CN112937819B - 一种耐蚀耐冲击的船用混杂纤维复合材料螺旋桨叶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐蚀耐冲击的船用混杂纤维复合材料螺旋桨叶及其制备方法，所述螺旋桨叶包括碳纤维复合材料内芯以及设置于内芯表面的正交编织芳纶纤维复合材料保护层，所述碳纤维复合材料内芯包括多层碳纤维复合材料，所述螺旋桨叶由内芯和外表保护层热压而成；还包括所述螺旋桨叶的制备方法。本发明提出了一种能够实现轻质高性能、表面耐冲击和湿态电绝缘目标的船用复合材料螺旋桨叶及其制备方法，既能满足螺旋桨的形貌要求和力学性能要求，又能具备海水淹没态电偶腐蚀防护和空蚀防护要求。
Description
技术领域
本发明属于船舶与海洋工程、机械工程领域，具体涉及一种耐蚀耐冲击的船用混杂纤维复合材料螺旋桨叶及其制备方法。
背景技术
船舶运输在交通运输中占比高，能耗高，伴随着世界范围的能源紧缺不断加剧，船舶的节能技术研究如箭在弦。采用新材料提升水动力性能、降低结构非必要重量和减少结构服役损伤是解决船舶高能耗痛点的关键。以碳纤维复合材料为代表的新材料在船舶性能、服役寿命和安全性方面具有显著优势：①轻质高强的碳纤维复合材料能显著减轻推进器重量，提高船舶机动性；②碳纤维复合材料耐化学腐蚀，耐疲劳，能提高结构服役寿命；③碳纤维复合材料渐进损伤特性使其损伤后仍能持续承载，提高了使用安全性。
复合材料螺旋桨具有显著优势，同时也存在制造和应用的难题与挑战：(1)叶梢易脆性断裂：受螺旋桨水动力性能要求所限，螺旋桨叶梢处厚度非常薄，叶梢处碳纤维复合材料受到冲击载荷容易发生脆性断裂；(2)桨叶表面易空化空蚀：考虑螺旋桨受载工况复杂，服役过程中叶梢漩涡和毂涡导致桨叶长期处于水流空化作用下，容易造成表面空蚀，影响水动力学性能和结构安全性；(3)海水淹没态碳纤维与金属电偶腐蚀：碳纤维复合材料螺旋桨叶表面损伤后会裸露出碳纤维，碳纤维具有良好的导电性，呈现较正的电极电位，船用金属电极电位较负，两者在海水电解液中会构成腐蚀电池，导致船体、传动轴、连接件等金属材料腐蚀速率加快，严重影响其使役性能和服役寿命。因此，在碳纤维复合材料螺旋桨实船应用之前，必须解决其叶梢易脆性断裂、表面易空蚀、海水电偶腐蚀等难题。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，而研究设计一种耐蚀耐冲击的船用混杂纤维复合材料螺旋桨叶及其制备方法，来解决传统碳纤维复合材料螺旋桨的叶梢易脆性断裂、表面易空蚀、造成海水电偶腐蚀等问题。本发明采用的技术手段如下：
一种耐蚀耐冲击的船用混杂纤维复合材料螺旋桨叶，包括碳纤维复合材料内芯以及设置于内芯表面的正交编织芳纶纤维复合材料保护层，所述碳纤维复合材料内芯包括多层碳纤维复合材料，所述螺旋桨叶由内芯和外表保护层热压而成。
优选地，所述碳纤维复合材料为连续碳纤维树脂基复合材料，所述芳纶纤维复合材料为芳纶纤维树脂基复合材料。
一种耐蚀耐冲击的船用混杂纤维复合材料螺旋桨叶的制备方法，包括以下步骤：
a.桨叶内芯材料准备：
S1、根据螺旋桨叶外形尺寸，利用桨叶导边、随边和叶根中面线形成的完整中面层曲线得到桨叶中面层，将桨叶中面层曲面展平，转换为等面积的平面，将碳纤维复合材料预浸料剪裁成展开后平面的形状，得到桨叶中面层铺层，记为Z0层，其中碳纤维复合材料预浸料的单层厚度为t；
