高模量碳纖維承力件加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高模量碳纖維承力件加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展的過程中，新材料和新工藝的出現(xiàn)總是能夠推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的在進(jìn)步。例如，本世紀(jì)60年代美國設(shè)計(jì)師在研制北極星(Poloris) A3導(dǎo)彈時(shí)大膽采用了纖維浸漬熱固性樹脂復(fù)合材料纏繞發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的新工藝，以取代合金鋼的切削成型工藝，使該部件減重達(dá)45%，導(dǎo)彈射程由1600km增至4000km，增程150 %。整個(gè)制造工藝也得以簡化，使生產(chǎn)周期縮短1/3，成本降低為原來鈦合金的1/10。它的成功震動(dòng)了導(dǎo)彈界和材料界，這是首次采用復(fù)合材料作為主承載力結(jié)構(gòu)材料，因而被列入航空航天工程史冊，纏繞工藝的創(chuàng)舉成功也作為新材料、新工藝的里程碑載入了近代復(fù)合材料發(fā)展史。
[0003]復(fù)合材料使用適當(dāng)?shù)姆椒▽煞N或兩種以上不同性質(zhì)的材料組合在一起而構(gòu)成的一種新型材料。這種材料能夠克服單一材料的缺點(diǎn)，改進(jìn)單一材料的性能，并通過各個(gè)組成材料在性能上的互相協(xié)同作用，可得到單一材料所無法比擬的優(yōu)越的綜合性能。比如:典型的輕量特性、卓越的比強(qiáng)度、比模量、獨(dú)特的耐燒蝕和隱蔽性、良好的化學(xué)/物理穩(wěn)定性(耐酸、耐堿、阻燃等)、減震、防磁、材料性能的可設(shè)計(jì)性、制備的靈活性和易加工性等。所以復(fù)合材料被廣泛的應(yīng)用于航空航天、兵器等高科技領(lǐng)域，并逐漸向民用工業(yè)擴(kuò)展。然而，復(fù)合材料的發(fā)展還必須依賴于機(jī)械制造業(yè)為其提供先進(jìn)的工藝設(shè)備。就目前來說，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備已不能滿足新材料、新工藝的發(fā)展要求，因此研制適合復(fù)合材料生產(chǎn)的先進(jìn)、高性能數(shù)控布帶纏繞機(jī)和作為其必備輔助裝置的精密張力控制系統(tǒng)是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要。
[0004]碳纖維研制和應(yīng)用可以追溯到1850年的碳素?zé)艚z，此后的研究應(yīng)用一直處于停滯狀態(tài)，到上世紀(jì)五十年代隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和軍事工業(yè)的要求，碳纖維的研制和生產(chǎn)，相繼解決了原絲的選擇和高溫碳化的工業(yè)生產(chǎn)工藝，使碳纖維應(yīng)用才進(jìn)入到一個(gè)新階段。二十世紀(jì)60年代，為解決近海地區(qū)和氣候寒冷地區(qū)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)遭受鹽蝕危害的問題，美生產(chǎn)出一種GFRP加筋混凝土。此外，在一些海堤、工業(yè)廠房屋面板、處于侵蝕性環(huán)境的混凝土樓板等，CFRP產(chǎn)品越來越得到廣泛的應(yīng)用。在攪拌混凝上的同時(shí)加入短的碳纖維可以很好地改善混凝土的性能.根據(jù)其結(jié)構(gòu)形狀在體外預(yù)應(yīng)力法、片材加固法甚至隔震、消震法中都可得到很好的應(yīng)用。近年來國內(nèi)不少高等院校、科研部門、和各大設(shè)計(jì)院都參與到對碳纖維的應(yīng)用和研究，目前國家還沒有頒布正式的設(shè)計(jì)和施工規(guī)范.在建設(shè)部確定的研究項(xiàng)目中，已包括有“纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)用于城市橋梁的加固與修補(bǔ)研究”、“碳纖維材料加固混凝土結(jié)構(gòu)新技術(shù)”等課題，碳纖維的應(yīng)用研究已得到圍家的重視。
