CN114412827B - 一体化碳纤维风机叶片及其成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风机叶片领域，特别涉及一种一体化碳纤维风机叶片及其成型方法。该叶片包括受力骨架、中间层以及碳纤维预浸料外表层；受力骨架设于叶片中部位置，中间层分别附着于受力骨架两侧；碳纤维预浸料外表层包裹于中间层外层；受力骨架呈长条片状，其内部结构为由第一碳纤维预浸料片层和第一树脂膨胀棉层层叠并卷绕形成的螺旋形结构，以使受力骨架内部的第一碳纤维预浸料片层和第一树脂膨胀棉层交替层叠，且受力骨架的外表层为第一碳纤维预浸料片层；中间层由若干第二碳纤维预浸料片层和若干层第二树脂膨胀棉层依次间隔层叠而成。该叶片具有强度高、重量轻、耐腐蚀、韧性好耐冲击、低噪音等优异效果，且其整体可一次加热固化成型，制造过程简单快捷效率高。

Description

一体化碳纤维风机叶片及其成型方法
技术领域
本发明涉及风机叶片领域，特别涉及一种一体化碳纤维风机叶片及其成型方法。
背景技术
碳纤维复合材料，是一种以树脂为基体，碳纤维丝为增强料的材料，是含碳量在90％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料，是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料；
碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，其强度是钢铁的15倍，且具有耐腐蚀、高模量的特性，同时又兼备纺织纤维的柔软可加工性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，在国防军工和民用方面都是重要材料。近年来随着新技术的不断发展，对材料的要求日益增加，由于碳纤维所具有的高强度、出色的耐热性、出色的抗热冲击性、低热膨胀系数(变形量小)、热容量小、比重小、优秀的抗腐蚀与辐射性能等优势，其大量应用于航空航天领域中，但现有技术中并未将碳纤维这种优秀的新材料应用于风机叶片。
现有的传统风机叶片大多采用金属材质和普通塑料材质(例如ABS等) 制成，金属材质风机叶片虽然强度高，但是存在重量大，易腐蚀等缺陷；普通塑料材质的风机叶片，虽然材质轻，但存在强度低，容易损坏等缺陷。
申请号为CN201110306082.9，公开日为2013年04月17日的中国发明专利申请，公开了一种在风机叶片上安装耐磨陶瓷体的方法，该方法是先在风机叶片的金属基体上间隔性钻孔或开槽，然后将陶瓷体镶嵌入孔或槽中，再将风机叶片的金属基体进行弯曲处理。该方法通过在金属材质的风机叶片上设置耐磨陶瓷片，增加风机叶片的耐磨性，延长风机寿命，但是其仍然存在金属风机叶片具有的重量大，易腐蚀等缺陷；
发明内容
为解决上述现有技术中提到的现有金属材质风机叶片存在重量大，易腐蚀等缺陷、普通塑料材质的风机叶片存在强度低，容易损坏等缺陷的问题。本发明提供一种一体化碳纤维风机叶片，所述叶片包括受力骨架、中间层以及碳纤维预浸料外表层；
所述受力骨架设于叶片中部位置，所述中间层分别附着于受力骨架两面，以使受力骨架被包围于所述中间层内；且碳纤维预浸料外表层包裹于所述中间层外表面；
所述受力骨架呈长条片状，其内部结构为由第一碳纤维预浸料片层和第一树脂膨胀棉层层叠并卷绕形成的螺旋形结构，以使受力骨架内部的第一碳纤维预浸料片层和第一树脂膨胀棉层交替层叠，且受力骨架的外表层为第一碳纤维预浸料片层；所述中间层由若干第二碳纤维预浸料片层和若干层第二树脂膨胀棉层依次间隔层叠而成。
在一实施例中，所述受力骨架沿所述叶片的长度方向设置，以使其位于所述叶片的中间转动轴线位置。
在一实施例中，所述叶片中部沿叶片的长度和宽度方向均设置有受力骨架。
在一实施例中，所述叶片包括N层碳纤维预浸料外表层，N大于等于1。
在一实施例中，所述碳纤维预浸料外表层设有碳纤维加强筋。
在一实施例中，所述第一碳纤维预浸料片层、所述第二碳纤维预浸料片层以及碳纤维预浸料外表层中碳纤维预浸料均以环氧树脂为基体。
