一种三维编织复合材料海洋导管及其制备方法与流程

本发明涉及海洋船舶装备技术领域，具体涉及一种三维编织复合材料海洋导管及其制备方法。

背景技术：

随着资源的开发与国家发展，海洋环境越来越受到了社会各界的重视，其中海洋船舶在日常运行中需要导管螺旋桨的技术，导管作为船舶螺旋桨的附加装置，它不仅对螺旋桨前方来流进行规范的引导，同时对其内部的螺旋桨做到一定保护的作用。

现如今大部分导管多采用铜合金制成，不仅重量较大并且在船舶推进过程中常常伴随着较大的噪声，噪声的来源不仅来自于螺旋桨的噪音，圆管的噪音隔绝性能也是社会各界关注的主要问题。应用在军事上的海洋船舶，诸如潜水艇等军用海洋武器，导管螺旋桨产生的噪音常常是致命的，降噪结构的重要特性决定了在海洋船舶作战中的隐蔽特性。此外导管螺旋桨会在海洋领域产生一定的噪音，这会对海洋动物产生威胁，破坏生态环境。另外海洋船舶也常有减重的需求，常规海洋导管多采用铜合金进行制备，不仅耐腐蚀特性差，服役周期短，并且具备较大的质量，不符合当今要求的大续航、轻重量的技术要求。

由此开发一种三维编织复合材料海洋导管及其制备方法，采用三维编织预制件与耐水性树脂进行复合制造，三维编织的圆柱壳结构更加适用于螺旋桨的包裹，结构更加紧密，并且三维编织技术多用于航空、深海潜水器领域，以实现高强度、减重的特性。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种三维编织复合材料海洋导管及其制备方法，通过真空辅助技术或rtm工艺将三维立体编织结构预制件与耐水性树脂进行复合制造，并具有特殊设计的尾缘结构，可大大提升承载效率，降低结构重量，减少噪声，具有更长的服役周期。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种三维编织复合材料海洋导管，该海洋导管的尾缘设有一体成型的仿生凸起结构，所述海洋导管由碳纤维三维编织结构和树脂基体复合成型，所述仿生凸起结构包括沿圆周均匀排列的锯齿形凸起、圆弧形凸起，所述海洋导管通过连接箱体与船体进行连接，且内部安装螺旋桨叶片与螺旋桨轮毂。

进一步地，所述仿生凸起结构共有偶数个，其中锯齿形凸起、圆弧形凸起各占一半，且锯齿形凸起、圆弧形凸起沿圆周均匀间隔排列。

进一步地，所述碳纤维三维编织结构为2.5d编织结构、经向增强2.5d编织结构、纬向增强2.5d编织结构、法向增强2.5d编织结构、经纬双向增强2.5d编织结构中的一种或多种。

进一步地，所述海洋导管选用的碳纤维为强度大于3000mpa、模量大于2000gpa的碳纤维，包括t300碳纤维、t700碳纤维中的一种或多种。

进一步地，所述树脂基体及碳纤维三维编织结构的体积各占海洋导管的40～60％。

进一步地，所述海洋导管的表面涂覆阻尼层，可对噪声产生一定的隔绝作用。所述阻尼层的材料可选用沥青、软橡胶或高分子材料中的任意一种。

进一步地，所述树脂基体选用耐水性树脂，可以抵抗外部海水的腐蚀。

还有一种三维编织复合材料海洋导管的制备方法，包括以下步骤：

s1利用三维编织技术进行海洋导管预制件的一体化编织，所述海洋导管预制件的尾缘设有一体编织成型的仿生凸起结构(包括锯齿形和圆弧形凸起)，针对特殊的尾缘结构，采用三维编织技术结合加减纱工艺实现一体化编织，最终形成三维编织海洋导管预制件；

s2以疏水性树脂基体为原料，采用真空辅助成型工艺或树脂传递热塑成型工艺完成三维编织海洋导管预制件的树脂复合工艺，完成海洋导管的初步制备；

s3完成以上步骤后，在初步成型海洋导管的外层进行阻尼层的涂覆加工，完成三维编织复合材料海洋导管的制备。

进一步地，三维编织技术采用2.5d编织技术、经向增强2.5d编织技术、纬向增强2.5d编织技术、法向增强2.5d编织技术、经纬双向增强2.5d编织技术中的一种或多种。