[0005]碳纖維又稱增強(qiáng)復(fù)合材料CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer)，是由含碳量較高、在熱處理過程中不熔融的人造化學(xué)纖維，經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的，其含碳量般在90 %以上。根據(jù)原料、制造方法的不同，碳纖維分為PAN (聚丙烯腈)基碳纖維和瀝青基碳纖維兩大類。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等，但與‘般的碳素材料不同的是，它的外形有顯著的各相異性，沿纖維軸向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。同時(shí)碳纖維比重小，有很高的比強(qiáng)度，與鋼材相比，重量減輕3/4，而強(qiáng)度提高2倍。由碳纖維和環(huán)氧樹脂結(jié)合而制成的復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)利料中是最高的。在強(qiáng)度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，在要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高的場合，碳纖維復(fù)合材判都頗具優(yōu)勢。又由于碳纖維材料刪酸、蒯鹽堿、耐老化、耐高溫、耐低溫等，碳纖維材料粘貼在表面后對原結(jié)構(gòu)具有良好的保護(hù)作用。
[0006]在國防及航空領(lǐng)域以碳纖維最大需求國美國為例，美固從總統(tǒng)到部長，再到軍界領(lǐng)導(dǎo)，都立足于新技術(shù)、技術(shù)進(jìn)步、適應(yīng)能力、轉(zhuǎn)變技術(shù)創(chuàng)新概念等等戰(zhàn)爭中的作用，而新武器裝備的研制小型化、輕質(zhì)化、高強(qiáng)度、長壽命、機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性，都離不外碳纖維的應(yīng)用。碳纖維在國防工業(yè)有舉足輕重的影響。國防部軍品中，空軍是碳纖維的主要用戶，根據(jù)2002至2005總的統(tǒng)汁，空軍對碳纖維的需求占國防部對總碳纖維需求54.8%;海軍則占29.1%；陸軍占13.6%;多兵種占2.5%。這立足于在當(dāng)前的軍備競賽中處于領(lǐng)先水平，必須提高軍機(jī)的靈活性、隱蔽性、高速性、節(jié)能性，而碳纖維材料又是最好的選擇，因此新型軍機(jī)勢將繼續(xù)提高CFRP需求量。
[0007]在航空領(lǐng)域，目前世界航空界特別是歐美的飛機(jī)制造公司都十分關(guān)注近無年來頻繁發(fā)生額空難事件，尤其是臺灣省華航波音E機(jī)的失事事件，已判明是由于飛機(jī)余屬材料的疲勞老化所致，為此歐洲空中客車將率先于2006年推出可容納500至800人的新一代民航機(jī)，每架飛機(jī)的碳纖維用量高達(dá)40 II，L，比目前的飛機(jī)高出近10倍，不僅用于飛機(jī)的一次和二次結(jié)構(gòu)材料，而且用丁:地板梁和自動(dòng)扶梯上，以確保飛機(jī)的安全性、可靠性和節(jié)能，這是因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料具有優(yōu)良的抗老化壽命、抗沖擊性、阻燃性、輕量性和震動(dòng)阻尼特性。
[0008]在建筑、能源等一般產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域碳纖維在土木建筑方面的應(yīng)用已成為土木工程界補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的一種新的趨勢。由于碳纖維單束的運(yùn)輸便利、施工方便，以及對結(jié)構(gòu)形狀的適應(yīng)性較好等優(yōu)點(diǎn)，因此合理使用碳纖維單束貼于混凝士表面，使它與原結(jié)構(gòu)中的鋼筋協(xié)同受力，就以提高結(jié)構(gòu)的承載能力。在能源和貯能方面，像風(fēng)力發(fā)電葉片輪、電池以及油氣開采、壓力容器等方面同樣是碳纖維的另一大用途所在。例如，和石油管道以及汽車用天然氣瓶就是以PAN基碳纖維或其于玻璃纖維混雜纏繞為豐制成的?，F(xiàn)東京等大城市的公共汽車都已采用了 CFRP瓶。
[0009]從材料性能來看，CFRP具有以下特點(diǎn):
[0010]I)強(qiáng)度高。如彈性模量與鋼材相當(dāng)?shù)母邚?qiáng)度碳纖維，其抗拉強(qiáng)度比鋼材的大10倍。
[0011](2)彈性模量高。如高彈性模型碳纖維的彈性模量比鋼筋大1.8?2.6倍。
[0012](3)質(zhì)量輕。其密度一般是鋼材的1/5。
[0013](4)抗腐蝕能力強(qiáng)。堿纖維不產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕、且在氯離子、碳酸和燒堿等物質(zhì)作用下強(qiáng)度降低很小。
[0014](5)耐疲勞性能好。一般金屬的疲勞強(qiáng)度為其拉伸強(qiáng)度的40札50%，而CFRP的疲勞強(qiáng)度為其拉伸強(qiáng)度的70%?80%。
