復(fù)合材料螺旋槳RTM成型工藝研究

楊文志，朱 錫，陳 悅，裴秋秋

（海軍工程大學(xué)艦船工程系，武漢 430033）

復(fù)合材料螺旋槳RTM成型工藝研究

楊文志，朱 錫，陳 悅，裴秋秋

（海軍工程大學(xué)艦船工程系，武漢 430033）

為開展復(fù)合材料螺旋槳成型工藝的研究，分析了不同成型工藝的特點(diǎn)，提出采用樹脂傳遞模塑成型技術(shù)（RTM）制作螺旋槳模型，制訂了模具制備方案、纖維剪裁和鋪層實(shí)施方案以及RTM工藝流程，制作了螺旋槳模型，并提出了工藝改進(jìn)方案，進(jìn)而開展了螺旋槳模型的強(qiáng)度試驗(yàn).強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果顯示：隨著載荷的增加，各測點(diǎn)處的應(yīng)變值均呈線性增長，當(dāng)加載到8 kN時(shí)各測點(diǎn)應(yīng)變均在彈性范圍內(nèi)，槳葉未發(fā)生破壞.研究表明：采用本文制定的模具制備方案，特別是針對槳葉纖維布剪裁、鋪層的難題提出的適合復(fù)雜型線纖維布剪裁和鋪層的實(shí)施方案，用于成型夾芯復(fù)合材料螺旋槳模型可以滿足預(yù)期強(qiáng)度要求，驗(yàn)證了本文工藝的可行性.

復(fù)合材料；螺旋槳；RTM；成型工藝；強(qiáng)度

復(fù)合材料螺旋槳因具有低噪音、輕質(zhì)、高效、易維修等特性，使得各國研究人員將目光投向了復(fù)合材料螺旋槳的實(shí)船應(yīng)用.近年來，隨著各國對復(fù)合材料研究的深入，復(fù)合材料螺旋槳的應(yīng)用價(jià)值也大大體現(xiàn).成型工藝是復(fù)合材料螺旋槳應(yīng)用的關(guān)鍵，為加快復(fù)合材料螺旋槳在船舶上的實(shí)際應(yīng)用，研究復(fù)合材料螺旋槳的成型工藝技術(shù)具有重要意義［1-2］.

目前，針對復(fù)合材料螺旋槳成型工藝，國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了一些有意義的研究工作.19紀(jì)60年代蘇聯(lián)學(xué)者第一次使用手糊方式成型了直徑2 m的復(fù)合材料螺旋槳槳葉［3］；SEARLE［4］采用RTM技術(shù)和真空融合工藝制作了復(fù)合材料螺旋槳槳葉；LIN［5］等采用制作鋁合金槳葉陰模和陽模的RTM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了小直徑大側(cè)斜復(fù)合材料螺旋槳的制作；張孝深等［6］采用分葉注射整體成型技術(shù)制作了拖船、冷藏船和漁船船用復(fù)合材料螺旋槳；洪毅［7］在其博士論文中指出，考慮到螺旋槳這種復(fù)雜型面的三維結(jié)構(gòu)，由于要滿足設(shè)計(jì)的水動(dòng)力性能要求，且對其不規(guī)則的幾何外形有較高的尺寸精度要求，以及欲制備螺旋槳的幾何尺寸較小，故選取模壓成型工藝制備了碳纖維復(fù)合材料螺旋槳，其中模具選用玻璃鋼材料.并對已制備的復(fù)合材料螺旋槳進(jìn)行了型面分析檢測、質(zhì)量測試分析以及噪音測試分析.在此基礎(chǔ)上，張鴻名［8］采用RTM工藝制備了高質(zhì)量的復(fù)合材料螺旋槳，并對成型的螺旋槳進(jìn)行了三維型值掃描測試、質(zhì)量測試和水下噪音性能測試.

但上述學(xué)者的研究均未闡明生產(chǎn)復(fù)合材料螺旋槳時(shí)的工藝流程以及成型槳葉的強(qiáng)度問題.現(xiàn)有的RTM技術(shù)在成型復(fù)合材料螺旋槳時(shí)也存在諸多問題，主要表現(xiàn)在由于槳葉幾何尺寸的復(fù)雜性，難以保證剪裁、鋪設(shè)纖維布的型線精度，進(jìn)而影響產(chǎn)品的尺寸型線；樹脂注入過程中，由于注射壓力較大，在高壓下改變原來的鋪層角度，影響成型槳葉的強(qiáng)度.為此，本文對不同成型工藝進(jìn)行比較，制訂了模具制備方案，針對上述問題進(jìn)一步完善了纖維剪裁和鋪層實(shí)施方案以及RTM工藝流程，制作了夾芯復(fù)合材料螺旋槳模型，并提出了工藝改進(jìn)方案，對成型槳葉進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn).

