一种船舶用三维编织复合材料螺旋桨叶片及其制备方法.pdf

本发明公开了一种船舶用三维编织复合材料螺旋桨叶片及其制备方法，依据船舶动力要求进行预制体支撑用芯模的设计，包括叶片主体结构和特定强化部位结构的确定；依据芯模结构及强化设计要求，确定高性能纤维的种类以及混杂纤维纱线的关键特性，并进行混杂纤维纱线的制备；采用混杂纤维纱线，运用三维立体编织技术，进行螺旋桨叶片混杂纤维预制体的连续编织成型；以热固性树脂胶液为基体，采用真空导入技术和热固化工艺，对混杂纤维叶片预制体进行树脂浸渍和真空固化处理，得到船用三维立体编织螺旋桨叶片。多种三维立体编织结构和真空导入与热固化相结合工艺的应用，使螺旋桨叶片的强度得到加强，使叶片的生产效率得到有效提高。

1.  一种船舶用三维编织复合材料螺旋桨叶片，其特征在于：包括内部的三维立体编织结构以及浸渍固化在所述三维立体编织结构上的树脂层，所述三维立体编织结构包括三维立体编织结构的主体部分、三维立体编织结构的增强结构部分以及将这两部分连接起来的高密度纱线缝编结构。

2.  一种船舶用三维编织复合材料螺旋桨叶片的制备方法，包括以下步骤：
(1)依据船舶动力要求进行预制体支撑用芯模的设计，包括叶片主体结构和特定强化部位结构的确定；
(2)依据芯模结构及强化设计要求，确定高性能纤维的种类以及混杂纤维纱线的关键特性，并进行混杂纤维纱线的制备；
(3)采用混杂纤维纱线，运用三维立体编织技术，进行螺旋桨叶片混杂纤维预制体的连续编织成型；
(4)以热固性树脂胶液为基体，采用真空导入技术和热固化工艺，对混杂纤维叶片预制体进行树脂浸渍和真空固化处理，得到船用三维立体编织螺旋桨叶片。

3.  根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于：所述步骤(1)中芯模的长度为1-15m，宽度为0.3-3m。

4.  根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于：所述芯模的材质为木质或聚四氟乙烯。

5.  根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于：所述步骤(2)中，混杂纤维纱线由碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维以及玄武岩纤维中的一种或几种制成。

6.  根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于：所述三维立体编织结构的主体部分采用T700碳纤维与Kevlar49芳纶纤维的混杂纱线进行编织，所述三维立体编织结构的增强结构采用Kevlar29芳纶纤维与M40碳纤维的混杂纱线进行编织。

7.  根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于：所述步骤(4)中，真空导入的真空度为0.06-0.1MPa。

8.  根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于：所述真空度为0.08MPa。

9.  根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于：所述步骤(4)中，热固化过程在大型烘箱中进行，热固化的温度为80-120℃，热固化的时间为3-6小时。

10.  根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于：所述步骤(4)中制备的螺旋桨叶的含胶量为20-60％。