[0015](6)無電磁感應(yīng)。如芳綸纖維和玻璃纖維電阻大，可用在有絕緣要求的地方；碳纖維無磁性，可用在有磁共振設(shè)備的場合，以排除干擾。
[0016](7)減振性能好。CFRP自振頻率高，可避免早期共振，同時(shí)其內(nèi)阻(內(nèi)部摩擦)也很大，一旦受激振動(dòng)，可迅速衰減。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明的目的在于提出一種高模量碳纖維承力件加工方法。
[0018]為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0019]一種高模量碳纖維承力件加工方法，高模量碳纖維承力件主體至少由三層高模量碳纖維組成，根據(jù)模具和工藝的要求，碳纖維的纏繞方式為直線或螺旋線，纏繞角度為O度、25度、90度和155度，并且兩層碳纖維之間的纏繞角度各不相同，模具的橫截面為方形、圓柱和圓錐形，模具的半徑為20mm—2000mm，模具的長度為Im—4m，與現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)或招合金結(jié)構(gòu)相比，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點(diǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0020]實(shí)施例1
[0021]一種高模量碳纖維承力件加工方法，模具的橫截面為正方形，邊長50mm，長度
2.5m，包括四層高模量碳纖維層，所述的碳纖維層由內(nèi)向外層層包覆，其中最內(nèi)層的第一層碳纖維層的碳絲走向?yàn)樗椒较?，第一層碳纖維層外層相鄰的第二層碳纖維層的碳絲走向?yàn)?5度方向，第二層碳纖維層外層相鄰的第三層碳纖維層的碳絲走向?yàn)榇怪狈较?，第三層碳纖維層外層相鄰的第四層碳纖維層的碳絲走向?yàn)?55度方向。
[0022]實(shí)施例2
[0023]一種高模量碳纖維承力件加工方法，模具的橫截面為圓形，半徑900mm，長度4m，包括五層高模量碳纖維層，所述的碳纖維層由內(nèi)向外層層包覆，其中最內(nèi)層的第一層碳纖維層的碳絲走向?yàn)樗椒较?，第一層碳纖維層外層相鄰的第二層碳纖維層的碳絲走向?yàn)?0度方向，第二層碳纖維層外層相鄰的第三層碳纖維層的碳絲走向?yàn)?5度方向，第三層碳纖維層外層相鄰的第四層碳纖維層的碳絲走向?yàn)?55度方向，第四層碳纖維層外層相鄰的第五層碳纖維層的碳絲走向?yàn)?0度方向。
[0024]實(shí)施例3
[0025]一種高模量碳纖維承力件加工方法，模具的橫截面為錐形，底面半徑1000mm，長度3m，錐度10度，包括五層高模量碳纖維層，所述的碳纖維層由內(nèi)向外層層包覆，其中最內(nèi)層的第一層碳纖維層的碳絲走向?yàn)樗椒较?，第一層碳纖維層外層相鄰的第二層碳纖維層的碳絲走向?yàn)?5度方向，第二層碳纖維層外層相鄰的第三層碳纖維層的碳絲走向?yàn)?0度方向，第三層碳纖維層外層相鄰的第四層碳纖維層的碳絲走向?yàn)?55度方向，第四層碳纖維層外層相鄰的第五層碳纖維層的碳絲走向?yàn)?0度方向。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高模量碳纖維承力件加工方法，其特征在于用高模量碳纖維采用纏繞或手鋪工藝，碳纖維由內(nèi)向外依次纏繞成型，承力件主體至少由三層高模量碳纖維組成，根據(jù)模具和工藝的要求，碳纖維的纏繞方式為直線或螺旋線，纏繞角度為O度、25度、90度和155度，并且兩層碳纖維之間的纏繞角度各不相同，模具的橫截面為方形、圓柱和圓錐形，模具的半徑為20mm—2000mm，模具的長度為Im—4m。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，圓柱形模具的外表面設(shè)置平鍵鍵槽，用于緊固連接。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高模量碳纖維承力件加工方法，承力件主體至少由三層高模量碳纖維組成，根據(jù)模具和工藝的要求，碳纖維的纏繞方式為直線或螺旋線，纏繞角度為0度、25度、90度和155度，并且兩層碳纖維之間的纏繞角度各不相同，模具的橫截面為方形、圓柱和圓錐形，模具的半徑為20mm-2000mm，模具的長度為1m-4m，與現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)或鋁合金結(jié)構(gòu)相比，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點(diǎn)。
【IPC分類】B29C70/10, B29C53/56
【公開號】CN105216339
【申請?zhí)枴緾N201510659231
【發(fā)明人】唐靖嵐
【申請人】無錫清楊機(jī)械制造有限公司
【公開日】2016年1月6日
【申請日】2015年10月12日