CN105782603B - 一种带金属法兰的复合材料结构件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带金属法兰的复合材料结构件，由两端金属法兰、复合材料体和O型密封圈组成，所述的复合材料体选用与密封液体及使用温度相匹配的材料，所述两端金属法兰与复合材料体的至少一个接触面上依次设置有锥面、多个固定凹槽和一个密封凹槽，所述的O型密封圈预埋在所述的密封凹槽中，其中金属法兰为圆环形金属法兰或端板形金属法兰；还公开了带金属法兰的复合材料结构件的制备方法；本发明适于高比强度高比刚度的结构件，特别适于作高密封性能、高承载能力等要求的结构连接件，既保证密封效果又提高承载能力，进而来满足结构件高比强度高比刚度的要求。

Description

一种带金属法兰的复合材料结构件及其制备方法

技术领域

本发明属于复合材料应用技术领域，具体涉及一种带金属法兰的复合材料结构连接件，及其制备方法。

背景技术

在某些特殊应用场合，必须用高比强度高比刚度的复合材料结构件替代金属结构件，同时满足高密封性能及高承载能力的要求。

对于现有的复合材料结构件，按照采用材料来分，其结构方案大致可分为全复合材料结构件以及带金属法兰的复合材料结构件。

对于全复合材料结构件，连接部位的钉孔切断了纤维，加之复合材料本身属脆性材料，孔边的应力集中较严重，削弱了整体强度，降低了承载能力；此外，复合材料加工精度较低，其连接部位的密封性能难以保证。

对于现有的带金属法兰的复合材料结构件，复合材料与金属法兰之间一般通过胶粘和机械方式连接在一起，用以承受一定的载荷。但是在粘胶失效的情况下，其密封性能难以保证。因此，采用纯粘接方案在技术上存在一定的缺陷和风险。

发明内容

本发明的目的之一在于克服现有技术的不足，提供一种从复合材料与金属法兰连接方式入手，优化复合材料结构制备工艺，能满足高密封性能、高承载能力等要求的复合材料结构件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带金属法兰的复合材料结构件，由两端金属法兰、复合材料体和O型密封圈组成，所述的复合材料体选用与密封液体及使用温度相匹配的材料，由填充纤维丝、第三层复合材料、第二层复合材料以及第一层复合材料组成，所述的填充纤维丝和第三层复合材料采用玻璃纤维丝，第二层复合材料和第一层复合材料采用玻璃纤维布，所述的两端金属法兰采用不锈钢，所述两端金属法兰与复合材料体的两个接触面上依次设置有锥面、多个固定凹槽和一个密封凹槽，所述的O型密封圈预埋在所述的密封凹槽中。

进一步，所述的金属法兰为圆环形金属法兰，所述的O型密封圈为圆环形O型密封圈，所述的密封凹槽为圆环密封凹槽，所述的复合材料体由第一填充纤维丝、圆环第三层复合材料、圆环第二层复合材料以及圆环第一层复合材料组成，所述的固定凹槽包括设置在圆环形金属法兰内侧的第四固定凹槽、第五固定凹槽、第六固定凹槽、第七固定凹槽以及设置在圆环形金属法兰外侧的第一固定凹槽、第二固定凹槽、第三固定凹槽，所述的锥面和圆环密封凹槽设于在圆环形金属法兰外侧，其中圆环密封凹槽依据选择圆环形O型密封圈型号确定。

所述的第一填充纤维丝采用湿绕的方式并以一定的缠绕张力缠绕于第一固定凹槽、第二固定凹槽、第三固定凹槽、第四固定凹槽、第五固定凹槽、第六固定凹槽以及第七固定凹槽中，所述圆环形O型密封圈预埋在圆环密封凹槽中，以满足自身密封要求，所述的第三层复合材料采用湿绕的方式并以一定的缠绕张力缠绕于第二层复合材料的外表面，缠绕长度依据工艺情况而定。

更进一步，所述的金属法兰为端板形金属法兰，所述的O型密封圈为端板形O型密封圈，所述的密封凹槽为端板密封凹槽，所述的复合材料体由第二填充纤维丝、端板第三层复合材料、端板第二层复合材料以及端板第一层复合材料组成，所述的固定凹槽包括设置在端板形金属法兰正反两面的第八固定凹槽，所述端板形金属法兰的正反两面均设置有锥面、端板密封凹槽和凸台，端板密封凹槽依据选择端板形O型密封圈型号确定。

