CN104325664B - 一种连续纤维树脂基复合材料紧固件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明创造提供一种连续纤维树脂基复合材料紧固件的制备方法，该方法包括通过预成型将纤维丝与树脂丝编织成的复合丝以一定的数量制作成中间体棒料的过程，以及将该中间体棒料通过二次成型获得最终紧固件产品的过程。通过中间体棒料各部分尺寸的计算以及二次成型过程中的两步升温分步成型，把控最终紧固件产品的成型过程。本发明创造为连续纤维复合材料紧固件的制备提供了一种可行的技术方法。

Description

一种连续纤维树脂基复合材料紧固件的制备方法
技术领域
本发明创造涉及树脂基复合材料的制备技术领域，特别涉及一种连续纤维树脂基复合材料紧固件的制备方法。
背景技术
先进树脂基复合材料因其具有轻质高强、抗腐蚀、耐疲劳等特点，已被广泛用于当今世界先进的飞机机体结构之中。目前，在紧固件领域大部分仍是金属材质，而金属紧固件不仅不能与复合材料很好的匹配，而且比重大、耐高温、耐腐蚀能力有限，难以满足航空、航天以及其他领域的迫切需求。由于复合材料的特殊层状结构，与金属结构具有很大的不同，需选用配套的连接件来解决复合材料本身具有的层间剪切强度低、抗拉脱强度低等弱点，而是用复合材料结构的紧固件无疑是最好的解决方式。
在紧固件成型技术领域，关于金属材质成型技术已经很成熟，而短切纤维和长纤维复合材料的注塑等成型技术也达到了工程应用，但其力学性能不足以与金属材质的紧固件抗衡。连续纤维复合材料在轴向强度上具有巨大优势，但是鉴于连续纤维横向强度弱的特殊性使其复合材料无法通过注塑或者滚丝的方式形成螺纹，因此也只是应用在通过铺层方式制备的板材等大型构件，没有在紧固件中获得应用。
随着航空航天领域空前发展，对纤维增强树脂基复合材料紧固件性能需求越来越高，对连续纤维复合材料的成形技术的设计工作势在必行，本发明着重对连续纤维复合材料紧固件的成型提供一种可行的技术方法。
发明内容
本发明创造提供一种连续纤维树脂基复合材料紧固件的制备方法，该方法包括通过预成型将纤维丝与树脂丝编织成的复合丝以一定的数量制作成中间体棒料的过程，以及将该中间体棒料通过二次成型获得最终紧固件产品的过程。
所述复合丝的数量由最终紧固件产品的体积与每束复合丝的体积比确定，每束复合丝的体积可根据复合丝截取长度以及纤维丝与树脂丝的数量、直径、编织方式确定，所述复合丝截取长度与所述中间体棒料的高度相等。
所述中间体棒料由大头和细杆组成，所述大头体积等于最终紧固件产品头部的体积，所述大头高度为最终紧固件产品头部(即螺栓帽部分)高度的2-2.5倍，优选为2倍；所述细杆体积等于最终紧固件产品除头部以外(即螺纹杆加螺纹部分)的体积，所述细杆直径为最终紧固件中径的0.8-0.9倍，优选为0.85倍。
其中，考虑到材料均匀性、损耗等因素，上述复合丝的长度、体积，以及中间体棒料头部和细杆的体积、高度、直径等的取值允许存在合理误差，一般在±5％以内。
所述预成型制备中间体棒料的过程采用热模压工艺，进一步的，热模压工艺中加压保温温度在所述树脂丝熔融温度以上，优选为树脂丝熔融温度以上25-50℃。
所述二次成型过程采用两步升温分步成型，具体为，首先加热中间体棒料细杆部分位置至树脂丝材料变形温度，加压形成紧固件产品螺纹杆部；然后整体加热中间体棒料至树脂丝熔融温度以上，优选为树脂丝熔融温度以上25-50℃，进一步形成紧固件产品头部。
进一步，所述的两步升温分步成型，在加热中间体棒料细杆部分位置至树脂丝材料变形温度后，由中间体棒料细杆部一端施加模压力，将细杆部压入模具内先成形紧固件螺纹杆部；在整体加热中间体棒料至树脂丝熔融温度以上后，由中间体棒料大头一端继续施加模压力，进而形成紧固件产品头部。
本发明创造中涉及的纤维丝为本领域常用的连续纤维增强体，包括但不限于玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维和芳纶纤维等，优选为碳纤维或玻璃纤维。
