CN117885377A - 一种原位加热加压直升机桨叶成型装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于石墨烯薄膜电加热技术领域，涉及一种原位加热加压直升机桨叶成型装置及方法。用于中空翼梁桨叶成型；包括原位电加热薄膜、硅橡胶加压气囊、上成型模、下成型模；所述原位电加热薄膜设置于所述硅橡胶加压气囊表面形成原位加热加压组件，待成型或待修补中空翼梁桨叶所述上成型模、下成型模之间；所述原位加热加压组件设置于待成型或待修补中空翼梁桨叶外表面，或设置于中空翼梁桨叶内表面。本发明可以根据需求对直升机桨叶构件的局部区域进行加热、加压，无需整个桨叶进入加热设备，减少能耗，也能防止其他部位被加热造成组织损伤及性能下降，灵活性高，适用于桨叶局部维修成型等场景。

Description

一种原位加热加压直升机桨叶成型装置及方法

技术领域

本发明属于石墨烯薄膜电加热技术领域，涉及一种原位加热加压直升机桨叶成型装置及方法。

背景技术

直升机桨叶是直升机旋翼系统中最重要组件之一，翼梁是直升机桨叶制造的基础。直升机桨叶通过翼梁上的机械结构直接连接在旋翼系统桨毂上，承载桨叶的离心载荷，具有一定的扭转、挥舞、摆振刚度。翼梁一般采用金属结构或复合材料结构，金属结构具有各向同性且成型工艺复杂，复合材料结构可以对纤维取向、厚度进行特定的设计优化，从而满足特定方向力学性能要求，而且在相同重量下，复合材料翼梁比金属翼梁具有更高的耐腐蚀性及疲劳性能。现阶段直升机桨叶基本都采用全复合材料共固化而成，将玻璃预浸料翼梁、泡沫芯、碳纤维织物预浸料铺贴在成型工装下模的型腔内，进行定位整理，然后由工装上模将桨叶整体压实，采用热压设备加热、加压固化。

桨叶的另一种制造方法为共胶接成型工艺。首先桨叶中空翼梁等主要承力复合材料件预先固化成型，然后，在成型模内通过将已固化零件按设计位置摆放，零件间铺贴有胶膜等胶黏剂连接材料，通过胶黏剂在加热设备内固化粘接，将所有零件连接在一起，完成桨叶胶接固化工作。

综上所述，无论哪种直升机复合材料桨叶的成型方法，都需要将成型模具放置在热压罐等大型加热设备内成型。作为复合材料制件主要生产设备的热压罐，是一个具有整体加热系统的大型压力容器。典型热压罐成型系统是由罐体、冷却系统、真空系统、压力系统、加热系统、密封系统和控制系统构成。热压罐成型工艺的工作原理是利用罐内的高温压缩气体产生的压力对复合材料坯料进行加热加压以完成固化成型。热压罐成形技术可以生产不同外型的复合材料制件，由于这个优点，热压罐被广泛应用于航空航天制件的生产。然而，因为热压罐对尺寸、温度、压力的要求很高,所以其制造成本相当昂贵。另外，其辅助设备,如空气或氨气管道，冷却管道、加热炉和监测设备也将增加其成本。大型工业热压罐和辅助设备总成本约100万元。热压罐成形工艺引起的高昂的制造成本已经引起了人们的极大关注，比如，高能耗、用气量大、占地面积大，固化周期长等等。由于热压罐的大尺寸及加热加压方法引起另一缺点是温度和压力响应迟缓,及其温度控制精度差。同时，由于现代大型飞机中应用的复合材料整体构件轮廓复杂度越来越高，尺寸也越来越大，传统热压罐成型技术已经无法满足制造实际应用需求，因此，急需开发一种新型非热压罐成型工艺方法，该方法既能均匀地加热、加压，又能节能环保，安全可靠，操作简便。

