CN107448453B - 一种碳纤维复合材料支架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合材料支架，包括多个杆体和多个杆体接头，多个杆体和多个杆体接头组装成设定形状的支架；所述杆体采用树脂基纤维编织骨架增强结构；所述杆体接头上设置有至少一个接口，每个接口内部固定设置有与杆体配合连接的内嵌件，内嵌件采用混杂纤维编织结构增强的树脂基复合材料制备而成；杆体上的树脂基体与内嵌件上的树脂基体一同浸渍固化制备而成。本发明的支架包括纤维增强树脂复合材料杆体和杆体接头两部分组成，其中碳纤维复合材料支撑杆由以碳纤维为基础的混杂纤维制备，碳纤维复合材料杆体接头采用内嵌件的混杂复合材料结构制备。该支架结构简单，可广泛用于各种设备的框架搭建与成型。

Description

一种碳纤维复合材料支架

技术领域

本发明属于碳纤维应用领域，具体涉及一种碳纤维复合材料支架。

背景技术

目前，生产制造企业对于设备的放置及运输等工作极为常见，而作为设备放置固定中 所用的框架结构也成为必备的重要配件，以往的框架结构多采用使用金属材料制备，在框 架结构或支架的搭建过程往往采用整体焊接成型的方式。在搭建过程中，不但对组装的精度要求较高，还对焊接工艺要求严格。还会存在焊接效率低，且容易存在局部损伤、焊接 不均匀等问题导致的质量不稳定的情况。金属材质的框架结构还存在自重大，费时费力的 问题。

某些承重较轻的场所会使用木质框架，木质框架的组装更需要足够的精度，对工人技 艺要求严格。而且木质框架在组装过程中也会存在组装效率低下，组装关节处容易固定不 牢，导致框架出现摇晃，进而存在安全隐患的问题。

综上所述，现有技术中的金属框架和木质框架存在的组装效率低、组装工艺要求严格， 且容易存在安全隐患的问题，尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种碳纤维复合材料支架。 该碳纤维复合材料支架采用碳纤维叠层或三维编织结构为骨架，浸渍树脂后得到复合结构。 整个支架是采用插入式组装，避免了焊接、榫接等复杂工艺，大大提高了支架的制备效率。而且整个支架的刚性强，自重轻，便于运输。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种碳纤维复合材料支架，包括多个杆体和多个杆体接头，多个杆体和多个杆体接头 组装成设定形状的支架；

所述杆体采用树脂基纤维编织骨架增强结构；

所述杆体接头上设置有至少一个接口，每个接口内部固定设置有与杆体配合连接的内 嵌件，内嵌件采用混杂纤维编织结构增强的树脂基复合材料制备而成；杆体上的树脂基体 与内嵌件上的树脂基体一同浸渍固化制备而成。

杆体和杆体接头内部的内嵌件均采用碳纤维等混杂纤维编织而成，树脂浸渍时，同时 浸渍在杆体和内嵌件上，加热固化成型时，杆体和内嵌件上的树脂受热熔化，成为一体， 固化时，将内嵌件和杆体固定成为一体，实现支架的制备。该种支架的制备方法简单，同时能保证支架的质量稳定性。

杆体和杆体接头均采用混杂纤维编织结构，浸渍树脂并固化成型后，杆体与接头之间 的连接处具有较大的连接面积，大大提高了杆体与接头之间的连接强度。

杆体和杆体接头均采用混杂纤维编织结构并浸渍树脂固化成型而得，使制备得到的支 架具有足够的强度，进而可以起到足够的支撑力。

作为另一种实施方式，内嵌件才用金属材质或塑料材质制备而成。

优选的，所述内嵌件的一端插入接口内，并固定在接口内，另一端延伸出接口设定长 度。

内嵌件的骨架是混杂纤维编织结构，接口内部的材质可以为金属等刚性结构，为了使 内嵌件的插入接口的一端于接口之间固定连接，可以在接口的内壁上设置倒刺等结构，倒 刺可以保证内嵌件顺利插入，但是会阻止内嵌件从接口内拔出，实现了内嵌件的固定。

