CN101491949B - 纤维增强复合材料拉挤薄壁型材成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纤维增强复合材料拉挤薄壁型材成型方法。本发明是在模具口安装导向机构，第一导向装置后端嵌入第二导向装置方孔中，型材腹板内层采用任意向铺层的纤维织物，外层的二层织物含有0°铺层，型材上下翼缘采用纤维织物或单向纤维，腹板内层从第一导向装置的中孔穿过，腹板上外层的二层分别从上、下边孔穿过；型材上下翼缘从第二导向装置两侧穿过；穿丝、浸胶、加热成型。本发明克服了现有技术中存在的型材纵向和横向抗剪的强度都不高及只能沿纵向单向排布的缺陷。本发明大幅度提高了纤维增强复合材料拉挤型材非主方向的强度，型材在拉挤生产线上一次固化成型，兼具优良的表观性能和高效的生产速率，而成本则未见明显提高。

Description

纤维增强复合材料拉挤薄壁型材成型方法

技术领域

本发明涉及一种薄壁型材成型方法，特别涉及一种纤维增强复合材料拉挤薄壁型材成型方法。

背景技术

拉挤工艺可以实现连续化和自动化的快速大规模生产。但传统的拉挤工艺只能使纤维沿流水线方向单向排布，型材纵向和横向抗剪的强度都不高。在承受横向弯曲荷载作用时，往往在荷载远远未达到其弯曲破坏临界荷载之前，其腹板就已发生剪切破坏，型材上下翼缘的拉压强度还有很大的富余量，纤维增强材料拉压强度高的优点得不到发挥，造成力学性能的很大浪费。理论和实践研究表明，采用多方向纤维排布可以提高纤维增强树脂基复合材料多向力学性能，对拉挤薄壁型材，腹板采用多向纤维织物作为增强材料能大大降低材料各向异性对其承载力的制约，但国内在传统的拉挤工艺中尚未实现。通过手糊在拉挤型材腹板表面粘贴纤维布的方法生产效率低下，而且产品力学性能离散性较大，表观性能不好；在拉挤过程中引入缠绕，即采用拉挤-缠绕成型工艺进行生产的方法受截面形式和产品用途限制较多，如工字形等开口式截面型材就无法采用此种工艺生产。而且这两种方法成本都较高。

发明内容

本发明的目的就在于克服上述缺陷，设计、研制一种新型复合材料板材及成型方法。

本发明的技术方案是：

纤维增强复合材料拉挤薄壁型材成型方法，其主要技术步骤在于：

(1)在模具口安装导向机构，导向机构由第一导向装置(1)、第二导向装置(2)构成，第一导向装置(1)的外表面有一个阶梯形过渡，后端比前端细，后端尺寸与第二导向装置(2)的方孔(6)的尺寸相同，正好嵌入在方孔(6)之中；

(2)型材腹板为内层和其两侧的外层，内层采用宽度与第一导向装置(1)的中孔(4)长度相等的任意向铺层的纤维织物，型材腹板两侧外层的纤维织物含有0°铺层、且0°铺层在外，与模具内壁接触，织物宽度与第一导向装置(1)的边孔(3)长度相等，型材上下翼缘采用纤维织物或单向纤维；

(3)腹板内层从第一导向装置(1)的中孔(4)穿过，外层分别从第一导向装置(1)的上、下边孔(3)穿过；

(4)型材上下翼缘的单向纤维从第二导向装置(2)的方孔(6)左右两侧的4个孔(5)中穿过，纤维织物从第二导向装置(2)的两侧穿过；

(5)型材纤维织物或单向纤维进入导向滑口之前浸胶，穿过导向机构后从工字形梁模具的相应位置穿过，最后加热成型。

本发明的优点和效果在于立足于解决传统拉挤工艺中纤维只能沿纵向单向排布的问题，较大幅度地提高了纤维增强复合材料拉挤型材非主方向的强度；型材在拉挤生产线上一次固化成型，兼具优良的表观性能和高效的生产速率，而成本则未见明显提高。所生产的型材可以用于土木工程和市政工程之中。

本发明的其他优点和效果将在下面继续描述。

附图说明

图1——本发明第一导向装置结构原理示意图。

图2——图1的左视图示意图。

图3——本发明第二导向装置结构原理示意图。

图4——本发明的拉挤型材结构示意图。

具体实施方式

根据所需型材力学性能对型材结构进行设计，选择材料，确定型材上各种铺层的厚度。型材采用纤维织物，型材上下翼缘选用纤维织物或单向纤维。

型材所采用的纤维增强材料是以树脂为基体的纤维增强材料。其中基体树脂材料为热固性树脂或热塑性树脂。纤维选自碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维、硼纤维、金属纤维中的一种或几种，或其它单一纤维或混杂纤维。