石墨烯是一种只有单碳原子层(0.335nm)厚度构成的新型材料，是世界上最薄的二维材料，同时由于它拥有稳定的超高的机械性能，超强的导电、导热性能以及超大的比表面积等优点，单层石墨烯的电子迁移率为200,000cm2V-1s-1，杨氏模量和拉伸强度分别高达1TPa和130GPa，且比表面积高达2600m2g-1，纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/m·K，是目前为止导热系数最高的碳材料，但密度仅为2.2gcm-3。它在材料学、微纳加工、航空和航天等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。

硅橡胶是一种常用的高分子材料，具有化学性质稳定、机械强度高等特性。硅橡胶作为复合材料成型用的辅助材料具有良好的工艺性，它同时具备可塑性强、耐热性能好、可重复使用等优势，利用硅橡胶加压过程稳定，易于操作，能够提高零件的成型质量。国内外针对硅橡胶加压工艺的设计及压力控制开展了一系列研究。硅橡胶作为传统的热压罐及模压成型重要的辅助加压材料被大量使用。

发明内容

本发明的目的：本发明提出一种原位加热加压直升机桨叶成型装置及方法，根据石墨烯良好的导电与导热性能的特点，采用石墨烯发热膜作为电热基础元件，将其紧贴在待加热的构件上，然后将硅橡胶气囊紧贴在石墨烯薄膜上提供压力，旨在开发一种低成本、原位加热、加压，工艺简便的非热压罐桨叶成型工艺方法。

本发明的技术方案：为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提出一种原位加热加压直升机桨叶成型装置，用于中空翼梁桨叶成型；包括原位电加热薄膜、硅橡胶加压气囊、上成型模、下成型模；

所述原位电加热薄膜设置于所述硅橡胶加压气囊表面形成原位加热加压组件，待成型或待修补中空翼梁桨叶所述上成型模、下成型模之间；所述原位加热加压组件设置于待成型或待修补中空翼梁桨叶外表面，或设置于中空翼梁桨叶内表面。

在一个可能的实施例中，所述原位电加热薄膜与所述硅橡胶加压气囊采用物理连接相互贴合。

在一个可能的实施例中，所述原位电加热薄膜镶嵌在所述硅橡胶加压气囊内表面，与硅橡胶加压气囊形成一体加热、加压的原位加热加压组件。

在一个可能的实施例中，所述原位电加热薄膜采用石墨烯电加热薄膜。

在一个可能的实施例中，所述石墨烯电加热薄膜的外部绝缘材料采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料或尼龙或热塑性聚氨酯(TPU)或聚酰亚胺或硅橡胶等耐高温绝缘材料。

在一个可能的实施例中，所述石墨烯电加热薄膜的温度均匀性为±5℃。

根据本发明的第二方面，提出一种原位加热加压直升机桨叶成型方法，采用上述一种原位加热加压直升机桨叶成型装置，包括如下步骤：

步骤1：将固化成型后的中空翼梁桨叶前缘打磨、清理干净，将胶膜或液体胶均匀地涂在桨叶前缘，然后将包铁安装在桨叶前缘；

步骤2：在所述上成型模、所述下成型模中将原位加热加压组件紧贴包铁外侧；

步骤3：将硅胶气囊充气至压强为0.1MPa，原位加热加压组件的原位电加热膜通电加热；加热完成后，切断原位电加热膜的电源，待温度下降，将硅橡胶气囊内气体放出，打开所述上成型模、所述下成型模，将包铁胶接成型好的桨叶取出。

根据本发明的第三方面，提出一种原位加热加压直升机桨叶成型方法，采用上述一种原位加热加压直升机桨叶成型装置，包括如下步骤：

步骤1：将待成型中空翼梁桨叶置于所述上成型模、与所述下成型模之间；

步骤2：将原位加热加压组件紧贴设置于中空翼梁桨叶内表面，从内向外依次为硅橡胶加压气囊、原位电加热膜；

步骤3：将硅胶气囊充气至压强为20MPa，原位加热加压组件的原位电加热膜通电加热；加热完成后，切断石墨烯电加热薄膜的电源，待温度下降，将硅橡胶气囊内气体放出，将成型好的中空翼梁取出。