所述的第二填充纤维丝采用铺放的方式放置于第八固定凹槽中；所述端板形O型密封圈预埋在端板密封凹槽中，所述的端板第三层复合材料采用湿绕的方式并以一定的缠绕张力缠绕于端板第二层复合材料的外表面，缠绕长度依据凸台高度及工艺情况而定。

本发明的目的之二在于提供一种新型带金属法兰的复合材料结构件的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用纤维布铺放结合纤维纱缠绕的工艺，其步骤是：

首先制作带一定锥度的圆柱形金属内膜，同时对圆环形金属法兰内外表面和端板形金属法兰双面进行喷砂处理；

其次采用布铺放的方式将复合材料布包裹于金属内膜外表面，同时依据工艺要求涂抹一定的树脂，此为圆环第一层复合材料和端板第一层复合材料；

再次将第一填充纤维丝放置于圆环形金属法兰内表面的第四固定凹槽、第五固定凹槽、第六固定凹槽和第七固定凹槽，将第二填充纤维丝放置于端板形金属法兰双面的第八固定凹槽中，待第四固定凹槽、第五固定凹槽、第六固定凹槽、第七固定凹槽以及第八固定凹槽填满后，圆环形金属法兰内表面成一圆柱面，端板形金属法兰双面成一平面；

随后通过金属内膜止口，将圆环形金属法兰和端板形金属法兰分别固定于金属内膜外表面，并将圆环形O型密封圈预埋在圆环形金属法兰外表面的圆环密封凹槽以及端板形金属法兰的端板密封凹槽中，同时在金属法兰外表面涂抹粘胶；

随后采用湿绕的方式将第一填充纤维丝以一定的缠绕张力缠绕于圆环形金属法兰外表面剩余的第一固定凹槽、第二固定凹槽及第三固定凹槽中，待凹槽填满后，此时圆环形金属法兰外表面成一圆柱面；

然后采用布铺放的方式将复合材料布包裹于两端金属法兰和圆环第一层复合材料外表面，并涂抹一定的树脂，此为圆环第二层复合材料和端板第二层复合材料；

当铺放厚度达到设计要求后，在圆环形金属法兰侧，采用湿绕的方式将复合材料纤维纱以一定的缠绕张力缠绕于圆环第二层复合材料的外表面，此为圆环形金属法兰侧圆环第三层复合材料；

在端板形金属法兰侧，采用湿绕的方式将复合材料纤维纱以一定的缠绕张力缠绕于凸台处纤维布的外表面，此为端板形金属法兰侧端板第三层复合材料，固化完成后，脱模，得到复合材料结构件。

本发明的有益效果是：采用金属法兰，由于其优异的加工性能，保证了密封结合面的精度要求，提高了结构件与外部连接的密封性能。同时由于复合材料高比强度和高比刚度的特性，在满足刚度需求的前提下，大大降低了结构件的重量；另外，对于内外表面均带有锥面和多个凹槽的圆环形金属法兰，其锥面显著提高了结构件的轴向承载能力，其凹槽有效地增加了复合材料粘接长度，提高了结构件自身的密封性能，同时O型密封圈的使用也进一步提高了结构件自身的密封性能；对于双面带有锥面、多个凹槽和凸台的端板形金属法兰，锥面与凹槽的作用与前述一致；需要指出的是，凸台一方面有利于纤维缠绕张力的施加，保证了O型密封圈的压缩量，进而大大提高了结构件自身的密封性能，另一方面起到加强筋的作用，提高了结构件刚度；此外，将金属法兰嵌套于三层复合材料中，形成一个整体，大大提高了结构件整体强度及刚度。本发明在提高密封性能及承载能力等方面均有较大程度的创新，适合在高密封性能、高承载能力等要求的结构连接件中运用。

附图说明

图1为本发明与外部结构件的连接示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为带圆环形金属法兰的复合材料结构件局部示意图；

图4为圆环形金属法兰的结构示意图；

图5为带端板形金属法兰的复合材料结构件局部示意图；

图6为端板形金属法兰的结构示意图；

图7为单面含锥面和凹槽的圆环形金属法兰的结构示意图；

图8为单面含锥面和凹槽的端板形金属法兰的结构示意图。

各附图标记为：1—外部结构件，2—O型密封圈，3—螺栓，4—弹性垫片，5—螺母，6—复合材料结构件，7—带圆环形金属法兰的复合材料结构件，8—带端板形金属法兰的复合材料结构件，61—第一填充纤维丝，62—圆环形金属法兰，63—圆环形O型密封圈，64—圆环第三层复合材料，65—圆环第二层复合材料，66—圆环第一层复合材料，67—端板第一层复合材料，68—端板第二层复合材料，69—第二填充纤维丝，70—端板第三层复合材料，71—端板形O型密封圈，72—端板形金属法兰，621—第一固定凹槽，622—第二固定凹槽，623—圆环密封凹槽，624—第三固定凹槽，625—第四固定凹槽，626—第五固定凹槽，627—第六固定凹槽，628—第七固定凹槽，721—第八固定凹槽，722—端板密封凹槽，723—凸台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

