CN109822997A - 一种槽型构件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种槽型构件及其制备方法。槽型构件是由纤维增强复合材料层和金属层交替层叠而成的凹形构件。其制备方法：将一个或多个金属板分别折弯成槽型，然后每个所述金属板的表面铺设纤维增强复合材料预浸料，再按照预设的层叠顺序叠压在一起，之后热压成型。本发明的槽型构件由纤维增强复合材料和金属交替层叠而成，由此构成的纤维‑金属超混杂复合构件具有较高的比强度与比刚度以及更高的耐疲劳、抗冲击性，同时解决了纯纤维增强复合材料成本昂贵的问题。

Description

一种槽型构件及其制备方法

技术领域

本发明涉及工程构件领域，尤其是涉及一种槽型构件及其制备方法。

背景技术

槽形截面构件是工程结构中常见的一种构件形式，如土木工程中常见的槽钢、槽铝，飞机结构中机身壁板的加劲筋条、汽车结构中防撞梁后的吸能结构等，都是槽形截面构件的典型应用。这种构件截面形式简单，构件之间及构件与结构其余模块之间连接方便、快捷，同时可通过连接件、缀板等结构件组合成工字型、或方形闭口式构件，是一种十分灵活的构件形式。常规的槽形截面构件通常采用钢材制备而成。钢材自重大，由此制备出的构件不符合当前工程结构轻量化的发展趋势。铝合金虽具有轻质高强的特点，但是弹性模量过低，构件极易发生变形，且耐疲劳、耐腐蚀性能差、损伤容限低，对工程结构件的长期服役性能会造成影响。目前通过工艺创新与材料体系创新，利用具有高比强度与比刚度的纤维增强复合材料(fiber reinforced plastic,FRP)已能够成功制备出截面尺寸稳定的槽形截面构件。但是纤维增强复合材料普遍呈现出弹脆性的特征，耐冲击性能远低于金属材料，且其力学性能在湿热环境下会大幅降低，以此制备出的构件不仅会对工程结构的连接性能造成影响，同时工程结构的使用寿命也存在诸多问题。此外，纤维增强复合材料的材料成本与制备成形成本普遍高于金属材料，这也是其未能在工程结构中得到广泛应用的一个原因。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种槽型构件，该槽型构件由纤维增强复合材料和金属交替层叠而成，这两种材料复合后使构件具有较高的比强度与比刚度以及更高的耐疲劳、抗冲击性，同时解决了单纯采用FRP时成本昂贵的问题。

本发明的第二目的在于上述槽型构件的制备方法，该方法将金属预先弯折成形，后叠加FRP预浸料，避免了FRP弯折造成的纤维断裂和不同材料层间分层的缺陷，使产品的质量得到保证。

为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：

一种槽型构件，所述槽型构件由纤维增强复合材料层和金属层交替层叠而成的凹形构件。

纤维增强复合材料FRP具有高比强度与比刚度，然而成本高、耐冲击性能弱；金属自重大，耐疲劳、耐腐蚀性能差，损伤容限低。本发明将以上两种材料交替层叠制成槽型构件，两种材料互补，既能保证材料具有良好的综合性能(质轻、比强度、比刚度、耐疲劳、抗冲击性等方面)，又能降低材料成本。

本发明中，纤维增强复合材料层的材料可以是任意类型的FRP，例如碳纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料、玻璃纤维复合材料或玄武岩纤维增强复合材料等。

金属层可以是钢、铝或钛等工程常用的金属，或上述金属中任意几种的合金。

本发明槽型构件具体尺寸、构件体系内金属与FRP材料的体积配比、金属与FRP的堆叠方式、FRP层合板的铺层形式可根据实际的使用工况需要和承载要求进行设计，本发明举例如下。

优选的，所述槽型构件的最外层为金属层，最内层优选为金属层。

优选地，所述凹形构件包括两侧的翼缘和底部的腹板，所述翼缘与所述腹板之间为圆弧连接。

圆弧连接可以避免内部应力集中导致加工过程中以及服役过程中内部出现分层的隐患。圆弧的具体大小可根据实际使用需要进行设计。

优选地，所述槽型构件层叠中的每层材料为一体成形。

一体成形的结构具有更高的耐冲击强度。一体成形的材料内部为连续性结构，各处的性能也比较一致。

优选地，所述圆弧为四分之圆弧。

四分之圆弧能更大程度分散内部应力。

优选地，所述圆弧的折弯半径R为5～10mm。所述圆弧半径由内侧圆角半径R控制。R为铝合金板折弯半径，从节省成本的角度来讲，建议将各铝合金板的折弯半径R保持一致。根据前期工艺探索，推荐R值为5～10mm。