在一实施例中，所述受力骨架为长条片状结构，其铺层方向与叶片的叶面方向一致。
本发明还提供一种如上所述的一体化碳纤维风机叶片的成型方法，其包括以下步骤：
S100、将受力骨架沿叶面方向铺层；
S200、将碳纤维双向预浸料和树脂膨胀棉依次交替层叠在受力骨架的两面上，直到形成预定厚度的中间层，以使中间层形成若干第二碳纤维预浸料片层和若干层第二树脂膨胀棉层依次间隔层叠的结构；
S300、将中间层按照模具的型面裁剪成型；
S400、在中间层的外层包裹碳纤维双向预浸料，使叶片的外层形成有碳纤维预浸料外表层，获得叶片胚体；
S500、将S400制得的叶片胚体放入模具的模腔内，将模具在热压成型设备中进行热压成型，以制得所述一体化碳纤维风机叶片。
在一实施例中，所述受力骨架的制备过程为：将碳纤维双向预浸料和树脂膨胀棉层叠、管卷并压合形成长条片状结构，制得由第一碳纤维预浸料片层和第一树脂膨胀棉层交替层叠而成的受力骨架。
在一实施例中，S500中，所述热压成型温度为140℃～150℃，成型压力为10MPa～12MPa，成型时间大于等于15min。
基于上述，与现有技术相比，本发明提供的一体化碳纤维风机叶片，具有以下优异效果：
本发明提供的一体化碳纤维风机叶片，相比传统金属材质叶片，其重量显著降低，重量远小于常用的金属材质，且其同时具有强度高、韧性好耐冲击的优异效果；其耐腐蚀性能大幅提升，可以适用于各类潮湿及酸碱环境使用；其内部膨胀棉材料具有吸振隔音的作用，能够降低碳纤维风机叶片运行过程中的噪音；且其制备方法操作简单，能够通过模具将碳纤维风机叶片整体一次加热固化成型，后续不再需要对叶片板材进行裁切、卷曲和焊接等处理。综上，本发明提供的叶片具有强度高、重量轻、耐腐蚀、韧性好耐冲击、低噪音等优异效果，且其整体可一次加热固化成型，制造过程简单快捷效率高。
本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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；在下面描述中附图所述的位置关系，若无特别指明，皆是图示中组件绘示的方向为基准。
图1为本发明提供的实施例1中叶片的结构示意图一；
图2为本发明提供的实施例1中叶片的结构示意图二；
图3为本发明提供的实施例1中叶片的受力骨架的结构示意图；
图4为图2的A-A剖面图；
图5为图4的B处局部放大图；
图6为本发明提供的实施例1中叶片的受力骨架的剖面图；
图7为本发明提供的实施例1中叶片的受力骨架管卷状态下的结构示意图；
图8为本发明提供的实施例1中模具和叶片的结构示意图；
图9为本发明提供的实施例1中模具的结构示意图；
图10为本发明提供的实施例2中叶片的受力骨架的结构示意图。
附图标记：
10叶片 20模具 11叶面
12颈部 21上模盒 22下模盒
100受力骨架 200中间层 300碳纤维预浸料外表层
110第一碳纤维预浸料片层 120第一树脂膨胀棉层 210第二碳纤维预浸料片层
220第二树脂膨胀棉层
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中的附图，对本发明实施例中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；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，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。
在本发明的描述中，需要说明的是，本发明所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义，不能理解为对本发明的限制；应进一步理解，本发明所使用的术语应被理解为具有与这些术语在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来理解，除本发明中明确如此定义之外。