参照图1所示，复合材料结构件6与外部结构件1通过螺栓3、弹性垫片4及螺母5固定连接在一起，O型密封圈2选用氟橡胶，起到密封的作用。

参照图2所示，本发明复合材料结构件6由两端金属法兰、复合材料体和O型密封圈2组成，所述的复合材料体选用与密封液体及使用温度相匹配的材料，所述的O型密封圈2预埋在金属法兰的密封凹槽中，选用与复合材料树脂及固化温度相匹配的材料，待复合材料与两端金属法兰固化成型脱模后，通过螺栓3及O型密封圈的连接方式，将复合材料结构件和外部结构件1联接在一起，以达到密封及承载的作用。

其中金属法兰有两种结构形式：

第一种为带圆环形金属法兰的复合材料结构件7，如图3所示，圆环形金属法兰62为内外表面均带有锥面和凹槽的圆环形结构，所述的O型密封圈2置于密封凹槽中。所述的复合材料体由第一填充纤维丝61、圆环形金属法兰62、圆环形O型密封圈63、圆环第三层复合材料64、圆环第二层复合材料65以及圆环第一层复合材料66组成；所述第一填充纤维丝61和圆环第三层复合材料64采用玻璃纤维丝，圆环第二层复合材料65和圆环第一层复合材料66采用玻璃纤维布，圆环形金属法兰62采用不锈钢。

参照图4所示，所述的圆环形金属法兰62为内侧带有锥面和第四固定凹槽625、第五固定凹槽626、第六固定凹槽627以及第七固定凹槽628，外侧带有锥面和第一固定凹槽621、第二固定凹槽622、圆环密封凹槽623以及第三固定凹槽624的结构形式，其锥面角度α依据轴向载荷而定，其凹槽数量及粘接长度L依据强度及密封效果而定，其中圆环密封凹槽623依据选择圆环形O型密封圈63型号确定。

所述第一填充纤维丝61采用湿绕的方式并以一定的缠绕张力缠绕于第一固定凹槽621、第二固定凹槽622、第三固定凹槽624、第四固定凹槽625、第五固定凹槽626、第六固定凹槽627以及第七固定凹槽628中，所述圆环形O型密封圈63预埋在圆环密封凹槽623中，以满足自身密封要求。

所述的第三层复合材料64采用湿绕的方式并以一定的缠绕张力缠绕于第二层复合材料65的外表面，缠绕长度依据工艺情况而定。

第二种为带端板形金属法兰的复合材料结构件8，如图5所示，复合材料体由端板第一层复合材料67、端板第二层复合材料68、第二填充纤维丝69、端板第三层复合材料70、端板形O型密封圈71及端板形金属法兰72组成；所述第二填充纤维丝69和端板第三层复合材料70采用玻璃纤维丝，端板第一层复合材料67和端板第二层复合材料68采用玻璃纤维布，端板形金属法兰72采用不锈钢。

参照图6所示，所述的端板形金属法兰72为双面带有锥面、第八固定凹槽721、端板密封凹槽722和凸台723的结构形式，其锥面角度α依据轴向载荷而定，其凹槽数量及粘接长度L依据强度及密封效果而定；所述第二填充纤维丝69采用铺放的方式放置于第八固定凹槽721中；所述端板形O型密封圈71预埋在端板密封凹槽722中，端板密封凹槽722依据选择端板形O型密封圈71型号确定，以满足自身密封要求；所述的端板第三层复合材料70采用湿绕的方式并以一定的缠绕张力缠绕于端板第二层复合材料68的外表面，缠绕长度依据凸台723高度及工艺情况而定；待圆环形金属法兰62与圆环第三层复合材料64、圆环第二层复合材料65、圆环第一层复合材料66以及端板形金属法兰72与端板第一层复合材料67、端板第二层复合材料68、端板第三层复合材料70固化脱模后，分别对圆环形金属法兰62与端板形金属法兰72进行精加工，便于与外部结构件1联接在一起，起到密封的作用。