1 成型工藝

1.1 工藝的比較和選取

可用于復(fù)合材料成形的工藝較多，主要有手糊成型工藝、噴射成型工藝、模壓成型工藝和RTM成型技術(shù)等幾大類［9-10］.

不同成型工藝對增強(qiáng)纖維和樹脂類型的要求不同，其所能達(dá)到的結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定程度差異也較大，因此，需根據(jù)槳葉結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，選擇合適的成型工藝.手糊成型是復(fù)合材料工業(yè)最早使用的一種工藝方法，主要特點(diǎn)在于手工操作、開模成型、成型工藝中樹脂和增強(qiáng)纖維需完全暴露于操作者和環(huán)境中.采用手糊成型工藝加工夾芯復(fù)合材料螺旋槳模型，制作成本相對較低，但尺寸精度和穩(wěn)定性難以保證，特別是對復(fù)雜氣動(dòng)外型和具有夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料螺旋槳葉片來說，往往需粘接等第二次加工，粘接工藝需要粘接平臺或型架以確保粘接面的貼合，生產(chǎn)工藝會(huì)更加復(fù)雜和困難.對于噴射成型工藝，在成型制品時(shí)多采用短纖維，槳葉的強(qiáng)度和剛度無法保證，且不能根據(jù)需要調(diào)整纖維結(jié)構(gòu).槳葉纖維含量、均勻程度等很大程度上取決于操作工人的技術(shù)水平，可控性較差，而由于需要霧化和分散，原材料的損耗較大.模壓成型過程中預(yù)浸料的流動(dòng)、充模、固化反應(yīng)速度都與溫度有密切關(guān)系，由于大型薄壁、形狀復(fù)雜的復(fù)合材料螺旋槳制品溫度不易控制，溫度過高或過低都將嚴(yán)重影響成型槳葉的性能，且本文欲制作的螺旋槳模型尺寸較大，模壓成型模具設(shè)計(jì)與制造較為復(fù)雜，因此，所需成本較高，故不選取模壓成型工藝.RTM工藝的基本原理如圖1所示，工藝過程包括：①預(yù)成型坯的加工；②樹脂的注入和固化.由于這兩步可分開進(jìn)行，所以RTM工藝具有高度的靈活性和組合性，便于實(shí)現(xiàn)“材料設(shè)計(jì)”.RTM成型工藝技術(shù)是一種閉模成型技術(shù)，具有材料組分可精確控制、制件空隙率低、吸水率小、工藝過程簡單等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今發(fā)展先進(jìn)低成本制造復(fù)合材料工藝的一種優(yōu)選途徑［11-15］.國內(nèi)、外已有RTM工藝生產(chǎn)復(fù)合材料螺旋槳的實(shí)例，故本文復(fù)合材料螺旋槳采用RTM工藝.

圖1 RTM成型工藝流程圖

1.2 成型前準(zhǔn)備

1.2.1 原材料

復(fù)合材料螺旋槳槳葉半徑為475 mm，原材料廠家為中材科技股份有限公司，織物類型為Sw220高強(qiáng)玻璃纖維，主要材料參數(shù)為E11=E22= 18.22 GPa，E33=6 GPa，ν12=0.12，ν13=0.3，ν23= 0.3，G12=G13=6.75 GPa，G23=3 GPa.芯材采用H100泡沫，密度為100 kG/m3，耐壓強(qiáng)度2 MPa，拉伸強(qiáng)度3 MPa，厚12 mm、質(zhì)量79.2 g，為使樹脂能夠浸透泡沫，在泡沫上采用2 cm間隔、3 mm穿孔，基體樹脂采用430LV乙烯基酯樹脂、固化劑為LC低放熱型固化劑.

1.2.2 槳葉結(jié)構(gòu)形式及鋪層方式

為了減輕槳葉質(zhì)量、吸聲降噪、減少熱應(yīng)力變形、防止纖維布太厚導(dǎo)致的樹脂浸漬不佳等因素，提出采用具有夾芯結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料螺旋槳槳葉結(jié)構(gòu)形式.根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，纖維布采用±45°與0°正交纖維布混合鋪層，由葉面開始采用±45°鋪層，約3.2 mm厚，鋪設(shè)10層，0°纖維布約4.8 mm，共計(jì)15層，纖維布的鋪層方式為由表及里，采用對稱鋪層的方式.具體鋪布順序?yàn)楸砻鏆忠粚樱?55/015/C6｝s.

