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复合材料树脂基韧性增强

碳纤维复合材料螺旋桨韧性增强材料-纳米纤维薄膜显著改善疲劳寿命和频率特性

发布日期:2020-08-04 作者:大连义邦科技 浏览数:17230
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对于螺旋桨,性能方面有这样的要求:比重小、耐蚀性佳、弹性好、强度高。重量轻的螺旋桨,对提 升速度有明显的效果,还能减低油耗。碳纤维增强复合材料(简称CFRP)具有高强度、高模量、耐温差变化、耐腐蚀、耐辐射等优异性能,而且比强度、比模量等综合指标在现有的结构材料中几乎是最高的。近年来,碳纤维复合材料在船舶上的应用研究引起了多方重视,获得了造船工程界的青睐,逐渐被应用于包括上层建筑、甲板、管路及推进器等在内的船舶各结构部件的制造中

船舶螺旋桨长期浸泡在水中,多数情况还是海水,这就要求有较好的耐蚀 性。弹性好的螺旋桨,可以吸收震动,提高使用寿命。最重要的是强度高,才能承受住来自各方的力。

通常,船舶推进器的螺旋桨采用镍铝铜合金(NAB)材料制造,对比其他金属材料,采用NAB材料制造的螺旋桨具有耐腐蚀、易加工、可防止海洋生物附着等优点;但其也存在诸多问题,如复杂叶片加工费用高、叶片易疲劳产生裂纹、空泡剥蚀严重、声学阻尼性相对较差、振动噪声大等。所以,碳纤维增强复合材料越来越多的被应用到船舶螺旋桨上。

螺旋桨叶片的特点是外形和受力情况都比较复杂,而且对尺寸精度,表面光洁度及质量分布等都有较高的要求。碳纤维增强复合材料的优点很多,但是用于制造螺旋桨,还有些不利的缺点:

1、 刚性差

这一点是对产品的性能影响最大的。虽然复合材料强度高,但在相同应力情况下,它比金属材料的变形大许多,不论是碳纤维还是玻璃纤维都一样,而且由于考虑成本因素,产品大多采用玻璃纤维,变形就更加显著了。有些工业产品只要强度够,大一点的变形对于产品性能没有太大影响,但螺旋桨如果变形较大将造成流场的改变,所受的应力分布于预估的会不同,因此会造成流场及螺旋桨应力变化的问题。但如果妥善运用此项特性,就可使缺点变优点而成自动调整螺距螺旋桨上述。以同样螺旋桨转速来说,船速高时螺距要大,船速低时螺距要小,如果一般材料靠形状设计成 此项功能时,为了得到足够大的变形,强度必然不够,只有复合材料可以在具有足够强度的同时,又有相当大的变形,且如果是采用长纤维的复合材料,还可通过纤维摆设角度的改变来体现自动调整螺距的功能,这样可使螺旋桨的推进效率尽量保持定值,而不随船速及负载状况改变从而导致推进效率急剧下降。

2、 耐久性差

研究所用的复合材料就是玻璃纤维强化塑胶,虽然通过纤维的强化,但毕竟还是塑胶,对于长期受负荷的情况可能造成潜变,且塑胶由于温度变化及长期在恶劣的环境中可能造成材料的恶劣,使得强度降低,因此,如果能在它的上面涂油漆之类的东西使它与外界隔离,则可延缓材料的老化。

3、 表面硬度低

上述说过复合材料有强度高的优点,但是,复合材料表面硬度并不高。由于有这个缺点,复合材料抵抗穴蚀的能力一般来说比不上金属材料,对于穴蚀所造成破坏的抵抗性没有金属好。但是如果是可更换叶片的复合材料组合螺旋桨,当穴蚀造成叶片一定程度损伤时,将叶片更换掉,就会弥补在这方面的不足,另外也可以考虑在复合材料桨叶表面涂上特殊油漆,使它与外界隔离,这样也可以抵御穴蚀,延长使用寿命。

4、 抗冲击性能差

复合材料虽然整体强度高且变形可以很大,但如果是局部受力的话,很容易产生裂缝或是整个断裂。比如说,速度较慢颗粒较小的物体擦到它的时候是毫无影响的,一般也不会造成损坏,但是撞到坚硬高速的物体时,就会比金属螺旋桨容易产生破损。这是比金属材料差的地方,因为通常金属的塑性都很好,而且金属的刚性和表面硬度也都比复合材料要好一些。

鉴于此,新西兰Revolution Fibres 专利产品纳米纤维增韧膜Xantu. Layr可以在几乎不增加重量和厚度的情况下,显著提高复合材料螺旋桨的断裂韧性(抗分层性),冲击强度之后的压缩(损伤容限CAI)和复合材料分层的抗疲劳强度,有效改善和提升碳纤维复合材料螺旋桨的疲劳寿命和频率特性。

纳米纤维膜在预浸料层间充当脆性树脂基体的纳米级增强物质,最终形成更坚韧的树脂(即使与增韧树脂体系一起使用),在受到压力或冲击时不易发生微小裂纹。确切的说,Xantu.Layr 不是复合材料中纤维增强的物质,而是作为热固性树脂的增强剂。 例如:代替树脂中使用的增强颗粒,Xantu.Layr可以作为树脂韧性增强物质放置于每一层预浸料或者增强纤维之间。

Xantu. Layr使用简便,适合190℃和260℃高温固化。通常有三种规格,重量分别为1.5gsm, 3.0gsm, 4.5gsm. 厚度分别为8μm,16μm和24微米,标准宽度为1m,也可根据实际应用进行定制。

通过实验,使用Xantu. Layr的预浸料在为易脆的树脂提供纳米级的增强膜来改善复合材料的性能,纳米纤维很容易被树脂浸湿,由于增强了疏水性,不会吸收水分,避免基体产生空隙,有效提高了复合材料层合板的抗分层特性、冲击强度之后的压缩和抗疲劳特性。 更多实验数据可联系大连义邦航空新材料获取。

目前,Xantu. Layr可以用于航空航天碳纤维环氧树脂结构件、风电叶片、碳纤体育竞技(如钓鱼竿、滑雪板,自行车)等行业。特别适用于需要打孔或剪切的复合材料结构件,做到局部增韧。

纳米纤维膜作为继增韧颗粒之后的新一代复合材料韧性增强材料,也将为航空航天,舰船风电等科技行业的发展起到推进作用。



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