内嵌件的另一端延伸出接口时，在浸渍树脂时可以使树脂浸渍到内嵌件的内部，并浸 渍到内嵌件位于接口内部的部分，更保证了内嵌件与杆体的连接强度。

进一步优选的，内嵌件插入接口内部的长度与延伸出接口外的长度的比例为1.5-3:1。

采用该比例时，可以保证内嵌件浸渍树脂的程度。

优选的，所述杆体接头上设置有多个与内嵌件相通的通孔，通孔的直径为1-3mm，优 选为1.5-2.5mm。

在浸渍树脂粉体时，树脂粉体可以通过这些通孔进入到内嵌件内，保证了接口内部内 嵌件浸渍树脂的充分程度，进而保证了内嵌件的强度，提高了内嵌件的抗拉伸和抗剪切的 强度。

通孔的直径过小时，树脂粉体难以通过，通孔的直径过大时，通孔内固化成型后的树 脂难以对内嵌件与接头之间的连接强度起到加强作用。

同时，通孔内部会存留树脂粉体，在加热熔化，固化成型过程中，通孔内的树脂与内 嵌体中的树脂成为一体，进一步提高了内嵌件与杆体接头之间的连接强度。通孔的个数可 以根据需求进行调节。

优选的，所述杆体端部的侧面设置有弧形加强体，弧形加强体为树脂基三维立体编织 结构增强的复合结构，其三维立体编织结构骨架与杆体的混杂纤维编织结构骨架一体成型；

所述内嵌件延伸出接口的一端的外表面上设置有倒刺结构；

弧形加强体的一端与杆体的侧面连接，另一端与内嵌件上的倒刺结构配合。

支架一般受力较为复杂，杆体之间的连接处会受到拉伸力、剪切力等复杂的作用力， 容易导致连接处发生松动、摇晃。弧形加强体进一步将杆体和内嵌件相连，进一步提高了 杆体和内嵌件的连接强度。而且将加强体设置为弧形，浸渍树脂后，具有一定的强度和弹性，会对拉应力、压应力等作用力产生一定的缓冲作用，进一步保证了杆体连接处的连接强度。

进一步优选的，所述弧形加强体对应的圆心角为50-90°，优选为60-70°。

优选的，所述杆体接头为树脂基混杂纤维三维立体编织结构，采用三维四向、三维五 向、三维六向或三维七向中的任意一种，整体编织成型后采用RTM工艺进行树脂灌注。

进一步优选的，杆体接头的接口与内嵌件之间采用三维立体编织结构进行连接，连接 结构处的芳纶纤维与碳纤维的质量比为1:5。

优选的，所述杆体的截面形状为管状、棒状或扁平状。

管状或扁平状的杆体的厚度可以根据整个框架的力学特性灵活调节，棒状杆体的直径 可以根据使用要求灵活调节。对应的，对承载作用力较大的场所，应使管状或扁平状的杆 体的厚度增加，棒状杆体的直径增加，对承载作用力较小的场所，则反之。

优选的，所述杆体采用混杂纤维编织而成，为二维叠层结构、三维立体编织结构或单 向纤维形式，优选为三维立体编织结构。

杆体的成型方式基于纤维排布结构的不同而灵活调整，若采用单向纤维的形式则选用 拉挤成型的方式制备，若选用二维叠层织物形式可选用卷绕成型或缠绕成型的方式，若选 用三维立体编织形式，则采用RTM成型或VARI成型方式制备。

优选的，杆体的混杂纤维编织结构中，碳纤维所占的质量分数为60-80％，其他纤维为 芳纶纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维或UHMWPE纤维中的一种或多种的组合；

如：碳纤维60-80重量份，芳纶纤维20-40重量份；或，碳纤维60-80重量份，碳化硅纤维20-40重量份；或，碳纤维60-80重量份，氧化铝纤维20-40重量份；或，碳纤维60-80 重量份，UHMWPE纤维20-40重量份；