优选地，所述层叠为一层金属层与两层纤维增强复合材料层交替层叠，或一层纤维增强复合材料层与两层金属层交替层叠，或多层金属层与多层纤维增强复合材料层交替层叠。

优选地，所述翼缘和所述腹板中的至少一个连接有一个或多个通孔。

优选地，所述通孔匹配有紧固件。

设置通孔和紧固件以便于槽型构件与设备中其他模块之间的连接。

本发明对通孔的形状以及紧固件的类型不做限定，只要实现牢固连接即可。

另外，槽型构件即截面为凹槽形的构件，设计时通常根据其受力要求设计其凹形截面尺寸，即腹板与翼缘的宽度，整个槽型构件的长度也需要根据具体的受力要求进行设计。

本发明还提供了上述槽型构件的制备方法，具体如下。

所述槽型构件只含一层金属时，包括下列步骤：

将金属板折弯成槽型，然后向所述金属板的表面铺设纤维增强复合材料的预浸料，之后热压成型；

所述槽型构件含多层金属时，包括下列步骤：

将多个金属板分别折弯成槽型，然后每个所述金属板的表面铺设纤维增强复合材料的预浸料，再按照预设的层叠顺序叠压在一起，之后热压成型。

由于槽型构件为大曲率构件，若将不同材料复合之后再弯折，容易发生内部纤维断裂、层间分层等情况，质量难以保证。为此本发明先将金属板弯折成形，然后再向其外表面铺设纤维增强复合材料的预浸料，再按照预设的层叠顺序叠压在一起，之后热压成型，这样可以提高构件的质量、延长使用寿命。

通常利用弯板机弯将金属板折成槽形折边组件，各金属槽形折边组件的尺寸并不完全相同，应当依据其在整体槽形构件中的位置进行调整，满足相互的配合关系，尤其需要注意的是腹板的宽度尺寸。过渡圆角部分尺寸主要由弯板机的圆角决定。

为了保证FRP能在金属表面牢固附着，且二者之间具有足够的粘结强度，在所述折弯之后和铺设纤维增强复合材料的预浸料之前还包括：

对所述金属板进行表面处理；

所述表面处理至少包含粗糙处理和涂覆胶黏剂中的一种，优选先粗糙处理后涂覆胶黏剂。

其中，所述粗糙处理为磷酸阳极氧化处理(例如金属为铝合金时可采用)或喷砂(更适于钢材)。

涂覆胶黏剂材料通常为树脂胶黏剂，可根据设计要求选用多种树脂体系，通常选择的胶黏剂的固化温度应与FRP预浸料中树脂的固化温度保持一致。

优选地，所述热压成型在模具中进行：用硫化机对模具进行加压和加热。

优选地，所述涂覆胶黏剂工艺可采用的方法包括：用毛刷涂刷液态树脂、喷枪喷涂液态树脂或直接铺贴树脂胶膜，或者其他类似的涂覆工艺。需要注意的是，涂覆胶黏剂表面应根据金属组件在整个槽形构件内的位置来确定，包括单面涂覆胶黏剂和双面涂覆胶黏剂。涂覆胶黏剂工艺的实施一般不超过金属表面处理工艺结束后的5个小时。

为了避免预浸料出现鼓包现象或者溢胶，所述热压时在所述模具的边缘包裹脱模布。

另外，预浸料的类型可以根据需求任意选择，例如单向预浸料、单向织物预浸料、织物预浸料等。

在铺放预浸料之前通常依照金属组件的尺寸对FRP预浸料进行裁剪，根据预先设计好的铺层顺序，在涂覆胶黏剂后的金属表面依次铺贴各预浸料层。预浸料的铺贴应当保证表面平整，无明显鼓包等现象，确保成形质量。至此，完成了整个槽形构件的预组装(即热压之前的全部工序)。

在将预组装的槽形构件放入模具之前，需要对模具进行预处理，确保脱模顺利。模具通常包括阴模与阳模两部分。阴模与阳模之间的空隙为整体槽形构件的厚度，其中阳模的圆角尺寸应当与槽形构件内侧部位的圆角相一致，阴模的圆角尺寸应当与槽形构件外侧部位的圆角相一致，确保构件精准贴模。在模具与构件接触部位先喷涂脱模剂，再铺放脱模布。