S2、将桨叶中面层向桨叶背水面移动距离t得到桨叶中面层与实体桨叶重叠的曲面，将该曲面展开，转换为等面积的平面，将碳纤维复合材料预浸料剪裁成展开后平面的形状，记为Z0+t层；
S3、重复步骤S2，直到桨叶中面层与桨叶背水面不再有重叠部分，得到所有桨叶内芯背水面铺层，分别记为Z0+t×n层，n为铺层层数；
S4、同步骤S2和S3，将桨叶中面层向桨叶迎水面逐层移动距离t，得到所有桨叶内芯迎水面铺层，分别记为Z0-t×n层，n为铺层层数；
b.桨叶外表保护层材料准备：
S5、将桨叶背水面和桨叶迎水面分别展平为平面，按照迎水面平面和背水面平面的形状，对芳纶纤维复合材料预浸料进行剪裁得到背水面保护层铺层和迎水面保护层铺层；
c.桨叶铺放：
S6、将裁剪好的背水面保护层铺层、桨叶内芯背水面铺层、桨叶中面层铺层、桨叶内芯迎水面铺层和迎水面保护层铺层逐层铺放在桨叶模具中，桨叶内芯背水面铺层、桨叶中面层铺层和桨叶内芯迎水面铺层在铺放时，每铺放3～4层，抽一次真空，待全部铺层铺放完毕，合模，抽真空；
d.桨叶热压固化：
S7、铺放完成后进行热压固化，得到复合材料桨叶成品。
优选地，步骤S1、S2中，所述碳纤维复合材料预浸料为碳纤维树脂基复合材料预浸料，其包括连续碳纤维单向带和环氧树脂，所述碳纤维树脂基复合材料预浸料的单层厚度为0.13mm～0.20mm。
优选地，步骤S5中，所述芳纶纤维复合材料预浸料为芳纶纤维树脂基复合材料预浸料，其包括正交编织芳纶纤维布和环氧树脂，所述芳纶纤维树脂基复合材料预浸料的厚度在0.18mm～0.2mm。
优选地，步骤S5中，将桨叶背水面和桨叶迎水面分别展平为平面，将所得背水面平面或迎水面平面放大1.01～1.03倍，按照放大后迎水面平面或背水面平面的形状，对芳纶纤维复合材料预浸料进行剪裁得到背水面保护层铺层或迎水面保护层铺层。利用放大后的背水面保护层铺层或迎水面保护层铺层，既保证完整包覆内芯，又能尽量减少材料重叠。
优选地，步骤S7中，热压固化的压强为0.4～0.6MPa、温度为150～180℃、时间为120～180min。
与现有技术比较，本发明所述的一种耐蚀耐冲击的船用混杂纤维复合材料螺旋桨叶及其制备方法的有益效果为：(1)采用碳纤维复合材料作为支撑体制造船用螺旋桨叶，利用其轻质高强的特性，实现轻质高性能、表面耐冲击和湿态电绝缘目标。(2)采用芳纶纤维复合材料作为桨叶表面电绝缘保护层，利用其不导电特性，阻断了碳纤维和船舶金属的电回路，同时利用芳纶纤维复合材料极强的耐磨性保证了该保护层的长期有效性，避免了碳纤维和船舶金属在海水中发生电偶腐蚀。(3)采用芳纶纤维复合材料作为桨叶表面空化保护层，利用其耐冲击特性，降低了作为支撑体的碳纤维复合材料桨叶的空蚀破坏几率。(4)本发明中的一种耐蚀耐冲击的船用高性能混杂纤维复合材料螺旋桨叶，既能满足螺旋桨叶的形貌要求和力学性能要求，又能具备外部电绝缘特性和表面耐冲击特性，解决其在海水淹没态的电偶腐蚀问题和空化空蚀问题，有利于达到船用螺旋桨叶的轻质高性能、表面耐冲击和湿态电绝缘目标。
附图说明
图1是混杂纤维复合材料螺旋桨叶的单层预浸料制备方法示意图。
图2是混杂纤维复合材料螺旋桨叶的铺层示意图。
图3是混杂纤维复合材料螺旋桨叶的内芯材料与外表保护层示意图。
图中，CL1代表桨叶导边、随边和叶根中面线形成的完整曲线；CL2代表将CL1移动一定距离后得到的与实体桨叶的相交线；CSb代表背水面；CSy代表迎水面；CS1代表桨叶中面层与实体桨叶相交分割得到参考曲面；P1代表将CS1曲面展平后得到的平面。