碳纤维60-80重量份，芳纶纤维1-40重量份，碳化硅纤维1-40重量份，芳纶纤维和碳 化硅纤维的重量和大于20重量份，小于40重量份；

碳纤维60-80重量份，芳纶纤维1-40重量份，氧化铝纤维1-40重量份，芳纶纤维和氧 化铝纤维的重量和大于20重量份，小于40重量份；

碳纤维60-80重量份，芳纶纤维1-40重量份，UHMWPE纤维1-40重量份，芳纶纤维 和UHMWPE纤维的重量和大于20重量份，小于40重量份；

碳纤维60-80重量份，碳化硅纤维1-40重量份，氧化铝纤维1-40重量份，碳化硅纤维 和氧化铝纤维的重量和大于20重量份，小于40重量份，等等，还包括四种纤维和五种纤维的混杂编织情况。

以碳纤维为主，其他纤维混编时，能最大限度提高杆体的纤维编织骨架的强度，大大 提高其应用范围。

进一步优选的，杆体的混杂纤维编织结构中，碳纤维所占的质量分数为70-80％。

更进一步优选的，杆体的混杂纤维编织结构中碳纤维所占的质量分数为75％，碳化硅 纤维所占的质量分数为10％，氧化铝纤维所占的质量分数为15％。

采用该种混杂编织形式时，在使用相同的纤维量，编织得到的相同结构、相同直径的 杆体所能承受的强度最大，该强度包括抗拉应力强度、抗压应力强度以及抗剪切力强度。

优选的，所述杆体的树脂基体为环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯树脂中的一种。

在很多应用场所可以使用混合树脂作为基体，而经过试验证实，本文中杆体最好采用 单一的树脂作为树脂基体，这样更能提高杆体的整体性，进而提高了杆体的强度。

进一步优选的，最终制备的支架中树脂含量为30-50％。

本发明的有益效果为：

本发明的支架包括纤维增强树脂复合材料杆体和杆体接头两部分组成，其中碳纤维复 合材料支撑杆由以碳纤维为基础的混杂纤维制备，碳纤维复合材料杆体接头采用内嵌件的 混杂复合材料结构制备。该支架结构简单，可广泛用于各种设备的框架搭建与成型。

采用该种形式的支架自重轻，便于运输。

该种形式的支架具有较高的强度，可以适用于不同的应用环境。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实 施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是碳纤维复合材料杆体与接头组合的结构示意图；

图2是弧形加强体的结构示意图。

其中，1、第一杆体，2、第二杆体，3、杆体接头，4、内嵌件，5、弧形加强体。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指 明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的 相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本 申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也 意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包 括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，一种碳纤维复合材料支架，包括一个连接关节，该连接结构第一杆体1、 第二杆体2和杆体接头3，第一杆体1和第二杆体2与杆体接头3连接得到支架的一个连接关节，多个杆体和杆体接头可以组装成特定结构的支架。

第一杆体1和第二杆体2均采用树脂基纤维编织骨架增强结构；

所述杆体接头3上设置有至少一个接口，每个接口内部固定设置有与杆体配合连接的内 嵌件4，内嵌件4采用混杂纤维编织结构增强的树脂基复合材料制备而成；杆体上的树脂基体与内嵌件4上的树脂基体一同浸渍固化制备而成。

内嵌件4的一端插入接口内，并固定在接口内，另一端延伸出接口设定长度。内嵌件4 插入接口内部的长度与延伸出接口外的长度的比例为1.5-3:1。杆体接头3上设置有多个与 内嵌件4相通的通孔，通孔的直径为1-3mm，优选为1.5-2.5mm，为了保证位于接口内部的 内嵌件骨架浸渍树脂的均匀程度，将杆体接头3上的通孔尽量均匀设置。

作为另一种实施方式，内嵌件4采用金属材质或塑料材质制备而成。

如图2所示，杆体端部的侧面设置有弧形加强体5，弧形加强体5为树脂基三维立体编 织结构增强的复合结构，其三维立体编织结构骨架与杆体的混杂纤维编织结构骨架一体成 型；所述内嵌件4延伸出接口的一端的外表面上设置有倒刺结构；

