CN108032533B - 多腔碳纤维管及其成型模具、成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及管材技术领域，特别是一种多腔碳纤维管；多腔碳纤维管采用平纹或斜纹碳纤维编织布或单向布制成，其横截面具有2个以上的腔室，相邻的两个腔室之间共用侧壁；本发明同时还提供了一种多腔碳纤维管的成型方法，采用该方法制备多腔碳纤维管，解决了由拉挤工艺制备的碳纤维多腔管只能采用单向材料、无法成型较薄壁厚管、无法成型内部复杂的多腔管等问题，制备时可根据设计要求调整碳纤维预浸布缠绕层数，从而改变结构壁厚，制备流程简单，产品合格率高；本发明同时还提供制作多腔碳纤维管的成型模具，所提供的成型模具成型简单，解决了多腔复合材料管成型难的问题。

Description

多腔碳纤维管及其成型模具、成型方法

技术领域

本发明涉及管材技术领域，特别是一种多腔碳纤维管，本发明同时还提供了该多腔碳纤维管的成型模具和成型方法。

背景技术

在汽车碰撞事故中，吸能结构吸收大量碰撞能量，对保障司机和乘客安全有着重要作用，碳纤维具有轻质、高强的特点，有着良好的吸能特性，在受到撞击载荷后，纤维层通过开裂、碎化等过程吸收能量，等质量下吸能量是钢制吸能结构的六到七倍，是铝合金吸能结构的三到四倍。

多腔结构通过增加肋板将横截面分为若干小腔，进而改变了结构形式，大量研究表明：多腔结构耐撞性优于单腔结构，破坏模式更加稳定，具有更高的能量吸收效率。

多腔金属结构由于材料各向同性，可以通过拉挤工艺制备而成。由于复合材料本身各向异性，多腔复合材料管相对多腔金属管成型复杂，目前仅有一些学者通过拉挤工艺制成多腔复合材料管，而这种方法具有明显的局限性，表现在：

(1)、只能拉挤单向纤维丝，若管构成中仅有单方向纤维丝，相对于双向编织布构成的管件，另一方向的力学性能明显偏差；

(2)、拉挤时，纤维丝浸润树脂时，需要通过狭小的拉挤模具型腔，因此拉挤工艺成型的多腔复合材料管，其厚度具有一定的限制，一般不能小于2毫米；

(3)、多腔管内部的构形不能太复杂，否则无法制备出成型的拉挤模具。

因此，目前多腔复合材料管的成型具有很大的难度。

发明内容

本发明为了解决上述多腔复合材料管存在的问题，而提供的一种多腔碳纤维管。

为达到上述功能，本发明提供的技术方案是：

一种多腔碳纤维管，所述多腔碳纤维管采用平纹或斜纹碳纤维编织布或单向布制成，其横截面具有2个以上的腔室，相邻的两个腔室之间共用侧壁。

本发明还提供了上述多腔碳纤维管的成型方法，包括以下步骤：

步骤1、根据要制备的多腔碳纤维管的尺寸设计芯模、上模、下模、卡扣与挡板；

步骤2、清洗并用脱模剂处理芯模、上模和下模，并预热芯模；

步骤3、将碳纤维预浸布反复缠绕在芯模上，其缠绕层数为n₁层，n₁为不小于1的整数；

步骤4、将缠绕有碳纤维预浸布的芯模按多腔碳纤维管的腔管形状进行排列，并在排列后的芯模组外壁继续缠绕碳纤维预浸布，其缠绕层数为n₂层，n₂为不小于1的整数；

步骤5、将二次缠绕碳纤维预浸布的芯模组放入下模内，利用定位孔定位上模，之后合模、锁紧上模和下模；

步骤6、将合模后的模具放入模压机内，设置温度为145℃～150℃，压力为0.15Mpa～0.2Mpa，时间20min～30min，进行固化成型；

步骤7、模压完成后，待制备的多腔碳纤维管自然降温到55℃～60℃后，从模具中取出样件；

步骤8、从样件中取出芯模，形成多腔碳纤维管。

优选地，所述芯模组中相邻两根芯模的朝向相反。

优选地，步骤8中，采用脱模装置从样件中取出芯模；所述脱模装置包括卡扣和一对挡板，所述芯模的头部开设有卡肩，所述卡扣上开设有与所述卡肩相配合的卡槽；

将一对挡板分别固定在样件两端，限制样件前后移动，再将芯模头部的卡肩嵌入卡扣的卡槽中，随后拉动卡扣，利用挡板对样件外壁的反作用力限制样件移动并取出芯模，随后依次取出剩余芯模，形成多腔碳纤维管。

