CN103306150B - 梯形截面的高强度复合材料绞线及其一步法制备方法 - Google Patents

Abstract

一种梯形截面的高强度复合材料绞线及制备方法，它至少由一股复合材料芯线绞合而成，其特征是所述的一股复合材料芯线由一根圆柱形芯线和若干根围绕在圆柱形芯线周围的截面呈梯形的梯形绞线组成，每根梯形绞线的表面缠绕有一层单向或双向纤维，且所述的梯形绞线围绕圆柱形芯线绞合，绞合角度为6-12度，节距为120-180mm；所述的圆柱形芯线由若干束碳纤维丝经圆柱孔模具粘结而成，所述的梯形绞线由若干束碳纤维丝经梯形孔模具粘结而成。本发明具有有效截面积大，承载能力高的优点。

Description

梯形截面的高强度复合材料绞线及其一步法制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料拉索及其制备方法，尤其是一种能提高绞线截面的梯形复合材料绞线及制备方法，具体地说是一种梯形截面的高强度复合材料绞线及一步法制备方法。

背景技术

由于碳纤维具有强度高、耐腐蚀性能好等优点，以碳纤维制造的复合材料拉索已在桥梁、建筑物中得到了广泛的应用。目前的碳纤维拉索均由多根圆柱形芯线绞合而成，圆柱形芯线之间充填有大量的粘结剂，这就导致拉索的有效截面积得不到提高，从而使得拉索的承载能力下降，因此，设计一种有效截面积大，承载能力高的新型拉索是进一步拓展复合材料碳纤维拉索应用的关键。

发明内容

本发明的目的是针对现有的复合材料拉索大多采用圆截面芯线绞合而成造成截面积有效利用率低的问题，设计一种梯形截面的高强度复合材料绞线，同时提供一种相应的制备方法。

本发明的技术方案之一是：

一种梯形截面的高强度复合材料绞线，它至少由一股复合材料芯线绞合而成，其特征是所述的一股复合材料芯线由一根圆柱形芯线和若干根围绕在圆柱形芯线周围的截面呈梯形的梯形绞线组成，每根梯形绞线的表面缠绕有一层单向或双向纤维，且所述的梯形绞线围绕圆柱形芯线绞合，绞合角度为6-12度，节距为120-180mm；所述的圆柱形芯线由若干束碳纤维丝经圆柱孔模具粘结而成，所述的梯形绞线由若干束碳纤维丝经梯形孔模具粘结而成。

所述一根圆柱形芯线周围围绕的截面呈梯形的梯形绞线为单层6根、双层12根或三层18根，所述的双层或三层复合材料绞线中相邻层的梯形绞线绞合方向相反。

所述复合材料绞线由七股复合材料芯线组成，且每股复合材料芯线由一层圆柱形芯线和六根截面呈梯形的梯形绞线组成，形成7×7结构的梯形截面复合材料绞线。

所述复合材料绞线由19股复合材料芯线组成，且每股复合材料芯线由一层圆柱形芯线和六根截面呈梯形的梯形绞线组成，形成19×7结构的梯形截面复合材料绞线。

所述复合材料绞线由43股复合材料芯线组成，且每股复合材料芯线由一层圆柱形芯线和六根截面呈梯形的梯形绞线组成，形成43×7结构的梯形截面复合材料绞线。

本发明的技术方案之二是：

一种梯形截面的高强度复合材料绞线的一步法制备方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，将碳纤维束从匀张力线架上引入浸渍槽浸渍后，根据单根圆柱形芯线的直径引入所需数量的碳纤维束进入圆孔形模具中进行加热成形得到单根圆柱形芯线；在圆孔柱形模具的周围布置若干个（六个）梯形孔模具，并在每个梯形孔模具中引入所需数量的经过浸渍的碳纤维束进行加热定形，在每个梯形孔模具的出口端设置有一个或两个方向相反的缠绕机对纵向定型后的单根梯形绞线进行单向或双向缠绕；

然后，将单根圆柱形芯形和若干根（六根）梯形绞线送入合股模具中进行绞合成形，在绞合过程中应控制每根梯形绞线按设定的速度前进的同时进行旋转，经控制绞合角度为6-12度，节距为120-180毫米，即得到单股复合材料芯线，送入收卷机收卷或送入下一道工序进行多股复合材料芯线的绞合形成7股、19股或43股的复合材料绞线。