进一步地，步骤s2中针对特殊的尾缘结构，采用特制的模具完成树脂传递模塑。

有益效果：本发明提供的一种三维编织复合材料海洋导管及其制备方法，相对于现有技术，具有以下优点：

(1)通过真空辅助技术或rtm工艺将三维立体编织结构预制件与耐水性树脂进行复合制造，在降低结构重量的情况下，有效提升水下承载和耐腐蚀性能，具有更长的服役周期、更优异的耐海水腐蚀特性。

(2)该海洋导管的尾缘采用仿生凹凸形结构设计，以及表面加涂阻尼层，不仅提高了导管的承载效率，并且大幅降低海洋导管螺旋桨产生的噪声与振动。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步描写和阐述。

图1为本发明优选实施例的整体结构示意图；

图2为本发明优选实施例的侧视图；

图3为本发明优选实施例的尾缘局部放大图；

附图中各部件的标记如下：1、导管本体；2、仿生凸起结构；3、螺旋桨叶片；4、螺旋桨轮毂；2-1、锯齿形凸起；2-2、圆弧形凸起。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的优选实施方式进行描述，以更加清楚、完整地阐述本发明的技术方案。

本发明通过真空辅助技术或树脂传递热塑技术使得热固性树脂基体在固化过程中与三维编织结构进行固化交联，最终在芯模上成型。三维编织的圆柱壳结构，更加适用于螺旋桨的包裹，结构更加紧密，并且三维编织技术多用于航空、深海潜水器领域以实现高强度、减重的特性。

导管尾缘的不同结构，包含锯齿形与圆弧形，主要的灵感来源于动物仿生技术的发展。无声飞行的能力是航空以及深海潜艇的运动中迫切需要解决的问题，其中猫头鹰的飞行数据采集表明了猫头鹰仿生的技术特征，飞行数据显示锯齿的轮廓，这就给海洋导管的尾缘设计提供了全新的思路，在导管的尾缘进行不同比例的锯齿设计，这能有效的抵抗噪声的产生。凹凸弧形的结构特征源于科学家们发现海洋中的座头鲸的胸鳍前缘凸起的结构给座头鲸提供了较大的升力，该结构有利于减少阻力的流向漩涡，从而实现减少阻力、提升升力的目的。这两种结构结合后，不仅提高了导管的承载效率，并且大幅降低产生的噪声，此外在导管树脂外层涂覆阻尼层，阻尼层的存在会对螺旋桨推动海水产生的声波进行吸收，这样的阻尼层设计也会对噪声产生一定的隔绝作用。

另外海洋环境的特点常常伴随着腐蚀效应，与别的部件不同，海洋导管作为海洋船舶关键部位，其材料特性的破坏在许多情境下是致命的。因此船舶的腐蚀特性需要我们对导管材料的选择做出一定的判断，对于由碳纤维与树脂经过真空辅助工艺固化成型的海洋导管，基体树脂的选择是整体构件抗腐蚀的关键，选用耐水树脂更加适用于这种海洋导管的运用。树脂微观具备的官能团不同，常常需要对其内部结构特性进行了解，选择含有较少吸水官能团的树脂，达到疏水的目的。

如图1-3所示为一种三维编织复合材料海洋导管的优选实施方式，所述海洋导管1的尾缘设有一体成型的仿生凸起结构2，所述海洋导管1由碳纤维三维编织结构和耐水性树脂基体通过真空辅助技术或rtm工艺复合成型。在实际使用中，海洋导管1通过连接箱体与船体进行连接，且内部安装螺旋桨叶片3与螺旋桨轮毂4。

进一步地，所述碳纤维三维编织结构为2.5d编织结构、经向增强2.5d编织结构、纬向增强2.5d编织结构、法向增强2.5d编织结构、经纬双向增强2.5d编织结构中的一种或多种。所述2.5d结构采用分层连接的方式将相邻纱线层进行接结，为层层角连锁的结构。

进一步地，所述海洋导管1选用的碳纤维为强度大于3000mpa、模量大于2000gpa的碳纤维，包括t300碳纤维、t700碳纤维中的一种或多种。所述海洋导管1中树脂基体与碳纤维编织层的体积各占40～60％。

本实施例中，所述海洋导管1从前缘到尾缘呈径向收缩结构，所述仿生凸起结构2采用锯齿形2-1与圆弧形凸起2-2相结合的方式，所述锯齿形2-1与圆弧形凸起2-2沿海洋导管1的尾缘呈周向均匀间隔排列，仿生凸起结构2共有偶数个，锯齿形与圆弧形各占一半。

