CN101497243A - 碳纤维复合材料桅杆的制造方法 - Google Patents
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Abstract
碳纤维复合材料桅杆的制造方法，它涉及一种桅杆的制造方法。本发明为解决现有金属桅杆的质量大、强度低、稳定性不好，限制了船的快速航行的问题。实现本发明的步骤：一、设计制备芯模；二、将干燥的碳纤维浸渍于树脂混合液中得到碳纤维复合材料；三、将碳纤维复合材料在芯模上逐层缠绕；四、加热固化；五、拆除芯模后即得到碳纤维复合材料桅杆的毛料，去除毛料两端的加工长度，去除毛刺，即得到碳纤维复合材料桅杆。由于本发明的桅杆是采用碳纤维复合材料制成的，使得本发明的桅杆的重量比金属桅杆的重量减轻43.4％，又由于碳纤维复合材料是层层交叉缠绕，因此提高了碳纤维复合材料桅杆的强度，增加了帆船的稳定性，使得帆船能够快速航行。
Description
技术领域
本发明涉及一种桅杆的制造方法。
背景技术
帆船桅杆作为帆船上的重要部件，是推进帆船航行的重要装置。此外，还可用它装信号灯、挂旗帜、架电报天线、支撑吊货杆、吊装和卸运货物等。传统的桅杆采用金属材料，它的缺点是密度大、强度刚度不够，在大风力作用下稳定性不好，不利于其航行控制，限制了船的快速航行，且金属结构帆船桅杆质量大，除了其本身增加了帆船的负重外，桅杆的增重又使得桅杆和快艇的重心上升，从而需要更多的压舱物，这样又额外增加了船的龙骨重量，使得船体不易于平衡。复合材料工业从它一开始起就与船艇工业结下不解之缘，从研制复合材料船艇到其配件，但复合材料桅杆在国内外还没有研制。
发明内容
本发明的目的是为解决现有金属桅杆的质量大、强度低、稳定性不好，限制了船的快速航行的问题，提供一种碳纤维复合材料桅杆的制造方法。
本发明的碳纤维复合材料桅杆的制造方法的步骤如下：步骤一、按桅杆的横截面形状设计芯模，芯模长度为4～12米；步骤二、将碳纤维在80～100℃条件下干燥5.5～6.5小时，再将经干燥处理的碳纤维浸渍于树脂混合液中20～30秒，得到浸渍碳纤维，树脂混合液占浸渍碳纤维总质量的17％～25％；步骤三、将芯模装在缠绕机上，将步骤二制得的浸渍碳纤维在芯模上逐层缠绕，第一层顺着芯模的轴向缠绕，其缠绕角度为0°，第二层在第一层基础上往返缠绕，第一层与第二层的缠绕厚度之和为1.25毫米；第三层与第一层缠绕方向成45°角，第四层在第三层基础上往返缠绕，第三层与第四层的缠绕厚度之和为1.25毫米；第五层与第一层缠绕方向相同，第六层在第五层基础上往返缠绕，第五层与第六层的缠绕厚度之和为1.25毫米；第七层与第三层缠绕方向相同，第八层在第七层基础上往返缠绕，第七层与第八层的缠绕厚度之和为1.25毫米；第九层与第一层缠绕方向成90°角，第十层在第九层基础上往返缠绕，第九层与第十层的缠绕厚度之和为0.5毫米，每层均依次缠绕制成碳纤维复合材料体；步骤四、将步骤三制成的碳纤维复合材料体放在固化炉中加热固化；步骤五、拆除芯模后即得到碳纤维复合材料桅杆的毛料，去除毛料两端的加工长度，去除毛刺，即得到碳纤维复合材料桅杆。
本发明的有益效果是：由于本发明的桅杆是采用碳纤维复合材料制成的，使得本发明的桅杆的重量比金属桅杆的重量减轻43.4％，又由于碳纤维复合材料是层层交叉缠绕，因此提高了碳纤维复合材料桅杆的强度，增加了帆船的稳定性，使得帆船能够快速航行。