CN101338857A - 一体化碳纤维杆件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一体化碳纤维杆件的制备方法，包括以下步骤：步骤1.选取原材料；步骤2.对原材料中的金属材料进行加工；步骤3.对金属材料进行磷酸阳极化处理；步骤4.内芯胶结；步骤5.一体化杆件的缠绕；步骤6.固化；步骤7.后续处理：取出半成品，去除销钉，并对杆件表面进行打磨，保证表面光滑平整；按设计需要将接头暴露端机加工成预定的外形并进行无损检测合格后即可使用。通过上述方法，可以达到接头与管件同心的目的，保证碳纤维管件具有足够的破坏强度，并可保证在外界气压变化的情况下杆件内外压相同。使用本方法生产的一体化碳纤维杆件，具有轻质、高强、便于装配的优点，并且低温、低压特性好，适合平流层浮空器中桁架结构系统构建的需要。

Description

一体化碳纤维杆件的制备方法
一、技术领域：
本发明提供一种一体化碳纤维杆件的制备方法，属于空间桁架技术领域。
二、背景技术：
随着空天技术领域的进一步拓展，针对航空、航天结合部使用的平流层飞行器已成为各国研究的重点，在这类飞行器中尤以平流层浮空器最受关注。针对平流层浮空器的大型化(体积在上万立方米以上)，必须采用碳纤维桁架结构进行浮空器系统整体结构的维形和设备舱的固定。常规的桁架结构是由碳纤维杆件通过与金属接头套接后装配而成，或由碳纤维杆件与复合材料编织的空间接头套接后装配而成，套接过程中存在同心定位难以实现的问题，并且，通过套接工艺完成的桁架结构受力破坏时均是在接头处出现层间破坏(破坏力较小)。此外，若杆件内腔封闭，则平流层与地面的压力差将对碳纤维杆件的受力(内部的膨胀力)产生重要影响。为此，通过接头与碳纤维杆件的一体化成型技术，解决上述问题。
三、发明内容：
本发明的目的在于提供一种一体化碳纤维杆件的制备方法，以解决现有技术中碳纤维杆件与接头同心套接难以定位、桁架结构破坏力较小以及保持杆件内外压力平衡等问题。
本发明一种一体化碳纤维杆件的制备方法，其技术方案是：先将带沟槽的金属接头与异型薄壁金属管件进行装配，再利用异型薄壁金属管件作为内芯，并将销钉涂敷脱模蜡后固定于金属接头的沟槽内，通过缠绕的方法将金属接头与异型薄壁金属管件缠于碳纤维管内，固化后将销钉取出。通过上述方法，可以达到接头与管件同心的目的，保证碳纤维管件具有足够的破坏强度，并可保证在外界气压变化的情况下杆件内外压相同。
本发明一种一体化碳纤维杆件的制备方法，其具体步骤如下：
1.原材料(该原材料包括异型薄壁金属管件、销钉、金属棒料以及中温固化碳纤维丝预浸料)的采购与检验，保证所选材料质量合格。
2.金属材料的加工：根据设计尺寸截取异型薄壁金属管件，根据异型薄壁金属管件的形状对金属棒料进行机加工，保证所制作的金属接头与异型薄壁金属管件的配合长度不小于异型薄壁金属管件最大截面尺寸的1.0～1.5倍。
3.对步骤2中的金属材料进行磷酸阳极化处理。
4.内芯胶结：利用胶结的方式将金属接头与异型薄壁金属管件配合，并将配合好的芯头结合体放入烘箱中，烘箱温度设定在60～80℃，保温时间不低于1.5小时，以加速固化并提高胶结强度。
5.一体化杆件的缠绕：将涂敷脱模蜡的销钉固定于金属接头的沟槽内，将芯头结合体固定在碳纤维缠绕机上(需保证两端定位准确)进行中温固化碳纤维丝预浸料的缠绕(中温范围为120～150℃)，缠绕厚度根据设计要求具体确定。
6.固化：将缠绕后的半成品放入烘箱内，加热温度控制在120～150℃，加热时间不少于1小时。
7.后续处理：取出固化后的半成品，去除销钉，并对杆件表面进行适当的打磨，保证杆件表面光滑平整；根据设计需要将接头暴露端机加工成合适的外形；针对整个杆件进行无损检测，合格后即可投入使用。
其中，步骤1中异型薄壁金属管件、金属棒料的材料均为航空铝合金；步骤3中利用磷酸阳极化处理，可以保证金属件之间以及金属件与碳纤维材料间能很好的配合；步骤4中的胶结用胶为常温环氧树脂；步骤5中的中温固化碳纤维丝预浸料可以是T300-3K丝，也可以是T700-3K丝；此外，在进行步骤5时，必须保证缠绕的管件壁厚均匀；在进行步骤6时，温度应尽可能控制得低(所述“低”是指中温范围内的低，最好为120℃)，以减小固化过程中内芯与碳纤维间的相互作用力。
使用本发明中的制备方法生产的一体化碳纤维杆件具有轻质、高强、便于装配的优点，并且低温、低压特性良好，非常适合平流层浮空器中桁架结构系统构建的需要。
四、附图说明：
图1为本发明应用到某具体一体化碳纤维杆件中的结构示意图；
图2为该一体化碳纤维杆件制备方法的工艺流程图。
图中标号说明如下：
1.航空铝合金接头；2.销钉；3.内芯；4.碳纤维外套；
5.销钉孔；6.最终成品(需去除销钉)。
五、具体实施方式：
下面结合附图1、2，对本发明中的制备方法作进一步的说明：
本发明一种一体化碳纤维杆件的制备方法，其具体步骤如下：
1.原材料采购、检验：该原材料包括异型薄壁金属管件、销钉、金属棒料以及中温固化碳纤维丝预浸料，保证异型薄壁金属管件、金属棒料无内部和外部缺陷，保证中温固化碳纤维丝预浸料能耐低温(-60℃左右)、抗紫外、防辐射。
2.金属材料的加工：根据设计尺寸用直尺量取异型薄壁金属管件并用切割机截取，截取后的管件应去除毛边；根据异型薄壁金属管件的形状用机床对金属棒料进行机加工，保证所制作的金属接头与异型薄壁金属管件能很好的配合，且配合长度不小于异型薄壁金属管件最大截面尺寸的1.0倍。
3.对步骤2中的金属材料进行磷酸阳极化处理，具体实施步骤详见HB/Z197-91。
4.内芯胶结：利用常温环氧树脂将金属接头与异型薄壁金属管件胶结在一起，将胶结好的芯头结合体放入烘箱中，烘箱温度调至60℃，保温2小时后取出。
5.一体化杆件的缠绕：将涂敷脱模蜡的销钉固定于金属接头的沟槽内，将芯头结合体固定在碳纤维缠绕机上(需保证两端定位准确)进行中温固化碳纤维丝预浸料的缠绕，缠绕力及缠绕厚度根据设计要求具体确定。
6.固化：将缠绕后的半成品放入烘箱内，加热温度控制在120℃，加热时间为2小时。
7.去除销钉：取出固化后的半成品，将销钉去除，并用试剂擦拭沟槽，保证通气顺畅。
8.打磨：根据设计要求，利用磨床对一体化杆件的表面进行适当打磨。
9.接头机加工：根据具体的连接形式，利用机床对接头的暴露端进行及加工成型。
10.无损检测：利用超声波检测仪对上述成品进行无损检测，无外部、内部损伤的杆件即可投入使用。