本发明同时还提供了上述多腔碳纤维管的成型模具，所述成型模具包括若干根芯模、上模和下模；

所述芯模的横截面的形状与其所对应的多腔碳纤维管的所述腔室的形状相同，所述芯模横截面边长与其所对应的腔室的内壁边长相等，所述芯模长度应比多腔碳纤维管长五分之一以上，所述芯模的头部设置有卡肩；

所述上模和所述下模整体呈长方体状，所述上模和所述下模分别设置有用于配合的导向孔和导向柱。

优选地，所述下模上设置有用于分模的翘模槽。

优选地，所述下模上设有沿多腔碳纤维管的轮廓分布的飞料边。

本发明的有益效果在于：本发明的多腔碳纤维管由平纹或斜纹碳纤维预浸布经二次缠绕制成，解决了由拉挤工艺制备的碳纤维多腔管只能采用单向材料、无法成型较薄壁厚管、无法成型内部复杂的多腔管等问题；本发明同时还提供了一种多腔碳纤维管的成型方法，采用该方法制备多腔碳纤维管，强度高，碰撞吸能特性好，制备时可根据设计要求调整碳纤维预浸布缠绕层数，从而改变结构壁厚，制备流程简单，产品合格率高；本发明同时还提供制作多腔碳纤维管的成型模具，所提供的成型模具成型简单，解决了多腔复合材料管成型难的问题。

附图说明

图1为实施例一的四腔碳纤维管的结构示意图；

图2为制作实施例一的成型模具的分解示意图；

图3为脱模装置的结构示意图；

图4为实施例二的九腔碳纤维管的横截面示意图；

图5为实施例三的蜂窝状四腔碳纤维管的结构示意图；

图6为制作实施例三的成型模具的横截面图；

图7为制作实施例三的芯模的结构示意图；

图8为实施例三所用的挡板的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1至附图8对本发明作进一步阐述：

实施例一：

如图1所示的一种多腔碳纤维管，包括四腔主管体1，其横截面尺寸为60mm×60mm，各边壁厚均为1.2mm，长500mm，包括四个相同的腔室，对于其中任何一个腔室11，含有圆角111，并与相邻腔室共用侧壁112。

如图2所示为制作如图1所示的四腔碳纤维管的成型模具，该成型模具包括4根完全相同的芯模21和外模，模芯采用金属材料制成，芯模21长610mm，截面为边长28.2mm的正方形，芯模21的头端设置有呈“凸”型的卡肩，含有一对矩形槽211，用于固定卡扣41，芯模21其中一条棱上设置有圆角212。

外模包括下模31和上模32，下模31和上模32分别含有导向孔311和导向柱321。下模31的分模面上开设有进气口312，还设有沿多腔碳纤维管的轮廓分布的飞料边313和用于分模的翘模槽314。

如图3所示的一种脱模装置，该脱模装置用于把芯模从生产图1所示的四腔管样件中取出，其包括卡扣41，两个挡板42，卡扣41开有“凸”型卡槽411，用于与芯模21的卡肩配合并取出芯模，以挡板42为例，开有矩形槽421，矩形槽截面宽度为57.6mm。

在本实施例中，提供了一种图1所示的四腔碳纤维管的成型方法，包括以下步骤：

步骤1、根据要制备的四腔碳纤维管1设计四个芯模21、下模31、上模32以及相应的脱模装置；

步骤2、清洗并用脱模剂处理芯模21、下模31和上模32，并预热芯模21；

步骤3、将平纹碳纤维预浸布在四根芯模21上反复缠绕，直至达到缠绕厚度要求，本实施例中缠绕层数为3层；

步骤4、将缠绕有平纹碳纤维预浸布的芯模21并排定位，组成“田字”结构，并使得互为对角线的两根芯模朝向相同，之后在“田字”结构外侧继续缠绕平纹碳纤维预浸布，直至达到缠绕厚度要求，本实施例中缠绕层数为3层；

步骤5、将二次缠绕平纹碳纤维预浸布的芯模组放入下模31内，利用导向孔311、导向柱321等定位上模32，之后合模、锁紧下模31、上模32；

步骤6、将合模后的外模放入模压机内，设置温度145℃～150℃，压力0.15Mpa～0.2Mpa，时间20min～30min，进行固化成型；

步骤7、模压完成后，待样件固化后自然冷却到55℃～60℃后，从外模中取出样件；

步骤8、将两个挡板42分别固定在样件两侧，限制住样件的移动，再将卡扣41嵌入芯模21的矩形槽211内，拉出芯模21，形成四腔碳纤维管。

在步骤3、4中缠绕层数可根据设计要求进行修改，步骤3中缠绕层数n₁＝t₁/(t×2)，t₁为结构内部隔板厚度，t为每层碳纤维预浸布厚度，单位为mm，步骤4中缠绕层数n₂＝(t₂-t₁/2)/t，t₂为结构外壁厚度，本实施例中，内部隔板、外壁厚度均为1.2mm，每层碳纤维预浸布厚度为0.2mm，因此步骤3、4中缠绕层数均为3层。

