CN111070736B - 一种提高碳纤维缠绕金属混合管弯曲性能的方法 - Google Patents

一种提高碳纤维缠绕金属混合管弯曲性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种提高碳纤维缠绕金属混合管弯曲性能的方法，将碳纤维缠绕在金属管外表面，其中碳纤维丝被含有石墨烯的热固性树脂浸润，金属管表面涂覆一层热塑性树脂，高温处理后冷却，冷却开始时，将石棉管置于金属管内部；采用干式或湿式缠绕方式。本发明的一种增强金属管件外缠绕碳纤维复合材料弯曲性能的方法，解决了传统碳纤维缠绕金属混合管成型过程中，由于不同材料热膨胀过程所产生的界面间隙，而使其弯曲性能下降等问题。

Description

一种提高碳纤维缠绕金属混合管弯曲性能的方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，涉及一种提高碳纤维缠绕金属混合管弯曲性能的方法。
背景技术
金属薄壁结构由于其优良的吸能性能，被广泛应用于乘客或货物在发生事故时的防护。出于轻量化的要求和强度的提升目的，采用铝合金管作为载体，外部缠绕碳纤维复合材料的混合管结构，既减轻了薄壁管件的质量，又提升了薄壁管件的强度，还解决了纯碳纤维复合材料薄壁管的连接问题。碳纤维缠绕金属混合管常被用于汽车车门防撞梁、保险杠等结构件中，对于其抗弯强度和吸能量要求较高。但是金属管外缠绕碳纤维复合材料在制造过程中，由于金属管与碳纤维复合材料管热膨胀系数不同，在冷却过程中，金属管收缩快于碳纤维复合材料管而导致金属管对碳纤维材料管产生拉应力，进而在粘结层产生微小裂纹和空隙，使得金属管与碳纤维复合材料管之间的粘结性能降低。这会导致碳纤维缠绕金属混合管的弯曲性能(如抗弯强度、吸能量)的降低。
因此，研究一种提高碳纤维缠绕金属混合管弯曲性能的方法非常重要。
发明内容
本发明提供一种提高碳纤维缠绕金属混合管弯曲性能的方法，目的是解决如何提高现有技术中因金属管件与其外缠绕的碳纤维复合材料的粘结缺陷而导致的混合管弯曲性能下降的问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种提高碳纤维缠绕金属混合管弯曲性能的方法，将碳纤维缠绕在金属管外表面，高温处理后冷却，冷却开始时，将石棉管置于金属管内部；
采用干式缠绕或湿式缠绕。
本发明的原理为：
本发明的增强碳纤维缠绕金属混合管弯曲性能的方法，高温共固化后冷却时，将石棉管置入铝合金管中，降低铝合金管层的散热能力。通过对金属管的散热性能的降低和碳纤维复合材料管的散热性能的提高，改变金属管与碳纤维复合材料管的温度变化速率来控制碳纤维复合材料管在相同时间内的收缩速率较金属管高，即在同一时间碳纤维复合材料管的收缩量大于金属管，使得碳纤维复合材料管在收缩时受到由于金属管的收缩速度慢产生的阻碍，从而形成碳纤维管对金属管的压应力，保证树脂与金属管的密切接触。本发明还采用含有石墨烯材料的热固性树脂，利用石墨烯的高导热性，石墨烯的作用是提高碳纤维复合材料管的散热能力。
本发明还运用了热塑性树脂，将热塑性树脂涂敷在金属管上，并依据热塑性树脂的性能在常温下为固态，而在达到热塑性树脂的熔点时，热塑性树脂呈熔融状态，具有流动性。热固性树脂的作用是浸润碳纤维丝，使得热固性树脂与碳纤维丝在高温下可固化成型，形成碳纤维复合材料，热固性树脂固化后不会再变为熔融态。首先利用砂纸打磨铝合金管，铝合金表面形成坑洼形貌，增加热塑树脂储存空间；接着在表面涂覆热塑性树脂，常温下固化，形成一层在高温下可熔融的流动粘结层；而由于碳纤维复合材料管与金属管之间有一层热塑性树脂层，所以压应力作用于热塑性树脂层，使得流动的热塑性树脂层流动与碳纤维复合材料管与金属管之间，形成一层贴合的粘结层。最后取出石棉管，完成碳纤维缠绕金属混合管的制作。
如上所述的方法，碳纤维的规格为T700或T300，所述缠绕中采用的热固性树脂为环氧树脂或聚酞亚胺树脂或双马来聚酞亚胺树脂，金属管为铝合金管或不锈钢管，石棉管的导热为系数为0.104～0.260W/(m·K)，石棉管的厚度为3～5mm，所述石棉管与金属管的配合为H7/g6的间隙配合。
如上所述的方法，高温处理具体为：在90℃的温度条件下保温2小时，再升温到110℃保温2小时，再升温到220℃保温2小时，冷却为在室温下(自然)冷却。
如上所述的方法，所述干式缠绕采用真空辅助成型。
干式缠绕的原理是将碳纤维干丝缠绕至金属管上，然后用真空袋封装缠绕后的金属管，然后抽真空，利用真空差将热固性树脂吸入真空袋中浸润碳纤维干丝，然后一起送入烘箱高温处理，即为真空辅助成型。
如上所述的方法，所述湿式缠绕是指将碳纤维干丝浸泡在热固性树脂中，在金属管件外按铺层信息将热固性碳纤维预浸料缠绕至金属管上。
如上所述的方法，在金属管外表面涂覆聚碳酸酯或聚醚砜，利用其高温下具有流动性使得碳纤维复合材料管与金属管之间粘合更贴合，涂覆厚度为0.5～1mm。
如上所述的方法，在涂覆前，在金属管外表面打磨致表面形成坑洼形貌，表面粗糙度达0.4～0.8μm。