另外，通常在热压时对槽型构件边缘进行包边处理，防止成形过程中树脂软化流动发生溢胶现象。可采用脱模布将槽形构件自由边缘处完全包裹紧实。对于外侧为FRP层的槽形构件来说，FRP层与模具直接接触。因此脱模布需覆盖槽形构件整体，包裹时确保无鼓包等缺陷形式出现。

综上，与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：

(1)纤维增强复合材料和金属交替层叠成的槽型构件的综合性能更加，兼具较高的比强度与比刚度以及更高的耐疲劳、抗冲击性、质轻以及低成本等优点；

(2)制备方法避免了FRP弯折造成的纤维断裂和不同材料层间分层的缺陷，使产品的质量得到保证。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的槽型构件的截面图；

图2为本发明实施例1提供的槽型构件的制备流程图；

图3为本发明实施例1提供的槽型构件热压时的结构示意图；

图4为本发明实施例2提供的槽型构件的截面图；

附图标记：

1-翼缘，2-腹板，3-金属层，4-FRP层，5-槽形构件，6-阳模，7-阴模，8-脱模布，9-上压头，10-下压头。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明的实施例基于以下核心结构和制备方法。

一种槽型构件，所述槽型构件由纤维增强复合材料层和金属层交替层叠而成的凹形构件。

纤维增强复合材料FRP具有高比强度与比刚度，然而成本高、耐冲击性能弱；金属自重大，耐疲劳、耐腐蚀性能差，损伤容限低。本发明将以上两种材料交替层叠制成槽型构件，两种材料互补，既能保证材料具有良好的综合性能(质轻、比强度、比刚度、耐疲劳、抗冲击性等方面)，又能降低材料成本。

基本的制备流程为：

所述槽型构件只含一层金属时，包括下列步骤：

将金属板折弯成槽型，然后向所述金属板的表面铺设纤维增强复合材料的预浸料，之后热压成型；

所述槽型构件含多层金属时，包括下列步骤：

将多个金属板分别折弯成槽型，然后每个所述金属板的表面铺设纤维增强复合材料的预浸料，再按照预设的层叠顺序叠压在一起，之后热压成型。

不同实施方式改进了上述基本结构以及制备方法，如下文列举。

优选地，所述凹形构件包括两侧的翼缘和底部的腹板，所述翼缘与所述腹板之间为圆弧连接。

圆弧连接可以避免内部应力集中导致长期使用后内部出现分层的隐患。圆弧的具体大小可根据实际使用需要进行设计。

优选地，所述槽型构件层叠中的每层材料为一体成形。

一体成形的结构具有更高的耐冲击强度。一体成形的材料内部为连续性结构，各处的性能也比较一致。

优选地，所述圆弧为四分之圆弧。

四分之圆弧能更大程度分散内部应力。

优选地，所述圆弧的折弯半径R为5～10mm(如6mm、7mm、8mm、9mm等)。所述圆弧半径由内侧圆角半径R控制。R为铝合金板折弯半径，从节省成本的角度来讲，建议将各铝合金板的折弯半径R保持一致。根据前期工艺探索，推荐R值为5～10mm。

