CN110067199A - 一种防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索、其制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索、制备工艺及应用，所述的防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索，包括碳纤维纱束和设置在所述碳纤维纱束外围的网格状束缚层，所述的碳纤维纱束包括沿同一方向排列的若干碳纤维纱；所述相邻的碳纤维纱之间、碳纤维纱与所述网格状束缚层之间通过树脂基体粘合固化为一体结构。本发明的外层网格状束缚层复合内部主承力层结构，可有效防范索在应力大小或方向发生变化时产生基体胀裂、纤维脱粘等失效风险，提高拉力索的鲁棒性及长期使用的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种大拉力单索，具体涉及一种防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索，本发明还涉及所述防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索的制备方法及其应用。
背景技术
主缆是悬索桥的主承力构件，也是悬索桥的生命线，目前通用的大拉力索一般采用钢索；随着碳纤维复合材料技术的发展，各国在桥梁方面探索大拉力索的应用，1996年在瑞士的温特图尔建成了世界上第一座的使用碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)索的斜拉桥—Stork桥，在其24根斜拉桥的拉索中，2根斜拉索采用了CFRP拉索，其余仍是高强钢绞线拉索。日本的Tskuba市人行桥和法国的Laroin市斜拉桥均因荷载轻而全部采用了CFRP斜拉索。1999年丹麦建成了总长80m的Herning人行斜拉桥，该桥采用的16根CFRP斜拉索，每根CFRP斜拉索是由32根CFRP 绞线组成。美国的Gilman桥采用6根CFRP斜拉索和6根AFRP斜拉索取代了该桥中部分传统钢索；日本在Kurushima悬索桥(跨径1030m)中，首次采用碳纤维束作为猫道的主要缆索，选择碳纤维索的主要原因是其自重只有钢缆索的1/5，可以减小索的初拉力。
CFRP拉索由于长期处于高应力等级受力状态，对拉力索强度及尺寸稳定性和长期使用可靠性要求苛刻，限制了目前阶段CFRP索在实际桥梁工程中的应用和推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索，所述的防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力索具有质量轻，抗拉强度高，受到外力冲击时尺寸稳定性好，不容易产生破坏等特点，可以大幅度减小复合材料索受力情况下的尺寸稳定性和长期使用的可靠性，可有效避免长期使用的风险。
本发明还涉及防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索的制备方法；
进一步地，本发明还涉及所述的防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索构成的大拉力索。
为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索，包括：
碳纤维纱束和设置在所述碳纤维纱束外围的编织网格状束缚层，所述的碳纤维纱束包括沿同一方向排列的若干碳纤维纱；所述相邻的碳纤维纱之间、碳纤维纱与所述网格状束缚层之间通过树脂基体粘合固化为一体结构。
所述碳纤维纱的拉伸强度为5880MPa-6500MPa，拉伸模量为 294GPa-320GPa，伸长率为2.0％-5％。
网格状束缚层包括多个增强纤维束，增强纤维束之间相互交叉设置构成网格状；所述每个增强纤维束包括沿相同方向排列的增强纤维纱。
所述每一碳纤维纱束包括85～95股12K碳纤维纱；所述增强纤维束包括24根6K增强纤维纱。
所述的树脂基体为环氧树脂或乙烯基树脂。
一种的防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索的制备方法，包括下述方法：
S1、将用作束缚层的增强纤维纱的纱卷固定在高速编织机编织轮上，将碳纤维纱和增强纤维纱穿过模具固定到牵引机上，合模；
S2、将用作束缚层的增强纤维纱按照设计的角度进行编织，包裹于碳纤维纱构成的碳纤维纱束外层形成复合材料大拉力索单索的预成型体；
S3、防胀碳纤维增强树脂基复合材料大拉力索单索的拉挤成型：
将模具分为三区，其中第一区加热到(140～155)℃，其中第二区加热到(175～185)℃，其中第三区加热到(190～210)℃；将制备的复合材料大拉力索单索的预成型体按照设定的参数布设到模具中，中间主体增强部分每一束纱穿过盛放有树脂基体的树脂槽后集束。
一种大拉力索，包括若干所述的防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索。
所述防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索的数量为7-19个。