PLYn代表第n个铺层，PLYn-1代表与第n个铺层相邻的靠近背水面的铺层，PLYn+1代表与第n个铺层相邻的靠近迎水面的铺层。
1、背水面外表芳纶纤维复合材料保护层；2、碳纤维复合材料内芯；3、迎水面外表芳纶纤维复合材料保护层。
具体实施方式
如图1-3所示，一种耐蚀耐冲击的船用混杂纤维复合材料螺旋桨叶，该船用螺旋桨叶由高强度碳纤维复合材料内芯和高韧性芳纶纤维复合材料外表保护层热压而成，具备轻质高性能、表面耐冲击和湿态电绝缘的特性。其中，碳纤维复合材料内芯包括多层碳纤维复合材料，碳纤维复合材料为连续碳纤维树脂基复合材料，芳纶纤维复合材料为芳纶纤维树脂基复合材料。
一种耐蚀耐冲击的船用混杂纤维复合材料螺旋桨叶的制备方法，包括以下步骤：
第一步，桨叶内芯材料准备：
1)以长185mm碳纤维-芳纶纤维复合材料桨叶为例，在三维CAD软件中利用桨叶导边、随边和叶根中面线形成的完整曲线CL1得到桨叶中面层(图1)；
2)使桨叶中面层与实体桨叶相交分割得到参考曲面CS1(图1)；
3)利用曲面展平功能将曲面CS1转换为等面积的平面P1(图1)；
4)在A4纸上打印平面P1图形，粘贴于碳纤维复合材料预浸料上，将预浸料剪裁成与平面P1相同的形状，得到中面层预浸料形状，标记为Z0层(图1)；
5)将桨叶中面层向背水面移动0.145mm，得到其与实体桨叶的相交线CL2，重复步骤2)～4)，得到Z0+0.145层的碳纤维复合材料预浸料形状(图1)；
6)重复步骤5)直到桨叶中面层与背水面不再有相交部分，得到所有48层背水面铺层：Z0～Z0+6.96(图2)；
7)同理，将桨叶中面层向迎水面移动，得到所有48层迎水面铺层：Z0～Z0-6.96(图2)；
第二步，桨叶外表保护层材料准备：
8)在三维CAD软件中连接桨叶导边、随边和叶根中面线形成曲线CL1；
9)利用曲线CL1将桨叶实体分割成两部分：迎水面CSy和背水面CSb；
10)利用曲面展平功能将迎水面CSy和背水面CSb分别展平为平面；
11)将所得到的背水面平面放大1.02倍以完整包覆碳纤维复合材料内芯；
12)在A4纸上打印迎水面平面和放大后的背水面平面，粘贴于芳纶纤维复合材料预浸料上，进行剪裁得到2层表面保护层铺层形状；
第三步，桨叶铺放：
13)借助桨叶铺放模具，将剪裁好的芳纶纤维复合材料预浸料下表面保护层(图3中标注1)铺放在背水面对应模具中；
14)将剪裁好的碳纤维复合材料预浸料(图3中标注2)按顺序逐层铺放在模具中，且每铺放3层，抽一次真空以去除气泡，直到所有碳纤维复合材料预浸料铺放完毕；
15)将剪裁好的芳纶纤维复合材料预浸料上表面保护层(图3中标注3)铺放在碳纤维复合材料预浸料之上，并将芳纶纤维复合材料预浸料下表面保护层超出模具叶型的部分折叠起来，将碳纤维复合材料内芯完整包覆；
16)待全部铺层铺放完毕，添加迎水面模具，合模，抽真空，静置15分钟保证观察是否漏气；
17)若发生漏气现象，检查模具密封结构，重复步骤14)；若不漏气进入后续步骤；
第四步，桨叶热压固化：
18)将铺放完成的模具和桨叶放置在热压机中，根据所采用的预浸料树脂，设置35min升温到180℃并保温120min，期间压强设定为0.6MPa，热压固化完成后，进行空气条件下自然冷却；