如上所述的方法，所述打磨采用砂纸，砂纸的目数为320目。
如上所述的方法，热固性树脂中还含有石墨烯，石墨烯的含量为3～5wt％。
本发明还提供一种金属管件外缠绕碳纤维复合材料，与传统方法制备的金属管外缠绕碳纤维复合材料在相同的三点弯曲实验条件下，其抗弯强度提升了2％以上，弯曲过程中的吸能量提升3％以上，测试按GB/T 3356-2014定向纤维增强聚合物基复合材料弯曲性能实验方法。
有益效果：
(1)本发明的一种提高碳纤维缠绕金属混合管弯曲性能的方法，解决了传统金属管外缠绕碳纤维复合材料成型过程中，粘结层产生的微小裂纹和间隙，增强金属管与碳纤维复合材料管的粘结性能，进而提高了其弯曲性能。
(2)本发明的一种碳纤维缠绕金属混合管，通过利用热塑性树脂高温下呈流动状态，使得原本的固-固收缩变成了固-液-固收缩，更均匀的填充满金属管与碳纤维管之间的间隙，形成完美的粘结层。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图
图2为三点弯曲试验示意图
图3是本发明实施例与对比例载荷-位移曲线图
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示，一种提高碳纤维缠绕金属混合管弯曲性能的方法，将碳纤维缠绕在金属管外表面(其中碳纤维丝被含有石墨烯的热固性树脂浸润，金属管表面涂覆一层热塑性树脂)，高温处理后冷却，冷却开始时，将石棉管置于金属管内部；
缠绕为干式缠绕或湿式缠绕。所述干式缠绕采用真空辅助成型；干式缠绕的原理是将碳纤维干丝缠绕至金属管上，然后用真空袋封装缠绕后的金属管，然后抽真空，利用真空差将热固性树脂吸入真空袋中浸润碳纤维干丝，然后一起送入烘箱高温处理，即为真空辅助成型。所述湿法缠绕是指将碳纤维干丝浸泡在热固性树脂中，在金属管件外按铺层信息将热固性碳纤维预浸料缠绕至金属管上。
碳纤维的规格为T700或T300，所述缠绕中采用的热固性树脂为环氧树脂、聚酞亚胺树脂或双马来聚酞亚胺树脂，金属管为铝合金管或不锈钢管，石棉管的导热为系数为0.104～0.260W/(m·K)，石棉管的厚度为3～5mm，所述石棉管与金属管的配合为H7/g6的间隙配合。
高温处理具体为：在90℃的温度条件下保温2小时，再升温到110℃保温2小时，再升温到220℃保温2小时，冷却为在室温下(自然)冷却。
在金属管外表面涂覆聚碳酸酯或聚醚砜，利用其高温下具有流动性使得碳纤维复合材料管与金属管之间粘合更贴合，涂覆厚度为0.5～1mm。在涂覆前，在金属管外表面打磨致表面形成坑洼形貌，表面粗糙度达0.4～0.8μm。所述打磨采用砂纸，砂纸的目数为320目。
如上所述的方法，热固性树脂中还含有石墨烯，石墨烯的含量为3～5wt％。
本发明还提供一种金属管件外缠绕碳纤维复合材料，与传统方法制备的金属管外缠绕碳纤维复合材料在相同的三点弯曲实验条件下，其抗弯强度提升了2％以上，弯曲过程中的吸能量提升3％以上。测试按GB/T 3356-2014定向纤维增强聚合物基复合材料弯曲性能实验方法，如图2所示。
实施例1
用目数为320的砂纸对铝合金管进行表面处理；在铝合金表面涂抹0.5mm厚的热塑性树脂聚碳酸酯，待其室温下固化，将铝合金管放置于四轴纤维缠绕机的夹具上；调制含质量分数为5％石墨烯的环氧树脂，置入树脂槽中，树脂槽放置滚轮，滚轮的下半部浸泡于树脂中，将碳纤维干丝放置于滚轮上，利用滚轮旋转时带起的树脂浸润碳纤维干丝；将碳纤维湿丝通过滑轮机构接入四轴纤维缠绕机并绑在铝合金管上；设定缠绕的碳纤维层角度为±45°，缠绕三层；缠绕完成后取下混合管放入烘箱，90℃保温2小时，升温到110℃保温2小时，再升温到220℃保温2小时固化，此时热塑性树脂已成熔融状态，取出混合管，将石棉管置入其中，放置室温环境下冷却，由于石棉管的存在一定程度降低了铝管的散热，使其收缩速度下降，而含石墨烯的碳纤维复合材料管导热性能增强，散热快，其收缩速度快，从而形成压应力作用于熔融的热塑性树脂上，充满铝管与碳纤维复合材料管之间，避免了冷却时铝管收缩快于碳纤维复合材料管而产生的裂纹与间隙，从而提高粘结性能，最后，取下石棉管，制成铺层角度为[45°/-45°]3的铝合金外缠绕碳纤维复合材料。三点弯曲实验下抗弯强度104992.60MPa，吸能量为293625.49J。
对比例1
将铝合金管放置于四轴纤维缠绕机的夹具上；将环氧树脂置入树脂槽中，树脂槽放置滚轮，滚轮的下半部浸泡于树脂中，将碳纤维干丝放置于滚轮上，利用滚轮旋转时带起的树脂浸润碳纤维干丝；将碳纤维湿丝通过滑轮机构接入四轴纤维缠绕机并绑在铝合金管上；设定缠绕的碳纤维层角度为±45°，缠绕三层；缠绕完成后取下混合管放入烘箱，90℃保温2小时，升温到110℃保温2小时，再升温到220℃保温2小时固化，取出混合管，放置室温环境下冷却，制成铺层角度为[45°/-45°]3的铝合金外缠绕碳纤维复合材料；三点弯曲实验下，抗弯强度100044.58Mpa，吸能量为278830.34J。
从图3可以看出，按本发明的方法，抗弯强度和弯曲过程中的吸能量都有大幅度提升。

