CN104369387A - Pmi泡沫夹芯碳纤维复合材料工程车臂架及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

PMI泡沫夹芯碳纤维复合材料工程车臂架及其制造方法。本发明的PMI泡沫夹芯碳纤维复合材料工程车臂架包括PMI泡沫芯层，以及外表面包覆的碳纤维增强树脂层蒙皮。本发明还包括PMI泡沫夹芯碳纤维复合材料工程车臂架的制造方法。本发明产品强度高，重量轻，易于维护。使用本发明，有利于简化制造复合材料臂架的工装及工艺过程，缩短生产周期，降低生产成本。本发明使用碳纤维材料作为臂架的蒙皮，通过PMI泡沫芯材代替现有技术中的芯模或者气囊，利用PMI泡沫芯材的高耐温性、高压缩强度、重量轻、易加工等优点，对碳纤维层成型起到了辅助作用，在降低生产成本、缩短生产周期的同时，提高了臂架的精度和失稳强度及破坏强度。

Description

PMI泡沫夹芯碳纤维复合材料工程车臂架及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种工程车臂架及其制造方法，尤其是涉及一种聚甲基丙烯酰亚胺泡沫（PMI泡沫）夹芯碳纤维复合材料工程车臂架及其制造方法。
背景技术
臂架是以混凝土泵车、消防救援车为代表的工程车的关键构件之一，其安全性、可靠性和先进性是决定工程车核心竞争力的关键。目前，工程车臂架多使用高强钢制造，重量较大，对车架、底盘要求较高，油耗很大，机动性较差；同时，工程车臂架作业工况始终处于动载作用下，臂架结构各部件间还存在着耦合作用，易因疲劳破坏出现局部变形、开裂等问题；另外，工程车的作业环境恶劣，易发生腐蚀问题。
由于金属臂架存在的以上诸多问题，现有多家研究机构和企业提出了使用碳纤维复合材料替代金属制造工程车臂架的方法。
中国专利201010524104.4公开了一种制作混凝土泵车用碳纤维臂架的方法，设有芯模，芯模为中空结构，芯模表面镂空，覆盖一层真空镀膜，制造碳纤维臂架的原材料放在真空膜表面，上模及下模合在芯模上，上模及下模合模位置用螺栓紧固，上模及下模被真空膜包覆，两端与芯模上的真空膜两端密封在一起，真空膜上设有抽气孔，整个模具放入热压罐内，利用压缩空气加压，用电加热管进行加热固化成型。这种制造方法需要加工芯模，模具制造成本投入大，还需要模具维护、维修费用。另外，模具制作时间长，维修难度大，耗时长，且在生产过程中需要抽模；这三个方面的因素，延长了臂架的制作总耗时。
中国专利201210232251.3公开了一种碳纤维复合材料臂架的制作方法：向可伸缩气囊中充气，形成具有第一状态的气囊，在其外表面铺放碳纤维预浸料，获取第一过渡组件；将第一过渡组件放入箱型模具内部，向具有第一状态的气囊内部充气，对碳纤维预浸料进行压缩定型，获取第二过渡组件；将第二过渡组件进行升温固化，固化后冷却脱模获取碳纤维臂架。这种制作方法，由于第一过渡组件通过充气挤压得到第二过渡组件，前后尺寸发生了变化，那么要得到第二过渡组件的尺寸，就必须要对第一过渡组件的用量、尺寸包括伸缩性能进行精确地预估，该项预估难以准确，造成最终臂架尺寸难以符合设计要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种生产成本低，产品重量轻，刚性好，制作周期短，易加工的PMI泡沫夹芯碳纤维复合材料工程车臂架及其制造方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明之PMI泡沫夹芯碳纤维复合材料工程车臂架，包括PMI泡沫芯层，所述PMI泡沫芯层外表面包覆有碳纤维增强树脂层蒙皮。
进一步，所述PMI泡沫芯层由横截面呈“回”字形的PMI泡沫矩形管构成，所述横截面呈“回”字形的PMI泡沫矩形管由横截面呈“一”字形PMI泡沫条和横截面呈“凹”字形泡沫条粘合而成。