1.3 成型工藝流程

工藝流程如圖2所示，主要包括兩個(gè)部分：模具的制作和槳葉的成型.槳葉成型的主要步驟包括：噴涂膠衣、鋪布（包括泡沫芯材的放置）、合模、注料成型、后固化、脫模.

圖2 槳葉成型過程

1.3.1 模具的制作

由于制作的模具要滿足合模、注膠、開模等工藝環(huán)節(jié)的使用要求，因此，模具的設(shè)計(jì)與制造也是復(fù)合材料螺旋槳成型的關(guān)鍵.本文將制備的模具尺寸較大，采用金屬模具成本較高，故采用玻璃鋼模具.首先采用三維數(shù)控機(jī)加工鋁質(zhì)螺旋槳槳葉，進(jìn)而翻制上下玻璃鋼模具（下玻璃鋼模具如圖3所示）.結(jié)合螺旋槳模具的特點(diǎn)，預(yù)置進(jìn)料口A、排氣口B、C、D、E.樹脂注入時(shí)，由A注入到模腔，當(dāng)B、C、D、E的4個(gè)出料口均有樹脂流出且無氣泡時(shí)則表示樹脂已充滿整個(gè)模腔.特別指出的是模具在成型過程中常會(huì)由于溫度升高產(chǎn)生熱應(yīng)力造成模具變形，進(jìn)而對成品形狀產(chǎn)生影響，因此，上、下玻璃鋼模具都應(yīng)增加金屬加強(qiáng)鋼框架.

1.3.2 纖維布的剪裁

由于槳葉幾何尺寸的復(fù)雜性，常規(guī)的剪裁方法難以保證型線精度，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，本文在剪裁纖維布時(shí)首先在鋁制槳葉上分別繪制出4、5、7、9、11、13、15、18 mm厚度處等厚線，再按相應(yīng)等厚線的輪廓制好裁布樣板，進(jìn)而將裁布樣板置于纖維布下進(jìn)行纖維布的剪裁，裁布過程如圖4所示.

圖3 制備模具

1.3.3 噴涂膠衣

噴涂膠衣之前為方便脫模，模具上應(yīng)噴涂脫模劑，待脫模劑干透后進(jìn)行膠衣的噴涂.膠衣配方原則為膠衣凝膠時(shí)間應(yīng)大于噴涂時(shí)間，本次成型的產(chǎn)品調(diào)節(jié)凝膠時(shí)間為10～15 min較適宜.噴涂時(shí)，壓力控制在2～3 kg/cm2.為防止注射成型時(shí)樹脂從孔隙中被擠壓至膠衣與模具之間，導(dǎo)致膠衣串膠噴涂過程中應(yīng)注意邊角要反復(fù)噴涂，以確保各處膠衣都噴涂均勻覆蓋好.不需噴涂膠衣的位置應(yīng)使用覆蓋物覆蓋，待噴涂完膠衣后應(yīng)立即將覆蓋物撕掉，撕扯時(shí)應(yīng)向外撕，避免損壞膠衣層.

1.3.4 夾芯泡沫及纖維布的鋪放

待膠衣用手摸還能有少量粘黏物粘在手上，但膠衣基本己干固時(shí)，先鋪上一層表面氈再鋪布，為了方便以后脫模第一層布應(yīng)壓住排氣口.鋪布時(shí)按鋁制槳葉上各個(gè)等厚線輪廓裁剪纖維布的順序進(jìn)行鋪放，不同厚度處按2～3層纖維布過渡.具體鋪層順序詳見前述鋪層順序，鋪完下鋪層后，將修好線型的泡沫置于纖維上，根據(jù)連接鍵槽處定位，再按反序鋪好上鋪層纖維布.上模層最后3層纖維鋪敷于上模具中，各纖維層噴涂適量3M膠，并放置若干樹脂釘將鋪層進(jìn)行固定，以避免鋪層在樹脂注入時(shí)發(fā)生錯(cuò)動(dòng).布層鋪完后，用棉布蘸上脫模劑對四周進(jìn)行清潔，注意不可用丙酮擦洗，丙酮會(huì)破壞模具膠衣層，特別是要將密封帶纖維清理干凈，避免存在密封性不好等問題.

