CN109334052B - 一种高效吸能纤维金属复合管及其无模制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效吸能纤维金属复合管的及其模制备方法，包括以下步骤：A1，取经过阳极氧化表面处理的金属内管，根据金属内管的尺寸，裁取一定大小的纤维织物，并对其进行预处理、活化处理，然后缠绕铺放在金属内管上；A2，取经过阳极氧化表面处理的金属外管，并在其轴向和径向钻孔，将其套在铺有纤维织物的金属内管上；根据所设计的纤维金属复合管的结构决定是否在金属外管外部重复铺纤维织物和套金属外管的步骤以及重复次数。本发明提出的一种无需模具制备纤维金属复合管的方法，效率高，灵活性大，成品质量性能优，极大的降低了生产成本，为复合材料低成本制备提供了良好的思路和借鉴。
Description
技术领域
本发明属于先进复合材料及其制备成形领域，特别涉及一种高效吸能纤维金属复合管及其无模制备方法。
背景技术
随着现代社会对先进运输的需求日益增加，各种交通工具的数量越来越多,速度也越来越快。汽车、飞机、轮船等高速便捷的运载器给人们带来极大方便的同时，也不可避免的造成碰撞事故频繁发生，造成严重的生命和财产损失，给社会带来严重的经济负担。因此，碰撞问题已经引起许多国家和政府的高度关注，并先后制定和实施了汽车被动安全相关的法律和技术规范，促使科学家和工程师们研发能量吸收装置，提高各种车辆、船舶、飞行器等运载工具的耐撞性，以减轻碰撞对人员和结构的伤害。
耐撞性研究的核心问题就是能量的转化和吸收。金属薄壁构件因为其成本低廉，能量吸收性能高，技术成熟，稳定可靠而广泛应用于汽车、轨道列车和船舶等几乎所有交通工具的碰撞动能耗散系统中。金属薄壁管在承受冲击载荷时可通过塑性变形，断裂等破损形式来耗散大量冲击动能，是一种十分有效的能量吸收装置。另一方面，在轻量化和环保的发展趋势下，纤维复合材料由于其高比强度，高比刚度和优异的比质量吸能能力，作为一种替代传统金属的材料，在耐撞性应用中越来越受欢迎。
纤维金属复合管作为一种超混杂复合材料，综合了金属和纤维复合材料的优点：在受到碰撞或者冲击载荷作用时，具有良好延展性的金属通过渐进的塑性变形吸收能量，而纤维复合材料通过纤维、基体的断裂、脱层以及纤维拔出等耗散大量冲击动能。因此，可以作为一种优良的能量吸收元件，广泛推广运用到汽车等轨道交通和航天飞行器的碰撞吸能部位，具有良好的工程应用价值。
在复合材料的成本中，制造成本占到总成本的60-70％左右，要想实现复合材料的低成本制造，就要降低复合材料制造工艺的成本。真空辅助树脂传递模塑(VacuumAssisted Resin Transfer Molding，VARTM)是一种先进的高性能复合材料成型工艺，具有生产成本低、成型效率高、产品性能好、对环境污染小等优点，在国内外受到广泛关注。但是其只针对于纯纤维复合材料，而不适用于纤维金属混杂材料的制备且仍然依赖于模具的使用。此外树脂的流动和充模以及与增强材料的浸润过程直接影响VARTM工艺成型复合材料的性能。如果增强材料没有完全浸润，容易在界面处产生孔隙和干斑等缺陷，导致应力集中，对复合材料构件的性能有很大影响。
发明内容
本发明针对交通运输业以及航空航天飞行器对优异吸能元件的迫切需求，提出一种高效吸能纤维金属复合管及其无模制备方法，可以制备出圆形管、方形管、锥形管等不同截面形状的复合管，极大降低了生产成本且满足了不同的实际需求。
一种高效吸能纤维金属复合管的无模制备方法，包括以下步骤：
A1，取经过阳极氧化表面处理的金属内管，根据金属内管的尺寸，裁取一定大小的纤维织物，并对其进行预处理、活化处理，然后缠绕铺放在金属内管上；
A2，取经过阳极氧化表面处理的金属外管，并在其轴向和径向钻孔，将其套在铺有纤维织物的金属内管上；根据所设计的纤维金属复合管的结构决定是否在金属外管外部重复铺纤维织物和套金属外管的步骤以及重复次数；
A3，在复合管内壁依次铺放脱模布和内侧真空袋，在最外层金属外管依次铺放脱模布、导流网、外侧真空袋；检查气密性后使用真空泵抽真空，并保压5-10min后再次检查气密性；
A4，根据36-38wt％的树脂含量，计算配备树脂，并将其置于真空烘箱中抽真空；