进一步，所述横截面呈“一”字形PMI泡沫条和横截面呈“凹”字形泡沫条的密度≥60 kg/m3、压缩强度≥0.8 MPa、热变形温度≥150℃，130℃ 的压缩强度大于0.4 MPa。
进一步，所述碳纤维增强树脂层的原料为碳纤维丝束，所述碳纤维丝束的纵向拉伸强度应≥1800 MPa，纵向拉伸模量≥110Gpa。
本发明之聚甲基丙烯酰亚胺泡沫夹芯碳纤维复合材料工程车臂架的制造方法，包括如下步骤： 
（1）将PMI泡沫块加工成横截面呈“一”字形的PMI泡沫条和横截面呈“凹”字形的PMI泡沫条，横截面呈“凹”字形的PMI泡沫条的上部中央位置开有凹槽；
（2）将横截面呈“一”字形的PMI泡沫条粘接于横截面呈“凹”字形的PMI泡沫条顶部，形成横截面呈“回”字形的PMI泡沫矩形管；
（3）制作一根矩形钢管，所述矩形钢管的外径尺寸与横截面呈“回”字形的PMI泡沫矩形管的内径尺寸相适应；
（4）将矩形钢管插入PMI泡沫矩形管中；
（5）将插有矩形钢管的PMI泡沫矩形管置于在纤维缠绕机的夹具上，通过纤维缠绕机将浸渍了树脂的碳纤维丝束环形缠绕在PMI泡沫矩形管的外表面，形成碳纤维增强树脂层蒙皮；
（6）在碳纤维增强树脂层外表面依次包覆离型膜、透气毡，然后通过真空袋进行密封，并对真空袋抽真空，然后置于热压罐中，通过加热加压方式实现固化成型，冷却至常温后，将矩形钢管从PMI泡沫矩形管中抽出，即得到以碳纤维增强树脂层为蒙皮，PMI泡沫为芯层的臂架。
进一步，所述步骤（1）中，截面呈“一”字形的PMI泡沫条和截面为“凹”字形的泡沫条可由木工加工设备加工而成，横截面呈“凹”字形的PMI泡沫条的上部中央位置的凹槽由数控铣床加工而成。
进一步，所述步骤（2）中，将横截面呈“一”字形的PMI泡沫条和横截面呈“凹”字形的PMI泡沫条粘接固连时，可采用以下两种方法中的一种：
（ⅰ）使用粘接剂（如环氧树脂胶），实现横截面呈“一”字形的PMI泡沫条和横截面呈“凹”字形的PMI泡沫条的粘接固连；
（ⅱ）在横截面呈“一”字形的PMI泡沫条和横截面呈“凹”字形的PMI泡沫条的粘接面上覆盖半固化片，将横截面呈“一”字形的PMI泡沫条和横截面呈“凹”字形的PMI泡沫条进行加热加压，压强0.15-0.6MPa（优选0.25-0.4 MPa），加热温度为60-135℃（优选120-130℃），加热时长为0.5-4h（优选1-2h），实现粘接。
进一步，所述步骤（3）中，所述矩形钢管也可用实心矩形钢条替代。
进一步，所述步骤（5）中，纤维缠绕机的抽纱速度为10-20m/min，张力为10-20N。
进一步，所述步骤（6）中，对真空袋抽真空至真空度为-0.098 MPa。
进一步，所述步骤（6）中，通过加热加压方式实现固化成型时，升温速度为2-3℃/min，固化温度为115-135℃，保温时间为1-5小时（优选1.2-2小时），压强为0.15-0.6MPa（优选0.2-0.4 MPa）。
进一步，所述步骤（6）中，当固化成型的压强要求小于0.1 MPa时，热压罐可用烘箱替代，通过烘箱直接加热固化，固化温度为115-135℃，加热时间为1-5小时（优选1.2-2小时）。
本发明产品强度高，重量轻，易于维护。使用本发明，有利于简化工装，缩短生产周期，降低生产成本。本发明使用碳纤维材料作为臂架的蒙皮，通过PMI泡沫芯材代替现有技术中的芯模或者气囊，利用PMI泡沫芯材的高耐温性、高压缩强度、重量轻、易加工等优点，对碳纤维层成型起到了辅助作用，在降低生产成本、缩短生产周期的同时，提高了臂架的精度和失稳强度及破坏强度。
附图说明
图1为使用热压罐对臂架进行加热加压的结构示意图；
图2为横截面呈“凹”字形的PMI泡沫条的结构示意图；
图3为横截面呈“一”字形的PMI泡沫条和横截面呈“凹”字形的PMI泡沫条组装结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