Claims (8)

1.一种提高碳纤维缠绕金属混合管弯曲性能的方法，其特征是：将碳纤维缠绕在金属管外表面，高温处理后冷却，冷却开始时，将石棉管置于金属管内部；
缠绕为干式缠绕或湿式缠绕；
碳纤维的规格为T700或T300，所述缠绕中采用的热固性树脂为环氧树脂或不饱和聚酯树脂，金属管为铝合金管或不锈钢管，石棉管的导热为系数为0.104～0.260W/（m·K），石棉管的厚度为3~5mm，所述石棉管与金属管的配合为H7/g6的间隙配合。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，高温处理具体为：在90℃的温度条件下保温2小时，再升温到110℃保温2小时，再升温到220℃保温2小时，冷却为在室温下冷却。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干式缠绕采用真空辅助成型。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述湿式缠绕是指将碳纤维干丝浸泡在热固性树脂中，在金属管件外按铺层信息将热固性碳纤维预浸料缠绕至金属管上。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在金属管外表面涂覆聚碳酸酯或聚醚砜，涂覆厚度为0.5~1mm。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在涂覆前，在金属管外表面打磨致表面形成坑洼形貌，表面粗糙度达0.4~0.8μm。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述打磨采用砂纸，砂纸的目数为320目。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，热固性树脂中还含有石墨烯，石墨烯的含量为3~5wt%。
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