所述的圆孔柱形模具的周围布置有六个梯形孔模具。

所述的单根圆柱形芯形和六根梯形绞线进入合股模具中形成一股7根结构的复合材料绞线，再以7股、19股或43股复合材料绞线组成多股复合材料绞线。

以单根圆柱形芯形和围绕该单根圆柱形芯形的两层各六根梯形绞线进入合股模具中形成一股13根结构的复合材料绞线

以单根圆柱形芯形和围绕该单根圆柱形芯形的三层各六根梯形绞线进入合股模具中形成一股19根结构的复合材料绞线。

本发明的有益效果：

本发明采用圆形芯棒加梯形截面绞线相结合的方式，大大减少了芯线与绞线结合面之间的空间，与合部圆形截面的复合绞线相比，本发明可提高截面的有效利用率22%以上，大大提高了同等截面下拉索的承载能力。

本发明单根采用梯形截面，增加了纤维容积，提高了抗拉强度，在梯形截面表面缠绕一层双向纤维，构成纵向纤维加横向纤维结构。增强了单根线材的纵向纤维面间的剪切能力。

本发明的韧性能满足制品直径的35倍；最小抗拉强度2100MPa；满足160℃长期使用。

本发明克服了圆形截面形成的单根相互线接触，易造成挤压损伤，而梯形截面挤压，提高了单根线材之间绞合压强率。

附图说明

图1是本发明的单股复合芯线的外形示意图。

图2是本发明的由一根圆柱形芯线和六根梯形绞线组成的单股复合材料绞线的结构示意图。

图3是本发明的由一根圆柱形芯线和双层12根（每层6根）梯形绞线组成的单股复合材料绞线的结构示意图。

图4是本发明的由一根圆柱形芯线和三层18根（每层6根）梯形绞线组成的单股复合材料绞线的结构示意图。

图5是本发明的由7股图2所示的单股复合材料绞线组成的7×7结构的多股复合材料绞线。

图6是由19股图2所示的单股复合材料绞线组成的19×7结构的多股复合材料绞线。

图7是由43股图2所示的单股复合材料绞线组成的43×7结构的多股复合材料绞线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-7所示。

一种梯形截面的高强度复合材料绞线，可分为7根单股（图2）、13根单股（图3）、19根单结构（图4），以及7股（图5）、19股（图6）或43股（图7）结构的多股复合材料绞线结构，表1中1-3行对应的为7根、13根、19根的单股复合材料绞线结构，第4、5、6行分别为7股、19股和43股的多股复合材料绞线。具体实施时，单股复合材料芯线可由一根圆柱形芯线1和若干根（单层6根、二层12根、三层18根）围绕在圆柱形芯线1周围的截面呈梯形的梯形绞线2组成，如图2所示，每根梯形绞线2的表面缠绕有一层单向或双向的纤维层，且所述的梯形绞线2围绕圆柱形芯线1绞合，绞合的角度为6-12度，节距为120-180mm，如图1所示；所述的圆柱形芯线1由若干束碳纤维丝经圆柱孔模具粘结而成，所述的梯形绞线由若干束碳纤维丝经梯形孔模具粘结而成。具体实施时一根圆柱形芯线1周围围绕的截面呈梯形的梯形绞线2可为表1第1行所示的单层6根、第2行所示的双层12根或第3行所示的三层18根，所述的双层或三层复合材料绞线中相邻层的梯形绞线绞合方向相反。

表1是发明的基本结构形式的截面及性能。

所述复合材料绞线由七股复合材料芯线组成，形成7×7结构的梯形截面复合材料绞线，也可由19股复合材料芯线组成，形成19×7结构的梯形截面复合材料绞线，还可由43股复合材料芯线组成，且每股复合材料芯线由一层圆柱形芯线和六根截面呈梯形的梯形绞线组成，形成43×7结构的梯形截面复合材料绞线。

