CN102452146B - 一种圆锥体复合材料杆的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明主要公开了一种圆锥体复合材料杆的制造方法，主要为离心成型工艺，其特征在于：所述离心成型工艺之前，用缠绕的方法连续缠绕纤维织物至芯轴上，然后在旋转的锥形离心模具内展开，形成与模具内腔形状相同的纤维预成型体，然后高速旋转模具，最后从模具小口径端注入树脂，树脂在离心力作用下填充纤维预成型体空隙，待树脂固化后，脱模得成品。本发明的优点在于：能提高产品强度和模量，同时一次成型复合材料锥形杆，效率高，外表光滑，无需复杂的打磨处理，从而在同等刚度要求下可以减少材料用量，降低成本，节约资源。
Description
技术领域
本发明的主要任务在于提供一种圆锥体复合材料杆的制造方法，具体是一种采用离心成型的圆锥体复合材料杆的制造方法。
背景技术
复合材料具有轻质高强，耐腐蚀，耐气候，外表颜色可随意调配，耐低温，热膨胀系数小,有良好的透波性，电绝缘性等不同于传统材料的特性，用复合材料代替钢材，木杆，水泥杆制作道路照明用灯杆的技术二十世纪六十年代在美国首先诞生，由于复合材料灯杆易于安装，美观耐用，免维护等特性，目前在国内外已有许多应用，近年来，复合材料杆用于通信杆，避雷针杆等也有了一些进展，由于复合材料对通信信号无任何阻碍和干扰，其发展前景看好。
以上应用的复合材料杆多为锥形杆，国内外较多采用的生产方法为纤维缠绕法，该方法纤维含量高，可达65%-70%，但由于缠绕工艺中纤维纱方向与杆的轴线方向不一致，因而杆的轴向强度和模量（12-26GPa）不够高，尽管在缠绕工艺中采取了一些改进措施，来缩小纤维方向与杆轴线方向的差距，但效率低，成本高，结果仍不够理想，另外缠绕在芯模上进行，脱模后的产品外表有粗糙的缠绕纤维的纹路，需要复杂的打磨加工处理，造成材料浪费；另一种方法为离心成型法，专利CN 1048785C即采用此方法，产品一次模内成型，效率高，表面光滑，无需复杂的后处理。该方法虽然可以采用纤维方向与轴向一致的玻璃纤维布，但为了形成锥形，等宽度的纤维布逐层卷绕于等径芯模上，布的层数从根部至顶部递减，展开后纤维没有充分展直，最终产品的纤维含量仅为45-55%，因而强度和模量（14-22GPa）仍然不够高，此外，有人曾采用袋压法生产锥形杆，此法生产的杆外观类似离心成型法，纤维含量较离心法略高，但纤维有扭曲现象，强度和模量与离心法杆类似。
近年来，在输电线路中钢杆，薄壁离心钢管混凝土杆均存在笨重，锈蚀或开裂，耐久性差，施工运输困难，运行维护成本高等问题，容易出现各种安全隐患，长期运行经验表明：不同电压等级交、直流输电线路皆存在雷击事故和污闪事故，这两种事故在每年的跳闸事故中几乎各占50%，大量使用复合绝缘子仍不能彻底解决雷电和污闪问题，因而每年造成很大的经济损失。
如采用复合材料制作电力杆塔，不仅易于运输，施工，寿命长，且由于其不导电，可以避免铁塔易出现的雷电事故，利用其良好的绝缘性，提高了绝缘子串的污秽绝缘强度，完全可以避免污闪的发生。尤其突出的是，经电力行业研究，采用复合材料杆可以减少线路走廊宽度，因而可以节约土地资源，但由于以上方法生产的复合材料杆轴向模量较低，如加大杆径，势必成本太高；采用拉挤成型工艺可以使纤维方向与轴向一致，且纤维在拉挤过程中受牵引力作用而保持直线状态并可以获得65-75%的纤维含量，轴向模量可以达30GPa以上，但拉挤工艺只能生产等截面杆，结构上不能充分利用材料。因此复合材料在输电线路中的应用受到阻碍。
