CN105587752A - 复合材料连接杆及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种复合材料连接杆及其制备方法，该连接杆包括：两个承力片、一个内支撑管和一个外支撑管，两个所述承力片平行设置，所述内支撑管夹设在两个承力片之间，所述外支撑管嵌套在两个承力片外。该制备方法包括如下步骤：分别制备内支撑管和加强套；在所述内支撑管的两侧制备各制备一个承力片；在所述承力片的外侧制备外支撑管；将所述两个加强套穿在承力片的两端，用胶黏剂粘贴后固化，得到复合材料连接杆。与现有技术相比，本发明通过使用三维编织和液体成型的方法首先预制连杆两端连接孔处的轴套，大大提高连接点的强度和可靠性，避免了金属和复合材料连接产生的薄弱环节，同时，有效降低了整体结构的重量。

Description

复合材料连接杆及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料连接杆及其制备方法，属于工程技术领域。
背景技术
目前，工程领域使用的连杆大多为金属材料，其中高强钢较为普遍。近年来，连杆部分开始使用高强的铝合金和钛合金，达到了一定减重需求。但对于连杆，主要承受的是拉伸和压缩载荷，对于各向同性的金属材料来说，势必有部分性能存在“浪费”，因此，减重效果还有待提高。近年来，具有极高比刚度、比强度的碳纤维复合材料开始被应用承力构件上。
但这些技术存在如下问题：
1、金属结构无法进行各向异性的优化设计，复合材料的各向异性特点也未能够充分发挥。
2、金属与碳纤维复合材料连接部位较为薄弱，会对构件的承载性能造成不利影响。
3、对于形状较为复杂的连杆，无法通过传统的方式保证连接点和承力部分的碳纤维连续，因此承载能力有限。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种复合材料连接杆及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种复合材料连接杆，其包括：两个承力片、一个内支撑管和一个外支撑管，两个所述承力片平行设置，所述内支撑管夹设在两个承力片之间，所述外支撑管嵌套在两个承力片外。
作为优选方案，所述承力片的两端各设有一个加强套。
第二方面，本发明还提供了一种如前述的复合材料连接杆的制备方法，其包括如下步骤：
分别制备内支撑管和加强套；
在所述内支撑管的两侧制备各制备一个承力片；
在所述承力片的外侧制备外支撑管；
将所述两个加强套穿在承力片的两端，用胶黏剂粘贴后固化，得到复合材料连接杆。
作为优选方案，所述加强套的制备方法为：
使用三维编织的方法，将碳纤维和聚酰亚胺纤维共同编织成加强套预制体；
将所述加强套预制体用韧性环氧树脂在0.4MPa的压力进行注胶后，在130℃下进行定型，得到加强套。
作为优选方案，所述碳纤维和聚酰亚胺纤维的质量比为(3～7):4。
作为优选方案，所述内支撑管的制备方法为：
在模具上通过缠绕成型的方法制备出内支撑管预制体；
将所述内支撑管预制体在90℃下进行预固化，得到内支撑管。
作为优选方案，所述承力片是分别用模量大于350GPa的高模量纤维和碳纤维平纹织物在内支撑管的两侧进行缠绕和铺层后，再热固化制备而成的。
作为优选方案，所述高模量纤维的缠绕方向为0，所述碳纤维平纹织物的纤维方向为45°或-45°，且控制缠绕层和植物层的体积比为(10～15)：1。
作为优选方案，所述外支撑管是用高模量纤维在承力片外进行缠绕后，再热固化制备而成的。
作为优选方案，所述外支撑管的缠绕方向为45°或-45°。
本发明公开了一种全纤维复合材料连杆及其制造方法，该连杆所有部位均使用碳纤维复合材料，不含任何金属件。连杆使用三维编织、液体成型、缠绕成型等方式进行制造。全纤维复合材料连杆包含：两块并排对准的承力片，用于保证承力片位置的内支撑管和外支撑管，以及承力片两端连接孔内侧的复合材料加强套。本发明制造方法便捷，制备的全复合材料连杆重量不大于35Kg，能够耐100℃的高温，并承受120吨的拉力，可作为承载连杆使用。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过使用三维编织和液体成型的方法首先预制连杆两端连接孔处的轴套，大大提高连接点的强度和可靠性，避免了金属和复合材料连接产生的薄弱环节，同时，有效降低了整体结构的重量；
2、本发明提出的全纤维连杆充分利用碳纤维各向异性的特点，使所有高模量纤维的排列方向与连杆的承力方向一致，并通过使用连续缠绕方法使得高模量纤维整体连续，无拼接，提高了纤维的使用效率。
3、本发明提出的全纤维连杆整体采用纤维复合材料，避免了复合材料与金属的界面强度低的问题。
