CN111075829A - 一种混杂纤维增强树脂基复合材料铰链及其制造方法 - Google Patents

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董晴晴
单永林
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Abstract

本发明公开了一种混杂纤维增强树脂基复合材料铰链，包括铰链孔壁、外包圈和捻条，所述铰链孔壁的外壁与捻条相连接，所述铰链孔壁和捻条外部包裹外包圈。本发明还公开了一种混杂纤维增强树脂基复合材料铰链的制造方法，包括：在芯模上铺贴铰链孔壁预制体，在下模上铺贴外包圈预制体，并制作捻条；将铰链孔壁预制体和捻条放置在外包圈预制体的铰链孔处，将外包圈预制体翻折包裹铰链孔壁预制体和捻条；将上模合到下模上，经制袋、固化、脱模后，得到混杂纤维增强树脂基复合材料铰链。本发明铰链孔壁与外包圈一体成型，还可以与其他复合材料结构件实现共固化一体成型，无需装配连接。

Description

一种混杂纤维增强树脂基复合材料铰链及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种混杂纤维增强树脂基复合材料铰链及其制造方法，属于复合材料技术领域。
背景技术
纤维增强树脂基复合材料具有比强度高，比模量高、耐腐蚀、抗疲劳等优点，在航空航天、轨道交通、汽车等领域得到了广泛的应用。然而在一些转动连接结构中仍然采用传统的金属铰链，需要进行机械连接或胶接固定，并且金属铰链与复合材料之间存在电偶腐蚀，需对金属铰链做特殊处理。因此需要设计一种复合材料铰链用于复合材料结构的转动连接。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种混杂纤维增强树脂基复合材料铰链及其制造方法，铰链孔壁与外包圈一体成型，无需装配连接。
为解决上述技术问题，本发明提供一种混杂纤维增强树脂基复合材料铰链，包括铰链孔壁、外包圈和捻条，所述铰链孔壁的外壁与捻条相连接，所述铰链孔壁和捻条外部包裹外包圈。
进一步地，所述外包圈包括铰链孔壁区、中部厚度均匀区和尾部厚度过渡区，所述中部厚度均匀区与尾部厚度过渡区之间设有折弯部，所述中部厚度均匀区与尾部厚度过渡区中心线的夹角α为120°~180°。
进一步地，所述尾部厚度过渡区为斜坡式连续过渡区，通过递减铺层实现，所述尾部厚度过渡区的斜度为5°~8°。
进一步地，所述铰链孔壁的材质为玄武岩纤维，具有良好的耐磨性。
进一步地，所述外包圈的材质为玻璃纤维或者碳纤维，所述捻条的材质为碳纤维，碳纤维和玻璃纤维具有高的比强度和比模量，保证铰链的强度和刚度。
进一步地，所述铰链孔壁的厚度为1~2mm。
本发明还提供一种混杂纤维增强树脂基复合材料铰链的制造方法，包括：
在芯模上铺贴铰链孔壁预制体，在下模上铺贴外包圈预制体，并制作捻条；
将铰链孔壁预制体和捻条放置在外包圈预制体的铰链孔处，将外包圈预制体翻折包裹铰链孔壁预制体和捻条；
将上模合到下模上，经制袋、固化、脱模后，得到混杂纤维增强树脂基复合材料铰链。
进一步地，所述铰链孔壁预制体的铺贴方法为：在芯模上缠绕若干圈玄武岩纤维预浸料形成铰链孔壁预制体，铰链孔壁预制体的铺层角度为90°，预浸料的纤维方向与铰链旋转方向一致。