19)待试验件冷却到室温，脱模，利用机械加工方式修整边缘，去除多余树脂硬化物，得到最终复合材料桨叶成品。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种耐蚀耐冲击的船用混杂纤维复合材料螺旋桨叶的制备方法，其特征在于：所述耐蚀耐冲击的船用混杂纤维复合材料螺旋桨叶，包括碳纤维复合材料内芯以及设置于内芯表面的正交编织芳纶纤维复合材料保护层，所述碳纤维复合材料内芯包括多层碳纤维复合材料，所述螺旋桨叶由内芯和外表保护层热压而成；
所述碳纤维复合材料为连续碳纤维树脂基复合材料，所述芳纶纤维复合材料为芳纶纤维树脂基复合材料；
还包括以下步骤：
a.桨叶内芯材料准备：
S1、根据螺旋桨叶外形尺寸，利用桨叶导边、随边和叶根中面线形成的完整中面层曲线得到桨叶中面层，将桨叶中面层曲面展平，转换为等面积的平面，将碳纤维复合材料预浸料剪裁成展开后平面的形状，得到桨叶中面层铺层，记为Z0层，其中碳纤维复合材料预浸料的单层厚度为t；
S2、将桨叶中面层向桨叶背水面移动距离t得到桨叶中面层与实体桨叶重叠的曲面，将该曲面展开，转换为等面积的平面，将碳纤维复合材料预浸料剪裁成展开后平面的形状，记为Z0+t层；
S3、重复步骤S2，直到桨叶中面层与桨叶背水面不再有重叠部分，得到所有桨叶内芯背水面铺层，分别记为Z0+t×n层，n为铺层层数；
S4、同步骤S2和S3，将桨叶中面层向桨叶迎水面逐层移动距离t，得到所有桨叶内芯迎水面铺层，分别记为Z0-t×n层，n为铺层层数；
b.桨叶外表保护层材料准备：
S5、将桨叶背水面和桨叶迎水面分别展平为平面，按照迎水面平面和背水面平面的形状，对芳纶纤维复合材料预浸料进行剪裁得到背水面保护层铺层和迎水面保护层铺层；
c.桨叶铺放：
S6、将裁剪好的背水面保护层铺层、桨叶内芯背水面铺层、桨叶中面层铺层、桨叶内芯迎水面铺层和迎水面保护层铺层逐层铺放在桨叶模具中，桨叶内芯背水面铺层、桨叶中面层铺层和桨叶内芯迎水面铺层在铺放时，每铺放3~4层，抽一次真空，待全部铺层铺放完毕，合模，抽真空；
d.桨叶热压固化：
S7、铺放完成后进行热压固化，得到复合材料桨叶成品。
2.根据权利要求1所述的一种耐蚀耐冲击的船用混杂纤维复合材料螺旋桨叶的制备方法，其特征在于：步骤S1、S2中，所述碳纤维复合材料预浸料为碳纤维树脂基复合材料预浸料，其包括连续碳纤维单向带和环氧树脂，所述碳纤维树脂基复合材料预浸料的单层厚度为0.13mm~0.20mm。
3.根据权利要求1所述的一种耐蚀耐冲击的船用混杂纤维复合材料螺旋桨叶的制备方法，其特征在于：步骤S5中，所述芳纶纤维复合材料预浸料为芳纶纤维树脂基复合材料预浸料，其包括正交编织芳纶纤维布和环氧树脂，所述芳纶纤维树脂基复合材料预浸料的厚度在0.18mm~0.2mm。
4.根据权利要求1所述的一种耐蚀耐冲击的船用混杂纤维复合材料螺旋桨叶的制备方法，其特征在于：步骤S5中，将桨叶背水面和桨叶迎水面分别展平为平面，将所得背水面平面或迎水面平面放大1.01~1.03倍，按照放大后迎水面平面或背水面平面的形状，对芳纶纤维复合材料预浸料进行剪裁得到背水面保护层铺层或迎水面保护层铺层。
5.根据权利要求1所述的一种耐蚀耐冲击的船用混杂纤维复合材料螺旋桨叶的制备方法，其特征在于：步骤S7中，热压固化的压强为0.4~0.6MPa、温度为150~180oC、时间为120~180min。
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