A5，真空泵开始对内、外侧真空袋之间抽真空，保压10min后打开树脂注入罐的阀门，在真空负压的作用下树脂从树脂注入罐经导流管导入，树脂经金属管的孔流入并充分浸透纤维织物；
A6，保真空固化后，去除内外侧真空袋、脱模布，得到纤维金属复合管。
所述的制备方法，由金属和纤维构成的一种混杂结构材料，包括2/1结构、3/2结构、4/3结构、5/4结构。
所述的制备方法，在除最内层金属管之外的金属管上沿径向2-6排、沿轴向每隔30-60mm都均匀分布有直径为1-5mm的孔。
所述的制备方法，相邻两层金属管上的孔沿轴向和径向错开分布。
所述的制备方法，步骤A2的最后，在复合管两侧壁放置环状导流塞7和7’，导流塞与管子端部的截面形状相同，采用导流网制作为环状结构。
所述的制备方法，所述金属内管和金属外管为铝合金、钛合金、不锈钢，所述纤维织物为各种玻璃纤维、碳纤维的单轴向、双轴向、三轴向的纤维织物。
所述的制备方法，所述树脂为低收缩聚酯树脂、环氧树脂等，树脂黏度为0.1～0.5Pa·s。
所述的制备方法，所述的保真空固化，其真空度达到-0.095MPa以上。
所述的制备方法，所述的预处理、活化处理方法为：预处理：索氏提取器中用丙酮作为溶剂抽提48h，105℃下干燥1h后，活化处理：首先浸入80℃的HC1∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5的溶液中处理5min，用蒸馏水冲洗数次后，在80℃的NH3∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5的溶液中处理5min，最后用0.5％的硅烷偶联剂/乙醇溶液处理30min，105℃下干燥。
有益效果：
本发明提出了一种高效吸能纤维金属复合管，包括圆形管、方形管、锥形管等不同截面形状的复合管，综合了金属和纤维复合材料的优势，同时在金属管上引入孔，有利于在承受碰撞冲击载荷时，以稳定可靠的失效模式发生溃缩变形，具有较高的能量吸收效率，有效缓解交通运输业以及航空航天飞行器对优异吸能元件的迫切需求。
附图说明
图1为本发明高效吸能纤维金属复合管无模制备方法流程图。
图2为本发明高效吸能纤维金属复合管制备示意图。
图3为2/1结构高效吸能纤维金属复合圆管示意图。
图4为2/1结构高效吸能纤维金属复合锥形管示意图。
图5为3/2结构高效吸能纤维金属复合方形管示意图。
图6为4/3结构高效吸能纤维金属复合圆管示意图。
图1中，1，1’—树脂导入导流管，2，2’—树脂注入罐，3—外侧真空袋，4—导流网，5—外壁脱模布(带孔)，6—内壁脱模布，7—环状导流塞，8—内侧真空袋，9，9’—T型三通接头，10，10’—树脂导出导流管，11，11’—左右扁嘴大力钳，12，12’—树脂收集罐，13，13’—抽真空接口，14—内层金属管，15—纤维层，16—外层金属管，17，17’—上下扁嘴大力钳。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
第一步选取一根外径为38mm内径为35mm长300mm的6061铝合金圆管作内管，通过磷酸阳极氧化对其进行表面处理。裁取长600mm宽300mm的单向玻璃纤维编织布(铺5层)，预处理：索氏提取器中用丙酮作为溶剂抽提48h，105℃下干燥1h后，活化处理：首先浸入80℃的HC1∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5的溶液中处理5min，用蒸馏水冲洗数次后，在80℃的NH3∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5的溶液中处理5min，最后用0.5％的硅烷偶联剂/乙醇溶液处理30min，105℃下干燥。将经过预处理和活化处理的单向玻璃纤维编织布，缠绕铺放在铝管上(0°方向平行于铝管轴线方向)；
第二步选取一根外径为43mm内径为40mm长300mm的6061铝合金圆管作外管，磷酸阳极氧化表面处理后，采用水切割钻孔，沿轴向每隔60mm，沿径向4排均匀分布钻孔，孔直径为1.0mm。钻孔后套在铺有单向玻璃纤维编织布的铝管内管上；在复合管两侧壁放置环状导流塞7和7’，导流塞与管子端部的截面形状相同，采用导流网制作的环状结构；
