本发明是在鸟类羽轴分级分枝结构所具有轻质、优异的抗弯扭载荷特性的基础上，在传统的纤维增强复合材料中引入仿生的理念来进行设计。针对现有纤维材料轻质、抗弯扭载荷的要求进行对于纤维种类、铺敷层数、铺层角度等参数要按照现有纤维材料轻质，抗弯扭载荷的要求来进行优选，从而制备出具有仿生结构的纤维增强复合叶片材料。
2.由于本发明使材料达到了轻量化设计，使得相对于传统金属材料来说减轻了40％-60％，同时由于采用了突破性的纤维束张紧方式，实现了纤维束的主干与分枝的多级结构，使得传统纤维层状复合材料的性能大大提高。
具体实施方式
芯部仿生取向性强化结构它是由仿生结构碳纤维束与成分为树脂单体(60％)和预聚体(40％)的固化树脂通过保温模压方法制备得到，所采用的模压温压方法是首先将300-2000丝碳纤维束与固化树脂原料按35∶65进行混合，之后对碳纤维束加载40MPa的张紧力，并且进行扭转形成仿生碳纤维束(假设取最长的纤维长度为L，则所取的其它纤维的长度设为L/2n；其中n代表纤维数(n＝1，2，3……)，然后对这些长短不同的纤维进行缠绕，类似于钢丝绳的缠绕，从纤维的一端开始缠绕，由于纤维的长度不同，使得比较短的纤维在随着缠绕的同时而向外凸出来，长纤维类似于羽轴，而短纤维凸出类似于羽枝。)扭转圈数与碳纤维束的长度比例为10∶1，对仿生碳纤维束进行初步固化，之后将22根仿生碳纤维束沿同样方向放置于压制模具中，在160℃和66.40MPa条件下逐渐固化成型，然后将制品从模压模内取出，再进行必要的辅助加工即得到制品。在生产时，先将模具预热到设定的温度，然后铺放仿生碳纤维束，再升温加压，成型过程中需要适当地排出纤维缝隙内的气泡和多余的树脂，继续升温加压，压制出制品。这是复合材料构件生产制造中最实用而又高效的成型方法，它具有可重复性好、生产效率高，模压制品质量可靠、性能稳定、尺寸精度高、表面光洁无需二次修饰等优点，多数结构复杂的制品可一次成型。压制压力与时间的关系需要满足以下方程：
P＝225t 0＜t≤1
P＝-0.6t2+16.67t+208.93 1＜t≤14
P＝352 14＜t
其中：P表示压力，t表示时间。
模腔温度与时间的关系需要满足以下方程：
y＝t+20 0＜t≤90
y＝0.19t+92.9 90＜t≤245
y＝0.6t-7 245＜t≤295
y＝-0.86t+423.7 295＜t≤330
y＝-1.29t+565.7 t＞330
其中：y表示温度，t表示时间。
对于采用混合纤维与纳米颗粒增强树脂混合体制成的外层仿生承载结构需要沿特定方向敷设在芯部仿生取向性强化结构两侧，并且采用保温模压的方法进行制备。即在160℃和66.40MPa条件下逐渐固化成型，然后将制品从模压模内取出，再进行必要的辅助加工即得到制品。在生产时，先将模具预热到设定的温度，然后铺放混合纤维与纳米颗粒增强树脂混合体，再升温加压，成型过程中需要适当地排出纤维缝隙内的气泡和多余的树脂，继续升温加压，压制出制品。这是复合材料构件生产制造中最实用而又高效的成型方法，它具有可重复性好、生产效率高，模压制品质量可靠、性能稳定、尺寸精度高、表面光洁无需二次修饰等优点，多数结构复杂的制品可一次成型。其中的混合纤维需要采用采用体积比为1∶1的碳纤维与玄武岩纤维来混合并进行扭转，扭转圈数与纤维长度比为9∶1，混合纤维直径为10μm。而纳米颗粒增强树脂的特征在于将纳米颗粒研磨成细粉状与树脂中的孔洞进行混合，并将混合物与混合纤维再次混合得到的混合体沿特定方向敷设在芯部仿生取向性强化结构两侧。