CN102303804A - Frp复合材料电梯轿厢壁板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提供FRP复合材料电梯轿厢壁板及其制造方法，其特征在于：包含聚合物基体及包埋在其中的增强纤维和形状记忆合金(SMA)丝的复合材料结构，SMA丝的组成和比例要达到大幅度提高该结构在预定操作温度下或温度范围内的抗冲击性，以及其中SMA丝在一个或多个整体化预型体中与至少部分增强纤维织造在一起，有以下优点：造型多样，色彩丰富柔和，吸振和减噪效果显著，而且由于新材料具有轻质高强，耐腐蚀性好、电性能好、可设计性好、工艺性能优良的特性，替代碳钢和不锈钢来制作电梯轿厢壁板符合新材料的发展趋势。

Description

FRP复合材料电梯轿厢壁板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种FRP高新复合材料替代传统不锈钢或碳钢板材制作电梯轿厢的轿壁，具体提供用FRP复合材料电梯轿厢壁板及其制造方法。

背景技术

FRP复合材料作为一类材料是周知的，且包含较低模量的聚合物基体相，在基体相中包埋有较高模量的纤维相，纤维一般是碳纤维、玻璃纤维或芳族聚酰胺纤维。这类复合材料可以配制到具有高的强度与重量比并能模塑成具有复杂曲面的承载结构，这意味着它们在很多航空航天应用中特别有用。但是，传统FRP复合材料的确具有较差的抗沖击损伤性，在飞机结构的情况下，使用中可能受到的冲击损伤如跑道碎片或鸟撞、维修过程中工具的掉落或类似的撞击。这是因为在这类材料中缺乏吸收冲击能量的塑性变形机理。也就是说，由于纤维的低应变失效特性和基体(一般是环氧)的脆性，这类材料在冲击期间只能发生很小的或不发生塑性形变。相反，冲击能是通过各种断裂过程，如基体开裂、分层和纤维断裂而被吸收的。这一事实尤其意味着，在服役中易遇到冲击危险的关键FRP复合材料结构必须经过严格而昂贵的检验和修补，和/或加进超过它们主承载作用所需的材料以努力緩解冲击损伤的问题，由此增加结构的重量和成本，为了提高FRP复合材料结构的抗冲击性，已提出在材料内加入一定比例分布在材料中的形状记忆合金(SMA)纤维(或丝一这是本文优选使用的术语》例如，US5614305为此提出加进表现出应力诱导马丁转变的SMA丝，更具体地说，超弹性钛-镍合金(镍钛诺)丝。已知这类合金能以可回复方式吸收比传统FRP复合材料组分多得多的应变能，因此可能提高加入了它们的复合材料的抗冲击性。但是，尽申请者所知，迄今尚未以工业规模生产SMA增强FRP复合材料结构。

现今在电梯制造领域，电梯作为为建筑物内提供上下交通运输，是一种经济活动和日常生活的必需设备。人们在追求电梯安全可靠和高效的同时，对电梯的内外观感和乘坐舒适性也提出了越来越多的要求。尤其是轿厢壁是乘客乘坐的场所，其材料除了具备足够的刚度和强度外，还要在相对狭小的空间内为乘客提供温馨舒适的电梯乘坐感受。目前传统电梯轿厢的轿壁普遍采用1.2mm厚的碳钢或不锈钢板材折弯制成，轿厢的造型单调，边角生硬，色彩阴冷。尤其在运行过程中容易引起震动，导致轿厢共鸣产生噪音，影响乘客情绪使人不适，特别是对患有幽闭空间恐惧症的人群影响巨大。

发明内容

本发明是针对以上问题，提供FRP复合材料电梯轿厢壁板及其制造方法，其特点：造型多样，色彩丰富柔和，吸振和减噪效果显著，而且由于新材料具有轻质高强，耐腐蚀性好、电性能好、可设计性好、工艺性能优良的特性，替代碳钢和不锈钢来制作电梯轿厢壁板符合新材料的发展趋势。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

首先：FRP复合材料的制备方法：第一，制造预型体的成本决不会比FRP复合材料中常用的传统织造碳(或类似的)织物的高，因为SMA丝可以与纤维纱在同一织造过程中加入。而且，与涉及把分立SMA丝铺进复合材料的先有技术例子相比，简化了结构的整个制造过程，因为SMA已经与纤维增强剂整体化了，只需要较少的层数和树脂膜，从而节省了大量时间和成本。与包含分立SMA层和织造纤维预型体的实例相比，复合材料的厚度也能得以减小，因为已有效地减少了一层(和任何必要的基体中间层)这一点对于生产空气动力学表面的承栽薄蒙皮尤其优越。

使用织造SMA/纤维预型体在可处理性上也有优点。分立的SMA丝网难以处理，因为这类网倾向于彼此滑移并使网形畸变。为了制止这种现象发生，已经发现，为了便于移动，必须把它们粘在树脂膜或预浸料铺层上。当用处理起来象未经SMA增强的织造织物一样容易的整体织造织物时，这个问题就完全消除了。