本发明提供如图1-9实施例1、图10实施例2所示的一种一体化碳纤维风机叶片10，所述叶片10包括受力骨架100、中间层200以及碳纤维预浸料外表层300；所述受力骨架100设于叶片10中部位置，所述中间层200分别附着于受力骨架100两面，以使受力骨架100被包围于中间层200内；且碳纤维预浸料外表层300包裹于中间层200外表面；所述受力骨架100呈长条片状，其内部结构为由第一碳纤维预浸料片层110和第一树脂膨胀棉层120 层叠并卷绕形成的螺旋形结构，以使受力骨架100内部的第一碳纤维预浸料片层110和第一树脂膨胀棉层120交替层叠，且受力骨架100的外表层为第一碳纤维预浸料片层110；所述中间层200由若干第二碳纤维预浸料片层210 和若干层第二树脂膨胀棉层220依次间隔层叠而成。
具体地，本发明提供的一体化碳纤维风机叶片10，其受力骨架100、中间层200和碳纤维预浸料外表层300均采用碳纤维材料(碳纤维预浸料)和树脂膨胀棉，没有采用现有的柔性材质或金属材质，而是通过中间层200中碳纤维材料和树脂膨胀棉层叠的方式和最外层采用碳纤维预浸料外表层300 裹附的方式，使得碳纤维材料构成风机叶片10的内外壁，并在碳纤维风机叶片10内部形成填充有膨胀材料的环形内腔，其中，碳纤维材料和膨胀棉材料的重量都远小于常用的金属材质，使本发明提供的叶片10重量能够大为降低，相比于常见现有风机叶片10能够减重85％以上；
碳纤维材料(碳纤维预浸料)是一种以树脂为基体，碳纤维丝作增强的材料，碳纤维材料的强度较高，在其基体树脂的固化粘接作用以及膨胀棉材料从内侧膨胀顶紧的配合作用下，使本发明的碳纤维风机叶片10强度能够达到现有的金属风机叶片10的强度，且其韧性好耐冲击；
并且本发明的碳纤维风机叶片10在中部设置有受力骨架100，如图3、图6所示，受力骨架100的结构为：其形状呈长条片状，其内部结构为由第一碳纤维预浸料片层110和第一树脂膨胀棉层120层叠并卷绕形成的螺旋形结构，使得受力骨架100内部的第一碳纤维预浸料片层110和第一树脂膨胀棉层120交替层叠，且受力骨架100的外表层为第一碳纤维预浸料片层110，该外表面的第一碳纤维预浸料片层110包裹住内部的第一树脂膨胀棉层120；由于上述结构的受力骨架100采用了加强碳纤维材料，且由若干第二碳纤维预浸料片层210和若干层第二树脂膨胀棉层220依次间隔层叠而成的中间层 200附着于其表面上，一方面能够进一步降低碳纤维风机叶片10总重，另一方面显著提升碳纤维风机叶片10整体受力强度；同时，叶片10最外层包裹有碳纤维预浸料外表层300，保证整个叶片10的外观质量。
本发明中由于碳纤维风机叶片10采用了碳纤维材料，所以碳纤维风机叶片10的耐腐蚀性能得到了大幅提升，可以适用于各类潮湿及酸碱环境，而碳纤维风机叶片10内部填充的膨胀材料具有吸振隔音的作用，能够降低碳纤维风机叶片10运行过程中的噪音；
此外，第一碳纤维预浸料片层110、第二碳纤维预浸料片层210以及碳纤维预浸料外表层300中碳纤维预浸料通过树脂基体在受热时的固化作用粘接成型，并且第一树脂膨胀棉层120和第二树脂膨胀棉层220的膨胀材料也会在加热的同时膨胀从内侧将碳纤维风机叶片10顶紧，所以本发明中能够通过模具20将碳纤维风机叶片10整体一次加热固化成型，不再后续需要对叶片 10板材进行裁切、卷曲和焊接等处理，生产操作简单快捷、效率高。
需要说明的是，本发明提供的实施例1中，所述受力骨架100中五层第一碳纤维预浸料片层110和四层第一树脂膨胀棉层120依次交替层叠，所述中间层200由两层第二碳纤维预浸料片层210和两层第二树脂膨胀棉层220 依次交替层叠；根据上述设计构思，本领域技术人员可采用其他数量的第一碳纤维预浸料片层110、第一树脂膨胀棉层120、第二碳纤维预浸料片层210 和第二树脂膨胀棉层220，包括但不限于上述设计构思；
需要说明的是，如图1-9所示，实施例1中所述受力骨架100为平直的长条片状结构，根据上述设计构思，所述受力骨架100还可以采用弯曲长条片状结构，以使其弯曲设置与整体弯曲的风机叶片10形状适配，包括但不限于上述实施例方案。