进一步地，所述外包圈预制体的铺贴方法为：所述外包圈预制体包括铰链孔壁区、中部厚度均匀区和尾部厚度过渡区；在下模上按照铺层顺序铺贴碳纤维预浸料，在铰链孔壁区、中部厚度均匀区均匀铺层，在尾部厚度过渡区进行递减铺层，递减铺层的层阶梯宽度不小于2.5mm。
进一步地，所述捻条的制作方法为：将碳纤维预浸料卷成实心圆棒，然后压成三角形，形成捻条。
本发明所达到的有益效果：
（1）本发明铰链孔壁与外包圈采用低成本OoA工艺一体成型，无需装配连接；设置尾部厚度过渡区可避免与其他复合材料结构连接时引起的厚度突变，消除应力集中；还可以将铰链与其他复合材料预制件匹配连接后实现共固化一体成型，连接区域厚度变化平缓，降低偏心力矩。
（2）铰链孔壁采用玄武岩纤维材料极大提高了铰链孔壁的耐磨性，相对传统的金属铰链，该复合材料铰链稳定可靠，轻质高强，耐疲劳，耐腐蚀，与复合材料匹配性好。
附图说明
图1为本发明一种混杂纤维增强树脂基复合材料铰链的结构示意图。
图2为本发明一种混杂纤维增强树脂基复合材料铰链模具示意图。
图3为铰链孔壁预制体成型示意图。
图4为外包圈预制体铺层示意图。
其中，各主要附图标记的含义为：
1-铰链孔壁，2-外包圈，21-铰链孔壁区，22-中部厚度均匀区，23-尾部厚度过渡区，3-捻条，4-芯模，5-上模，6-下模，7-玄武岩纤维预浸料，8-碳纤维预浸料。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供一种混杂纤维增强树脂基复合材料铰链，包括铰链孔壁1、外包圈2和捻条3，铰链孔壁1的外壁与捻条3相连接，铰链孔壁1和捻条3外部包裹外包圈2。
所述外包圈2包括铰链孔壁区21、中部厚度均匀区22和尾部厚度过渡区23，所述中部厚度均匀区22与尾部厚度过渡区23之间设有折弯部，所述中部厚度均匀区22与尾部厚度过渡区23中心线的夹角α为120°~180°。所述尾部厚度过渡区为斜坡式连续过渡,通过递减铺层实现，递减铺层的层阶梯宽度不小于2.5mm。所述尾部厚度过渡区23的斜度（即中心线与上斜面之间的夹角或中心线与下斜面之间的夹角）为8°。
所述铰链孔壁1的厚度为1~2mm。所述铰链孔壁1的材质为玄武岩纤维，具有良好的耐磨性；所述外包圈2的材质为玻璃纤维或者碳纤维，所述捻条3的材质为碳纤维，碳纤维和玻璃纤维具有高的比强度和比模量，保证铰链的强度和刚度。
本发明提供一种混杂纤维增强树脂基复合材料铰链的制造方法，包括：
步骤一、裁剪预浸料：
玄武岩纤维预浸料裁剪为长度沿90°方向的矩形长条，碳纤维预浸料根据铺层角度45°、0°、45°、0°进行裁剪。
步骤二、模具准备：
如图2所示，准备芯模4、下模6和上模5，芯模4采用聚四氟乙烯脱模布包裹，上模5和下模6铺贴面涂抹脱模剂，上模5和下模6的材质均为不锈钢。
步骤三、预浸料的铺贴：
在芯模4上缠绕三圈玄武岩纤维预浸料7形成铰链孔壁预制体（见图3）；其中，铰链孔壁预制体的铺层角度为90°，预浸料的纤维方向与铰链旋转方向一致；
在下模6上按照铺层顺序铺贴碳纤维预浸料8，在铰链孔壁区21、中部厚度均匀区22均匀铺层，在尾部厚度过渡区23进行递减铺层，递减铺层的的层阶梯宽度不小于2.5mm，形成外包圈预制体（见图4）；
将碳纤维窄带预浸料卷成实心圆棒，然后压成三角形，形成捻条。
步骤四、包裹外包圈：
