[發(fā)明專利]具有仿生結(jié)構(gòu)的碳纖維增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011427881.7
• 申請(qǐng)日: 2020-12-07
• 公開（公告）號(hào): CN112696235B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 莊健;路云;趙佳樂;郭明卓;王筱庚;魏延鵬;田宏麗
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號(hào): F01D5/28
• 分類號(hào): F01D5/28;F01D5/26;B29C70/34;B29C70/54
• 代理公司: 長(zhǎng)春市四環(huán)專利事務(wù)所(普通合伙) 22103
• 代理人: 張冉昕

本發(fā)明公開了具有仿生結(jié)構(gòu)的碳纖維增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片及其制備方法，該方法是由碳纖維捻制而成仿生碳纖維束和由光敏樹脂和熱敏樹脂混合而成預(yù)浸料的混合物，預(yù)浸料混合物在光照下照射做輕微固化處理，將處理后的混合物在多層彈性內(nèi)襯模上進(jìn)行纏繞后，經(jīng)由內(nèi)高壓成型方法制備得到仿生碳纖維增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)葉。本發(fā)明的單層碳纖維的排列方式不斷變化，單纖維可以隨性排布，沿著應(yīng)力方向隨型排布，具有更好地承載應(yīng)力，更加輕質(zhì)堅(jiān)固而且阻力更低。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及仿生復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及具有仿生結(jié)構(gòu)的碳纖維增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著人類生活水平的提高，飛機(jī)作為最主要的交通工具越來越受到人們的重視。機(jī)翼是飛機(jī)的重要部件之一，飛行時(shí)產(chǎn)生升力支持飛機(jī)在空中飛行。由于機(jī)翼的工作環(huán)境差、承受外力大等問題，為了增強(qiáng)機(jī)翼的強(qiáng)度，提高機(jī)翼的使用壽命，目前大部分機(jī)翼都使用復(fù)合材料。

單向碳纖維具有質(zhì)量輕、熱膨脹系數(shù)小、抗拉能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但碳纖維材料存在脆性大、抗剪能力差、與金屬的粘附性差等問題。因此，設(shè)計(jì)一種能夠抗剪耐久的碳纖維復(fù)合材料一直是一個(gè)懸而未決的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)有碳纖維復(fù)合材料的成型方法僅能實(shí)現(xiàn)有序排列，構(gòu)成層合板的每一層碳纖維，都是以統(tǒng)一的方式排列，如此無(wú)法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)承載，影響材料的堅(jiān)固性，同時(shí)統(tǒng)一的方式排列的材料作為發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，阻力較高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于：提供了具有仿生結(jié)構(gòu)的碳纖維增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片及其制備方法。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于單層碳纖維的排列方式不斷變化，單纖維可以隨性排布，沿著應(yīng)力方向隨型排布，更好地承載應(yīng)力，有利于產(chǎn)生更輕質(zhì)堅(jiān)固而且阻力更低的具有仿生結(jié)構(gòu)的碳纖維增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明首先提供了具有仿生結(jié)構(gòu)的碳纖維增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，由仿生碳纖維束和預(yù)浸料混合后在彈性內(nèi)襯模上進(jìn)行纏繞后，經(jīng)由內(nèi)高壓成型方法制備得到；所述仿生碳纖維束由8～12條碳纖維捻制而成，其中每條碳纖維的直徑范圍為5～15μm，碳纖維束的捻距為25～250μm，捻向?yàn)镾型；所述預(yù)浸料中雙酚A環(huán)氧樹脂含量為55％～60％，對(duì)氨基苯酚環(huán)氧樹脂含量為10％～15％，甘油環(huán)氧樹脂含量為25％～30％；為保證彈性內(nèi)襯具有最優(yōu)的使用條件，所述彈性內(nèi)襯模由多層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，最外層為厚度為2～5mm的天然橡膠層，中間層分別為5～8mm的簾線支撐層和5～8mm的硅膠層，最內(nèi)層為8～12mm的乙丙橡膠內(nèi)襯層，且最內(nèi)層表面具有形成內(nèi)腔減振結(jié)構(gòu)的預(yù)制孔，能夠容留多余樹脂，所述彈性內(nèi)襯模的外形尺寸為發(fā)動(dòng)機(jī)葉片內(nèi)腔尺寸的88～96％。

進(jìn)一步地，所述預(yù)制孔的孔徑為8-15mm，孔深為3-4mm，深徑比為2～5。

進(jìn)一步地，所述預(yù)制孔在纏繞碳纖維前孔內(nèi)需涂硅膠脫模劑。

進(jìn)一步地，所述仿生碳纖維束和預(yù)浸料采用制備機(jī)進(jìn)行混合，所述制備機(jī)包括入料口、環(huán)氧樹脂注入口、分散性固化劑加入口、電加熱層和出料口，其中環(huán)氧樹脂注入口和分散性固化劑加入口的內(nèi)徑為20mm，外徑為30mm，高度為80mm；電加熱層套在出料口壁中，電加熱層的長(zhǎng)度為350mm；入料口和出料口的高度為1mm；制備機(jī)的總長(zhǎng)度為600mm。

進(jìn)一步地，為了固化形態(tài)，利于成型，預(yù)浸料混合物在光照下照射做輕微固化處理，所述仿生碳纖維束和預(yù)浸料通過以下方法混合：將碳纖維束在4.5～15V的電壓下進(jìn)行磁化吸附，提高結(jié)合強(qiáng)度，將吸附的碳纖維束單向排列平鋪在預(yù)浸料表層，實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)上的多向纖維排布，為重復(fù)步驟實(shí)現(xiàn)成型，在表層覆蓋相同厚度的預(yù)浸料后，為內(nèi)高壓前結(jié)構(gòu)固化，提高加工精度，在300～600lx的光照強(qiáng)度下照射5～10min對(duì)混合物的表層進(jìn)行輕微固化處理。

進(jìn)一步地，所述仿生碳纖維束和預(yù)浸料的混合物采用螺旋纏繞機(jī)對(duì)彈性內(nèi)襯模進(jìn)行纏繞，所述螺旋纏繞機(jī)由旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、基座、連接桿和橡膠模具組成，其中，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)通過螺栓連接在基座上，連接桿通過螺紋連接到旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，橡膠模具通過過盈配合插入連接桿中。