若干所述防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索的两端分别固定于锚具上。
构成大拉力索的述防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索通过强韧性保护套固定。
与现有技术相比，本发明具有下述有益效果：
(1)本发明提供的防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索包括碳纤维纱束和设置在所述碳纤维纱束外围的网格状束缚层，即单索结构分为内外两部分，内层为主承力结构部分，由单轴向高强度碳纤维复合材料组成，外层以环向特定的设计角度缠绕碳纤维纱网格状束缚层复合而成。与传统的单向拉力碳纤维复合材料索不同，本发明的外层网格状束缚层复合内部主承力层结构，可有效防范索在应力大小或方向发生变化时产生基体胀裂、纤维脱粘等失效风险，提高拉力索的鲁棒性及长期使用的可靠性。本发明发明的缠绕+拉挤制备工艺，不同于传统的树脂基复合材料拉挤工艺，结合缠绕工艺技术，实现了上述单索结构的制备。因此本发明的让单索具有良好的防胀功能，尺寸稳定性好。
(2)本发明的一种防胀碳纤维增强树脂基复合材料大拉力索合股时，在间隙之间填充环氧灌封胶，形成整根碳纤维增强树脂基复合材料大拉力索。所用的树脂基体为含有浸润剂的增韧改性环氧树脂，与碳纤维具有良好的粘接强度和界面强度，可以大幅度提高树脂与碳纤维的粘接强度。
(3)本发明公开的大拉力索由多股单索组成，每股单索由特殊增强体增强的环氧树脂基体包裹，最外表面为强韧性保护套组成；本发明的防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力索具有质量轻，抗拉强度高等特点，可以大幅度减小复合材料索受力情况下的尺寸稳定性和长期使用的可靠性，可避免长期使用的风险。
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是本发明的防胀碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索的结构示意图；
图2为高速编织机编织轮和牵引机结构示意图；
图3为直筒式锚具结构示意图；
图4为内锥式锚具结构示意图；
附图标记：1-碳纤维纱，2-树脂基体，3-网格状束缚层，4-锭子，5-平行碳纤维纱，6-圆形转盘，7-导向后碳纤维纱线，8-碳纤维纱预成型体；9- 防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索，10-直筒式锚具，11-内锥式锚具。
具体实施方式
下面将对发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。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。
如图1所示，本发明提供了一种防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索，包括：
碳纤维纱束和设置在所述碳纤维纱束外围的网格状束缚层3，所述的碳纤维纱束包括沿同一方向排列的若干碳纤维纱1；所述相邻的碳纤维纱1 之间、碳纤维纱1与所述网格状束缚层之间通过树脂基体2粘合固化为一体结构。
所述碳纤维纱1的拉拉伸强度为5880MPa-6500MPa，拉伸模量为 294GPa-320GPa，伸长率为2.0％-5％。
网格状束缚层3包括多个增强纤维束，增强纤维束之间相互交叉设置构成网格状；所述每个增强纤维束包括沿相同方向排列的增强纤维纱。
所述每一碳纤维纱束包括85～95股12K碳纤维纱1；所述增强纤维束包括20-40根6K增强纤维纱。
所述的树脂基体为环氧树脂或乙烯基树脂。
一种的防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索的制备方法，包括下述步骤：
S1、将用作束缚层的增强纤维纱的纱卷固定在图2所示的高速编织机的锭子4上形成平行纱线5，平行纱线5穿过设置在圆形转盘6上的导向孔后，将导向后碳纤维纱线7穿过模具固定到牵引机上，合模；
S2、将用作束缚层的增强纤维纱按照设计的角度进行编织，包裹于碳纤维纱1构成的碳纤维纱束外层形成复合材料大拉力索单索的预成型体8；
S3、防胀碳纤维增强树脂基复合材料大拉力索单索的拉挤成型：
将模具分为三区，其中第一区加热到(140～155)℃，其中第二区加热到(175～185)℃，其中第三区加热到(190～210)℃；将制备的复合材料大拉力索单索的预成型体按照设定的参数布设到模具中，中间主体增强部分每一束纱穿过盛放有树脂基体的树脂槽后集束。
一种大拉力索，包括若干所述的防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索9，所述防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索的数量为 7-19个；所述防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索的两端分别固定于锚具上，所述的锚具为图3所示的直筒式锚具，或者为图4的内锥式锚具。