第三步在复合管内壁依次铺放脱模布6和内侧真空袋8，复合管外壁上依次铺放脱模布5、导流网4和外侧真空袋3；用密封胶和T型三通接头9和9’密封夹紧两侧真空袋，将树脂导出导流管10和10’的一端与T型三通接头连接，另一端与树脂收集罐12和12’连接，并用扁嘴大力钳11和11’夹紧。树脂收集罐的抽真空口13和13’与真空泵连接。在复合管上下中心位置外侧真空袋处放置树脂导入导流管1和1’，并用密封胶密封，导流管的另一端连接树脂注入罐2和2’，并用扁嘴大力钳17和17’夹紧。
第四步按照36wt％的树脂含量(树脂含量指的是树脂重量占纤维树脂部分的总重量的比例)配备聚酯树脂，并将其置于真空烘箱中抽真空30min后分别注入树脂注入罐2和2’；
第五步取下扁嘴大力钳11和11’，夹紧扁嘴大力钳17和17’，真空泵开始抽真空至-0.095MPa以上，保压10min后取下扁嘴大力钳17和17’，在真空负压的作用下树脂分别从树脂注入罐2和2’经导流管导入，树脂经孔流入并充分浸透纤维织物后，多余的树脂流入树脂收集罐，此时夹紧扁嘴大力钳11和11’；
第六步去除树脂收集罐、树脂注入罐和真空泵后，将其放入真空烘箱中固化(80℃/3h)，固化完成后去除真空袋、脱模布等辅助材料，得到2/1结构的玻璃纤维铝合金复合圆管。
实施例2
第一步选取一根小头外径为30mm内径为27mm，大头外径为58mm内径为55mm长300mm的6061铝合金圆管作内管，通过磷酸阳极氧化对其进行表面处理。裁取上底长95mm，下底长185mm，高300mm等腰梯形的单向玻璃纤维编织布(铺4层)，预处理：索氏提取器中用丙酮作为溶剂抽提48h，105℃下干燥1h后，活化处理：首先浸入80℃的HC1∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5的溶液中处理5min，用蒸馏水冲洗数次后，在80℃的NH3∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5的溶液中处理5min，最后用0.5％的硅烷偶联剂/乙醇溶液处理30min，105℃下干燥。将经过预处理和活化处理的单向玻璃纤维编织布，缠绕铺放在铝锥管上(0°方向平行于铝管轴线方向)；
第二步选取一根小头外径为35mm内径为32mm，大头外径为63mm内径为60mm的6061铝合金圆管作外管，采用水切割钻孔，沿轴向每隔50mm，沿径向4排均匀分布钻孔，孔直径为2.0mm。钻孔后套在铺有单向玻璃纤维编织布的铝管内管上；在复合管两侧壁放置环状导流塞7和7’；
第三步在复合管内壁依次铺放脱模布6和真空袋8，复合管外壁外侧依次铺放脱模布5、导流网4和真空袋3。用密封胶和T型三通接头9和9’密封夹紧两侧真空袋，将树脂导出导流管10和10’的一端与T型三通接头连接，另一端与树脂收集罐12和12’连接，并用扁嘴大力钳11和11’夹紧。树脂收集罐的抽真空口13和13’与真空泵连接。在复合管上下中心位置外侧真空袋处放置树脂导入导流管1和1’，并用密封胶密封，导流管的另一端连接树脂注入罐2和2’，并用扁嘴大力钳17和17’夹紧；
第四步按照36wt％的树脂含量配备聚酯树脂，并将其置于真空烘箱中抽真空30min后分别注入树脂注入罐2和2’；
第五步取下扁嘴大力钳11和11’，夹紧扁嘴大力钳17和17’，真空泵开始抽真空至-0.095MPa以上，保压10min后取下扁嘴大力钳17和17’，在真空负压的作用下树脂分别从树脂注入罐2和2’经导流管导入，树脂经孔流入并充分浸透纤维织物后，多余的树脂流入树脂收集罐，此时夹紧扁嘴大力钳11和11’；
第六步去除树脂收集罐、树脂注入罐和真空泵后，将其放入真空烘箱中固化(80℃/3h)，固化完成后去除真空袋、脱模布等辅助材料，得到2/1结构的玻璃纤维铝合金复合锥形管。
实施例3
第一步选取一根外径为46mm厚1mm长200mm的TA2钛合金方形管作第一层金属管，通过丙酮超声波清洗对其进行表面处理。裁取长1500mm宽200mm的双轴向碳纤维编织布(铺8层)，作第一层纤维层，在预处理：索氏提取器中用丙酮作为溶剂抽提48h，105℃下干燥1h后，活化处理：首先浸入80℃的HC1∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5的溶液中处理5min，用蒸馏水冲洗数次后，在80℃的NH3∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5的溶液中处理5min，最后用0.5％的硅烷偶联剂/乙醇溶液处理30min，105℃下干燥。将经过预处理和活化处理的双轴向碳纤维编织布，缠绕铺放在钛管上；
