CN103286956B - 航空用碳纤维复合材料管型杆件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空用碳纤维复合材料管型杆件及其制造方法，该杆件为由高模与低模碳纤维混编的复合材料制成的管型结构，纤维编制方式为承载方向纵向布置，非承载方向横向补强，该杆件包含：两片并排紧邻固定设置的承载构件，该承载构件的两端分别具有耳片部；及，镶嵌设置在耳片部内的金属轴套，该金属轴套呈水滴型。“水滴”型金属轴套有利于抗拉承载，也有利于抗压卸载，使拉杆在承受压力是能较为均匀地将载荷分布在碳纤维复合材料上。本发明制造方法简便，提供的杆件具备耐高空低温-55℃、地面高温45℃、承受超过100吨的巨大拉/压力、耐振动与抗较大扭矩不变形、超强刚度与强度、以及自重轻等特性，可用在航空飞行器上作为关键承载部件。

Description

航空用碳纤维复合材料管型杆件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种航空用碳纤维复合材料管型杆件及其制造方法，特别是利用碳纤维复合材料的各向异性特征，制造出承载超过100吨的结构杆件。该复合材料结构杆件可以取代金属结构杆件应用在航空、航天、汽车、轨道交通技术领域，类属于轻量化复合材料技术领域。

背景技术

对于航空、航天、汽车、轨道交通车辆等领域的结构制造技术来说，承载结构件在满足承载条件下，适应更为严酷的使用环境条件，如低温与高温的大温差变化、振动、疲劳等，是当今新技术发展的迫切需求，特别是轻量化可以使节能技术特点产生新的市场竞争力。

目前航空、航天、汽车、轨道交通领域中使用的结构杆件大多为金属材料，钢材（利用锻钢件）尤为普遍，工程师们为了保持结构的功能和承载条件适当更换为钛合金与铝合金材料，以减轻自重的设计理念已经取得了显著的效果。但是还是无法解决变形（包括弹性变形）、疲劳损坏、耐候性差（温度影响显著）、重量过重等缺陷。换言之，这些各向同性材料仅使用了部分特征，其余特征作用很小似乎是“浪费”，由此造成了部件的自重过大，影响到整机的节能效果。

近年来碳纤维复合材料作为轻量化各向异性材料广泛应用在所涉及的技术领域，已经体现出具有非常高的比强度、比刚度、气候适应性强、耐疲劳、重量轻等特点。以相同直径与结构的杆件相比，碳纤维复合材料重量仅为钢材的五分之一，而强度是钢材的五倍，还具备钢材无法满足的刚度与耐候性能，疲劳性能也远比钢材好。虽然碳合金材料比钢材轻，但综合性能还是不如碳纤维复合材料，总是存在着“浪费”现象。人们总是有这样的概念：碳纤维复合材料的造价高于金属材料，但事实上人们仅对比了金属材料的后期制造费用，没有考虑金属前期冶炼、机加工制造等费用，如果综合考虑造价问题，因为碳纤维生产、树脂生产、结构件成型等工艺的耗能与制造费用低于金属构件，使得碳纤维结构件的造价要低于金属材料的结构件。

选择碳纤维复合材料制造航空、航天、汽车、轨道交通技术领域的承载构件是一个近20年世界范围内的创新，也是未来新技术发展的趋势。

目前在航空、航天、汽车、轨道交通车辆技术领域使用空心钢材做结构杆件；在较大承载结构件制造技术领域也有使用纤维复合材料（FKV），采用传统的纤维缠绕和热塑性材料挤压成型方法；还有采用金属与纤维复合材料（FKV）镶嵌结合技术；如DE19649133C1介绍了轻型复合材料制造液压气缸技术、DE102004038082A1介绍了如何控制轻型复合材料制造的成形技术、CH693102A3介绍了碳纤维复合线束制造的成型模具技术；EP0237046B1介绍的碳纤维复合材料制造的紧固装置的纤维编织方法；DE3904644C1介绍了一种由模具成型的液压缸部件的制造方法等。但这些技术存在着如下问题：

1)金属结构不能进行各向异性的优化设计，以往的复合材料不能兼顾各向异性的碳纤维复合材料的特点，不能充分利用材料特性，构件自身重量过重；

2)在承载关键部位金属与碳纤维复合材料连接上存在薄弱环节，影响了构件承载能力；

3)当构件几何尺寸较小时，由于纤维的编制方式各异，所涉及的刚度往往达不到要求；

4)制造技术均有针对性，成本上相对较高，需要进一步优化设计降低制造成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于航空、航天、汽车、轨道交通车辆技术领域的碳纤维复合材料承载管型杆件，该杆件选择碳纤维复合材料，在承载部位利用金属与碳纤维复合材料的连接技术，可承载超过100吨的巨大拉/压力。