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式中碳纤维复合材料桅杆的制造方法是通过以下步骤实现的：步骤一、按桅杆的横截面形状设计芯模，芯模长度为4～12米；步骤二、将碳纤维在80～100℃条件下干燥5.5～6.5小时，为去除纤维的潮气，再将经干燥处理的碳纤维浸渍于树脂混合液中20～30秒，得到浸渍碳纤维，树脂混合液占浸渍碳纤维总质量的17％～25％；步骤三、将芯模装在缠绕机上，将步骤二制得的浸渍碳纤维在芯模上逐层缠绕，第一层顺着芯模的轴向缠绕，其缠绕角度为0°，第二层在第一层基础上往返缠绕，第一层与第二层的缠绕厚度之和为1.25毫米；第三层与第一层缠绕方向成45°角，第四层在第三层基础上往返缠绕，第三层与第四层的缠绕厚度之和为1.25毫米；第五层与第一层缠绕方向相同，第六层在第五层基础上往返缠绕，第五层与第六层的缠绕厚度之和为1.25毫米；第七层与第三层缠绕方向相同，第八层在第七层基础上往返缠绕，第七层与第八层的缠绕厚度之和为1.25毫米；第九层与第一层缠绕方向成90°角，第十层在第九层基础上往返缠绕，第九层与第十层的缠绕厚度之和为0.5毫米，每层均依次缠绕制成碳纤维复合材料体，缠绕后的截面厚度为5.5毫米；步骤四、将步骤三制成的碳纤维复合材料体放在固化炉中加热固化；其目的是使溶剂充分挥发，以保证固化物的性能，从而提高了单纯使用环氧树脂制品的耐热性、耐湿性及耐化学性等综合性能；步骤五、拆除芯模后即得到碳纤维复合材料桅杆的毛料，去除毛料两端的加工长度，去除毛刺，即得到碳纤维复合材料桅杆。碳纤维复合材料强度高、刚度大，且具有可设计性、抗疲劳性能好等许多优点，碳纤维复合材料桅杆与金属材料桅杆相比，重量减轻了43.4％，减重又使得帆船的重心下降，重心下降就不需要更多的压舱物，这样减少了船体的重量，同时船的龙骨重量也减轻，使得船体稳定性更好，这样有利于提高桅杆的各项力学性能、改善航行性能；因此高性能碳纤维复合材料桅杆有着广阔的应用前景和市场前景。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于：步骤一中芯模的材质为玻璃钢。这种材质的芯模可以反复利用且刚度高。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于：步骤二中所述的树脂混合液是由环氧树脂与间苯二胺的乙醇溶液按100：21.7的质量比配制，树脂混合液的粘度控制在0.35～1.0Pa·s范围内，其中所述间苯二胺的乙醇溶液由乙醇和间苯二胺按1：1的质量比配制，步骤四中加热固化分三个阶段进行：首先在40-50℃条件下固化3小时，然后在80℃条件下固化2小时，最后在120℃条件下固化2小时。树脂混合液粘度控制在0.35～1.0Pa·s范围内能够使碳纤维浸透胶液。这样配制避免固化过程中产生大量气孔，从而影响固化物的性能。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于：步骤二中所述的树脂混合液是将环氧树脂与氰酸酯树脂按4～7/3：1的质量比溶于间苯二胺的二氯甲烷溶液中配制而成，树脂混合液的粘度控制在0.35～1.0Pa·s范围内，所述的间苯二胺的二氯甲烷溶液由二氯甲烷和间苯二胺按1：1的质量比配制，步骤四中加热固化分两个阶段进行：首先在120℃条件下固化2小时，然后在180℃条件下固化2小时。环氧树脂与氰酸酯树脂按4～7/3：1的质量比配制能提高单纯使用环氧树脂制品的耐热性、耐湿性及耐化学性等综合性能，同时又降低了成本。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于：步骤二中所述的树脂混合液是将环氧树脂与氰酸酯树脂按4～7/3：1的质量比溶于间苯二胺的1，2-二氯乙烷溶液中配制而成，树脂混合液的粘度控制在0.35～1.0Pa·s范围内，所述的间苯二胺的1，2-二氯乙烷溶液由1，2-二氯乙烷和间苯二胺按1：1的质量比配制，步骤四中加热固化分两个阶段进行：首先在120℃条件下固化2小时，然后在180℃条件下固化2小时。环氧树脂与氰酸酯树脂按4～7/3：1的质量比配制能提高单纯使用环氧树脂制品的耐热性、耐湿性及耐化学性等综合性能，同时又降低了成本。间苯二胺的1，2-二氯乙烷溶液由1，2-二氯乙烷和间苯二胺按1：1的质量比配制避免固化过程中产生大量气孔，从而影响固化物的性能。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于：步骤二中的干燥温度为90℃，干燥时间为6小时。上述数值干燥温度和干燥时间使得混合后碳纤维复合材料烘干效果最佳。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于：步骤四中的每层缠绕速度不超过0.9m/s，缠绕张力每两层递减一次，缠绕张力递减数值每次为10～20N。这样设计为使内外各层纤维在缠绕完毕后所受的实际张力相同，以期在桅杆承载时内外层纤维能同时受载，从而避免制品各缠绕层可能出现内松外紧现象。