发明内容
本发明的任务在于提供一种锥形复合材料杆的制造方法，具体是一种用普通的E玻璃纤维生产的复合材料锥形杆轴向模量可以达到30GPa以上，采用高模量的玻璃纤维可以达到33GPa以上，从而促进FRP杆在输电线路上的应用。
为了解决以上技术问题，本发明的锥形复合材料杆的制造方法是：主要为离心成型工艺，其特征在于:所述离心成型工艺之前，用缠绕的方法连续缠绕纤维织物至芯轴上，然后在旋转的锥形离心模具内展开，形成与模具内腔形状相同的纤维预成型体，移去芯模，在小口径端固定纤维织物于模具上，高速旋转模具，使纤维预成型进一步被离心力压实，同时在离心力轴向分力的作用下，纤维被拉伸展直，从而获得较低空隙的纤维预成型体，最后从模具小口径端注入树脂，树脂在离心力作用下填充纤维预成型体空隙，待树脂固化后，脱模得成品。
进一步地，所述纤维织物为采用多轴向纤维经编布或纤维为0°方向的单向机织布的一种或混合布匹为主要增强材料，每块纤维布预先裁剪或拚接成以杆轴线为高的等腰梯形，梯形的上底和下底长度之比与杆顶端和底端直径之比一致，所有梯形纤维布侧边依次连接成为一个整体。
进一步地，所述纤维材料为玻璃纤维或碳纤维。
进一步地，所述芯模为圆锥体芯模。
进一步地，所述纤维布在旋转的锥形离心模具内展开时，顶端纤维布要露出模具外8——15CM。
本发明的优点是：采用本发明方法不仅可以充发利用材料，提高产品强度和模量，同时一次成型复合材料锥形杆，效率高，外表光滑，无需复杂的打磨处理，从而在同等刚度要求下可以减少材料用量，降低成本，节约资源。
具体实施方式
本发明的具体步骤如下：
1、纤维织物预制
采用多轴向纤维经编布或单向机织布（纤维为0°方向，即轴向）为主要增强材料，本发明中纤维材料可以采用玻璃纤维或碳纤维，其中多轴向经编布以轴向纤维方向（0°）为主，可以辅以30°或45°或其它方向需要的纤维。上述0°方向为主的纤维为复合材料杆提供了极高的轴向强度和模量，而30°或45°或其它方向纤维则在提供轴向强度的的基础上为复合材料杆提供了适当的环向强度和模量，纤维布预制的具体结构为：将纤维布预先裁剪或拚接成等腰梯形（梯形的高为杆轴线方向），梯形的上底和下底长度之比与杆顶端和底端直径之比一致，所有梯形纤维布侧边依次连接成为一个整体，连接可以采用缝合或其它形式。
2、纤维布缠绕
采用锥形芯轴，本发明的芯轴可以采用FRP材料或塑料等材料制作，可以是整体，也可以分段组合而成。将上述整体纤维布从一个侧边开始整体缠绕至芯轴上，形成一个锥形的纤维布卷。
3、纤维预成型
将上述纤维卷放入离心成型锥形杆模具内，本发明的模具为金属模，由多节组合而成，每节长度为50-100CM较佳。模具的腔体与锥形芯棒仿型，只是直径比芯模大。纤维卷的芯模置于模具中心，沿中心轴线方向放置，在芯模小端口的顶端纤维布要露出模具外10CM左右，开机旋转模具，旋转方向与纤维在芯轴上的缠绕方向相同，纤维布在模具内被解卷展开贴合在模具壁上形成纤维预成型体，将芯轴从预成型体内取出，然后停止模具旋转。
4、纤维压实伸展
将上述模具顶端外部露出的纤维布沿轴向剪开并翻边与模具固定为一体，再次开机旋机模具，纤维在离心力作用下进一步被压实，同时因顶端固定，纤维在离心力轴向分力的作用下得到充分伸展，使纤维平直。
5、纤维浸渍