优选地，所述受力骨架100沿所述叶片10的长度方向设置，以使其位于所述叶片10的中间转动轴线位置。
所述风机叶片10使用过程中沿叶片10的中间转动轴线转动，将受力骨架100沿叶片10的长度方向设置并设于叶片10的中间转动轴线位置，能够有效提高叶片10的强度和服役时间。
优选地，所述叶片10包括N层碳纤维预浸料外表层300，N大于等于1。
优选地，所述碳纤维预浸料外表层300设有碳纤维加强筋。
优选实施方式中，本发明还能在碳纤维风机叶片10外层中继续增设碳纤维加强层(即碳纤维预浸料外表层300)并填充碳纤维加强筋，使本发明的碳纤维风机叶片10强度可以赶超现有的金属叶片10，能够在保证强度的前提下，降低碳纤维风机叶片10重量从而降低碳纤维风机叶片10整体的运行载荷。
需要说明的是，本发明提供的实施例1中碳纤维预浸料外表层300为一层，即N等于1；根据上述设计构思，本领域技术人员可以增设碳纤维预浸料外表层300的层数，包括但不限于实施例方案。
优选地，所述第一碳纤维预浸料片层110、所述第二碳纤维预浸料片层 210以及碳纤维预浸料外表层300中碳纤维预浸料均以环氧树脂为基体。
优选地，所述受力骨架100为长条片状结构，其铺层方向与叶片10的叶面11方向一致。
如图2-4所示，优选实施方案中，长条片状结构的受力骨架100的铺层方向与叶片10的叶面11(叶面11为使用过程中的受力面)方向一致，即长条片状结构的受力骨架100的面积较大的平面与叶面11的朝向一致，如此有利于增强叶片10强度和服役寿命。
优选地，如图10实施例2所示，所述叶片10中部沿叶片10的长度和宽度方向均设置有受力骨架100。
本发明优选在叶片10中部沿叶片10的长度和宽度方向均设置有受力骨架100，进一步提高叶片10强度和服役寿命。
需要说明的是，本实施例2中在宽度方向设置有两个受力骨架100，根据上述设计构思，本领域技术人员可以调整该受力骨架100数量，包括但不限于所述实施例方案。
本发明还提供一种如上所述的一体化碳纤维风机叶片10的成型方法，其包括以下步骤：
S100、将受力骨架100沿叶面11方向铺层；其中，所述受力骨架100的制备过程为：将碳纤维双向预浸料和树脂膨胀棉层叠、管卷并压合形成长条片状结构，制得由第一碳纤维预浸料片层110和第一树脂膨胀棉层120交替层叠而成的受力骨架100，其中，所述受力骨架100管卷后的状态如图7所示，所述受力骨架100压合后的状态如图6所示。
S200、将碳纤维双向预浸料和树脂膨胀棉依次交替层叠在受力骨架100 的两面上，直到形成预定厚度的中间层200，以使中间层200形成若干第二碳纤维预浸料片层210和若干层第二树脂膨胀棉层220依次间隔层叠的结构；
S300、将中间层200按照模具20的型面裁剪成型；
S400、在中间层200的外层包裹碳纤维双向预浸料，使叶片10的外层形成有碳纤维预浸料外表层300，获得叶片10胚体；
S500、如图8-9所示，将S400制得的叶片10胚体放入下模盒22内，通过上模盒21和下模盒22盖合紧固，将叶片10胚体固定于模具20的模腔内，将模具20在热压成型设备中进行热压成型，以制得所述一体化碳纤维风机叶片10；其中，优选所述热压成型温度为140℃～150℃，成型压力为10MPa～ 12MPa，成型时间大于等于15min。
具体的成型过程为：叶片10胚体在热压成型过程中，当热压成型温度到达树脂膨胀棉的完全膨胀温度后，树脂膨胀棉完全膨胀，对碳纤维双向预浸料施加内压(由叶片10内部向外表面方向的压力)，同时，模具20在压机的作用下，上模盒21和下模盒22组成的模具20施加外压(由叶片10 外表面向内部方向的压力)，来保证叶片10的型面不变化；在内外压力作用下，碳纤维双向预浸料内的基体树脂开始固化；
当膨胀棉到达完全膨胀结束后，碳纤维双向预浸料内的树脂完全固化，使叶片10胚体完全膨胀，充满模具20的模腔，形成所需要的成型叶片10。
本发明提供的风机叶片10的成型过程中，碳纤维材料(碳纤维双向预浸料)通过基体树脂(例如环氧树脂)在受热时的固化作用粘接成型，同时与颈部12圆环粘接，并且膨胀材料(即树脂膨胀棉)也会在加热的同时膨胀从内侧将碳纤维风机叶片10顶紧，所以本发明中能够通过模具20将碳纤维风机叶片10整体一次加热固化成型，后续不再需要对板材进行裁切、卷曲和焊接等处理。