一种PMI泡沫夹芯碳纤维复合材料工程车臂架，包括PMI泡沫芯层4，所述PMI泡沫芯层4外表面包覆有碳纤维增强树脂层蒙皮3（参见图1）。
参照图3，所述PMI泡沫芯层4由横截面呈“回”字形的PMI泡沫矩形管构成，所述横截面呈“回”字形的PMI泡沫矩形管由横截面呈“一”字形PMI泡沫条B和横截面呈“凹”字形泡沫条A（参见图2）粘合而成。
本发明之PMI泡沫夹芯碳纤维复合材料工程车臂架的制造方法，包括如下步骤：
（1）使用木工加工设备将PMI泡沫块加工出1条长*宽*高为2500*200*125mm的横截面呈“凹”字形的PMI泡沫条A和1条长*宽*高为2500*200*75mm的横截面呈“一”字形的PMI泡沫条B，所述横截面呈“凹”字形的PMI泡沫条A和横截面呈“一”字形的PMI泡沫条B由密度为110kg/m3的PMI泡沫块加工而成，加工尺寸误差在±0.5mm内；横截面呈“凹”字形的PMI泡沫条A的上部中央位置开有凹槽C，凹槽C由数控铣床加工而成，槽深为50mm、槽宽为30mm（参见图2），加工误差在±0.5mm内；
（2）使用粘接剂（如环氧树脂胶）将横截面呈“凹”字形的PMI泡沫条A和横截面呈“一”字形的PMI泡沫条B粘接起来，粘接时可采用手工涂胶的方式，将粘接剂在横截面呈“凹”字形的PMI泡沫条A和横截面呈“一”字形的PMI泡沫条B的粘接面涂刷四遍，以确保粘接层D的粘接面上的各处都能粘接牢固，制成横截面呈“回”字形的PMI泡沫矩形管（参见图3）；
按照上述步骤制作5条长为2500mm,1条长为2100mm的横截面呈“回”字形的PMI泡沫矩形管，并将制得的6根PMI泡沫矩形管依次沿轴向粘接起来；
（3）制作1根长为15.6m、高*宽为50*30mm的矩形钢管，误差在±0.5mm内；
（4）将步骤（3）中的矩形钢管插入PMI泡沫矩形管；
（5）通过纤维缠绕机的夹具将插有矩形钢管的PMI泡沫矩形管夹住并拉直，通过纤维缠绕机将浸渍了树脂的碳纤维丝束环形缠绕于PMI泡沫矩形管外表面，所述浸渍了树脂的碳纤维丝束为预浸料制复合材料（室温下纵向拉伸强度2468MPa，纵向拉伸模量165 GPa，环氧树脂体系，固化温度为115-130℃）；纤维缠绕机抽纱速度为15m/min，张力为15N，形成碳纤维增强树脂层蒙皮3；
（6）依次将离型膜2（如由艾尔泰克公司生产的艾尔泰克WL4900型，最高使用温度170℃）、透气毡1（如由艾尔泰克公司生产的艾尔泰克AirweaveN-10型）包覆并固定于碳纤维增强树脂层3外表面，然后将真空袋6（艾尔泰克5400型，最高使用温度为177℃）通过密封条（如由艾尔泰克公司生产的艾尔泰克AT-200Y，最高使用温度204℃）进行密封，在真空袋一端接好真空管7，另一端安装好真空传感器（图中未示出），用真空泵（图中未示出）对真空袋抽真空至真空度达到-0.098MPa；然后放置在热压罐5中，通过加热（升温速度为2℃/min，固化温度为130℃，保温时间为4小时）、加压（压强为0.3MPa）的方式进行固化成型，冷却至常温后，将矩形钢管从PMI泡沫矩形管中抽出，然后按设计尺寸要求进行修剪，切除两端各300mm，即得到以碳纤维增强树脂层为蒙皮，PMI泡沫为芯层的臂架。
相比中国专利201010524104.4公开的一种制作混凝土泵车用碳纤维臂架的方法，本发明生产成本更低。
另外，由于PMI泡沫易于加工，制作规定尺寸的型材时间短，节省了制作芯模需要的至少3个月时间，所以使用本发明能极大缩短臂架制造的总周期。
且使用本发明工艺生产臂架，PMI泡沫材料仍保留在碳纤维层内部，只需要抽出钢管即可，省去了抽芯模的时间，也就缩短了臂架的生产周期，提高了生产效率。