一种船舶用三维编织复合材料螺旋桨叶片及其制备方法
技术领域
本发明具体涉及一种船舶用三维编织复合材料螺旋桨叶片及其制备方法。
背景技术
螺旋桨为军用或民用舰船上关键的动力机械部件。传统金属螺旋桨的加工成本较高，并且金属合金的螺旋桨材料容易受到腐蚀、空泡损伤和疲劳破坏等，由于复合材料螺旋桨具有重量轻、刚度大、强度高以及耐海水腐蚀性强等诸多优点，因此越来越多的引起人们的重视。其中叶片部分是决定整个螺旋桨动力稳定性的主要部件，为了提高舰船整体的机动性，很多国家近十几年来一直在进行新型复合材料材质的螺旋桨叶片的研制，尤其对于复合材料叶片的结构强度优化和生产效率提高方面进行了重点研究和应用尝试。
国外有关船舶用复合材料螺旋桨的应用有诸多实例。在军用方面，德国海军将高阻尼Kevlar纤维复合材料制备的螺旋桨配装在206A型U26舰艇上。在民用方面，德国的AIR公司采用碳纤维复合材料制备的contur系列螺旋桨用于装配超级游轮、轮船，这种螺旋桨的重量为镍铝合金的三分之一，硬度满足使用要求，端部比金属螺旋桨更薄，并且可减少噪声到5dB以下。美国科学技术组织QinetiQ历时三年研制了一个直径为2.9米的复合材料船用螺旋桨，并取得了海上试验成功，其叶片由位于切尔滕纳姆的Smiths航空公司的Dowty Propeller生产。
复合材料螺旋桨目前全部或部分采用纤维增强树脂制备，为进一步提高复合材料螺旋桨叶片的刚度和强度，高性能纤维(碳纤维、芳纶纤维、UHMWPE纤维等)增强热固性树脂基复合材料材质越来越多得到应用，能够减轻螺旋桨重量、抗疲劳，便于装卸维修，可以实现减震降噪、耐海水腐蚀并延长寿命。但是目前的多种纤维复合材料螺旋桨基本采用模压或纤维缠绕工艺，该工艺存在纤维排布的层间强度薄弱问题，并且制作流程繁琐不方便。鉴于这种问题，本发明采用全新的多种纤维混杂的三维编织技术与树脂真空导入固化工艺结合，实现了多种纤维三维立体编织组合，发挥多种纤维的综合特性，提高整体结构强度，采用连续三维编织设备机械化生产，产品制作效率较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为提供一种船舶用三维编织复合材料螺旋桨叶片及其制备方法，通过多种纤维的比例配合，提高螺旋桨叶片在特定部位的力学性能，消除传统复合材料叶片层间结合强度较差的问题，连续化三维编织技术提高了螺旋桨复合材料螺旋桨叶片的生产效率。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种船舶用三维编织复合材料螺旋桨叶片，包括内部的三维立体编织结构以及浸渍固化在所述三维立体编织结构上的树脂层，所述三维立体编织结构包括三维立体编织结构的主体部分、三维立体编织结构的增强结构部分以及将这两部分连接起来的高密度纱线缝编结构。
一种船舶用三维编织复合材料螺旋桨叶片的制备方法，包括以下步骤：
(1)依据船舶动力要求进行预制体支撑用芯模的设计，包括叶片主体结构和特定强化部位结构的确定；
(2)依据芯模结构及强化设计要求，确定高性能纤维的种类以及混杂纤维纱线的关键特性，并进行混杂纤维纱线的制备；
(3)采用混杂纤维纱线，运用三维立体编织技术，进行螺旋桨叶片混杂纤维预制体的连续编织成型；
(4)以热固性树脂胶液为基体，采用真空导入技术和热固化工艺，对混杂纤维叶片预制体进行树脂浸渍和真空固化处理，得到船用三维立体编织螺旋桨叶片。
优选的，所述步骤(1)中芯模的长度为1-15m，宽度为0.3-3m。
优选的，所述芯模的材质为木质或聚四氟乙烯。
优选的，所述步骤(2)中，混杂纤维纱线由碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维(分子量范围在100万～500万)以及玄武岩纤维中的一种或几种制成。
依据复合材料螺旋桨叶片的应用要求确定混杂纤维纱线的密度、断裂延伸率、强度、模量以及其它关键指标，以上指标可由组合纱线数量及加捻度灵活调整。
优选的，所述三维立体编织结构的主体部分采用T700碳纤维与Kevlar49芳纶纤维的混杂纱线进行编织，所述三维立体编织结构的增强结构采用Kevlar29芳纶纤维与M40碳纤维的混杂纱线进行编织。
优选的，所述步骤(4)中，真空导入的真空度为0.06-0.1MPa。