可以预期，预型体的可铺覆性会受加入SMA丝的影响。但是，使SMA整体化进织造结构从而具有与纤维增强剂相同的几何形状，就在很大程度上抑制了这个问题。相比之下，在复合材料铺层的界面上铺放分立的SMA网对可铺覆性的影响更严重。

还可预期，在复合材料中加入SMA丝对静态力学性能和疲劳性能会有负面影响，因为它们很可能起应力集中物的作用。但是把它们整体化进织造预型体就减小了这种影响，因为它们能与纤维增强剂交互编织并因此而靠其改善载荷转移，这种载荷转移方式是使用分立，SMA网时不可能实现的。

按照本发明的结构中的丝材可以是提供形状记忆合金体系应力-应变特性的任何丝材。更具体地说，可以把这类合金配置到使丝在各结构的操作温度下或温度范围内吸收应变能的能力可起因于马丁孪晶化(形状记忆效应)或马丁转变(超弹性)之一或两者组合的已知阻尼响应。目前优选的合金是Ti-Ni(镍钛诺)型，但其它侯选材料可包括三元合金，如Ti-Ni-Cu，Ti-Ni-Nb，或Ti-Ni-Hf；铜基SMA，如Cu-Zn-Al，Cu-Al-Ni，Cu-Al-Zn-Mn，Cu-Al-Ni-Mn或Cu-Al-Mn-Ni；或铁基SMA，如Fe-Mn-Si，Fe-Cr-Ni-Mn-Si-Co，Fe-Ni-Mn，Fe-Ni-C或Fe-Ni-Co-Ti.SMA丝在结构中的体积分数一般可以为2～25％，或者，更尤其3～12％。

在本发明的派生方案中，SMA丝不具有圆截面，而具有第一尺寸明显长于垂直于第一尺寸的第二尺寸的椭圆形、蛋形或扁平形截面，而且把它们织造进各预型体的方式是使较长尺寸一般平行于预型体的平面。与同样截面积的圆形丝相比，这可以实现预型体总厚度的减小。此外，大于圆形丝的表面积可提高SMA在基体内的粘结性。同样，对于给定的厚度，单根扁平丝的体积可以与2根或更多根圆丝的总体积相同，但因较大的均匀体积而更韧。还可能具有成本优点，因为对于单位体积的SMA材料，这种单丝的生产成本更低。

按照本发明的结构中的纤维增强剂可以是FRP复合材料中所用的任何常用(非-SMA)类型，但优选是包括碳纤维(包括石墨纤维)、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维(如

)、高模量聚乙烯纤维或硼纤维在内的先进纤维(拉伸强度一般超过50GPa或更优选超过200GPa)之一。

按照本发明的结构中的基体材料也可以是FRP复合材料中所用的常用类型，包括热固性和热塑性树脂在内，但目前优选热固性树脂，因为它们的加工温度较低，这意味着对所加进SMA的转变温度约束较少。传统的FRP复合材料制造法可应用于SMA/纤维预型体，而且用一层或多层SMA/纤维织造铺层和一层或多层纤维本身的织造层可产生多种实施方案。

按照本发明的结构中的SMA丝一般将在纯被动意义上起作用，表现在它们不会响应各结构使用中的温度而改变形状，而且也无法特意在丝上施加电压或引发它们热转变，这一点与使用加热SMA元件以使之运动或施力的主动结构是不同的。它们在织造的预形体内一般都未预应变。但是，不论使用上述措施中的哪一种，都仍在本发明范围内；例如，也许可通过加热使之回复形变而临时修补已损伤结构或避免灾难性失效。其它功能性也可以被动作用表现出来；例如，SMA丝可以使结构具有更高的阻尼或其它能量吸收性能或提供雷击保护或其它电粘合。

本发明本身还在于包含SMA丝与不同组成的纤维织造在一起的织物，SMA丝的组成和比例要达到明显提高织物在预定操作温度下或温度范围内的抗冲击性，不论是否作为预型体用于FRP增强复合材料结构中。

然后：根据电梯产品轿厢载重不同的特殊情况，采用的实施方法为四个角制成各种梯形都可通用的带圆弧形或直角的角柱，轿厢的后壁、侧壁、前壁根据电梯载重量的不同，拼接不同数量的标准FRP复合材料轿壁板。

二；圆弧角柱的四个角压铸出四个向外的翻边，翻边压铸出连接孔。轿壁板也压铸出四个翻边，翻边压铸出连接孔。

三；考虑到连接边的强度，在四个连接边内压入钢板弯制的加强筋来加强零件的强度。还可以在预制钢制边框上先粘贴FRP复合材料板材后构件固定的方式来制作电梯轿厢，或者在FRP复合材料材料上加工榫或槽插再加构件固定的方式连接成新型电梯轿厢壁板。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1示意用来加进按照本发明的FRP复合材料电梯轿厢壁板及其制造方法的第一实施方案的平面图。