另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。
尽管本文中较多的使用了诸如受力骨架、中间层、碳纤维预浸料外表层等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的；本发明实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
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 (6)

1.一种一体化碳纤维风机叶片，其特征在于：包括受力骨架(100)、中间层(200)以及碳纤维预浸料外表层(300)；
所述受力骨架(100)设于叶片(10)中部位置，所述中间层(200)分别附着于受力骨架(100)两面，以使受力骨架(100)被包围于中间层(200)内；且碳纤维预浸料外表层(300)包裹于中间层(200)外表面；
所述受力骨架(100)呈长条片状，其内部结构为由第一碳纤维预浸料片层(110)和第一树脂膨胀棉层(120)层叠并卷绕形成的螺旋形结构，以使受力骨架(100)内部的第一碳纤维预浸料片层(110)和第一树脂膨胀棉层(120)交替层叠，且受力骨架(100)的外表层为第一碳纤维预浸料片层(110)；所述中间层(200)由若干第二碳纤维预浸料片层(210)和若干层第二树脂膨胀棉层(220)依次间隔层叠而成；
所述第一碳纤维预浸料片层(110)、所述第二碳纤维预浸料片层(210)以及碳纤维预浸料外表层(300)中碳纤维预浸料均以环氧树脂为基体；
所述受力骨架(100)沿所述叶片(10)的长度方向设置，以使受力骨架(100)位于所述叶片(10)的中间转动轴线位置；所述受力骨架(100)为长条片状结构，其铺层方向与叶片(10)的叶面(11)方向一致；所述叶片(10)中部沿叶片(10)的长度和宽度方向均设置有受力骨架(100)。
2.根据权利要求1所述的一体化碳纤维风机叶片，其特征在于：所述叶片(10)包括N层碳纤维预浸料外表层(300)，N大于等于1。
3.根据权利要求2所述的一体化碳纤维风机叶片，其特征在于：所述碳纤维预浸料外表层(300)设有碳纤维加强筋。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的一体化碳纤维风机叶片的成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100、将受力骨架(100)沿叶面方向铺层；
S200、将碳纤维双向预浸料和树脂膨胀棉依次交替层叠在受力骨架(100)的两面上，直到形成预定厚度的中间层(200)，以使中间层(200)形成若干第二碳纤维预浸料片层(210)和若干层第二树脂膨胀棉层(220)依次间隔层叠的结构；
S300、将中间层(200)按照模具的型面裁剪成型；
S400、在中间层(200)的外层包裹碳纤维双向预浸料，使叶片(10)的外层形成有碳纤维预浸料外表层(300)，获得叶片(10)胚体；
S500、将S400制得的叶片(10)胚体放入模具的模腔内，将模具在热压成型设备中进行热压成型，以制得所述一体化碳纤维风机叶片(10)。
5.根据权利要求4所述的一体化碳纤维风机叶片的成型方法，其特征在于，所述受力骨架(100)的制备过程为：将碳纤维双向预浸料和树脂膨胀棉层叠、管卷并压合形成长条片状结构，制得由第一碳纤维预浸料片层(110)和第一树脂膨胀棉层(120)交替层叠而成的受力骨架(100)。
6.根据权利要求4所述的一体化碳纤维风机叶片的成型方法，其特征在于：S500中，所述热压成型温度为140℃～150℃，成型压力为10MPa～12MPa，成型时间大于等于15min。
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