CN105799196B - 一种铝合金复合碳纤维方管的制备方法 - Google Patents
一种铝合金复合碳纤维方管的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种铝合金复合碳纤维方管的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)按使用要求确定铝合金方管的尺寸与材质，加工铝合金方管；(2)用粘合剂将碳纤维包覆在铝合金方管上；(3)将碳纤维包覆好的铝合金方管放入模具中定型；(4)定型后放入烘箱固化，固化后冷却，拆除模具得到产品。与现有技术相比，本发明制得的铝合金复合碳纤维方管可以用于各行各业中要求强度高，抗弯曲，重量轻的结构承力件。铝合金方管既起到芯模的作用，又可作为构件的一部分起承力作用，制造中省去了芯模的加工和脱模工序，节省了工艺成本。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维复合材料技术领域，尤其是涉及一种铝合金复合碳纤维方管的制备方法。
背景技术
碳纤维复合材料具有高比模量、高强度、抗弯曲、热膨胀系数小、重量轻、自润滑性好等特点，在航空航天、汽车制造、体育器材等领域得到越来越广泛的应用。碳纤维复合材料的成型工艺普遍采用缠绕工艺、RTM工艺和碳纤维预浸料铺覆工艺，固化成型后通过脱模抽出芯模，便得到一根全碳纤维的方管。在使用过程中，在方管上安装一些配件，若是全碳纤维管件，只能通过打孔、攻螺纹来固定零件，且窗口不宜开的过大，否者会因轴向纤维断裂太多影响整个方管性能。
铝合金材料具有成型简单、重量轻、强度高、加工方便的特点。考虑到碳纤维复合材料制品的力学性能要求较高，采用铝合金复合碳纤维制作复合材料方管，既可获得要求的强度和刚度，又方便零件的装配。铝合金方管既起到芯模的作用，又可作为构件的一部分起承力作用，制造中省去了芯模的加工和脱模工序，节省了工艺成本。
申请号为200620012986.5的中国专利公开了一种新型碳纤维复合管，该复合管管体内层为铝合金，外层为固化的碳纤维层，产品具有重量轻、强度高等特点。这项专利采用铝合金圆形管件包覆碳纤维和碳纤维布，外缠PP塑料布固化而成；本申请采用铝合金方管作为内衬，湿法缠绕作为成型工艺，通过外模加压成型，固化后含胶量低，强度高，模量高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，而提供一种操作简单、成本低廉、制得产品性能优良的铝合金复合碳纤维方管的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种铝合金复合碳纤维方管的制备方法，采用铝合金方管作为内衬，然后在铝合金方管外包覆浸胶碳纤维，最后进行固化处理，具体采用以下步骤：
(1)按使用要求确定铝合金方管的尺寸与材质，加工铝合金方管，例如采用拉挤成型的工艺生产成型；
(2)将碳纤维从浸胶槽的粘合剂中通过，浸胶槽的温度控制在45℃～50℃；
(3)将浸胶碳纤维包覆在铝合金方管的外表面，碳纤维在缠绕时的速度控制100～500mm/s；
(4)将包覆好的铝合金方管置于模具中定型；
(5)定型后的铝合金方管在烘箱中进行固化处理，然后冷却并拆除模具，即制作得到产品。
所述的粘合剂可以采用胺类、酸酐类固化的环氧树脂。
所述的碳纤维缠绕方管可以对截面尺寸在30-200mm的薄壁铝合金方管进行碳纤维湿法缠绕，固化后得到的碳纤维复合铝合金方管强度、抗弯曲模量有较大提高。
优选采用市售的T700 12k碳纤维，这种碳纤维具有工艺性能稳定，缠绕完成制品性能的离散度小。
步骤(3)具体采用以下步骤：
(3-1)控制缠绕角为20-30°，在铝合金方管外缠绕或铺设5-8层浸胶碳纤维；
(3-2)控制缠绕角为90°，继续缠绕或铺设1-3层浸胶碳纤维；
(3-3)重复上述步骤2-5次，完成对铝合金方管外表面的包覆。采用20-30°缠绕的产品，它的抗弯曲性能比大角度缠绕的好，太小角度缠绕机无法实现。如采用90°缠绕，产品轴向抗弯曲模量很低，只用到纤维的横向性能，没有用到纤维的纵向性能，因此在缠绕几个有角度缠绕后加一个90°缠绕，从而保证产品性能。
步骤(4)中采用的模具为上下对合外模，包覆好的铝合金方管在模具中压紧并经螺栓加压锁紧，使两个对合面完全合缝为止。
步骤(5)中的固化操作采用2-5段分段固化，固化的温度为80-140℃，每段固化的时间为1-4小时，各段固化温度逐渐增加，可以使胶液固化的过程缓慢有序的进行交联网格化，对产品性能的稳定有好处；如升温太快，交联是无序的，其结果使胶性能极差，产品性能得不到保证。
与现有技术相比，本发明采用铝合金方管既起到芯模的使用，又作为构件的一部分起承力作用，省去了芯模的加工和脱模的工序，节省了工艺成本。碳纤维复合材料具有高比模量、高强度、抗弯曲、热膨胀系数很小、重量轻、自润滑性好的特点，铝合金材料具有成型简单、重量轻，加工方便的特点。
通过铝合金方管包覆碳纤维复合材料制作而成，可以用于汽车制造流水线的车身冲压生产线上机器人端拾器横杆的需要，减轻机器人端拾器的重量，提高冲压生产线的工作频率，从而提高生产效率。
附图说明
图1为铝合金复合碳纤维方管主视结构示意图；