优选的，所述真空度为0.08MPa。
优选的，所述步骤(4)中，热固化过程在大型烘箱中进行，热固化的温度为80-120℃，热固化的时间为3-6小时。
优选的，所述步骤(4)中制备的螺旋桨叶的含胶量为20-60％。
所述的混杂纤维预制体的连续编织成型，采用上述制备的混杂纤维纱线，在上述支撑芯模表面进行。整个过程采用三维立体编织工艺，其中对于螺旋桨叶片主体和特定结构强化部位可采用不同三维编织结构，不同编织结构之间采用高密度纱线缝编形成整体。预制 体厚度可根据叶片强度和刚度要求灵活调节。
本发明与现有复合材料螺旋桨叶片的制备技术相比具有以下主要优点：
(1)根据船舶用复合材料螺旋桨叶片的力学设计要求，对所用混杂纤维纱线的纤维类型、加捻工艺可进行灵活匹配，获得适用于三维立体编织的混杂纱线。
(2)根据船舶用复合材料螺旋桨叶片的力学设计要求，进行叶片特定部位的混杂纤维预制体三维编织结构设计，通过混杂纤维纱线类型组合、纱线排布方向组合，针对性的提高叶片特定部位强度和刚度。
(3)利用国外进口三维立体编织机，在支撑芯模表面进行连续化三维立体编织工序，生产效率较高，采用真空导入固化技术，制品材质均一度与尺寸精密度较高。
附图说明
图1为本发明的螺旋桨叶片的芯模结构示意图；
图2为本发明的三维立体编织结构的结构示意图。
其中，1、芯模主体，2、结构强化部位，3、三维立体编织结构的主体部分，4、三维立体编织结构的增强结构部分，5、高密度纱线缝编结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。
实施例一
图1为本发明的螺旋桨叶片的芯模结构示意图，芯模包括芯模主体1以及设置在芯模主体上的结构强化部位2。本发明的螺旋桨叶片的三维立体编织结构即根据图1中的模具结构编织成型。
如图2所示，一种船舶用三维编织复合材料螺旋桨叶片，其包括内部的三维立体编织结构以及浸渍固化在所述三维立体编织结构上的树脂层，所述三维立体编织结构包括三维立体编织结构的主体部分3、三维立体编织结构的增强结构部分4以及三维立体编织结构的主体部分3和三维立体编织结构的增强结构部分4之间的高密度纱线缝编结构。
基于图1中的芯模进行混杂纤维三维立体编织预制体制备，如图2所示，三维立体编织结构的主体部分3采用T700碳纤维与Kevlar49芳纶纤维混杂纱线进行混合编织，三维立体编织结构的增强结构4部位编织纱线选用Kevlar29芳纶纤维与M40碳纤维两种混杂组合。整体三维编织后的螺旋桨叶片长度为2.5m，宽度为0.6m。
三维编织后的混杂纤维叶片预制体采用环氧树脂胶液为基体原材料，采用VARI真空导入工艺使胶液充分浸渍以上叶片预制体，整个浸渍复合过程的真空度保持在0.08MPa。浸渍树脂后的叶片于80℃固化3.5小时后成型，含胶量保持在36％。
实施例二
基于图1中的芯模进行混杂纤维三维立体编织预制体制备，如图2所示，三维立体编织结构的主体部分3采用T300碳纤维与Kevlar29芳纶纤维混杂纱线进行混合编织，三维立体编织结构的增强结构部分4编织纱线选用Kevlar49芳纶纤维与T700碳纤维两种混杂组合。整体三维编织后的螺旋桨叶片长度为5m，宽度为1.2m。
三维编织后的混杂纤维叶片预制体采用酚醛树脂胶液为基体原材料，采用VARI真空导入工艺使胶液充分浸渍以上叶片预制体，整个浸渍复合过程的真空度保持在0.1MPa。浸渍树脂后的叶片于120℃固化4小时后成型，含胶量保持在40％。
实施例三
基于图1中的芯模进行混杂纤维三维立体编织预制体制备，如图2所示，三维立体编织结构的主体部分3采用T700碳纤维与Kevlar49芳纶纤维混杂纱线进行混合编织，三维立体编织结构的增强结构部分4编织纱线可选用Kevlar29芳纶纤维与T800碳纤维两种混杂组合。整体三维编织后的螺旋桨叶片长度为4m，宽度为0.8m。
三维编织后的混杂纤维叶片预制体采用环氧树脂胶液为基体原材料，采用VARI真空导入工艺使胶液充分浸渍以上叶片预制体，整个浸渍复合过程的真空度保持在0.06MPa。浸渍树脂后的叶片于90℃固化2.5小时后成型，含胶量保持在35％。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。