按常规混合好树脂，通过树脂注射装置从顶端锥形杆模具口注入预成型体内腔，高速旋转模具，使注入模具内的树脂在离心力作用下渗透填充纤维预成型体孔隙，并充分浸透全部纤维预成型体。
6、固化脱模
等上述树脂凝胶后，停止模具旋转，根据树脂固化需要，可在常温下或辅助加热条件下固化，制品达到脱模硬度后，可将产品由顶端向底端顶出脱模，即得锥形复合材料杆。
本发明的工艺首先是在原有的离心成型工艺的基础上，借鉴拉挤成型纤维布置方法，对纤维布进行预制和缠绕，提高产品强度和模量；其次是在离心成型工艺中，将纤维布和芯模的形状均更改，达到后续成型时能充分伸展的目的，且为了进一步伸展纤维，本发明的离心成型工艺中还在成型后进一步离心压实。
实施例1
采用三轴向普通E纤维经编布4层，经编布规格为1500克/米2，其纤维结构为0°方向900克/米2，±30°方向均为300克/米2，采用上述工艺制作，纤维含量65%-70%，产品厚度约5MM，产品性能如下：
轴向模量30-33GPa，弯曲强度450-550MPa；
环向模量8-11GPa，弯曲强度75-85MPa。
实施例2
采用三轴向普通E纤维经编布4层，经编布规格为1500克/米2，其纤维结构为0°方向900克/米2，±45°方向均为300克/米2，采用上述工艺制作，纤维含量65%-70%，产品厚度约5MM，产品性能如下：
轴向模量28-31GPa，弯曲强度420-520MPa；
环向模量9-12GPa，弯曲强度90-110MPa。
实施例3
采用三轴向普通E纤维经编布4层，经编布规格为1500克/米2，其纤维结构为0°方向900克/米2，±60°方向均为300克/米2，采用上述工艺制作，纤维含量65%-70%，产品厚度约5MM，产品性能如下：
轴向模量26-29GPa，弯曲强度380-480MPa；
环向模量10-13GPa，弯曲强度110-130MPa。
Claims (5)
1.一种圆锥体复合材料杆的制造方法，主要为离心成型工艺，其特征在于:所述离心成型工艺之前，用缠绕的方法连续缠绕纤维织物至芯模上，然后在旋转的锥形离心模具内展开，形成与模具内腔形状相同的纤维预成型体，移去芯模，在小口径端固定纤维织物于模具上，高速旋转模具，使纤维预成型体进一步被离心力压实，同时在离心力轴向分力的作用下，纤维被拉伸展直，从而获得较低空隙的纤维预成型体，最后从模具小口径端注入树脂，树脂在离心力作用下填充纤维预成型体空隙，待树脂固化后，脱模得成品。
2.根据权利要求1所述的一种圆锥体复合材料杆的制造方法，其特征在于：所述纤维织物为采用多轴向纤维经编布或纤维为0°方向的单向机织布的一种或采用多轴向纤维经编布和纤维为0°方向的单向机织布的混合布匹为主要增强材料，每块纤维布预先裁剪或拚接成以杆轴线为高的等腰梯形，梯形的上底和下底长度之比与杆顶端和底端直径之比一致，所有梯形纤维布侧边依次连接成为一个整体。
3.根据权利要求2所述的一种圆锥体复合材料杆的制造方法，其特征在于：所述纤维材料为玻璃纤维或碳纤维。
4.根据权利要求1所述的一种圆锥体复合材料杆的制造方法，其特征在于：所述芯模为圆锥体芯模。
5.根据权利要求1所述的一种圆锥体复合材料杆的制造方法，其特征在于：所述纤维织物在旋转的锥形离心模具内展开时，顶端纤维织物要露出模具外8—15CM。
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