上述实施例的复合材料绞线可采用以下方式加以制造或采用其它类似的现有技术加以实现。

上述实施例的梯形截面的高强度复合材料绞线的一步法制备方法包括以下步骤：

首先，将碳纤维束从匀张力线架上引入浸渍槽浸渍后，根据单根圆柱形芯线的直径引入所需数量的碳纤维束进入圆孔形模具中进行加热成形得到单根圆柱形芯线；在圆孔柱形模具的周围布置若干个（六个）梯形孔模具，并在每个梯形孔模具中引入所需数量的经过浸渍的碳纤维束进行加热定形，在每个梯形孔模具的出口端设置有一个或两个方向相反的缠绕机对纵向定型后的单根梯形绞线进行单向或双向缠绕；

然后，将单根圆柱形芯形和若干根（六根）梯形绞线送入合股模具中进行绞合成形，在绞合过程中应控制每根梯形绞线按设定的速度前进的同时进行旋转，经控制绞合角度为6-12度，节距为120-180毫米，即得到单股复合材料芯线，送入收卷机收卷或送入下一道工序进行多股复合材料芯线的绞合形成7股、19股或43股的复合材料绞线。

制备过程中使用的粘结剂的TG等级可从120℃～210℃，单根固化后柔韧性除了需满足55D要求以外，还需保证其绞合后，达到的整体柔韧性；

制备过程中应经过三次不同的固化加热温度进行固化，分别为第一次：150°；第二次：180°；第三次：220°，以获得理想的绞合粘接效果。经本发明制品而得的拉索的物理性能指标为：1.韧性满足制品直径的35倍；2.最小抗拉强度2100MPa；3.满足160℃长期使用。有效面积在传统圆形截面绞线基础上提高22%。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种梯形截面的高强度复合材料绞线，它至少由一股复合材料芯线绞合而成，其特征是所述的一股复合材料芯线由一根圆柱形芯线和若干根围绕在圆柱形芯线周围的截面呈梯形的梯形绞线组成，每根梯形绞线的表面缠绕有一层单向或双向纤维，且所述的梯形绞线围绕圆柱形芯线绞合，绞合角度为6-12度，节距为120-180mm；所述的圆柱形芯线由若干束碳纤维丝经圆柱孔模具粘结而成，所述的梯形绞线由若干束碳纤维丝经梯形孔模具粘结而成；所述一根圆柱形芯线周围围绕的截面呈梯形的梯形绞线为单层6根；所述复合材料绞线由七股复合材料芯线组成，且每股复合材料芯线由一根圆柱形芯线和六根截面呈梯形的梯形绞线组成，形成7×7结构的梯形截面复合材料绞线。

2.根据权利要求1所述的梯形截面的高强度复合材料绞线，其特征是所述复合材料绞线由19股复合材料芯线组成，且每股复合材料芯线由一根圆柱形芯线和六根截面呈梯形的梯形绞线组成，形成19×7结构的梯形截面复合材料绞线。

3.根据权利要求1所述的梯形截面的高强度复合材料绞线，其特征是所述复合材料绞线由43股复合材料芯线组成，且每股复合材料芯线由一根圆柱形芯线和六根截面呈梯形的梯形绞线组成，形成43×7结构的梯形截面复合材料绞线。

4.一种权利要求1所述的梯形截面的高强度复合材料绞线的一步法制备方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，将碳纤维束从匀张力线架上引入浸渍槽浸渍后，根据单根圆柱形芯线的直径引入所需数量的碳纤维束进入圆柱孔模具中进行加热成形得到单根圆柱形芯线；在圆柱孔模具的周围布置若干个梯形孔模具，并在每个梯形孔模具中引入所需数量的经过浸渍的碳纤维束进行加热定形，在每个梯形孔模具的出口端设置有一个或两个方向相反的缠绕机对纵向定型后的单根梯形绞线进行单向或双向缠绕；

然后，将单根圆柱形芯线和若干根梯形绞线送入合股模具中进行绞合成形，在绞合过程中应控制每根梯形绞线按设定的速度前进的同时进行旋转，经控制绞合角度为6-12度，节距为120-180毫米，即得到单股复合材料芯线，送入收卷机收卷或送入下一道工序进行多股复合材料芯线的绞合形成所需的多股组合的复合材料绞线；所述的圆柱孔模具的周围布置有六个梯形孔模具。

5.根据权利要求4所述的一步法制备方法，其特征是所述的单根圆柱形芯线和六根梯形绞线进入合股模具中形成一股7根结构的复合材料芯线，再以7股、19股或43股复合材料芯线组成多股复合材料绞线。