实施例2是进一步的实施例。

与实施例1不同的是：圆环形金属法兰62与端板形金属法兰72采用普通碳钢Q235B。

实施例3是又一个进一步的实施例。

与实施例1不同的是：圆环形金属法兰62与端板形金属法兰7272采用高强铝合金。

实施例4是又一个进一步的实施例。

与实施例1不同的是：所用复合材料为碳纤维丝和碳纤维布。

实施例5是又一个进一步的实施例。

与实施例1不同的是：圆环形金属法兰62单面含锥面和凹槽，如图7所示；端板形金属法兰72单面含锥面和凹槽，如图8所示。

实施例6是一种用于本发明的复合材料结构件制备方法。采用纤维布铺放结合纤维纱缠绕的工艺，其步骤是：

为便于脱模，首先制作带一定锥度的圆柱形金属内膜，同时对圆环形金属法兰62内外表面和端板形金属法兰72双面进行喷砂处理（注意用胶带保护O型密封圈623及端板密封凹槽722，避免其表面粗糙度破坏；

其次采用布铺放的方式将复合材料布包裹于金属内膜外表面（铺放厚度达到设计要求），同时依据工艺要求涂抹一定的树脂，此为圆环第一层复合材料66和端板第一层复合材料67；

再次将第一填充纤维丝61放置于圆环形金属法兰62内表面的第四固定凹槽625、第五固定凹槽626、第六固定凹槽627和第七固定凹槽628，将第二填充纤维丝69放置于端板形金属法兰72双面的第八固定凹槽721中，待第四固定凹槽625、第五固定凹槽626、第六固定凹槽627、第七固定凹槽628以及第八固定凹槽721填满后，此时圆环形金属法兰62内表面成一圆柱面，端板形金属法兰72双面成一平面（除凸台外）；

随后通过金属内膜止口，将圆环形金属法兰62和端板形金属法兰72按公差要求分别固定于金属内膜外表面，并将圆环形O型密封圈63预埋在圆环形金属法兰62外表面的圆环密封凹槽623以及端板形金属法兰72的端板密封凹槽722中，同时在金属法兰外表面涂抹粘胶；

随后采用湿绕的方式将第一填充纤维丝61以一定的缠绕张力缠绕于圆环形金属法兰62外表面剩余的第一固定凹槽621、第二固定凹槽622及第三固定凹槽624中，待凹槽填满后，此时圆环形金属法兰62外表面成一圆柱面；

然后采用布铺放的方式将复合材料布包裹于两端金属法兰和圆环第一层复合材料66外表面，并涂抹一定的树脂，此为圆环第二层复合材料65和端板第二层复合材料68；

当铺放厚度达到设计要求后，在圆环形金属法兰62侧，采用湿绕的方式将复合材料纤维纱以一定的缠绕张力缠绕于圆环第二层复合材料65的外表面（缠绕长度与圆环形金属法兰62长度一致），此为圆环形金属法兰62侧圆环第三层复合材料64；

在端板形金属法兰72侧，采用湿绕的方式将复合材料纤维纱以一定的缠绕张力缠绕于凸台723处纤维布的外表面（缠绕长度与端板形金属法兰凸台高度一致），此为端板形金属法兰72侧端板第三层复合材料70，固化完成后，脱模，得到复合材料结构件。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，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。

Claims (6)

1.一种带金属法兰的复合材料结构件，其特征在于：由两端金属法兰、复合材料体和O型密封圈（2）组成，所述的复合材料体选用与密封液体及使用温度相匹配的材料，由填充纤维丝、第三层复合材料、第二层复合材料以及第一层复合材料组成，所述的填充纤维丝和第三层复合材料采用玻璃纤维丝，第二层复合材料和第一层复合材料采用玻璃纤维布，所述的两端金属法兰采用不锈钢，所述两端金属法兰与复合材料体的两个接触面上依次设置有锥面、多个固定凹槽和一个密封凹槽，所述的O型密封圈（2）预埋在所述的密封凹槽中。

2.根据权利要求1所述的一种带金属法兰的复合材料结构件，其特征在于，所述的金属法兰为圆环形金属法兰（62），所述的O型密封圈（2）为圆环形O型密封圈（63），所述的密封凹槽为圆环密封凹槽（623），所述的复合材料体由第一填充纤维丝（61）、圆环第三层复合材料（64）、圆环第二层复合材料（65）以及圆环第一层复合材料（66）组成，所述的固定凹槽包括设置在圆环形金属法兰（62）内侧的第四固定凹槽（625）、第五固定凹槽（626）、第六固定凹槽（627）、第七固定凹槽（628）以及设置在圆环形金属法兰（62）外侧的第一固定凹槽（621）、第二固定凹槽（622）、第三固定凹槽（624），所述的锥面和圆环密封凹槽（623）设于在圆环形金属法兰（62）外侧，其中圆环密封凹槽（623）依据选择圆环形O型密封圈（63）型号确定。