Claims (7)

1、一种一体化碳纤维杆件的制备方法，其特征在于，包括下述几个步骤：
步骤1、选取原材料：其中选取的原材料包括异型薄壁金属管件、销钉、金属棒料以及中温固化碳纤维丝预浸料；
步骤2、对原材料中的金属材料进行加工：根据设计尺寸截取异型薄壁金属管件，根据异型薄壁金属管件的形状对金属棒料进行机加工，保证所制作的金属接头与异型薄壁金属管件的配合长度不小于异型薄壁金属管件最大截面尺寸的1.0～1.5倍；
步骤3、对步骤2中的金属材料进行磷酸阳极化处理；
步骤4、内芯胶结：利用胶结的方式将金属接头与异型薄壁金属管件配合，并将配合好的芯头结合体放入烘箱中，烘箱温度设定在60～80℃，保温时间不低于1.5小时；
步骤5、一体化杆件的缠绕：将涂敷脱模蜡的销钉固定于金属接头的沟槽内，将芯头结合体固定在碳纤维缠绕机上进行中温固化碳纤维丝预浸料的缠绕，缠绕厚度根据设计要求具体确定；
步骤6、固化：将缠绕后的半成品放入烘箱内，加热温度控制在120～150℃，加热时间不少于1小时；
步骤7、后续处理：取出固化后的半成品，去除销钉，并对杆件表面进行适当的打磨，保证杆件表面光滑平整；根据设计需要将接头暴露端机加工成预定的外形；针对整个杆件进行无损检测，合格后即可投入使用。
2、根据权利要求1所述的一体化碳纤维杆件的制备方法，其特征在于：步骤1中异型薄壁金属管件、金属棒料的材料均为航空铝合金。
3、根据权利要求1所述的一体化碳纤维杆件的制备方法，其特征在于：步骤4中的胶结用胶为常温环氧树脂。
4、根据权利要求1所述的一体化碳纤维杆件的制备方法，其特征在于：步骤5中的中温固化碳纤维丝预浸料是T300-3K丝或是T700-3K丝。
5、根据权利要求1所述的一体化碳纤维杆件的制备方法，其特征在于：在进行步骤5时，必须保证缠绕的管件壁厚均匀。
6、根据权利要求1所述的一体化碳纤维杆件的制备方法，其特征在于：在步骤5中所述的“中温”，其中温范围为120～150℃。
7、根据权利要求1所述的一体化碳纤维杆件的制备方法，其特征在于：在进行步骤6时，温度应尽可能控制在中温范围内的低，最好为120℃。
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Assignee: Beijing Nanjiang aerospace Polytron Technologies Inc

Assignor: Beihang University

Contract record no.: 2015990000805

Denomination of invention: Integral carbon fibre member bar preparation method

Granted publication date: 20110323

License type: Common License

Record date: 20150917

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