第二步选取一根外径为48mm厚1mm长200mm的TA2钛合金方形管作第二层金属管，一根外径为50mm厚1mm长200mm的TA2钛合金管作第三层金属管，采用水切割钻孔，沿轴向每隔20mm，沿径向4排均匀分布钻孔，孔直径为1.5mm。钻孔后经过丙酮超声波清洗，将第二层钛管套在第一层纤维层上。再裁取长1600mm宽200mm的双轴向碳纤维编织布(铺8层)，作第二层纤维层，重复第一步中的预处理、活化处理后铺在第二层钛管上。最后将第三层钛管套在第二层纤维层上；在复合管两侧壁放置环状导流塞7和7’。
第三步在复合管内壁依次铺放脱模布6和内侧真空袋8，复合管第三层金属管外壁上依次铺放脱模布5、导流网4和外侧真空袋3。用密封胶和T型三通接头9和9’密封夹紧两侧真空袋，将树脂导出导流管10和10’的一端与T型三通接头连接，另一端与树脂收集罐12和12’连接，并用扁嘴大力钳11和11’夹紧。树脂收集罐的抽真空口13和13’与真空泵连接。在复合管上下中心位置外侧真空袋处放置树脂导入导流管1和1’，并用密封胶密封，导流管的另一端连接树脂注入罐2和2’，并用扁嘴大力钳17和17’夹紧；
第四步按照38wt％的树脂含量配备环氧树脂，并将其置于真空烘箱中抽真空30min后分别注入树脂注入罐2和2’；
第五步取下扁嘴大力钳11和11’，夹紧扁嘴大力钳17和17’，真空泵开始抽真空至-0.095MPa以上，保压10min后取下扁嘴大力钳17和17’，在真空负压的作用下树脂分别从树脂注入罐2和2’经导流管导入，树脂经孔流入并充分浸透纤维织物后，多余的树脂流入树脂收集罐，此时夹紧扁嘴大力钳11和11’；
第六步去除树脂收集罐、树脂注入罐和真空泵后，将其放入真空烘箱中固化(120℃/3.5h)，固化完成后去除真空袋、脱模布等辅助材料，得到3/2结构的碳纤维钛合金复合方管。
实施例4
第一步选取一根外径为20mm内径为17mm长400mm的2024铝合金管作第一层金属管，通过磷酸阳极氧化对其进行表面处理。裁取长400mm宽300mm的三轴向玻璃纤维编织布(铺5层)，作第一层纤维层，纤维层预处理：索氏提取器中用丙酮作为溶剂抽提48h，105℃下干燥1h后，纤维层活化处理：首先浸入80℃的HC1∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5的溶液中处理5min，用蒸馏水冲洗数次后，在80℃的NH3∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5的溶液中处理5min，最后用0.5％的硅烷偶联剂/乙醇溶液处理30min，105℃下干燥。将经过预处理和活化处理的三轴向玻璃纤维编织布，缠绕铺放在钛管上；
第二步选取一根外径为25mm内径为22mm长400mm的2024铝合金管作第二层金属管，一根外径为30mm内径为27mm长400mm的2024铝合金管作第三层金属管，一根外径为35mm内径为32mm长400mm的2024铝合金管作第四层金属管，采用水切割钻孔，沿轴向每隔40mm，沿径向6排均匀分布钻孔，孔直径为2.0mm。钻孔后将第二层铝管套在第一层纤维层上。再裁取长500mm宽400mm的三轴向玻璃纤维编织布(铺5层)，作第二层纤维层，长600mm宽400mm的三轴向玻璃纤维编织布(铺5层)，作第三层纤维层。第二层第三层纤维层均执行第一步中的纤维层预处理、纤维层活化处理后，将第二层纤维铺在第二层铝管上，并套上第三层铝管。最后将第三层纤维铺在第三层铝管上，并套上第四层铝管；在复合管两侧壁放置环状导流塞7和7’；
第三步在复合管内壁依次铺放脱模布6和外侧真空袋8，复合管外壁第四层铝管上依次铺放脱模布5、导流网4和内侧真空袋3。用密封胶和T型三通接头9和9’密封夹紧两侧真空袋，将树脂导出导流管10和10’的一端与T型三通接头连接，另一端与树脂收集罐12和12’连接，并用扁嘴大力钳11和11’夹紧。树脂收集罐的抽真空口13和13’与真空泵连接。在复合管上下中心位置外侧真空袋处放置树脂导入导流管1和1’，并用密封胶密封，导流管的另一端连接树脂注入罐2和2’，并用扁嘴大力钳17和17’夹紧；