将铰链孔壁预制体和捻条放置在外包圈预制体的铰链孔处，将外包圈预制体翻折包裹铰链孔壁预制体和捻条。
步骤五、合模，制袋，固化，脱模：
将上模5合到下模6上并用定位销定位；铺放透气毡，真空袋，密封胶条密封，抽真空；放入到烘箱中并按照固化制度在80℃~120℃条件下加热固化，固化完成后，去除辅助材料和上模5，去除芯模4得到混杂纤维增强树脂基复合材料铰链。
本发明铰链孔壁与外包圈采用低成本OoA工艺一体成型，无需装配连接；设置尾部厚度过渡区可避免与其他复合材料结构连接时引起的厚度突变，消除应力集中；还可以将铰链与其他复合材料预制件匹配连接后实现共固化一体成型，连接区域厚度变化平缓，降低偏心力矩。
本发明铰链孔壁采用玄武岩纤维材料极大提高了铰链孔壁的耐磨性，相对传统的金属铰链，该复合材料铰链稳定可靠，轻质高强，耐疲劳，耐腐蚀，与复合材料匹配性好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种混杂纤维增强树脂基复合材料铰链，其特征是，包括铰链孔壁、外包圈和捻条，所述铰链孔壁的外壁与捻条相连接，所述铰链孔壁和捻条外部包裹外包圈。
2.根据权利要求1所述的一种混杂纤维增强树脂基复合材料铰链，其特征是，所述外包圈包括铰链孔壁区、中部厚度均匀区和尾部厚度过渡区，所述中部厚度均匀区与尾部厚度过渡区之间设有折弯部，所述中部厚度均匀区与尾部厚度过渡区中心线的夹角α为120°~180°。
3.根据权利要求2所述的一种混杂纤维增强树脂基复合材料铰链，其特征是，所述尾部厚度过渡区为斜坡式连续过渡区，所述尾部厚度过渡区斜度为5°~8°。
4.根据权利要求1所述的一种混杂纤维增强树脂基复合材料铰链，其特征是，所述铰链孔壁的材质为玄武岩纤维。
5.根据权利要求1所述的一种混杂纤维增强树脂基复合材料铰链，其特征是，所述外包圈的材质为玻璃纤维或者碳纤维，所述捻条的材质为碳纤维。
6.根据权利要求1所述的一种混杂纤维增强树脂基复合材料铰链，其特征是，所述铰链孔壁的厚度为1~2mm。
7.一种混杂纤维增强树脂基复合材料铰链的制造方法，其特征是，包括：
在芯模上铺贴铰链孔壁预制体，在下模上铺贴外包圈预制体，并制作捻条；
将铰链孔壁预制体和捻条放置在外包圈预制体的铰链孔处，将外包圈预制体翻折包裹铰链孔壁预制体和捻条；
将上模合到下模上，经制袋、固化、脱模后，得到混杂纤维增强树脂基复合材料铰链。
8.根据权利要求7所述的一种混杂纤维增强树脂基复合材料铰链的制造方法，其特征是，所述铰链孔壁预制体的铺贴方法为：在芯模上缠绕若干圈玄武岩纤维预浸料形成铰链孔壁预制体，铰链孔壁预制体的铺层角度为90°，预浸料的纤维方向与铰链旋转方向一致。
9.根据权利要求7所述的一种混杂纤维增强树脂基复合材料铰链的制造方法，其特征是，所述外包圈预制体的铺贴方法为：所述外包圈预制体包括铰链孔壁区、中部厚度均匀区和尾部厚度过渡区；在下模上按照铺层顺序铺贴碳纤维预浸料，在铰链孔壁区、中部厚度均匀区均匀铺层，在尾部厚度过渡区进行递减铺层，递减铺层的层阶梯宽度不小于2.5mm。
10.根据权利要求7所述的一种混杂纤维增强树脂基复合材料铰链的制造方法，其特征是，所述捻条的制作方法为：将碳纤维预浸料卷成实心圆棒，然后压成三角形，形成捻条。
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