在步骤4中要求：将4根芯模21摆放成“田字”型结构，互为对角线的芯模21朝向相同；此摆放方案一方面减少了芯模21的结构形式，能在只使用一种芯模的情况下完成制备工作，另一方面把芯模21的头部错开，方便用卡扣41把芯模21从样件中取出。

在步骤6中挡板42，应保证挡板槽宽介于58.6mm到59.8mm之间。

在步骤8中卡扣41，优选方案为：将卡扣41固定在可提供拉力的机器上，通过机器提供拉力带动卡扣41，取出芯模21。

本实施例中含有圆角111的四腔碳纤维管，破坏模式更加稳定，圆角111提高了吸能效果，具体制备时可根据设计要求调整圆角111大小。

实施例二：

如图4所示为一种九腔碳纤维管的横截面示意图，与实施例1的主要区别在于：该截面为“九宫格形状”，包含三种不同形状的腔室：大腔室51、中腔室52和小腔室53，大腔室51的形状为正方形，位于横截面中心，总数为1个；中腔室52形状为长方形，对称分布于横截面四边，总数为4个；小腔室53形状为正方形且位于横截面四角，总数为4个。

九腔碳纤维管的成型模具的芯模对应上述大腔室51、中腔室52和小腔室53的形状和数量，包括五根正方体芯模与四根长方体芯模。正方体芯模包括一根大正方体芯模和四根小正方体芯模，四根小正方体芯模开有一个圆角，一根大正方体芯模对应大腔室51，四根长方体芯模对应中腔室52，四根小正方体芯模对应小腔室53。

在本实施例中卡扣也包括三种不同的尺寸，分别对应三种不同尺寸的芯模。

实施例三：

如图5所示为蜂窝状四腔碳纤维管，蜂窝状四腔碳纤维管6的截面含有四个正六边形腔室61，相邻腔室61共用侧壁。

图6为制作上述蜂窝状四腔碳纤维管6的成型模具的横截面图，该外模包括下模71、上模72，与实施例一和实施例二的区别在于：下模71、上模72内部型腔为对称的多边形截面且与蜂窝状四腔碳纤维管6外壁轮廓吻合，分模面73与蜂窝状四腔碳纤维管6内部隔板62平行。

如图7所示为制作蜂窝状四腔碳纤维管的芯模8，芯模8为正六面体，含有一对矩形槽81。

如图8所示为用于蜂窝状四腔碳纤维管6脱模的挡板9，内壁截面91为多边形，且与蜂窝状四腔碳纤维管6外壁轮廓吻合。

以上所述实施例，只是本发明的较佳实例，并非来限制本发明的实施范围，故凡依本发明申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明专利申请范围内。

Claims (1)

1.一种多腔碳纤维管的成型方法，其特征在于：多腔碳纤维管采用平纹或斜纹碳纤维编织布或单向布制成，其横截面具有2个以上的腔室，相邻的两个腔室之间共用侧壁；

所述多腔碳纤维管的成型方法包括以下步骤：

步骤1、根据要制备的多腔碳纤维管的尺寸设计芯模、上模、下模、卡扣与挡板；

步骤2、清洗并用脱模剂处理芯模、上模和下模，并预热芯模；

步骤3、将碳纤维预浸布反复缠绕在芯模上，其缠绕层数为n₁层，n₁为不小于1的整数；

步骤4、将缠绕有碳纤维预浸布的芯模按多腔碳纤维管的腔管形状进行排列，并在排列后的芯模组外壁继续缠绕碳纤维预浸布，其缠绕层数为n₂层，n₂为不小于1的整数；所述芯模组中相邻两根芯模的朝向相反；

步骤5、将二次缠绕碳纤维预浸布的芯模组放入下模内，利用定位孔定位上模，之后合模、锁紧上模和下模；

步骤6、将合模后的模具放入模压机内，设置温度为145℃～150℃，压力为0.15Mpa～0.2Mpa，时间20min～30min，进行固化成型；

步骤7、模压完成后，待制备的多腔碳纤维管自然降温到55℃～60℃后，从模具中取出样件；

步骤8、采用脱模装置从样件中取出芯模；所述脱模装置包括卡扣和一对挡板，所述芯模的头部开设有卡肩，所述卡扣上开设有与所述卡肩相配合的卡槽；

将一对挡板分别固定在样件两端，限制样件前后移动，再将芯模头部的卡肩嵌入卡扣的卡槽中，随后拉动卡扣，利用挡板对样件外壁的反作用力限制样件移动并取出芯模，随后依次取出剩余芯模，形成多腔碳纤维管。

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