3.根据权利要求2所述的一种带金属法兰的复合材料结构件，其特征在于，所述的第一填充纤维丝（61）采用湿绕的方式并以一定的缠绕张力缠绕于第一固定凹槽（621）、第二固定凹槽（622）、第三固定凹槽（624）、第四固定凹槽（625）、第五固定凹槽（626）、第六固定凹槽（627）以及第七固定凹槽（628）中，所述圆环形O型密封圈（63）预埋在圆环密封凹槽（623）中，以满足自身密封要求，所述的第三层复合材料（64）采用湿绕的方式并以一定的缠绕张力缠绕于第二层复合材料（65）的外表面，缠绕长度依据工艺情况而定。

4.根据权利要求1所述的一种带金属法兰的复合材料结构件，其特征在于，所述的金属法兰为端板形金属法兰（72），所述的O型密封圈（2）为端板形O型密封圈（71），所述的密封凹槽为端板密封凹槽（722），所述的复合材料体由第二填充纤维丝（69）、端板第三层复合材料（70）、端板第二层复合材料（68）以及端板第一层复合材料（67）组成，所述的固定凹槽包括设置在端板形金属法兰（72）正反两面的第八固定凹槽（721），所述端板形金属法兰（72）的正反两面均设置有锥面、端板密封凹槽（722）和凸台（723），端板密封凹槽（722）依据选择端板形O型密封圈（71）型号确定。

5.根据权利要求4所述的一种带金属法兰的复合材料结构件，其特征在于，所述的第二填充纤维丝（69）采用铺放的方式放置于第八固定凹槽（721）中；所述端板形O型密封圈（71）预埋在端板密封凹槽（722）中，所述的端板第三层复合材料（70）采用湿绕的方式并以一定的缠绕张力缠绕于端板第二层复合材料（68）的外表面，缠绕长度依据凸台（723）高度及工艺情况而定。

6.一种如权利要求1所述带金属法兰的复合材料结构件的制备方法，其特征在于，采用纤维布铺放结合纤维纱缠绕的工艺，其步骤是：

首先制作带一定锥度的圆柱形金属内膜，同时对圆环形金属法兰（62）内外表面和端板形金属法兰（72）双面进行喷砂处理；

其次采用布铺放的方式将复合材料布包裹于金属内膜外表面，同时依据工艺要求涂抹一定的树脂，此为圆环第一层复合材料（66）和端板第一层复合材料（67）；

再次将第一填充纤维丝（61）放置于圆环形金属法兰（62）内表面的第四固定凹槽（625）、第五固定凹槽（626）、第六固定凹槽（627）和第七固定凹槽（628），将第二填充纤维丝（69）放置于端板形金属法兰（72）双面的第八固定凹槽（721）中，待第四固定凹槽（625）、第五固定凹槽（626）、第六固定凹槽（627）、第七固定凹槽（628）以及第八固定凹槽（721）填满后，圆环形金属法兰（62）内表面成一圆柱面，端板形金属法兰（72）双面成一平面；

随后通过金属内膜止口，将圆环形金属法兰（62）和端板形金属法兰（72）分别固定于金属内膜外表面，并将圆环形O型密封圈（63）预埋在圆环形金属法兰（62）外表面的圆环密封凹槽（623）以及端板形金属法兰（72）的端板密封凹槽（722）中，同时在金属法兰外表面涂抹粘胶；

随后采用湿绕的方式将第一填充纤维丝（61）以一定的缠绕张力缠绕于圆环形金属法兰（62）外表面剩余的第一固定凹槽（621）、第二固定凹槽（622）及第三固定凹槽（624）中，待凹槽填满后，此时圆环形金属法兰（62）外表面成一圆柱面；

然后采用布铺放的方式将复合材料布包裹于两端金属法兰和圆环第一层复合材料（66）外表面，并涂抹一定的树脂，此为圆环第二层复合材料（65）和端板第二层复合材料（68）；

当铺放厚度达到设计要求后，在圆环形金属法兰（62）侧，采用湿绕的方式将复合材料纤维纱以一定的缠绕张力缠绕于圆环第二层复合材料（65）的外表面，此为圆环形金属法兰（62）侧圆环第三层复合材料（64）；

在端板形金属法兰（72）侧，采用湿绕的方式将复合材料纤维纱以一定的缠绕张力缠绕于凸台（723）处纤维布的外表面，此为端板形金属法兰（72）侧端板第三层复合材料（70），固化完成后，脱模，得到复合材料结构件。