优选地，将7-19根所述防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索通过强韧性保护套固定，所述的保护套为具有较高强度的环形结构，套在大拉力单索的外侧。
作为另一种实施方式，将7-19根所涉及的防胀碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索合股，并在间隙之间填充环氧灌封胶粘结固定，形成整根碳纤维增强树脂基复合材料大拉力索。
所述碳纤维纱1选自日本东丽公司的T700S碳纤维纱或T800碳纤维纱或T1000碳纤维纱，T700碳纤维的拉伸强度为4900MPa，T700碳纤维的拉伸强度为4900MPa，T1000的碳纤维纱的拉伸强度5800MPa。所述碳纤维纱也可以是与之性能相当的中复神鹰、江苏恒神等其他牌号的碳纤维纱。各种碳纤维纱的性能如下：
T700S：拉伸强度：4900MPa，拉伸模量：230GPa，伸长率：2.1％，密度：1.80g/cm3，直径：7μm，上浆剂：50C 1.0％，热膨胀系数：-0.38 α·10(-6)/℃，比热容：0.18Cal/g·℃，热导率：0.0224Cal/㎝·s·℃，电阻:1.6×10(-3)Ω·㎝，含碳量:93％，钠钾含量：<50ppm。
T800S：拉伸强度：5880MPa，拉伸模量：294GPa，伸长率：2.0％，密度：1.80g/cm3，直径：5μm，上浆剂：50E 0.5％，热膨胀系数：-0.43 α·10(-6)/℃，比热容：0.18Cal/g·℃，热导率：0.0224Cal/㎝·s·℃，电阻:1.6×10(-3)Ω·㎝，含碳量:94％，钠钾含量：<50ppm。
T1000G:拉伸强度：6370MPa，拉伸模量：294GPa，伸长率：2.2％，密度：1.80g/cm3，直径：5μm，上浆剂：40D 0.7％，热膨胀系数：-0.55 α·10(-6)/℃，比热容：0.18Cal/g·℃，热导率：0.0765Cal/㎝·s·℃，电阻:1.4×10(-3)Ω·㎝，含碳量:95％，钠钾含量：<50ppm。
用于制备网格状束缚层3的增强纤维可以为T300碳纤维纱或T700S 的碳纤维纱，碳纤维纱的抗拉强度。各种碳纤维纱的性能如下：
T300：拉伸强度：3530MPa，拉伸模量：230GPa，伸长率：1.5％，密度：1.76g/cm3，直径：7μm，上浆剂：40A 1.0％，热膨胀系数：-0.41 α·10(-6)/℃，比热容：0.19Cal/g·℃，热导率：0.025Cal/㎝·s·℃，电阻:1.7×10(-3)Ω·㎝，含碳量:93％，钠钾含量：<50ppm。
纱线进入成型模具之前，在轴向单向纱浸胶之后，复合编织增强纤维纱，复合编织增强纤维纱的设备为24锭高速编织机，操作示意图如图2所示。转盘式编织机的工件原理转盘式编织机又称为高速编织机，它的工作原理是设备中间圆形转盘带动一半锭子转动，而另一半锭子则在固定环面上向相反的方向沿曲线转动而形成线的交叉，编织成网状表面。编织机的组成:有放线装置，编织机，模座，牵引轮，收排线装置和电气机械传动系统。编织机的传动系统将运动传递到编织圆盘中心的齿轮，由该齿轮分三个方向传给小齿轮，再由小齿轮传动自动彼此相联的且为圆周分布的锭子齿轮，在每个齿轮上装着具有四个凹槽的爪轮并与相邻的爪轮的凹槽相对，锭子下部的圆柱形轴端插入凹槽中移动，并在相邻爪轮上作逐个的传递，驱使锭子作圆周运动.锭子的真正运动轨迹，是由锭子座下的棱形长棱体，沿着盘体与芯轮组成的轨道来实现锭子的正弦曲线圆周运动。锭子又分成两组，两组锭子按相反的方向转动，促成碳纤维纱线丝的交叉而形成编织。
本发明所述的一种防胀碳纤维增强树脂基复合材料大拉力索，通过拉挤工艺与编织工艺相结合制备出四周含有编织结构的杆状结构而成的。
本发明所述的一种防胀碳纤维增强树脂基复合材料大拉力索，以改性韧性环氧树脂为基体材料，所述的环氧树脂基体为增韧改性的环氧树脂，树脂中含有浸润剂，提高环氧树脂与碳纤维的界面性能；所述的增韧改性的环氧树脂为胺类固化缩水甘油类环氧树脂，所述的浸润剂为苯胺甲基三乙氧基硅烷。
形成的所述碳纤维增强复合材料纤维含量在60％～80％之间；
形成的所述网格状束缚层3的厚度占总厚度的7％～13％之间；编织纤维角度为0°/90°/±45°/60°/30°几种组合。编织纤维的根数为12根～24根，编织纤维丝束为12k以下的纤维纱。
所述的浸润剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷或γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。
防胀碳纤维增强树脂基复合材料大拉力索单索的制备详细步骤为：
(1)、防胀碳纤维增强树脂基复合材料大拉力索单索的预成型体制备
按照设计的所述防胀碳纤维增强树脂基复合材料大拉力索单索结构，采用12K的T700S碳纤维纱作为主要的增强材料，中间主体部分采用轴方向单向束，将设计纱线数卷数的碳纤维纱1固定在纱架上；采用3K的T800S 碳纤维纱作为束缚层增强纤维，将束缚层的增强纤维设置为24束，将束缚层的纤维纱卷固定在编织轮上。将中间主体增强纱和束缚层的纱穿过模具固定到牵引机上，合模。
(2)、将束缚层的纱卷按照设计的角度进行编织，包裹于碳纤维纱1 (作用为主体增强纱)的外层形成复合材料大拉力索单索的预成型体；