弧形加强体5的一端与杆体的侧面连接，另一端与内嵌件4上的倒刺结构配合。所述弧 形加强体5对应的圆心角为50-90°，优选为60-70°，更优选为65°。

组装而成的支架可以用作支撑化工生产中反应釜支撑架、汽车修理过程中汽车提升架、 房屋修建中的使用到的脚架、电线杆上的电线支撑架、太阳能支撑架以及各种罐体的支撑 架。

实施例1

碳纤维复合材料杆体制备。采用环氧树脂作为基体，采用碳纤维与UHMWPE纤维作为 增强纤维混杂结构，其中碳纤维的比例为60％，UHMWPE纤维的比例为40％，树脂基体含量为40％。整体杆采用棒状结构，采用拉挤成型方式制备，杆体直径为10mm。

碳纤维复合材料杆体结构的制备。采用内嵌金属部件的方式制备，内嵌件的内孔直径为 10.1mm，内嵌件位于杆体结构的内部，定位内嵌件之后采用碳纤维三维四向编织结构制备 接头预制体，在预制体与内嵌件结合部位的三维织物中混杂芳纶纤维，其中结合部位的芳 纶纤维与碳纤维的混杂比为1：5。整个织物嵌入内嵌件成型后，采用RTM工艺导入环氧树 脂，环氧树脂最终比例为40％，真空灌注的真空度为0.1MPa，固化温度为120℃，固化时 间为2h。

实施例2

碳纤维复合材料杆体制备。采用酚醛树脂作为基体，采用碳纤维与芳纶纤维作为增强纤维混杂结构，其中碳纤维的比例为50％，芳纶纤维的比例为50％，树脂基体含量为42％。 整体杆采用扁带结构，采用拉挤成型方式制备，扁带厚度为2mm，扁带宽度为10cm。

碳纤维复合材料杆体结构的制备。采用内嵌件的方式制备，内嵌件采用混杂纤维三维编 织而成，内嵌件内腔结构与杆体结构相统一，其的宽度为10.1cm，内嵌件内腔的高度为 2.1mm，内嵌件位于杆体结构的内部，定位内嵌件之后采用碳纤维三维五向编织结构制备接 头预制体，在预制体与内嵌件结合部位的三维织物中混杂UHMWPE纤维，其中结合部位 的UHMWPE纤维与碳纤维的混杂比为1：3。整个织物嵌入内嵌件成型后，采用RTM工艺导入不饱和聚酯树脂，环氧树脂最终比例为30％，真空灌注的真空度为0.08MPa，固化温 度为130℃，固化时间为3h。

实施例3

碳纤维复合材料杆体制备。采用不饱和聚酯树脂作为基体，采用碳纤维与碳化硅纤维作 为增强纤维混杂结构，其中碳纤维的比例为70％，碳化硅纤维的比例为30％，树脂基体含量为45％。整体杆采用扁带结构，采用拉挤成型方式制备，扁带厚度为3mm，扁带宽度为 12cm。

碳纤维复合材料杆体结构的制备。采用内嵌塑料部件的方式制备，内嵌件采用聚氨酯材 质，内嵌件的内腔宽度为12.1cm，内嵌件的内腔高度为3.1mm，内嵌件位于杆体结构的内部，定位内嵌件之后采用碳纤维三维七向编织结构制备接头预制体，在预制体与内嵌件结 合部位的三维织物中混杂芳纶纤维，其中结合部位的芳纶纤维与碳纤维的混杂比为1：6。 整个织物嵌入内嵌件成型后，采用RTM工艺导入环氧树脂，环氧树脂最终比例为38％，真 空灌注的真空度为0.09MPa，固化温度为135℃，固化时间为2h。

实施例4

碳纤维复合材料杆体制备。采用环氧树脂作为基体，采用碳纤维与UHMWPE纤维作为 增强纤维混杂结构，其中碳纤维的比例为70％，UHMWPE纤维的比例为30％，树脂基体含量为45％。整体杆采用管状结构，采用缠绕成型方式制备，管厚度为3mm，管内径为5cm。