图2示意用来加进按照本发明的FRP复合材料电梯轿厢壁板及其制造方法的第二实施方案的平面图。

图3是通过适用于按照本发明结构的FRP复合材料的优选形式的横截面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的FRP复合材料电梯轿厢壁板及其制造方法作进一步的描述。

参考图1，其中示意了切割自连续长度织物的织造SMA/纤维预型体，织物经向用箭头指示。经向包含一系列组合线，每根线包含1股碳纤维纱1和一对SMA入丝2，各纱1两侧各1根丝。纬向包含一系列组合线，每根线包含1股碳纤维扁平纱3和一根位于纱3-侧的SMA丝4。

图2所示的预型体与图1的实施方案类似，但在此情况下，经向和纬向的每股碳纱都有2根SMA丝。如果要求各方向上每股碳纱1或3有更多根SMA丝2或4，则其它丝可以在各纱的宽度上按规则间隔加进。

在各所示实施方案中，所示的织造类型被称为“5胱综缎纹”，其中每根纬纱位于第5根经纱上面，下一股纱的圆弧在织物横向上错过一个位置，以给出所示的对角线花样，但原则上可以用任何传统的织造花样。

下表给出已按本发明制造的一系列FRP复合材料层压板实例：

这些层压板中每一块都包含环氧树脂基体，内含所示织造碳纤维预型体铺层数和所示织造碳纤维/SMA丝预型体数。在各预形体内每股瑗纱包含约6000根直径为7.1μm的纤维的扁平丝束以及每根SMA丝都是直径约250μm的镍钛诺。碳/SMA织造代号表示在各整体化预型体的经向和纬向上每股碳纱的入丝数，所以，例如，2wp1wf表示在经向上每股纱有2根SMA丝以及在纬向上每股纱有1根SMA丝(对应于图1的实施方案)，2wp2wf表示在经向上每股纱有2根SMA丝以及在纬向上每股纱有2根SMA丝(对应于图2的实施方案)，以此类推。表内最后一栏表示在每块层压板内的SMA体积分数。

为了说明本发明在提高FRP复合材料抗冲击性方面的效率，进行了下列实验。

制造样品层压板，包含4层传统织造碳纤维在

8552环氧树脂基体中的预型体。同时按照上表所示的组成1～8分别制造样品层压板，因此所有样品都共有4层，其中2或3层是相同的全碳纤维预型体，而1或2层是所示织造代号的织造碳纤维/SMA丝预型体，在相同的基体内。在该实例中，合金类型是在室温下主要表现出应力诱导马丁孪晶化响应的那类。

在落重冲击试验机上使放在直径为100mm Crag环内的各样品经受全穿透冲击能吸收试验，用16mm半圆形落锤，以约4m/s的速度传递50J冲击能。对不同的样品厚度作规一化处理后，按照本发明的所有样品1～8都比全碳样品多吸收40％以上的沖击能，有些超过2倍。目视检测也证明，按照本发明的样品在比全碳样品层压板大得多的面积上分散能量吸收。例如，全碳样品厚1.33mm，吸收9.4J(7.1J/mm)；加进了1层碳/SMA铺层对应于图1的层压板2厚1.59mm，吸收16.8J(10.6J/mm)；加进了2层碳/SMA铺层对应于图2的层压板7厚1.94mm，吸收26.1J(1 3.5J/mm)。

虽然在以上所述的样品中，SMA丝具有圆截面，但用扁平带状丝代替会因前述原因而带来优点。例如，图3示意可用于此目的的丝5的截面，它是从直径为250μm的原料圆丝轧平成所示的椭圆形截面的，截面的长轴d1为约310μm，短轴d2为约190μm，织造成各预型体的方式是使d1排在预型体平面上。在其它实施方案中，可以在制造时把带状SMA丝拉成所需要的形式并具有更大的d1∶d2之比。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.FRP复合材料电梯轿厢壁板及其制造方法，其特征在于：包含聚合物基体及包埋在其中的增强纤维和形状记忆合金(SMA)  丝的复合材料结构，SMA丝的组成和比例要达到大幅度提高该结构在预定操作温度下或温度范围内的抗冲击性，以及其中SMA丝在一个或多个整体化预型体中与至少部分增强纤维织造在一起。

2.按照权利要求1的结构，其中所述人选自下列一组

Ti-Ni，Ti-Ni-Cu，Ti-Ni-Nb，Ti-Ni-Hf，Cu-Al-Ni

Cu-Al-Zn-Mn，Cu-Al-Ni-Mn，Cu-Ai-Mn-Ni，Fe-Mn-Si，

Fe-Cr-Ni-Mn-Si-Co，

Fe-Ni-Mn，Fe-Ni-C和Fe-Ni-Co-Ti合金。

3.按照权利要求1或权利要求2的结构，其中所述SMA丝在结构中的体积分数为2～25％。

4.按照权利要求3的结构，其中所述SMA丝在结构中的体积分数为3～12％。

5.按照任何前述权利要求的结构，其中所述合金的类型在所述操作温度下或温度范围内主要表现出应力诱导马丁孪晶化响应。。

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