优选地，所述层叠为一层金属层与两层纤维增强复合材料层交替层叠，或一层纤维增强复合材料层与两层金属层交替层叠，或多层金属层与多层纤维增强复合材料层交替层叠。

优选地，所述翼缘和所述腹板中的至少一个连接有一个或多个通孔。

优选地，所述通孔匹配有紧固件。

设置通孔和紧固件以便于槽型构件与设备中其他模块之间的连接。

本发明对通孔的形状以及紧固件的类型不做限定，只要实现牢固连接即可。

优选地，在所述折弯之后和铺设纤维增强复合材料的预浸料之前还包括：

对所述金属板进行表面处理；

所述表面处理至少包含粗糙处理和涂覆胶黏剂中的一种。

优选地，所述粗糙处理为磷酸阳极氧化处理或喷砂。

优选地，所述热压成型在模具中进行：用硫化机对模具进行加压和加热。

优选地，所述热压时在所述模具的边缘包裹脱模布。

实施例1

如图1所示的槽型构件，包括翼缘1和腹板2，该构件为一体成形，材料为FRP层4和金属层3交替层叠，共一层金属和两层FRP，翼缘1和腹板2之间为四分之一圆弧连接。

其加工流程如图2，具体过程为：

第一步、将金属薄板利用弯板机弯折成槽形折边组件；

第二步、对弯折的金属薄板进行表面处理，若为铝合金材料，采用磷酸阳极氧化的方式；若为钢材，则采用表面喷砂工艺；

第三步、完成表面处理后，在金属板表面涂覆胶黏剂；

第四步、依照金属组件的尺寸对FRP预浸料进行裁剪，根据预先设计好的铺层顺序，在涂覆胶黏剂后的金属表面依次铺贴各预浸料层，完成了整个槽形构件的预组装；

第五步、如图3所示，将预组装的槽形构件5放入模具，该模具为经过预处理的，上面铺放有脱模布8，并喷涂脱模剂；

模具包括阴模7与阳模6两部分。阴模7与阳模6之间的空隙为整体槽形构件5的厚度，其中阳模6的圆角尺寸应当与槽形构件内侧部位的圆角相一致，阴模7的圆角尺寸应当与槽形构件外侧部位的圆角相一致；

对槽型构件边缘进行包边处理，然后将整体模具置于平板硫化机上压头9和下压头10之下，通过平板硫化机上下压头对整体模具进行加压、加热，实现槽形构件的最终成形；

固化完毕后，取出试件，拆除试件表面的脱模布，对自由边缘处的毛边进行修剪；推荐采用铣切或者水切割加工，确保机械加工不造成分层损伤。

实施例2

如图4所示的槽型构件，包括翼缘和腹板，该构件为一体成形，材料为FRP层4和金属层3交替层叠，共两层金属和三层FRP，翼缘和腹板之间为四分之一圆弧连接。

其加工方法为：

第一步、将两个金属薄板利用弯板机弯折成槽形折边组件；

第二步、对弯折的金属薄板分别进行表面处理，若为铝合金材料，采用磷酸阳极氧化的方式；若为钢材，则采用表面喷砂工艺；

第三步、完成表面处理后，在两个金属板表面分别涂涂覆胶黏剂黏剂；

第四步、依照金属组件的尺寸对FRP预浸料进行裁剪，根据预先设计好的铺层顺序，在涂覆胶黏剂后的两个金属板表面分别依次铺贴各预浸料层，完成了整个槽形构件的预组装；

第五步、将预组装的槽形构件放入模具，该模具为经过预处理的，上面铺放有脱模布，并喷涂脱模剂；

对槽型构件边缘进行包边处理，然后将整体模具置于平板硫化机上下压头之下，通过平板硫化机上下压头对整体模具进行加压、加热，实现槽形构件的最终成形；

固化完毕后，取出试件，拆除试件表面的脱模布，对自由边缘处的毛边进行修剪；推荐采用铣切或者水切割加工，确保机械加工不造成分层损伤。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种槽型构件，其特征在于，所述槽型构件由纤维增强复合材料层和金属层交替层叠而成的凹形构件；

优选地，所述槽型构件的最外层为金属层，最内层优选为金属层。

2.根据权利要求1所述的槽型构件，其特征在于，所述凹形构件包括两侧的翼缘和底部的腹板，所述翼缘与所述腹板之间为圆弧连接；

优选地，所述圆弧为四分之圆弧。

3.根据权利要求2所述的槽型构件，其特征在于，所述圆弧的折弯半径R为5～10mm。

4.根据权利要求1所述的槽型构件，其特征在于，所述槽型构件层叠中的每层材料为一体成形。

5.根据权利要求1所述的槽型构件，其特征在于，所述翼缘和所述腹板中的至少一个连接有一个或多个通孔；

优选地，所述通孔匹配有紧固件。

6.权利要求1～5任一项所述的槽型构件的制备方法，其特征在于，所述槽型构件只含一层金属时，包括下列步骤：

将金属板折弯成槽型，然后向所述金属板的表面铺设纤维增强复合材料的预浸料，之后热压成型；

所述槽型构件含多层金属时，包括下列步骤：

将多个金属板分别折弯成槽型，然后每个所述金属板的表面铺设纤维增强复合材料的预浸料，再按照预设的层叠顺序叠压在一起，之后热压成型。

7.根据权利要求6所述的槽型构件的制备方法，其特征在于，在所述折弯之后和铺设纤维增强复合材料的预浸料之前还包括：

对所述金属板进行表面处理；

所述表面处理至少包含粗糙处理和涂覆胶黏剂中的一种。

8.根据权利要求6所述的槽型构件的制备方法，其特征在于，所述粗糙处理为磷酸阳极氧化处理或喷砂。

9.根据权利要求6所述的槽型构件的制备方法，其特征在于，所述热压成型在模具中进行：用硫化机对模具进行加压和加热。

10.根据权利要求6所述的槽型构件的制备方法，其特征在于，所述热压时在所述模具的边缘包裹脱模布。