根据本发明的第四方面，提出一种原位加热加压直升机桨叶修补方法，采用上述一种原位加热加压直升机桨叶成型装置，包括如下步骤：

步骤1：将待修补中空翼梁桨叶的损伤部分进行清理，清理后进行复合材料铺层，铺隔离膜；

步骤2：在所述上成型模、所述下成型模中将原位加热加压组件紧贴桨叶前缘损伤部位外侧；

步骤3：将硅胶气囊充气至压强为5MPa，石墨烯电加热膜通电加热；加热完成后，切断石墨烯电加热薄膜的电源，待温度下降，将硅橡胶气囊内气体放出，将修理成型好的桨叶取出。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明为石墨烯薄膜加热、加压成型直升机桨叶的工艺方法，与传统热压罐成型技术相比，是一种全新的桨叶成型方案；

(2)本发明所采用的石墨烯电加热膜工艺方法属于“面加热”，被加热的直升机桨叶构件能够均匀受热，减少缺陷产生；

(3)本发明所采用的加热工艺，对直升机桨叶构件直接加热，不需要加热设备本身及其内部空气介质，能量利用率高；

(4)本发明可以根据需求对直升机桨叶构件的局部区域进行加热、加压，无需整个桨叶进入加热设备，减少能耗，也能防止其他部位被加热造成组织损伤及性能下降，灵活性高，适用于桨叶局部维修成型等场景；

(5)对于直升机桨叶中空翼梁成型，本发明可以实现由空腔内向外加热、加压，有利于复合材料成型过程中空气顺利排除，减少成型后桨叶中空翼梁的缺陷。

附图说明

图1一种中空翼梁桨叶示意图；

其中：1主桨叶

1-1桨叶蒙皮

1-2桨叶包铁

1-3中空翼梁

图2桨叶原位加热加压装备某剖面示意图其中：2石墨烯膜原位加热加压用于桨叶包贴胶接成型

2-1石墨烯电加热薄膜

2-2硅橡胶加压气囊

2-3工装

图3桨叶中空翼梁示意图

其中：3-1桨叶中空翼梁某剖面

图4桨叶中空翼梁成型示意图

其中：4石墨烯膜原位加热加压用于桨叶中空翼梁成型

4-1硅橡胶气囊

4-2石墨烯电加热膜

4-3固定工装

图5待修理损伤桨叶示意图

其中：5-1桨叶损伤处

图6桨叶修理固化成型示意图其中：6-1复合材料铺层；6-2石墨烯电加热薄膜；6-3硅橡胶气囊；6-4工装。

具体实施方式

为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利要求的限制。

根据本发明的第一方面，提出一种原位加热加压直升机桨叶成型装置，用于中空翼梁桨叶成型；包括原位电加热薄膜、硅橡胶加压气囊、上成型模、下成型模；

所述原位电加热薄膜设置于所述硅橡胶加压气囊表面形成原位加热加压组件，待成型或待修补中空翼梁桨叶所述上成型模、下成型模之间；所述原位加热加压组件设置于待成型或待修补中空翼梁桨叶外表面，或设置于中空翼梁桨叶内表面。

在一个可能的实施例中，所述原位电加热薄膜与所述硅橡胶加压气囊采用物理连接相互贴合。

在一个可能的实施例中，所述原位电加热薄膜镶嵌在所述硅橡胶加压气囊内表面，与硅橡胶加压气囊形成一体加热、加压的原位加热加压组件。

在一个可能的实施例中，所述原位电加热薄膜采用石墨烯电加热薄膜。

在一个可能的实施例中，所述石墨烯电加热薄膜的外部绝缘材料采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料或尼龙或热塑性聚氨酯(TPU)或聚酰亚胺或硅橡胶等耐高温绝缘材料。