生产设备为普通拉挤生产线和相应的生产薄壁型材专用模具，如工字形、箱形模具等，图1中省略未画出。

在模具口加装一个导向机构，导向机构安装在模具入口前方。导向机构由第一导向装置1和第二导向装置2组成，第一导向装置1见图1、图2，第二导向装置2见图3。如图2和图3所示，第一导向装置1的外表面有一个阶梯形过渡，后端比前端细，后端尺寸与第二导向装置2的方孔6的尺寸相同，正好嵌入在方孔6之中。螺栓通过螺栓孔将第一导向装置1和第二导向装置2构成的导向机构固定在模具架上，导向机构与模具之间的距离可以调整。安装完毕，导向机构的中心与模具轴线位于同一轴线上。

进行穿丝。型材的增强材料采用纤维织物。最外面的两层织物含有0°铺层，并且其0°铺层应在外侧，与模具壁相接触。内层采用任意向铺层的纤维织物。型材上下翼缘的增强材料采用纤维织物或单向纤维。型材两侧外层纤维织物的宽度与图1中第一导向装置1的边孔3的长度(含折边长度)相等，型材内层纤维织物宽度与第一导向装置1中的中孔4长度相等。穿丝时，型材两侧外层纤维织物分别从边孔3中穿过，保证纤维织物中的0°铺层在外，与模具内壁相接触；型材内层纤维织物从中孔4中穿过。型材上下翼缘的单向纤维从孔5中穿过，型材上下翼缘的纤维织物从第二导向装置2两侧经过。型材纤维或纤维织物等增强材料穿过导向机构后再从工字形梁模具的相应位置穿过，然后连接到牵引机(图中省略未画)上。后续增强材料在进入导向滑口之前要经过浸胶槽浸润树脂。

按拉挤工艺生产流程，设定模具温度，启动机器，按照复合材料拉挤生产工艺进行，待生产过程稳定之后生产出的型材性能良好，可以使用。

实施例：

选用某间苯树脂；选用规格为4800tex的E型纤维无捻粗纱；选用E-DBL600-10和E-DB450-5两种型号的缝编毡。E-DB450-5为+45°/-45°铺层，克重450g/m²；E-DBL600-10为0°/+45°/-45°铺层，克重600g/m²。

采用E-DBL600-10缝编毡和E-DB450-5缝编毡分别作为型材腹板的外层和内层，型材上下翼缘采用无捻粗纱，确定薄壁型材翼缘上无捻粗纱的根数和内、外层上缝编毡的层数。2层E-DBL600-10缝编毡在分别在腹板两侧外层，其0°层向外；E-DB450-5缝编毡在腹板内层。外层E-DBL600-10缝编毡宽度与第一导向装置1边孔3的长度(含折边长度)相等，内层E-DB450-5与第一导向装置1的中孔4长度相等。

准备拉挤生产线，将第一导向装置1和第二导向装置2构成的导向装置固定在模具入口前端。

穿丝时，型材的外层(即E-DBL600-10缝编毡)分别从第一导向装置1的边孔3(上下二个边孔)中穿过，型材的内层E-DB450-5缝编毡从第一导向装置1的中孔4中穿过。增强上下翼缘的无捻粗纱从第二导向装置2的孔5中穿过。在丝架和模具之间设浸胶槽，增强材料通过浸胶槽。

启动设备，用加热模具等方式在拉挤生产线上一次完成产品的成型，连续生产。

生产得到的型材横截面尺寸和结构如图4所示。其中，外层为各1层的E-DBL600-10缝编毡8，内层为10层E-DB450-5缝编毡9，型材上下翼缘为各20根的无捻粗纱10。经测试，当纤维含量和其它所有生产条件相同时，完全使用单向纤维增强的型材的腹板剪切破坏极限应力为41MPa，而本发明的型材的腹板剪切破坏极限应力为107MPa。

Claims (1)

1.纤维增强复合材料拉挤薄壁型材成型方法，其步骤包括：

(1)在模具口安装导向机构，导向机构由第一导向装置(1)、第二导向装置(2)构成，第一导向装置(1)的外表面有一个阶梯形过渡，后端比前端细，后端尺寸与第二导向装置(2)的方孔(6)的尺寸相同，正好嵌入在方孔(6)之中；

(2)型材腹板为内层和其两侧的外层，内层采用宽度与第一导向装置(1)的中孔(4)长度相等的任意向铺层的纤维织物，型材腹板两侧外层的纤维织物含有0°铺层、且0°铺层在外，与模具内壁接触，织物宽度与第一导向装置(1)的边孔(3)长度相等，型材上下翼缘采用纤维织物或单向纤维；

(3)腹板内层从第一导向装置(1)的中孔(4)穿过，外层分别从第一导向装置(1)的上、下边孔(3)穿过；

(4)型材上下翼缘的单向纤维从第二导向装置(2)的方孔(6)左右两侧的4个孔(5)中穿过，纤维织物从第二导向装置(2)的两侧穿过；

(5)型材纤维织物或单向纤维进入导向滑口之前浸胶，穿过导向机构后从工字形梁模具的相应位置穿过，最后加热成型。

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