进一步地，所述海洋导管1的表面涂覆阻尼层，可对噪声产生一定的隔绝作用。所述阻尼层材料为沥青、软橡胶或高分子材料中的任意一种，材料厚度为1-1.5mm。

上述优选实施方式中的三维编织复合材料海洋导管采用以下方法制备：

(1)根据三维编织海洋导管的图纸要求，利用三维编织技术对尾缘采用锯齿形和弧形凸起间隔排列的导管结构进行一体化编织，针对特殊的尾缘结构，采用加减纱的方式周期编织，最终形成三维编织海洋导管的预制件。

(2)以疏水性树脂基体为原料，采用真空辅助成型工艺或树脂传递热塑成型工艺完成三维立体编织结构预制件的树脂复合工艺，完成海洋导管的初步制备，其中针对特殊的尾缘设计工艺，采用特制的模具完成树脂传递模塑。

(3)完成以上步骤后，在初步成型海洋导管的外层进行阻尼涂层的加工，完成三维编织复合材料海洋导管的制备。

本发明通过真空辅助技术或rtm工艺将三维立体编织结构预制件与耐水性树脂进行复合制造，并进行尾缘结构的特殊设计，能够有效降低海洋导管螺旋桨产生的噪声与振动，大大提高承载效率，降低结构重量，提升水下承载和耐腐蚀性能，具有更长的服役周期、更优异的耐海水腐蚀特性。

下面将给出几个具体实施例进行详细说明。

实施例1

本实例以ka4-70型螺旋桨作为实施对象，实例中的海洋导管长度为100mm，直径从前缘到尾缘为300-200mm，编织厚度为10mm，纱线选用t700碳纤维，阻尼层厚度为1.2mm，热固性改性树脂选用的体积分数为40％。

具体制备步骤为：

根据海洋导管的图纸要求，利用三维编织技术对尾缘为锯齿形和凹凸弧形相间排列的导管结构进行一体化编织，采用经向增强2.5d编织结构进行编织，针对海洋导管的异形尾缘部分，采用三维编织中的加减纱实现，最终形成三维编织海洋导管的预制件。

以抗水环氧树脂作为基体原料，采用树脂传递热塑成型工艺完成三维立体编织预制件的树脂复合工艺，海洋导管在80℃固化八小时工艺下完成固化，树脂含量保持在40％。

继而在三维编织海洋导管的外层进行阻尼涂层的加工，厚度为1.5mm，最终完成三维编织海洋导管的制备。

所得三维编织海洋导管有效降低了海洋导管螺旋桨产生的噪声与振动，大大提升了承载效率，降低结构重量，减少噪声，具有更长的服役周期。相较于传统无涂层无锯齿尾缘的三维编织海洋导管，噪声降低30％，相较于传统合金海洋导管，强度提升20％，相较于传统合金三维编织海洋导管，重量减轻25％，耐腐蚀性能更加优良。

实施例2

本实例以ka470型螺旋桨，实例中的海洋导管的长度为200mm，内径从前缘到尾缘为400-200mm，编织厚度为15mm，纱线选用t700碳纤维，阻尼层厚度为1.2mm，热固性改性树脂选用的体积分数为60％。

具体制备步骤为

根据海洋导管的图纸要求，利用三维编织技术对尾缘为锯齿形和凹凸弧形相结合的导管结构进行一体化编织，采用经向增强2.5d编织结构进行编织，对海洋导管的异形尾缘部分，采用三维编织中的加减纱实现，最终形成三维编织海洋导管的预制件。

以抗水改性热固性环氧树脂作为基体原料，采用树脂传递热塑成型工艺完成三维立体编织预制件的树脂复合工艺，海洋导管在80℃固化八小时工艺下完成固化，树脂含量保持在60％。

在三维编织海洋导管的外层进行阻尼涂层的加工，厚度为1.5mm，最终完成三维编织海洋导管的制备。

所得三维编织海洋导管降低海洋导管螺旋桨产生的噪声与振动，大大提升了承载效率，降低结构重量，减少噪声，具有更长的服役周期。相较于传统无涂层无锯齿尾缘的三维编织海洋导管，噪声降低35％，相较于传统合金海洋导管，强度提升30％，相较于传统合金三维编织海洋导管，重量减轻30％，耐腐蚀性能更加优良。

上述具体实施方式仅仅对本发明的优选实施方式进行描述，而并非对本发明的保护范围进行限定。在不脱离本发明设计构思和精神范畴的前提下，本领域的普通技术人员根据本发明所提供的文字描述、附图对本发明的技术方案所作出的各种变形、替代和改进，均应属于本发明的保护范畴。