为了较好的编织碳纤维材料，借助于展纱装置尽可能的保障碳纤维纱尽可能展开，保证所设计的束缚层材料位置相对准确并对中间主体部位尽可能的包裹到位；
(3)、防胀碳纤维增强树脂基复合材料大拉力索单索的拉挤成型
将模具分为三区，其中第一区加热到(140～155)℃，其中第二区加热到(175～185)℃，其中第三区加热到(190～210)℃；将制备的碳纤维增强树脂基复合材料大拉力索单索预成型体按照设定的参数布设到模具中，中间主体增强部分每一束纱穿过树脂槽后集束；开启编织机，按照设定的工艺参数，
(4)、防胀碳纤维增强树脂基复合材料大拉力索合股
方案①：将7根所涉及的防胀碳纤维增强树脂基复合材料大拉力索合股，并在间隙之间填充环氧灌封胶，形成整根碳纤维增强树脂基复合材料大拉力索，其承载能力为80吨。
方案②：将19根所涉及的防胀碳纤维增强树脂基复合材料大拉力索合股，并在间隙之间填充环氧灌封胶，形成整根碳纤维增强树脂基复合材料大拉力索，其承载能力为220吨。
方案③：将15根所述防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索通过强韧性保护套固定，所述的保护套为具有较高强度的环形结构，套在大拉力单索的外侧。
实施例
以直径8mmCFRP大拉力单索为例。
该大拉力单索内层主承力层由X根日本东丽T700S-12K单向碳纤维纱增强环氧树脂组成，环向网格束缚层由24根日本东丽T800S-3K单向碳纤维纱增强环氧树脂组成，所述的环氧树脂均为Araldite GY6010+D400体系；网格束缚层的编织纤维角度为0°/30°/组合。采用本发明提供的拉挤+ 缠绕制备方法制备的单索达到的性能如下：
拉伸强度≥2400MPa；拉伸弹性模量≥160GPa；断裂伸长率≥1.6％； 1000h松弛率≤1％。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索，其特征在于，包括：
碳纤维纱束和设置在所述碳纤维纱束外围的网格状束缚层(3)，所述的碳纤维纱束包括沿同一方向排列的若干碳纤维纱(1)；所述相邻的碳纤维纱(1)之间、碳纤维纱(1)与所述网格状束缚层(3)之间通过树脂基体(2)粘合固化为一体结构。
2.根据权利要求1所述的防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索，其特征在于，
所述碳纤维纱(1)的拉伸强度为5880MPa-6500 MPa，拉伸模量为294GPa-320 GPa，伸长率为2.0％-5％。
3.根据权利要求1所述的防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索，其特征在于，
网格状束缚层(3)包括多个增强纤维束，增强纤维束之间相互交叉设置编织构成网格状；所述每个增强纤维束包括沿相同方向排列的增强纤维纱。
4.根据权利要求3所述的防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索，其特征在于，
所述每一碳纤维纱束包括85～95股12K碳纤维纱；所述增强纤维束包括24根6K增强纤维纱。
5.根据权利要求1-4任一项所述的防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索，其特征在于，所述的树脂基体(2)为环氧树脂或乙烯基树脂。
6.一种的防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索的制备方法，其特征在于包括下述方法：
S1、将用作束缚层(3)的增强纤维纱的纱卷固定在高速编织机的锭子(4)上，将碳纤维纱(1)或增强纤维纱穿过模具固定到牵引机上，合模；
S2、将用作束缚层(3)的增强纤维纱按照设计的角度进行编织，包裹于碳纤维纱(1)构成的碳纤维纱束外层形成复合材料大拉力索单索的预成型体(8)；
S3、防胀碳纤维增强树脂基复合材料大拉力索单索的拉挤成型：
将模具分为三区，其中第一区加热到(140～155)℃，其中第二区加热到(175～185)℃，其中第三区加热到(190～210)℃；将制备的复合材料大拉力索单索的预成型体按照设定的参数布设到模具中，中间主体增强部分每一束纱穿过盛放有树脂基体(2)的树脂槽后集束。
7.一种大拉力索，其特征在于包括若干权利要求1-5任一项所述的防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索。
8.根据权利要求7所述的大拉力索，其特征在于，所述防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索的数量为7-19个。
9.根据权利要求7所述的大拉力索，其特征在于，若干所述防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索的两端分别固定于锚具上，大拉力单索的间隙之间填充环氧灌封胶粘结固定。
10.根据权利要求7所述的大拉力索，其特征在于，构成大拉力索的述防胀型碳纤维增强树脂基复合材料大拉力单索通过强韧性保护套固定。
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