碳纤维复合材料杆体结构的制备。内嵌件采用采用混杂纤维三维编织而成，碳纤维的 质量分数为65％，碳化硅纤维的质量分数为35％，内嵌件的管内径为5.5cm，内嵌件的厚 度为3mm，内嵌件位于杆体结构的内部，定位内嵌件之后采用碳纤维三维六向编织结构制备接头预制体，在预制体与内嵌件结合部位的三维织物中混杂芳纶纤维，其中结合部位的 芳纶纤维与碳纤维的混杂比为1：4。整个织物嵌入内嵌件成型后，采用RTM工艺导入环氧树脂，环氧树脂最终比例为31％，真空灌注的真空度为0.05MPa，固化温度为125℃，固化 时间为2h。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员 来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等 同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种碳纤维复合材料支架，其特征在于：包括多个杆体和多个杆体接头，多个杆体和多个杆体接头组装成设定形状的支架；

所述杆体采用树脂基纤维编织骨架增强结构；

所述杆体接头上设置有至少一个接口，每个接口内部固定设置有与杆体配合连接的内嵌件，内嵌件采用混杂纤维编织结构增强的树脂基复合材料制备而成；杆体上的树脂基体与内嵌件上的树脂基体一同浸渍固化制备而成；

所述杆体接头上设置有多个与内嵌件相通的通孔，通孔的直径为1-3mm；

所述杆体端部的侧面设置有弧形加强体，弧形加强体为树脂基三维立体编织结构增强的复合结构，其三维立体编织结构骨架与杆体的混杂纤维编织结构骨架一体成型；

所述内嵌件延伸出接口的一端的外表面上设置有倒刺结构；

弧形加强体的一端与杆体的侧面连接，另一端与内嵌件上的倒刺结构配合；

杆体的混杂纤维编织结构中，碳纤维所占的质量分数为60-80％，其他纤维为芳纶纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维或UHMWPE纤维中的一种或多种的组合。

2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料支架，其特征在于：所述内嵌件的一端插入接口内，并固定在接口内，另一端延伸出接口设定长度；

内嵌件插入接口内部的长度与延伸出接口外的长度的比例为1.5-3:1。

3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料支架，其特征在于：通孔的直径为1.5-2.5mm。

4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料支架，其特征在于：所述弧形加强体对应的圆心角为50-90°。

5.根据权利要求4所述的碳纤维复合材料支架，其特征在于：所述弧形加强体对应的圆心角为60-70°。

6.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料支架，其特征在于：所述杆体接头为树脂基混杂纤维三维立体编织结构，采用三维四向、三维五向、三维六向或三维七向中的任意一种，整体编织成型后采用RTM工艺进行树脂灌注。

7.根据权利要求6所述的碳纤维复合材料支架，其特征在于：杆体接头的接口与内嵌件之间采用三维立体编织结构进行连接，连接结构处的芳纶纤维与碳纤维的质量比为1:5。

8.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料支架，其特征在于：所述杆体的截面形状为管状、棒状或扁平状。

9.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料支架，其特征在于：所述杆体采用混杂纤维编织而成，为二维叠层结构、三维立体编织结构或单向纤维形式。

10.根据权利要求9所述的碳纤维复合材料支架，其特征在于：所述混杂纤维编织为三维立体编织结构。

11.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料支架，其特征在于：

杆体的混杂纤维编织结构中，碳纤维所占的质量分数为70-80％。

12.根据权利要求11所述的碳纤维复合材料支架，其特征在于：杆体的混杂纤维编织结构中碳纤维所占的质量分数为75％，碳化硅纤维所占的质量分数为10％，氧化铝纤维所占的质量分数为15％。

13.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料支架，其特征在于：所述杆体的树脂基体为环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯树脂中的一种。

14.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料支架，其特征在于：最终制备的支架中树脂含量为30-50％。

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