为达到上述目的，本发明提供了一种自身重量轻的航空用碳纤维复合材料管型杆件，该杆件为由高模与低模碳纤维混编的复合材料制成的管型结构，纤维编制方式为承载方向纵向布置，非承载方向横向补强，该杆件包含：

两片并排紧邻固定设置的承载构件，该承载构件的两端分别具有耳片部；及

镶嵌设置在耳片部内的金属轴套，该金属轴套呈水滴型。“水滴”型金属轴套有利于抗拉承载，也有利于抗压卸载，使拉杆在承受压力是能较为均匀地将载荷分布在碳纤维复合材料上。

上述的航空用碳纤维复合材料管型杆件，其中，所述杆件还包含：缠绕设置在承载构件外部的管型覆盖层，该覆盖层由低模碳纤维斜编织制成。

上述的航空用碳纤维复合材料管型杆件，其中，所述杆件还包含：两片内衬垫，该两片内衬垫分别设置在紧邻设置的两片承载构件的上部和下部，使得两片承载构件镶嵌在内衬垫内，所述管型覆盖层包覆在承载构件及在内衬垫的外部，形成内部无金属管材支撑的圆形管状拉杆。

上述的航空用碳纤维复合材料管型杆件，其中，所述的两片承载构件通过若干铆钉进行固定，并通过粘结胶粘结。

上述的航空用碳纤维复合材料管型杆件，其中，所述杆件外径为80-120mm，内径为50-80mm，其重量为相同结构尺寸钢材管型杆件的五分之一。

上述的航空用碳纤维复合材料管型杆件，其中，所述杆件主要承载部位耳片与杆体选择高模碳纤维纵向布置，辅助成型部位（衬垫）采用低模碳纤维横向补强，其余部分（形成拉杆形状部位）由树脂补充，使复合材料的碳纤维在所述杆件总重量的占有比例不低于70%。

上述的航空用碳纤维复合材料管型杆件，其中，所述的金属轴套呈水滴型，每片承载构件两端耳部内的金属轴套以尖端相对设置。

上述的航空用碳纤维复合材料管型杆件，其中，嵌设金属轴套的承载构件的制备方法是，首先，纵向连续用高模碳纤维缠绕以连接两个尖端相对设置的金属轴套，然后横向穿刺、捆扎低模碳纤维，形成承载体，充分利用碳纤维之间的连接和其他不同方向的铺层来保护敏感的单一方向高强度碳纤维束，并吸附压力载荷和可能在承载杆件上产生的横向力，所形成承载体，其强度超出相同截面钢材的3倍。

本发明还提供了上述航空用碳纤维复合材料管型杆件的制备方法，该方法包含如下步骤：

步骤1，将碳纤维原丝预处理，即混纺PEEK纤维，以补充复合材料的填充率，碳纤维与PEEK纤维的混纺比例为8:2；

步骤2，在预先机加工制造的碳纤维复合材料承载构件的成型模具内安装金属轴套；

步骤3，按设计的高模碳纤维编制方法在模具内编织纤维，中间分层补充低模碳纤维，每编制一层均需涂“双良马来酰亚胺树脂”，最外层按弹性变形控制要求斜编织低模碳纤维，纤维之间取向夹角为30-60度；

步骤4，将模具与内部构件一起放入温度为80℃烘干炉中25分钟，使部件预定型；

步骤5，将与定型部件安装在工装具上，气体保护下，放入350±5℃的炉成型加热炉中，炉内气氛为90%氮气，10%氢气的混合气体，炉内压力维持在2.4bar，烘焙时间为3小时；

步骤6，待部件冷却后，经过磨平与清洗，采用铬酸钾10-100g/l溶液浸泡承载耳片部位，然后进行渗碳化硅处理，然后对耳片表面或整个承载管型杆件表面进行金属镀层处理。为了使承载耳片部位具备耐磨特性，本发明提出在外表面进行碳化硅渗透处理，如需呈现金属光泽，则在外表面进行金属镀层处理。