1.3.5 合模、注射成型

將布層鋪好后，合上模具上緊所有螺絲.合模時(shí)應(yīng)避免纖維布滑移，導(dǎo)致上、下模合模時(shí)產(chǎn)生夾縫.注射成型前應(yīng)先將鞘釘打好脫模蠟.進(jìn)行注射時(shí)，將固化劑對應(yīng)閥門打至90°（關(guān)回流），升壓至100 Psi，再將樹脂閥打至90°（關(guān)回流），調(diào)節(jié)壓力至20 Psi附近.此時(shí)應(yīng)注意注射第一槍可能混合不均勻，應(yīng)將其打在廢料缸中，然后噴出適宜量的料在薄膜中進(jìn)行模擬凝膠試驗(yàn)，最佳凝膠時(shí)間應(yīng)比注射時(shí)間延長10～20 min.注射過程中各排氣口在空氣排盡后，應(yīng)用鞘釘堵上，最后1～2個(gè)排氣口應(yīng)延長一定的排氣時(shí)間，保證將氣泡排盡.注射完成后應(yīng)打開槍中丙酮開關(guān)立即洗槍.完成整個(gè)注射過程后，應(yīng)將RTM成型注射機(jī)各閥都卸壓，包括丙酮缸中安全閥卸壓.開樹脂、固化劑回流閥，將管路中殘留樹脂、固化劑回流，用丙酮回流清洗和注射即可清洗樹脂回流管路與注射管路.待樹脂剛凝膠時(shí)應(yīng)將各進(jìn)出料口處殘留樹脂清理干凈，并拔出鞘釘，即成型完成.

1.3.6 初次成型槳葉

槳葉成型完成后，連同模具于常溫下放置15～20 min進(jìn)行固化，固化后在升溫70～90℃固化3～4 h，進(jìn)行后固化處理.后固化處理后將模具常溫下放置1～2 d即可脫模.由圖5可以看到，首次成型槳葉出現(xiàn)白斑、溢膠，局部有氣泡，根部出現(xiàn)樹脂聚集等問題.

圖5 初次成型槳葉

1.4 工藝改進(jìn)

分析初次成型槳葉出現(xiàn)的問題，根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)純纖維布制品成型厚度在4～6 mm可保證樹脂浸透良好，而本次復(fù)合材料槳葉表層玻璃鋼厚度均在8 mm或以上，成型件較厚，勢必會(huì)導(dǎo)致樹脂浸透不完全出現(xiàn)白斑.為防止制品制作時(shí)由于纖維布太厚造成樹脂浸透不完全，分別在葉背葉面8 mm纖維布厚處中間夾兩層夾芯氈，2層夾芯氈厚度約1 mm.由于加入夾心氈導(dǎo)致厚度增加，為使纖維布厚度不變，將芯材泡沫上下打磨1 mm.分析出現(xiàn)溢膠現(xiàn)象原因，認(rèn)為主要是由于使用密封圈進(jìn)行壓力保壓，保壓時(shí)間有限，固化劑固化時(shí)間太長導(dǎo)致有空氣滲透進(jìn)去，為防止出現(xiàn)溢膠，將第一次使用的LC低放熱固化劑加入5% 的M50固化劑，LC低放熱固化劑的固化時(shí)間在2 h左右，加入5%的M50固化劑后固化時(shí)間在1 h左右.初次成型槳葉葉面比葉背成型的好，幾乎無溢膠白斑現(xiàn)象，初次成型槳葉時(shí)上葉面用烤燈加熱，溫度升高使葉面樹脂浸透的較好.在第二個(gè)槳葉的成型制作時(shí)，應(yīng)將兩面都進(jìn)行烘烤.對根部出現(xiàn)樹脂聚集現(xiàn)象，分析產(chǎn)生的原因可能是合模時(shí)根部纖維布產(chǎn)生松動(dòng)收縮，導(dǎo)致根部缺少纖維產(chǎn)生樹脂聚集，下次合模時(shí)應(yīng)將根部纖維壓實(shí)，噴涂適量3M膠使纖維布粘接固定，合模時(shí)應(yīng)小心，防止纖維布產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng).將上述問題改進(jìn)后進(jìn)行復(fù)合材料槳葉的第二次成型制作.

由圖6可以看出，第二次成型的槳葉比先前成型的槳葉有很大改善，無明顯溢膠、白斑，樹脂浸透良好、表面平滑光順、無刮痕、裂縫、樹脂淤積、缺膠、分層等現(xiàn)象.