其中，碳纤维丝单根直径5-10μm，优选为7-10μm，更优选为7-8μm，最优选为7μm；呈束使用，每束1000-48000根，优选为1000-6000根，更优选为1000-3000根，最优选为3000根；市购；市购规格一般包括但不限于1K、3K、6K、12K、24K、48K，优选为3K。
其中，玻璃纤维丝单根直径8-15μm，优选为8-14μm，更优选为9-11μm，最优选为11μm；呈束使用，每束600-9600，优选为1000-3000根，更优选为1000-2000根，最优选为1000根；可市购。
涉及的树脂丝为本领域常用热塑性树脂，包括但不限于PAN、PVC、PS、PE、PP、PMMA、PEEK、PA、POM、PC等，优选为PEEK。
其中，PEEK树脂丝直径0.1-0.15mm，市购。
所述纤维丝与树脂丝的种类、数量、直径以及编织方式可根据最终紧固件产品所要求的性能和规格来选取和设计；通常情况下，纤维丝所占的体积为复合丝体积(即纤维丝与树脂丝总体积)的10-50％，优选为20-40％。
具体的，所述的一种连续纤维树脂基复合材料紧固件的制备方法包括如下步骤：(1)根据待获得的最终紧固件产品的性能选取纤维丝和树脂丝，确定纤维丝所占体积分数，根据每束连续纤维表面需要包覆的树脂丝数量编织成复合丝；(2)根据待获得的最终紧固件产品的规格确定中间体棒料各部分尺寸和体积，并按照所需长度和数量截取复合丝；(3)通过热模压工艺预成型该中间体棒料；(4)将中间体棒料经二次成型制备最终紧固件产品，首先加热中间体棒料细杆部分位置至树脂丝材料变形温度，加压形成紧固件产品螺纹杆部；然后整体加热中间体棒料至树脂丝熔融温度以上，进一步形成紧固件产品头部；(5)脱模即可获得所需紧固件产品。
其中所述复合丝的编织过程为本领域的常规编织技术，技术人员可根据需要采用编织机对不同数量的纤维丝和树脂丝进行编织，在此不再赘述。
进一步，所述步骤(2)和步骤(3)之间，还包括根据所需中间体棒料制作相应预成型模具的过程，模具可自制或定制，制备过程可采用本领域常规制备手段，不再赘述。
进一步，所述步骤(2)和步骤(3)中，可在进行模压的模具上涂覆脱模剂，脱模剂的种类可根据纤维丝和树脂丝的种类以及成型工艺条件等因素选取。
本发明创造具有的优点和积极效果是：a、在预成型过程及中间体棒料的设计，降低纤维的弯曲程度，避免因成形中过大的行程压力造成纤维弯曲缠绕，导致纤维失去轴向强度优势，以及造成紧固件头部连接薄弱；b、通过二次成型过程采用两步升温分步成型，首先在树脂丝材料变形温度下成型紧固件产品螺纹杆部，避免过热造成基体呈粘流态，使得纤维无基体阻力下过度弯曲缠绕，造成纤维未进入螺纹内部；然后整体加热中间体棒料至树脂丝熔融温度以上，形成紧固件产品头部，确保获得均质材料；c、本发明创造所制备的紧固件材料成品率高、可靠性好。
附图说明
图1是本发明创造预成型中间体棒料模具的主视方向和俯视方向示意图；
图2是本发明创造预成型中间体棒料模具的上模主视方向和俯视方向示意图；
图3是本发明创造预成型中间体棒料模具的下模主视方向和俯视方向示意图；
图4是本发明创造二次成型过程示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明创造进行进一步说明。
图1-3所示为本发明创造中用于中间体棒料制备的成型模具示意图，本示意图提供了预成型中间体棒料模具的一个示例，并不用于对中间体棒料的成型模具进行限定，任何能够用于形成本发明创造所需要的中间体棒料的模具均应视为本发明创造所保护的范围之内。
图4所示为本发明创造中用于对中间体棒料进行二次成型的过程示意图，本示意图提供了二次成型模具的一个示例，并不用于对二次成型模具进行限定，任何能够用于形成本发明创造所需要的二次成型模具均应视为本发明创造所保护的范围之内。
实施例1
M6六角头螺栓的制备