混合体沿特定敷设方向，其特征在于，第一层混合纤维与芯部仿生取向性强化结构中碳纤维束排列方向呈90°，之后每层混合纤维与前一层之间的夹角和层数需要满足以下方程：θ＝arcsin(x)+16°其中0°≤x≤360°。再一个就是保温模压，它的特征除了加热方法为直热结合微波辅助加热，(微波辅助加热法是在传统化学反应过程中，用微波辐射代替传统热源对反应体系进行热处理，如微波辐射干燥凝胶、微波辐射晶化沉淀物等。微波辅助加热是内外同时加热，既避免形成过高的温度梯度，对产品加热更均匀，又不易形成裂纹，且比单纯的微波加热更容易达到超高温，可以在高温制备一些常温无法制备的精细材料,微波辅助加热法可大大缩短反应时间，提高合成效率，并且是一种环境友好的方法)对二者功率进行一个简单的界定之外，其余过程与温压方法一致。

Claims (2)

1.具有仿生结构的纤维增强复合叶片材料的制备方法，其特征在于：该复合叶片材料由芯部仿生取向性强化结构与外层仿生承载结构组成，并采用逐次成型方法进行制备；
所述芯部仿生取向性强化结构由仿生结构碳纤维束与固化树脂通过保温模压方法制备得到，固化树脂成分为树脂单体和预聚体；
所述外层仿生承载结构，采用混合纤维与纳米颗粒增强树脂混合体沿特定方向敷设在芯部仿生取向性强化结构两侧，并通过保温模压方法制备；
所述混合纤维采用体积比为1:1-1:3的碳纤维与玄武岩纤维混合并进行扭转，扭转圈数与纤维长度比为9∶1-11∶1，混合纤维直径为7μm-13μm；
所述纳米颗粒增强树脂是将纳米颗粒研磨成细粉状与树脂中的孔洞进行混合，并将混合物与混合纤维再次混合得到的混合体沿特定方向敷设在芯部仿生取向性强化结构两侧；
所述混合纤维的特定方向，第一层混合纤维与芯部仿生取向性强化结构中碳纤维束排列方向呈90°，之后每层混合纤维与前一层之间的夹角和层数满足以下方程：θ=arcsin(x)＋16°，其中0≤x≤1， x为前一层混合纤维的角度与360°的商。
2.根据权利要求1所述的具有仿生结构的纤维增强复合叶片材料的制备方法，其特征在于：所述芯部仿生取向性强化结构的保温模压方法，首先将300-2000丝碳纤维束与固化树脂原料混合，混合比例为30∶70-40∶60，之后对碳纤维束加载30-50MPa的张紧力，并进行扭转形成仿生碳纤维束，仿生碳纤维束的扭转过程为：假设取最长的纤维长度为L，则所取的其它纤维的长度设为L/2n，其中n代表纤维数，n=1，2，3……，然后对这些长短不同的纤维进行缠绕，类似于钢丝绳的缠绕，从纤维的一端开始缠绕，由于纤维的长度不同，使得比较短的纤维在随着缠绕的同时而向外凸出来，长纤维类似于羽轴，而短纤维凸出类似于羽枝，扭转圈数与碳纤维束的长度比例为10∶1-12∶1，对仿生碳纤维束进行初步固化，之后将7-36束仿生碳纤维束沿同样方向放置于压制模具中，采用保温压制，压制压力与时间的关系满足以下方程：
P=225t 0＜t≤1
P=-0.6t2+16.67t+208.93 1＜t≤14
P=352 14＜t
其中：P:表示压力，单位：MPa; t表示时间，单位为：s；
模腔温度与时间的关系满足以下方程：
y=t＋20 0＜t≤90
y=0.19t+92.9 90＜t≤245
y=0.6t-7 245＜t≤295
y=-0.86t+423.7 295＜t≤330
y=-1.29t+565.7 t＞330
其中：y表示温度，单位：℃，t表示时间，单位：s。
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