4、本发明使用碳纤维和聚酰亚胺纤维混合三维编织的方法，大大提高了处于复杂应力状态下的加强套的承载能力，并有效降低了结构重量。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的全纤维复合材料连杆的结构示意图；
图2为本发明提供的全纤维复合材料承力片示意图；
图3为本发明提供的承力片横截面材料分布示意图；
图4为本发明提供的全纤维复合材料加强套示意图；
图5为本发明提供的全纤维内支撑管示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供的一种复合材料连杆包括：两个承力片1、一个内支撑管3和一个外支撑管4，两个承力片1平行设置，内支撑管3夹设在两个承力片1之间，外支撑管4嵌套在两个承力片1外；承力片1的两端各设有一个加强套2。
该连杆外径不大于90mm，重量不大于35Kg，能够承受120吨的拉力而不破坏。
实施例1
本实施例涉及的一种制备前述复合材料连接杆的方法包括如下步骤：
分别制备内支撑管3和加强套2；
其中，内支撑管3的制备方法为：
在模具上通过缠绕成型的方法制备出内支撑管预制体；
将所述内支撑管预制体在90℃下进行预固化，得到内支撑管。
加强套2的制备方法为：
使用三维编织的方法，将碳纤维和聚酰亚胺纤维以(3～7):4的质量比共同编织成加强套预制体；
将所述加强套预制体用韧性环氧树脂在0.4MPa的压力进行注胶后，在130℃下进行定型，得到加强套。
加强套是使用三维编织和液体成型相结合的方式制备的，沿三个方向的纤维含量保持一致，因此能够承受该处所受的复杂应力状态。
将内支撑管打磨后固定在缠绕芯模上，在支撑管外侧直接进行两块承力片1的缠绕和铺层；
在承力片1的外侧制备外支撑管4，得到复合材料连接杆。
为了提高承力片两端的受力强度，可在承力片两端各穿设一个加强套2，加强套2用高韧性环氧胶黏剂粘贴后，常温固化8小时。
承力片1是分别用高模量纤维11和碳纤维平纹织物12在内支撑管的两侧进行缠绕和铺层后，再经90℃的热固化制备而成的，高模量纤维的缠绕方向为0°，与连接杆的长度方向一致，碳纤维平纹织物的纤维方向为45°或-45°，且控制缠绕层和植物层的体积比为(10～15)：1。
外支撑管是用第一根高模量纤维41和第二根高模量纤维42分别以45°和-45°两个方向在承力片外进行缠绕后，再于130℃下热固化制备而成的。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种复合材料连接杆，其特征在于，包括：两个承力片、一个内支撑管和一个外支撑管，两个所述承力片平行设置，所述内支撑管夹设在两个承力片之间，所述外支撑管嵌套在两个承力片外。
2.如权利要求1所述的复合材料连接杆，其特征在于，所述承力片的两端各设有一个加强套。
3.一种如权利要求1或2所述的复合材料连接杆的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
分别制备内支撑管和加强套；
在所述内支撑管的两侧各制备一个承力片；
在所述承力片的外侧制备外支撑管；
将所述两个加强套穿在承力片的两端，用胶黏剂粘贴后固化，得到复合材料连接杆。
4.如权利要求3所述的复合材料连接杆的制备方法，其特征在于，所述加强套的制备方法为：
使用三维编织的方法，将碳纤维和聚酰亚胺纤维共同编织成加强套预制体；
将所述加强套预制体用韧性环氧树脂在0.4MPa的压力进行注胶后，在130℃下进行定型，得到加强套。
5.如权利要求4所述的复合材料连接杆的制备方法，其特征在于，所述碳纤维和聚酰亚胺纤维的质量比为(3～7):4。
6.如权利要求3所述的复合材料连接杆的制备方法，其特征在于，所述内支撑管的制备方法为：
在模具上通过缠绕成型的方法制备出内支撑管预制体；
将所述内支撑管预制体在90℃下进行预固化，得到内支撑管。
7.如权利要求3所述的复合材料连接杆的制备方法，其特征在于，所述承力片是分别用模量大于350GPa的高模量纤维和碳纤维平纹织物在内支撑管的两侧进行缠绕和铺层后，再热固化制备而成的。
8.如权利要求7所述的复合材料连接杆的制备方法，其特征在于，所述高模量纤维的缠绕方向为0，所述碳纤维平纹织物的纤维方向为45°或-45°，且控制缠绕层和植物层的体积比为(10～15)：1。
9.如权利要求3所述的复合材料连接杆的制备方法，其特征在于，所述外支撑管是用高模量纤维在承力片外进行缠绕后，再热固化制备而成的。
10.如权利要求9所述的复合材料连接杆的制备方法，其特征在于，所述外支撑管的缠绕方向为45°或-45°。
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