在一个可能的实施例中，所述石墨烯电加热薄膜的温度均匀性为±5℃。

根据本发明的第二方面，提出一种原位加热加压直升机桨叶成型方法，采用上述一种原位加热加压直升机桨叶成型装置，包括如下步骤：

步骤1：将固化成型后的中空翼梁桨叶前缘打磨、清理干净，将胶膜或液体胶均匀地涂在桨叶前缘，然后将包铁安装在桨叶前缘；

步骤2：在所述上成型模、所述下成型模中将原位加热加压组件紧贴包铁外侧；

步骤3：将硅胶气囊充气至压强为0.1MPa，原位加热加压组件的原位电加热膜通电加热；加热完成后，切断原位电加热膜的电源，待温度下降，将硅橡胶气囊内气体放出，打开所述上成型模、所述下成型模，将包铁胶接成型好的桨叶取出。

实施例一：

桨叶包铁胶接成型：

(1)如图1所示，桨叶包铁位于桨叶前缘，将固化成型后的桨叶前缘打磨、清理干净，将胶膜或液体胶均匀地涂在桨叶前缘，然后将包铁安装在桨叶前缘。

(2)如图2所示，将石墨烯电加热膜紧贴桨叶前缘包铁，加压硅胶气囊紧贴石墨烯电加热薄膜，最外层为固定工装。

(3)先将硅胶气囊充气至压强为0.1MPa，石墨烯电加热膜通电加热，加热速率为5℃/min，加热至70℃，保温2小时，切断石墨烯电加热薄膜的电源，待温度降到40℃以下，将硅橡胶气囊内气体放出，将包铁胶接成型好的桨叶取出。

根据本发明的第三方面，提出一种原位加热加压直升机桨叶成型方法，采用上述一种原位加热加压直升机桨叶成型装置，包括如下步骤：

步骤1：将待成型中空翼梁桨叶置于所述上成型模、与所述下成型模之间；

步骤2：将原位加热加压组件紧贴设置于中空翼梁桨叶内表面，从内向外依次为硅橡胶加压气囊、原位电加热膜；

步骤3：将硅胶气囊充气至压强为20MPa，原位加热加压组件的原位电加热膜通电加热；加热完成后，切断石墨烯电加热薄膜的电源，待温度下降，将硅橡胶气囊内气体放出，将成型好的中空翼梁取出。

实施例二：

桨叶中空翼梁固化成型：

(1)图3为桨叶中空翼梁示意图，对于中空翼梁复合材料成型，如图4，从中空内向外依次为加压硅胶气囊、石墨烯膜、复合材料，最外层为固定工装。

(2)先将硅胶气囊充气至压强为20MPa，石墨烯电加热膜通电加热，加热速率为5℃/min，加热至130℃，保温4小时，切断石墨烯电加热薄膜的电源，待温度降到40℃以下，将硅橡胶气囊内气体放出，将成型好的中空翼梁取出。

根据本发明的第四方面，提出一种原位加热加压直升机桨叶修补方法，采用上述一种原位加热加压直升机桨叶成型装置，包括如下步骤：

步骤1：将待修补中空翼梁桨叶的损伤部分进行清理，清理后进行复合材料铺层，铺隔离膜；

步骤2：在所述上成型模、所述下成型模中将原位加热加压组件紧贴桨叶前缘损伤部位外侧；

步骤3：将硅胶气囊充气至压强为5MPa，石墨烯电加热膜通电加热；加热完成后，切断石墨烯电加热薄膜的电源，待温度下降，将硅橡胶气囊内气体放出，将修理成型好的桨叶取出。

实施例三：

桨叶损伤修理成型：

(1)如图5所示，在使用或转运的过程中桨叶部分损伤，将损伤部分进行清理，清理后进行复合材料铺层，铺隔离膜。

(2)如图6所示，将石墨烯电加热膜紧贴桨叶前缘损伤部位，加压硅胶气囊紧贴石墨烯电加热薄膜，最外层为固定工装。

(3)先将硅胶气囊充气至压强为5MPa，石墨烯电加热膜通电加热，加热速率为5℃/min，加热至130℃，保温5小时，切断石墨烯电加热薄膜的电源，待温度降到40℃以下，将硅橡胶气囊内气体放出，将修理成型好的桨叶取出。