上述的航空用碳纤维复合材料管型杆件的制备方法，其中，所述的金属轴套经喷砂预处理。

本发明提出的承载杆件利用碳纤维纵向抗拉强度高，横向剪切应力低的特点，由特殊设计的纤维编制方式：承载方向纵向布置高模碳纤维，非承载方向横向补强低模碳纤维，利用衬垫形成内部无金属管材支撑的圆形管状拉杆。本发明根据承载拉杆的几何形状，分别提供了结构一：两片承载构件加衬垫，然后外层缠绕护套层；结构二：两片承载构件加金属铆钉；结构三：两片承载构件加外层绕包，均能满足拉杆的承载与刚度技术要求。

本发明提出的承载杆件采用了“水滴”型金属承载轴套镶嵌在碳纤维复合材料中，利用金属与碳纤维连接技术将纵向连续高模碳纤维缠绕（每层件编织横向穿插低模碳纤维），然后横向穿刺与捆扎，充分利用碳纤维之间的连接和其他不同方向的铺层来保护敏感的单一方向高强度碳纤维束，并吸附压力载荷和可能在承载杆件上产生的横向力，所形成承载体，其强度超出相同截面钢材的3倍，能满足拉杆的承载与刚度技术要求。

本发明的制造方法简便，提供的杆件具备耐高空低温-55℃、地面高温45℃、承受超过100吨的巨大拉/压力、耐振动与抗较大扭矩不变形、超强刚度与强度、以及自重轻等特性，可用在航空飞行器上作为关键承载部件。

附图说明

图1为本发明的实施例1提供的航空用碳纤维复合材料管型杆件的结构示意图。

图2为本发明的实施例1提供的航空用碳纤维复合材料管型杆件的截面图。

图3为本发明的实施例1提供的航空用碳纤维复合材料管型杆件的爆炸图。

图4为本发明的实施例1提供的航空用碳纤维复合材料管型杆件的内衬垫的碳纤维编制方法示意图。

图5为本发明的实施例1提供的航空用碳纤维复合材料管型杆件的成型模具及碳纤维编制方法示意图。

图6为本发明的实施例2提供的航空用碳纤维复合材料管型杆件的结构示意图。

图7为本发明的实施例2提供的航空用碳纤维复合材料管型杆件的截面图。

图8为本发明的实施例2提供的航空用碳纤维复合材料管型杆件的爆炸图。

图9为本发明的实施例2提供的航空用碳纤维复合材料管型杆件的成型模具及碳纤维编制方法示意图。

图10为本发明的实施例2提供的航空用碳纤维复合材料管型杆件的承载构件端部（即耳片部）碳纤维编制方法示意图。

图11为本发明的实施例2提供的航空用碳纤维复合材料管型杆件的承载构件外层碳纤维编制方法示意图。

图12为本发明的实施例3提供的航空用碳纤维复合材料管型杆件的结构示意图。

图13为本发明的实施例3提供的航空用碳纤维复合材料管型杆件的截面图。

图14为本发明的实施例3提供的航空用碳纤维复合材料管型杆件的爆炸图。

图15为本发明的实施例3提供的航空用碳纤维复合材料管型杆件的成型模具及碳纤维编制方法示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步地说明。

实施例1-3均能满足使用技术要求，下面分别结合图示描述。

其中，高模与低模碳纤维均需先进行与PEEK纤维（聚醚醚酮树脂纤维，Polyetheretherketone）混纺处理形成混纺纤维（本发明中统称为碳纤维），混纺比例按重量比例计为8:2。