与中国专利201210232251.3公开的一种碳纤维复合材料臂架的制作方法相比，本发明中所使用的PMI泡沫材料具有高热变形温度、高压缩强度和高温高压下的低压缩蠕变率，所以使用本发明所述方法生产的碳纤维臂架的碳纤维增强树脂层的尺寸精确度更高。
本发明使用PMI泡沫作为芯材，PMI泡沫本身的力学性能优异，PMI泡沫填充的复合材料臂架，其强度、刚性和失稳强度更高。 

Claims (9)

1.PMI泡沫夹芯碳纤维复合材料工程车臂架，其特征在于，包括PMI泡沫芯层，所述PMI泡沫芯层外表面包覆有碳纤维增强树脂层蒙皮。
2.根据权利要求1所述的PMI泡沫夹芯碳纤维复合材料工程车臂架，其特征在于，所述PMI泡沫芯层由横截面呈“回”字形的PMI泡沫矩形管构成，所述横截面呈“回”字形的PMI泡沫矩形管由横截面呈“一”字形PMI泡沫条和横截面呈“凹”字形泡沫条粘合而成。
3.实施权利要求1-2任一项所述PMI泡沫夹芯碳纤维复合材料工程车臂架的制造方法，其特征在于，包括如下步骤： 
（1）将PMI泡沫块加工成横截面呈“一”字形的PMI泡沫条和横截面呈“凹”字形的PMI泡沫条；
（2）将横截面呈“一”字形的PMI泡沫条粘接于横截面呈“凹”字形的PMI泡沫条顶部，形成横截面呈“回”字形的PMI泡沫矩形管；
（3）制作一根矩形钢管，所述矩形钢管的外径尺寸与横截面呈“回”字形的PMI泡沫矩形管的内径尺寸相适应；
（4）将矩形钢管插入PMI泡沫矩形管中；
（5）将插有矩形钢管的PMI泡沫矩形管置于纤维缠绕机的夹具上，通过纤维缠绕机将浸渍了树脂的碳纤维丝束环形缠绕在PMI泡沫矩形管的外表面，形成碳纤维增强树脂层蒙皮；
（6）在碳纤维增强树脂层外表面依次包覆离型膜、透气毡，然后通过真空袋进行密封，并对真空袋抽真空，然后置于热压罐中，通过加热加压方式实现固化成型，冷却至常温后，将矩形钢管从PMI泡沫矩形管中抽出，即得到以碳纤维增强树脂层为蒙皮，PMI泡沫为芯层的臂架。
4.根据权利要求3所述PMI泡沫夹芯碳纤维复合材料工程车臂架的制造方法，其特征在于，所述步骤（2）中，将横截面呈“一”字形的PMI泡沫条和横截面呈“凹”字形的PMI泡沫条粘接固连，采用以下两种方法中的一种：
（ⅰ）使用粘接剂，实现横截面呈“一”字形的PMI泡沫条和横截面呈“凹”字形的PMI泡沫条的粘接固连；
（ⅱ）在横截面呈“一”字形的PMI泡沫条和横截面呈“凹”字形的PMI泡沫条的粘接面上覆盖半固化片，将横截面呈“一”字形的PMI泡沫条和横截面呈“凹”字形的PMI泡沫条进行加热加压，压强0.15-0.6MPa，加热温度为60-135℃，加热时长为0.5-3h，实现粘接。
5.根据权利要求3所述PMI泡沫夹芯碳纤维复合材料工程车臂架的制造方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述矩形钢管用实心矩形钢条替代。
6.根据权利要求3所述PMI泡沫夹芯碳纤维复合材料工程车臂架的制造方法，其特征在于，所述步骤（5）中，纤维缠绕机的抽纱速度为10-20m/min，张力为10-20N。
7.根据权利要求3所述PMI泡沫夹芯碳纤维复合材料工程车臂架的制造方法，其特征在于，所述步骤（6）中，对真空袋抽真空至真空度为-0.098 MPa。
8.根据权利要求3所述PMI泡沫夹芯碳纤维复合材料工程车臂架的制造方法，其特征在于，所述步骤（6）中，通过加热加压方式实现固化成型时，升温速度为2-3℃/min，固化温度为115-135℃，保温时间为1-5小时，压强为0.15-0.6MPa。
9.根据权利要求8所述PMI泡沫夹芯碳纤维复合材料工程车臂架的制造方法，其特征在于，所述步骤（6）中，若固化成型的压强小于0.1MPa时，热压罐用烘箱替代，通过烘箱直接加热固化，固化温度为115-135℃，加热时间为1-5小时。
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