Claims (7)
1、一种碳纤维复合材料桅杆的制造方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、按桅杆的横截面形状设计芯模，芯模长度为4～12米。
步骤二、将碳纤维在80～100℃条件下干燥5.5～6.5小时，再将经干燥处理的碳纤维浸渍于树脂混合液中20～30秒，得到浸渍碳纤维，树脂混合液占浸渍碳纤维总质量的17％～25％；
步骤三、将芯模装在缠绕机上，将步骤二制得的浸渍碳纤维在芯模上逐层缠绕，第一层顺着芯模的轴向缠绕，其缠绕角度为0°，第二层在第一层基础上往返缠绕，第一层与第二层的缠绕厚度之和为1.25毫米；第三层与第一层缠绕方向成45°角，第四层在第三层基础上往返缠绕，第三层与第四层的缠绕厚度之和为1.25毫米；第五层与第一层缠绕方向相同，第六层在第五层基础上往返缠绕，第五层与第六层的缠绕厚度之和为1.25毫米；第七层与第三层缠绕方向相同，第八层在第七层基础上往返缠绕，第七层与第八层的缠绕厚度之和为1.25毫米；第九层与第一层缠绕方向成90°角，第十层在第九层基础上往返缠绕，第九层与第十层的缠绕厚度之和为0.5毫米，每层均依次缠绕制成碳纤维复合材料体；
步骤四、将步骤三制成的碳纤维复合材料体放在固化炉中加热固化。
步骤五、拆除芯模后即得到碳纤维复合材料桅杆的毛料，去除毛料两端的加工长度，去除毛刺，即得到碳纤维复合材料桅杆。
2、根据权利要求1所述的碳纤维复合材料桅杆的制造方法，其特征在于：步骤一中芯模的材质为玻璃钢。
3、根据权利要求1所述的碳纤维复合材料桅杆的制造方法，其特征在于：步骤二中所述的树脂混合液是由环氧树脂与间苯二胺的乙醇溶液按100：21.7的质量比配制，树脂混合液的粘度控制在0.35～1.0Pa·s范围内，其中所述间苯二胺的乙醇溶液由乙醇和间苯二胺按1：1的质量比配制，步骤四中加热固化分三个阶段进行：首先在40-50℃条件下固化3小时，然后在80℃条件下固化2小时，最后在120℃条件下固化2小时。
4、根据权利要求1所述的碳纤维复合材料桅杆的制造方法，其特征在于：步骤二中所述的树脂混合液是将环氧树脂与氰酸酯树脂按4～7/3：1的质量比溶于间苯二胺的二氯甲烷溶液中配制而成，树脂混合液的粘度控制在0.35～1.0Pa·s范围内，所述的间苯二胺的二氯甲烷溶液由二氯甲烷和间苯二胺按1：1的质量比配制，步骤四中加热固化分两个阶段进行：首先在120℃条件下固化2小时，然后在180℃条件下固化2小时。
5、根据权利要求1所述的碳纤维复合材料桅杆的制造方法，其特征在于：步骤二中所述的树脂混合液是将环氧树脂与氰酸酯树脂按4～7/3：1的质量比溶于间苯二胺的1，2-二氯乙烷溶液中配制而成，树脂混合液的粘度控制在0.35～1.0Pa·s范围内，所述的间苯二胺的1，2-二氯乙烷溶液由1，2-二氯乙烷和间苯二胺按1：1的质量比配制，步骤四中加热固化分两个阶段进行：首先在120℃条件下固化2小时，然后在180℃条件下固化2小时。
6、根据权利要求1所述的碳纤维复合材料桅杆的制造方法，其特征在于：步骤二中的干燥温度为90℃，干燥时间为6小时。
7、根据权利要求1所述的碳纤维复合材料桅杆的制造方法，其特征在于：步骤四中的每层缠绕速度不超过0.9m/s，缠绕张力每两层递减一次，缠绕张力递减数值每次为10～20N。
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