圖6 改進(jìn)后的槳葉

2 靜強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1 測點(diǎn)布置及加載方式

測點(diǎn)布置如圖7所示，其中葉根處布置1#、2#、3#、8#、9#的5處測點(diǎn)，在r/R=0.6半徑處的導(dǎo)邊和隨邊處布置了4#、7#、10#的3處測點(diǎn)，泡沫夾芯與纖維布交接處布置了5#、6#兩處測點(diǎn)，方向均沿槳葉的徑向.

夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料螺旋槳槳葉類似于懸臂梁結(jié)構(gòu)，在水動(dòng)壓力載荷的作用下葉根處產(chǎn)生較大應(yīng)力.因而依據(jù)槳葉對葉根處的應(yīng)力等效原則，通過有限元加載試算，將由面元法計(jì)算得到的設(shè)計(jì)工況下槳葉的水動(dòng)力載荷等效為7.5 kN的集中力載荷，集中力的加載位置選擇在葉面的r/R=0.75半徑處.同時(shí)，為了全面反應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將該半徑處的弦長等分為7份，并選取距導(dǎo)邊2/7、3/7和4/7處的3個(gè)位置作為加載點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)加載.

圖7 測點(diǎn)布置示意圖

試驗(yàn)地點(diǎn)為海軍工程大學(xué)結(jié)構(gòu)與材料試驗(yàn)室，試驗(yàn)設(shè)備為電子萬能試驗(yàn)機(jī)，加載方式為垂直加載，加載速度1 mm/s.試驗(yàn)實(shí)施過程如圖8所示.試驗(yàn)從1 kN開始加載，分8次逐次遞增加載到8 kN.加載過程中需要注意的是，試驗(yàn)開始時(shí)首先應(yīng)緩慢加載、卸載，以釋放槳葉內(nèi)部的殘余應(yīng)力.

圖8 試驗(yàn)實(shí)施過程

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

為了直觀地反應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖9～11分別給出了加載點(diǎn)1～3位置下強(qiáng)度試驗(yàn)所測各測點(diǎn)應(yīng)變曲線.

圖9 加載點(diǎn)1對應(yīng)的各測點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

圖10 加載點(diǎn)2對應(yīng)的各測點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

圖11 加載點(diǎn)3對應(yīng)的各測點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

由圖9～11可以看出，夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料螺旋槳在受靜載荷的作用下各測點(diǎn)處應(yīng)變的絕對值均隨著載荷的增加呈線性增長，當(dāng)最大載荷加載到8 kN時(shí)各測點(diǎn)應(yīng)變均在彈性范圍內(nèi)，槳葉也未發(fā)生破壞，充分驗(yàn)證了采用RTM工藝可有效保證夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料螺旋槳強(qiáng)度.

3 結(jié) 論

本文提出了一種具有夾芯結(jié)構(gòu)的新的復(fù)合材料螺旋槳槳葉的結(jié)構(gòu)形式，針對螺旋槳實(shí)際生產(chǎn)工藝中的難題提出了適用于復(fù)雜形狀制品纖維布的剪裁方法并提出噴涂3M膠、預(yù)置樹脂釘固定鋪層的方法，制訂了模具制備方案、RTM工藝流程，進(jìn)而根據(jù)初次成型槳葉進(jìn)行了工藝改進(jìn)，并對模型槳進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn).實(shí)驗(yàn)表明制作的螺旋槳模型滿足強(qiáng)度要求，驗(yàn)證了工藝的可行性.

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（編輯 呂雪梅）

Research on RTM molding process of composite propeller

YANG Wenzhi，ZHU Xi，CHEN Yue，PEI Qiuqiu

（Department of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

To study composite propeller molding process，we analyze the characteristics of different molding process and propose to the propeller modelby using RTM technology.Then，we develop programs for mold preparation，fiber cut and ply embodiment and RTM process.And we produced a propeller modeland then launched a strength test propeller models.The mechanical test results show that，there is a linear increase for the strain with the load increase and blade is not damaged when 8 kN load was exploited.The use of mold preparation program developed，especially for problem blade cut fiber cloth，plies of embodiment for complex type wire cloth cut and laminate for molding sandwich composite propeller model to meet the expected strength requirements to verify the feasibility of the process herein.

composite；propeller；RTM；molding process；strength

U668.3

A

1005-0299（2015）06-0087-06

10.11951/j.issn.1005-0299.20150616

2015-01-22.

國防“十二五”預(yù)研基金資助項(xiàng)目（40104050 30101）.

楊文志（1991—），男，碩士研究生；朱 錫（1961—），男，教授，博士生導(dǎo)師.

朱 錫，E-mail：zhuxi816@163.com.