实施例1

如图1-3所示，为本发明的一种承载杆件结构。如图3所示，该承载杆件结构包含：

两片承载构件1，该两片承载构件1并排紧贴设置，其中，每片承载构件1的两端均具有一个能镶嵌设置“水滴”型金属轴套2的耳片部13；

两片内衬垫4，该两片内衬垫4分别设置在紧贴设置的两片承载构件1的上部和下部，使得两片承载构件1镶嵌在内衬垫4内，形成管型结构，如图2所示；及

在该管型结构外面斜编织制成的低模碳纤维管状覆盖层3。

如图1所示为本发明的一种承载杆件结构的成型示意图。该承载杆件结构的制备方法为：首先借助模具制造内衬垫4，选择低模碳纤维按照图4所示的经纬编织方式布置内衬垫的纵向碳纤维41与内衬垫的横向碳纤维42，经压制成型后进行预烘干处理，烘干温度为80℃左右，便形成了内衬垫4。然后，制备承载构件1。如图5所示，然后将机加工和经过表面喷砂处理的金属轴套2以尖端相对的方式固定在承载构件模具11内，使用高模碳纤维按图示5中的方式，使用碳纤维张拉编制机，缠绕纤维在“水滴”型金属轴套2上，间隔合适距离横向捆扎缠绕高模碳纤维形成横向低模碳纤维112。在每缠绕一层纵向高模碳纤维111后应在金属轴套上竖向（与高模碳纤维横交）布置低模碳纤维113，如图10所示，以固定纵向承载的纵向高模碳纤维111。由模芯12向下向成型模模具11接近，压制承载构件1，使其成型。经初步压制成型后与烘干处理（烘干温度与内衬垫烘干工艺的烘干温度相同），碳纤维复合承载构件会有微量收缩，很容易地脱模，然后取出，并斜编织外层低模碳纤维以形成管状覆盖层3，再次放进模具内再次压制成型，便形成了的毛坯。

然后将上述成型的部件装配在一起，在外层斜编制低模碳纤维，维持编制角度在30-60度范围（纤维之间的角度），具体视弹性变形控制要求，同时在接缝处填补热固性树脂形成外覆盖层3（管状）。承载管型杆件稍加磨平处理，便可在承载构件的耳片部的表面进行渗碳化硅处理，最后对耳片部表面（也可以使整个承载管型杆件）进行金属镀层处理，形成几乎与金属部件相同外观的承载杆件。应注意整个制造过程中不得存在硅类的润滑脂或其他添加剂。所述杆件外径为80-120mm，内径为50-80mm，其重量为相同结构尺寸钢材管型杆件的五分之一。

实施例2

如图6-8所示，为本发明的第二种承载杆件结构。图6为该承载杆件结构的成型示意图。该结构选择了两片承载构件1对面以铆钉5连接固定的方式，形成如图7所示的截面结构，由此简化了制造工艺。如图8所示，该航空用承载管型杆件由以下部件构成：两片承载构件1、四个“水滴”型金属轴套2、若干高强度铆钉5和金属与树脂之间的特殊粘结胶。

如图9所示，虽然成型模具形状有所不同，其生产方法与实施例1的承载构件1相同。仅差异在高模碳纤维编织方法上应兼顾铆接耳片部的空间内也应填满高模碳纤维，即缠绕高模碳纤维时应填满金属耳片上的预留空间（槽）。如图10、图11所示，实施例2的承载构件1的碳纤维编制方法有些特殊：编制纵向高模碳纤维111缠绕“水滴型金属轴套，再穿插低模碳纤维113如图10所示分布，还需在合适位置上横向编织横向低模碳纤维112。在承载构件1的外表面根据弹性变形控制，斜编织低模碳纤维114，维持编制角度在30-60度范围内。两片承载构件通过铆钉5对接内表面没有必要斜编织低模碳纤维。

实施例3

如图12-14所示，为本发明的第三种承载杆件结构。图12为实施例3的一种承载杆件结构的成型示意图。该结构是在实施例1结构的基础上简化设计，去除了内衬垫，形成如图13所示的航空用承载管型杆件截面。如图14所示，该承载杆件结构包含：两片承载构件1、四个“水滴”型金属轴承2、和外层覆盖层3组成，相对于实施例1和实施例2的结构要简单。其制造方法与实施例1、实施例2几乎相同，仅仅是成型模具11（见图15）设计为取消内衬垫4的形状所形成模具内腔的不同。碳纤维的选择与编制方法也几乎相同。

上述三种承载杆件结构形式的制造方法采用了较为先进的第四代碳纤维复合材料技术，具体步骤有：

1)采用碳纤维原丝预处理，混纺PEEK纤维（树脂纤维），以补充复合材料的填充率；

2)应在预先机加工制出的碳纤维复合材料承载杆件成型模具内安装经喷砂处理的“水滴”型金属轴套；

3)按设计的高模碳纤维编制方法（可能是纵向，也可能是斜45度，也可能是斜60度等等，视设计杆件性能要求）在模具内编制纤维，中间分层补充低模碳纤维（视部件设计而定的低模碳纤维编织形式），每编制一层均需涂“改良马来酰亚胺树脂”（一种热固型树脂），最外层按弹性变形要求斜编低模碳纤维，纤维之间取向夹角为30-60度；