第四步按照38wt％的树脂含量配备环氧树脂，并将其置于真空烘箱中抽真空30min后分别注入树脂注入罐2和2’；
第五步取下扁嘴大力钳11和11’，夹紧扁嘴大力钳17和17’，真空泵开始抽真空至-0.095MPa以上，保压10min后取下扁嘴大力钳17和17’，在真空负压的作用下树脂分别从树脂注入罐2和2’经导流管导入，树脂经孔流入并充分浸透纤维织物后，多余的树脂流入树脂收集罐，此时夹紧扁嘴大力钳11和11’；
第六步去除树脂收集罐、树脂注入罐和真空泵后，将其放入真空烘箱中固化(120℃/5h)，固化完成后去除真空袋、脱模布等辅助材料，得到4/3结构的玻璃纤维铝合金复合管。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种高效吸能纤维金属复合管的无模制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A1，取经过阳极氧化表面处理的金属内管，根据金属内管的尺寸，裁取一定大小的纤维织物，并对其进行预处理、活化处理，然后缠绕铺放在金属内管上；
A2，取经过阳极氧化表面处理的金属外管，并在其轴向和径向钻孔，将其套在铺有纤维织物的金属内管上；根据所设计的纤维金属复合管的结构决定是否在金属外管外部重复铺纤维织物和套金属外管的步骤以及重复次数；在除最内层金属管之外的金属管上沿径向2-6排、沿轴向每隔30-60mm都均匀分布有直径为1-5mm的孔；相邻两层金属管上的孔沿轴向和径向错开分布；
A3，在复合管内壁依次铺放脱模布和内侧真空袋，在最外层金属外管依次铺放脱模布、导流网、外侧真空袋；检查气密性后使用真空泵抽真空，并保压5-10min后再次检查气密性；
A4，根据36-38wt％的树脂含量，计算配备树脂，并将其置于真空烘箱中抽真空；
A5，真空泵开始对内、外侧真空袋之间抽真空，保压10min后打开树脂注入罐的阀门，在真空负压的作用下树脂从树脂注入罐经导流管导入，树脂经金属管的孔流入并充分浸透纤维织物；
A6，保真空固化后，去除内外侧真空袋、脱模布，得到纤维金属复合管。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，由金属和纤维构成的一种混杂结构材料，包括3/2结构、4/3结构、5/4结构。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤A2的最后，在复合管两侧壁放置环状导流塞(7，7’)，导流塞与管子端部的截面形状相同，采用导流网制作为环状结构。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属内管和金属外管为铝合金、钛合金、不锈钢，所述纤维织物为各种玻璃纤维、碳纤维的单轴向、双轴向、三轴向的纤维织物。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述树脂为低收缩聚酯树脂、环氧树脂，树脂黏度为0.1～0.5Pa·s。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的保真空固化，其真空度达到-0.095MPa以上。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的预处理、活化处理方法为：预处理：索氏提取器中用丙酮作为溶剂抽提48h，105℃下干燥1h后，活化处理：首先浸入80℃的HC1∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5的溶液中处理5min，用蒸馏水冲洗数次后，在80℃的NH3∶H2O2∶H2O＝1∶1∶5的溶液中处理5min，最后用0.5％的硅烷偶联剂/乙醇溶液处理30min，105℃下干燥。
8.根据权利要求1-7任一所述的制备方法制备的高效吸能纤维金属复合管。
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