[发明专利]具有仿生结构的碳纤维增强发动机叶片及其制备方法

说明书

本发明公开了具有仿生结构的碳纤维增强发动机叶片及其制备方法，该方法是由碳纤维捻制而成仿生碳纤维束和由光敏树脂和热敏树脂混合而成预浸料的混合物，预浸料混合物在光照下照射做轻微固化处理，将处理后的混合物在多层弹性内衬模上进行缠绕后，经由内高压成型方法制备得到仿生碳纤维增强发动机叶。本发明的单层碳纤维的排列方式不断变化，单纤维可以随性排布，沿着应力方向随型排布，具有更好地承载应力，更加轻质坚固而且阻力更低。

技术领域

本发明涉及仿生复合材料技术领域，具体涉及具有仿生结构的碳纤维增强发动机叶片及其制备方法。

背景技术

随着人类生活水平的提高，飞机作为最主要的交通工具越来越受到人们的重视。机翼是飞机的重要部件之一，飞行时产生升力支持飞机在空中飞行。由于机翼的工作环境差、承受外力大等问题，为了增强机翼的强度，提高机翼的使用寿命，目前大部分机翼都使用复合材料。

单向碳纤维具有质量轻、热膨胀系数小、抗拉能力强等优点。但碳纤维材料存在脆性大、抗剪能力差、与金属的粘附性差等问题。因此，设计一种能够抗剪耐久的碳纤维复合材料一直是一个悬而未决的挑战。

现有碳纤维复合材料的成型方法仅能实现有序排列，构成层合板的每一层碳纤维，都是以统一的方式排列，如此无法实现最优承载，影响材料的坚固性，同时统一的方式排列的材料作为发动机叶片，阻力较高。

发明内容

本发明的目的在于：提供了具有仿生结构的碳纤维增强发动机叶片及其制备方法。本发明的优点在于单层碳纤维的排列方式不断变化，单纤维可以随性排布，沿着应力方向随型排布，更好地承载应力，有利于产生更轻质坚固而且阻力更低的具有仿生结构的碳纤维增强发动机叶片。

为了实现上述目的，本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明首先提供了具有仿生结构的碳纤维增强发动机叶片，由仿生碳纤维束和预浸料混合后在弹性内衬模上进行缠绕后，经由内高压成型方法制备得到；所述仿生碳纤维束由8～12条碳纤维捻制而成，其中每条碳纤维的直径范围为5～15μm，碳纤维束的捻距为25～250μm，捻向为S型；所述预浸料中双酚A环氧树脂含量为55％～60％，对氨基苯酚环氧树脂含量为10％～15％，甘油环氧树脂含量为25％～30％；为保证弹性内衬具有最优的使用条件，所述弹性内衬模由多层结构构成，最外层为厚度为2～5mm的天然橡胶层，中间层分别为5～8mm的帘线支撑层和5～8mm的硅胶层，最内层为8～12mm的乙丙橡胶内衬层，且最内层表面具有形成内腔减振结构的预制孔，能够容留多余树脂，所述弹性内衬模的外形尺寸为发动机叶片内腔尺寸的88～96％。

进一步地，所述预制孔的孔径为8-15mm，孔深为3-4mm，深径比为2～5。

进一步地，所述预制孔在缠绕碳纤维前孔内需涂硅胶脱模剂。

进一步地，所述仿生碳纤维束和预浸料采用制备机进行混合，所述制备机包括入料口、环氧树脂注入口、分散性固化剂加入口、电加热层和出料口，其中环氧树脂注入口和分散性固化剂加入口的内径为20mm，外径为30mm，高度为80mm；电加热层套在出料口壁中，电加热层的长度为350mm；入料口和出料口的高度为1mm；制备机的总长度为600mm。

进一步地，为了固化形态，利于成型，预浸料混合物在光照下照射做轻微固化处理，所述仿生碳纤维束和预浸料通过以下方法混合：将碳纤维束在4.5～15V的电压下进行磁化吸附，提高结合强度，将吸附的碳纤维束单向排列平铺在预浸料表层，实现微观结构上的多向纤维排布，为重复步骤实现成型，在表层覆盖相同厚度的预浸料后，为内高压前结构固化，提高加工精度，在300～600lx的光照强度下照射5～10min对混合物的表层进行轻微固化处理。

进一步地，所述仿生碳纤维束和预浸料的混合物采用螺旋缠绕机对弹性内衬模进行缠绕，所述螺旋缠绕机由旋转平台、基座、连接杆和橡胶模具组成，其中，旋转平台通过螺栓连接在基座上，连接杆通过螺纹连接到旋转平台，橡胶模具通过过盈配合插入连接杆中。