4)将模具与内部构件一起放入温度为80℃烘干炉中25分钟，使部件预定型；

5)将预定型部件安装在工装具上，放入350℃（±5℃偏差）的成型加热炉中，烘焙时间为3小时。该成型加热炉为气体保护炉，炉内气氛为90%氮气，10%氢气的混合成分，炉内压力维持在2.4bar左右；

6)冷却后的部件经过简单的清洗，采用铬酸钾10-100g/l溶液浸泡承载耳片部位，然后进行渗碳化硅处理，然后对磨光的耳片表面进行镀镍处理。

本发明的整个制造工艺较为简单，无须很多的机加工工序。制造的模具可以多次使用（10万件更换），从而形成了批量生产的条件，实现降低成本的效果。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种航空用碳纤维复合材料管型杆件，其特征在于，该杆件为由高模与低模碳纤维混编的复合材料制成的管型结构，纤维编制方式为承载方向纵向布置，非承载方向横向补强，该杆件包含：

两片并排紧邻固定设置的承载构件（1），该承载构件（1）的两端分别具有耳片部（13）；

镶嵌设置在耳片部（13）内的金属轴套（2），该金属轴套（2）呈水滴型；及

缠绕设置在承载构件（1）外部的管型覆盖层（3），该覆盖层（3）由低模碳纤维斜编织制成。

2.如权利要求1所述的航空用碳纤维复合材料管型杆件，其特征在于，所述杆件还包含：两片内衬垫（4），该两片内衬垫（4）分别设置在紧邻设置的两片承载构件（1）的上部和下部，使得两片承载构件（1）镶嵌在内衬垫（4）内，所述管型覆盖层（3）包覆在承载构件（1）及在内衬垫（4）的外部，形成内部无金属管材支撑的圆形管状拉杆。

3.如权利要求1所述的航空用碳纤维复合材料管型杆件，其特征在于，所述的两片承载构件（1）通过若干铆钉（5）进行固定，并通过粘结胶粘结。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的航空用碳纤维复合材料管型杆件，其特征在于，所述杆件外径为80-120mm，内径为50-80mm，其重量为相同结构尺寸钢材管型杆件的五分之一。

5.如权利要求2所述的航空用碳纤维复合材料管型杆件，其特征在于，所述杆件作为主要承载的耳片部（13）与承载构件（1）选择高模碳纤维纵向布置，辅助成型的内衬垫（4）采用低模碳纤维横向补强，形成拉杆形状部位由树脂补充，使复合材料的碳纤维在所述杆件总重量的占有比例不低于70%。

6.如权利要求5所述的航空用碳纤维复合材料管型杆件，其特征在于，所述的金属轴套（2）呈水滴型，每片承载构件两端耳片部（13）内的金属轴套（2）以尖端相对设置。

7.如权利要求6所述的航空用碳纤维复合材料管型杆件，其特征在于，嵌设金属轴套（2）的承载构件（1）的制备方法是，首先，纵向连续用高模碳纤维缠绕以连接两个尖端相对设置的金属轴套（2），然后横向穿刺、捆扎低模碳纤维，形成承载体。

8.一种如权利要求6所述的航空用碳纤维复合材料管型杆件的制备方法，其特征在于，该方法包含如下步骤：

步骤1，将碳纤维原丝预处理，即混纺PEEK纤维，以补充复合材料的填充率，碳纤维与PEEK纤维的混纺比例为8:2；

步骤2，在预先机加工制造的碳纤维复合材料承载构件的成型模具内安装金属轴套；

步骤3，按设计的高模碳纤维编制方法在模具内编织纤维，中间分层补充低模碳纤维，每编制一层均需涂“双良马来酰亚胺树脂”，最外层按弹性变形控制要求斜编织低模碳纤维，纤维之间取向夹角为30-60度；

步骤4，将模具与内部构件一起放入温度为80℃烘干炉中25分钟，使部件预定型；

步骤5，将预定型部件安装在工装具上，气体保护下，放入350±5℃的炉成型加热炉中，炉内气氛为90%氮气，10%氢气的混合气体，炉内压力维持在2.4bar，烘焙时间为3小时；

步骤6，待部件冷却后，经过磨平与清洗，采用铬酸钾10-100g/l溶液浸泡承载构件的耳片部，然后进行渗碳化硅处理，然后对耳片表面或整个承载管型杆件表面进行金属镀层处理。

9.如权利要求8所述的航空用碳纤维复合材料管型杆件的制备方法，其特征在于，所述的金属轴套经喷砂预处理。