Claims (10)

1.一种原位加热加压直升机桨叶成型装置，其特征在于，用于中空翼梁桨叶成型；包括原位电加热薄膜、硅橡胶加压气囊、上成型模、下成型模；

所述原位电加热薄膜设置于所述硅橡胶加压气囊表面形成原位加热加压组件，待成型或待修补中空翼梁桨叶所述上成型模、下成型模之间；所述原位加热加压组件设置于待成型或待修补中空翼梁桨叶外表面，或设置于中空翼梁桨叶内表面。

2.根据权利要求1所述的一种原位加热加压直升机桨叶成型装置，其特征在于，所述原位电加热薄膜与所述硅橡胶加压气囊采用物理连接相互贴合。

3.根据权利要求1所述的一种原位加热加压直升机桨叶成型装置，其特征在于，所述原位电加热薄膜镶嵌在所述硅橡胶加压气囊内表面，与硅橡胶加压气囊形成一体加热、加压的原位加热加压组件。

4.根据权利要求1所述的一种原位加热加压直升机桨叶成型装置，其特征在于，所述原位电加热薄膜采用石墨烯电加热薄膜。

5.根据权利要求4所述的一种原位加热加压直升机桨叶成型装置，其特征在于，所述石墨烯电加热薄膜的外部绝缘材料耐高温绝缘材料。

6.根据权利要求5所述的一种原位加热加压直升机桨叶成型装置，其特征在于，耐高温绝缘材料采用聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料或尼龙或热塑性聚氨酯或聚酰亚胺或硅橡胶。

7.根据权利要求4或5任意一项所述的一种原位加热加压直升机桨叶成型装置，其特征在于，所述石墨烯电加热薄膜的温度均匀性为±5℃。

8.一种原位加热加压直升机桨叶成型方法，其特征在于，采用权利要求1-7任意一项所述的一种原位加热加压直升机桨叶成型装置，包括如下步骤：

步骤1：将固化成型后的中空翼梁桨叶前缘打磨、清理干净，将胶膜或液体胶均匀地涂在桨叶前缘，然后将包铁安装在桨叶前缘；

步骤2：在所述上成型模、所述下成型模中将原位加热加压组件紧贴包铁外侧；

步骤3：将硅胶气囊充气至压强为0.1MPa，原位加热加压组件的原位电加热膜通电加热；加热完成后，切断原位电加热膜的电源，待温度下降，将硅橡胶气囊内气体放出，打开所述上成型模、所述下成型模，将包铁胶接成型好的桨叶取出。

9.一种原位加热加压直升机桨叶成型方法，采用权利要求1-7任意一项所述的一种原位加热加压直升机桨叶成型装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将待成型中空翼梁桨叶置于所述上成型模、与所述下成型模之间；

步骤2：将原位加热加压组件紧贴设置于中空翼梁桨叶内表面，从内向外依次为硅橡胶加压气囊、原位电加热膜；

步骤3：将硅胶气囊充气至压强为20MPa，原位加热加压组件的原位电加热膜通电加热；加热完成后，切断石墨烯电加热薄膜的电源，待温度下降，将硅橡胶气囊内气体放出，将成型好的中空翼梁取出。

10.一种原位加热加压直升机桨叶修补方法，采用权利要求1-7任意一项所述的一种原位加热加压直升机桨叶成型装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将待修补中空翼梁桨叶的损伤部分进行清理，清理后进行复合材料铺层，铺隔离膜；

步骤2：在所述上成型模、所述下成型模中将原位加热加压组件紧贴桨叶前缘损伤部位外侧；

步骤3：将硅胶气囊充气至压强为5MPa，石墨烯电加热膜通电加热；

加热完成后，切断石墨烯电加热薄膜的电源，待温度下降，将硅橡胶气囊内气体放出，将修理成型好的桨叶取出。