制备强度在200MPa以上的M6*15六角头螺栓紧固件，将一束3K碳纤维(单丝直径7μm)与16根聚醚醚酮树脂丝(单丝直径0.15mm)编织成复合丝，控制碳纤维体积比为28.5％。根据M6六角头螺栓的尺寸(各尺寸参数可查阅相关规格的紧固件标准获得)，确定中间体棒料各部分尺寸，即，大头体积约346.2mm3，大头高度8mm，细杆体积(螺纹杆加螺纹部分)约为332.9mm3，细杆直径4.4mm，该中间体棒料的高度为30mm，然后以长度30mm截取复合丝56根。将所截取的复合丝放入根据上述中间体棒料的尺寸制作的预成型模具内，以20℃/min的程序升温至380℃保温30min后施加10MPa，冷却、脱模获得中间体棒料。将中间体棒料放入二次成型的模具内，首先在聚醚醚酮的变形温度约200℃保温10min，施加上模压力10MPa将露出在螺纹模芯外的杆部压入模芯内(如图4)，在该温度、压力下保持5min，形成紧固件产品螺纹杆部；继续按20℃/min升温至380℃，保温10min施加下模压力10MPa，恒定该温度、压力5min，形成紧固件产品头部；冷却脱模，即得到M6六角头螺栓紧固件。通过测试该M6六角头螺栓紧固件的平均拉伸强度为300MPa。
对比例1
重复实施例1步骤制备M6六角头螺栓紧固件，区别在于对中间体棒料进行二次成型时，以20℃/min直接升温至380℃，保温10min，然后上模、下模同时施加压力10MPa，保压5min，同时形成紧固件螺纹杆部和头部，冷却脱模得到M6六角头螺栓紧固件。通过测试该M6六角头螺栓紧固件的平均拉伸强度为256MPa。
对比例2
重复实施例1步骤制备M6六角头螺栓紧固件，区别在于对中间体棒料无预留大头部位，中间体棒料尺寸按照总体积与紧固件体积相等，直径为紧固件中径的0.85倍制作成圆柱状，获得的M6六角头螺栓紧固件平均拉伸强度为168MPa。

Claims (9)

1.一种连续纤维树脂基复合材料紧固件的制备方法，该方法包括通过预成型将纤维丝与树脂丝编织成的复合丝以一定的数量制作成中间体棒料的过程，以及将该中间体棒料通过二次成型获得最终紧固件产品的过程；所述中间体棒料由大头和细杆组成，所述大头体积等于最终紧固件产品头部的体积，所述大头高度为最终紧固件产品头部高度的2-2.5倍；所述细杆体积等于最终紧固件产品螺纹杆加螺纹部分的体积，所述细杆直径为最终紧固件中径的0.8-0.9倍。
2.根据权利要求1所述的一种连续纤维树脂基复合材料紧固件的制备方法，其特征在于：所述大头高度为最终紧固件产品头部高度的2倍，所述细杆直径为最终紧固件中径的0.85倍。
3.根据权利要求1所述的一种连续纤维树脂基复合材料紧固件的制备方法，其特征在于：所述复合丝的数量由最终紧固件产品的体积与每束复合丝的体积比确定。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种连续纤维树脂基复合材料紧固件的制备方法，其特征在于：所述二次成型过程采用两步升温分步成型，首先加热中间体棒料细杆部分位置至树脂丝材料变形温度，加压形成紧固件产品螺纹杆部；然后整体加热中间体棒料至树脂丝熔融温度以上，进一步形成紧固件产品头部。
5.根据权利要求4所述的一种连续纤维树脂基复合材料紧固件的制备方法，其特征在于：所述的两步升温分步成型，在加热中间体棒料细杆部分位置至树脂丝材料变形温度后，由中间体棒料细杆部一端施加模压力，将细杆部压入模具内先成形紧固件螺纹杆部，形成紧固件产品螺纹杆部；在整体加热中间体棒料至树脂丝熔融温度以上后，由中间体棒料大头一端继续施加模压力，进而形成紧固件产品头部。
6.根据权利要求1所述的一种连续纤维树脂基复合材料紧固件的制备方法，其特征在于：所述预成型制备中间体棒料的过程采用热模压工艺。
7.根据权利要求6所述的一种连续纤维树脂基复合材料紧固件的制备方法，其特征在于：热模压工艺中加压保温温度在所述树脂丝熔融温度以上。
8.根据权利要求7所述的一种连续纤维树脂基复合材料紧固件的制备方法，其特征在于：热模压工艺中加压保温温度在所述树脂丝熔融温度以上25-50℃。
9.根据权利要求1所述的一种连续纤维树脂基复合材料紧固件的制备方法，其特征在于：还包括根据所需中间体棒料的结构制作相应预成型模具的过程。
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