图2为铝合金复合碳纤维方管左视结构示意图；
图中：1-铝合金方管；2-碳纤维层
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
图1为本发明制得的铝合金复合碳纤维方管示意图，图2为铝合金复合碳纤维方管左视结构示意图，图中1为铝合金方管，2为碳纤维层。
实施例1
通过外加工铝合金方管外形尺寸105×105mm，壁厚5mm，长度4800mm，铝合金材料型号选为6061-T6。根据技术要求采用碳纤维缠绕工艺制作铝合金复合碳纤维方管，碳纤维为T700，12K；粘合剂为胺类环氧树脂；缠绕角：23°；缠绕铺层：6×23°﹢2×90°﹢6×23°﹢2×90°﹢2×23°﹢2×90°；缠绕后放入上下对合外模中压紧，并用螺栓加压锁紧，上下模合缝以保证外形尺寸；固化制度：90℃/3小时+110℃/2小时+130℃/3小时。固化停止后，随炉冷却至室温，拆除外模，得到的管件为铝合金复合碳纤维方管。
实施例2
通过外加工铝合金方管外形尺寸100×100mm，壁厚6mm，长度4000mm，铝合金材料型号选为6061-T6。根据技术要求采用碳纤维缠绕工艺制作铝合金复合碳纤维方管，碳纤维为T700，12K；粘合剂为胺类环氧树脂；缠绕角：30°；缠绕铺层：7×30°﹢2×90°﹢7×30°﹢2×90°﹢2×30°﹢2×90°；缠绕后放入上下对合外模中压紧，并用螺栓加压锁紧，上下模合缝以保证外形尺寸；固化制度：95℃/3小时+115℃/2小时+130℃/3小时。固化停止后，随炉冷却至室温，拆除外模，得到的管件为铝合金复合碳纤维方管。
实施例3
通过外加工铝合金方管外形尺寸100×100mm，壁厚5mm，长度5000mm，铝合金材料型号选为6061-T6。根据技术要求采用碳纤维缠绕工艺制作铝合金复合碳纤维方管，碳纤维为T700，12K；粘合剂为酸酐类固化的环氧树脂；缠绕角：20°；缠绕铺层：5×20°﹢3×90°﹢5×20°﹢2×90°﹢2×20°﹢2×90°；缠绕后放入上下对合外模中压紧，并用螺栓加压锁紧，上下模合缝以保证外形尺寸；固化制度：80℃/3小时+100℃/2小时+120℃/3小时。固化停止后，随炉冷却至室温，拆除外模，得到的管件为铝合金复合碳纤维方管。
实施例4
通过外加工铝合金方管外形尺寸105×105mm，壁厚4mm，长度3000mm，铝合金材料型号选为6061-T6。根据技术要求采用碳纤维缠绕工艺制作铝合金复合碳纤维方管，碳纤维为T700，12K；粘合剂为酸酐类固化的环氧树脂；缠绕角：23°；缠绕铺层：7×23°﹢2×90°﹢7×23°﹢2×90°﹢2×23°﹢2×90°；缠绕后放入上下对合外模中压紧，并用螺栓加压锁紧，上下模合缝以保证外形尺寸；固化制度：90℃/2小时+115℃/3小时+130℃/4小时。固化停止后，随炉冷却至室温，拆除外模，得到的管件为铝合金复合碳纤维方管。
对制造的铝合金复合碳纤维方管其抗弯曲模量接近同尺寸的5mm壁厚的钢制方管，重量只有钢制方管的一半，可以在工业生产用到一些要求管件性能高，重量轻的构件上，如汽车生产冲压线上的端拾器，建筑上大跨度结构件等。
Claims (7)
1.一种铝合金复合碳纤维方管的制备方法，其特征在于，该方法采用铝合金方管作为内衬，然后在铝合金方管外包覆浸胶碳纤维，最后进行固化处理，具体采用以下步骤：
(1)按使用要求确定铝合金方管的尺寸与材质，加工铝合金方管；
(2)将碳纤维在盛装有粘合剂的浸胶槽中通过，浸胶槽的温度控制在45℃～50℃，；
(3)将浸胶碳纤维包覆在铝合金方管的外表面，碳纤维在缠绕时的速度控制100～500mm/s；
(4)将包覆好的铝合金方管置于模具中定型；
(5)定型后的铝合金方管在烘箱中进行固化处理，然后冷却并拆除模具，即制作得到产品；
步骤(3)具体采用以下步骤：
(3-1)控制缠绕角为20-30°，在铝合金方管外缠绕或铺设5-8层浸胶碳纤维；
(3-2)控制缠绕角为90°，继续缠绕或铺设1-3层浸胶碳纤维；
(3-3)重复上述步骤2-5次，完成对铝合金方管外表面的包覆
2.根据权利要求1所述的一种铝合金复合碳纤维方管的制备方法，其特征在于，所述的粘合剂为胺类或酸酐类固化的环氧树脂。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金复合碳纤维方管的制备方法，其特征在于，所述的碳纤维缠绕方管对截面尺寸在30-200mm的薄壁铝合金方管进行碳纤维湿法缠绕。
4.根据权利要求3所述的一种铝合金复合碳纤维方管的制备方法，其特征在于，所述的碳纤维为市售的T700 12k碳纤维。
5.根据权利要求1所述的一种铝合金复合碳纤维方管的制备方法，其特征在于，步骤(4)中采用的模具为上下对合外模，包覆好的铝合金方管在模具中压紧并经螺栓加压锁紧，使两个对合面完全合缝为止。
6.根据权利要求1所述的一种铝合金复合碳纤维方管的制备方法，其特征在于，步骤(5)中的固化操作采用2-5段分段固化，固化的温度为80-140℃，每段固化的时间为1-4小时。
7.根据权利要求6所述的一种铝合金复合碳纤维方管的制备方法，其特征在于，各段固化温度逐渐增加。
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