CN111621119A - 一种连续碳纤维复合材料螺栓 - Google Patents
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Abstract
一种连续碳纤维复合材料螺栓，本发明属于螺纹紧固件领域，它为了解决现有复合材料螺栓强度低、尺寸大的问题。本发明连续碳纤维复合材料螺栓是以连续碳纤维作为增强体，以咪唑环氧树脂作为基体制成预浸料，预浸料按照质量百分含量由连续碳纤维、咪唑环氧树脂和固化剂而成，通过预浸料固化成型连续碳纤维复合材料螺栓。该连续碳纤维复合材料螺栓可以为M5、M6或M8六角头螺栓。本发明连续碳纤维复合材料螺栓采用了连续纤维，具有较高的强度，尺寸达到了传统金属螺栓的尺寸大小，与金属螺栓相比具有质量轻、比强度高、耐腐蚀、耐候、绝缘性能好等优点。
Description
技术领域
本发明属于螺纹紧固件领域，具体涉及一种碳纤维复合材料螺栓。
背景技术
碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好，具有良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。
环氧树脂是指分子中含有两个以上环氧基团的一类聚合物的总称。它是环氧氯丙烷与双酚A或多元醇的缩聚产物。其力学性能高，粘附力强，固化收缩率小，工艺性好，固化基本不产生低分子挥发物，具有优良的电绝缘性能，稳定性好，抗化学药品性优良。
碳纤维复合材料具有质量轻、比强度高、抗疲劳性能强、耐腐蚀、耐绝缘等优点，广泛应用于航空、航天、汽车、造船、体育等各个领域。由于复合材料具有耐腐蚀性和绝缘性，因此各种复合材料结构件和制品在化工防腐和电气工程中得到了普遍应用。而在这些设备进行连接时，传统地采用金属材料进行连接，如金属螺栓等，但在某些特定环境中，这种钢制的螺纹制品容易腐蚀生锈，而难以拆卸。与金属材料相比，复合材料螺栓具有优良的耐腐蚀性、耐疲劳性、电气绝缘性、绝热性、非磁性、轻量性及可装饰性等性能，故而复合材料螺栓在国内外的化工防腐、电气工程、铁路运输、船舶、航空等领域已取得了广泛的应用。
目前国内复合材料螺栓使用的大多是短纤维，具有强度低、尺寸大等缺点，无法满足大多数使用要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有复合材料螺栓强度低、尺寸大的问题，而提供一种连续碳纤维复合材料螺栓。
本发明连续碳纤维复合材料螺栓是以连续碳纤维作为增强体，以咪唑环氧树脂作为基体制成预浸料，预浸料按照质量百分含量由60％～70％的连续碳纤维、20％～30％的咪唑环氧树脂和5％～15％固化剂而成，通过预浸料固化成型连续碳纤维复合材料螺栓。
本发明所述的连续碳纤维增强的复合材料螺栓与金属螺栓尺寸相同，此种复合材料螺栓因为采用了连续纤维，因此具有较高的强度，尺寸达到了传统金属螺栓的尺寸大小，制备的此种复合材料螺栓，与金属螺栓相比具有质量轻、比强度高、耐腐蚀、耐候、绝缘性能好等优点，在化工防腐、电气工程、铁路运输、船舶、航空等领域具有广泛的应用前景，填补了国内的空白。
附图说明
图1为本发明连续碳纤维复合材料螺栓的尺寸结构示意图；
图2为栓帽的尺寸结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式连续碳纤维复合材料螺栓是以连续碳纤维作为增强体，以咪唑环氧树脂作为基体制成预浸料，预浸料按照质量百分含量由60％～70％的连续碳纤维、20％～30％的咪唑环氧树脂和5％～15％固化剂而成，通过预浸料固化成型连续碳纤维复合材料螺栓。
本实施方式预浸料中以低分子聚酰胺为固化剂，环氧树脂和低分子聚酰胺的质量比为 10:4.5～6。
本实施方式通过对TDE85/615咪唑环氧树脂体系，E51/70酸酐/DMT30环氧树脂体系， QY8911双马来酰亚胺树脂体系三种树脂体系做DSC测试、流变学测试、接触角的测量、力学性能的测试，最终选择了各方面性能优越的TDE85/615咪唑环氧树脂体系。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的咪唑环氧树脂的型号为TDE85/615。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是所述的连续碳纤维的直径为7μm。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是所述的连续碳纤维为日本东丽T700型号的连续碳纤维。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是预浸料按照质量百分含量由60％～65％的连续碳纤维、20％～27％的咪唑环氧树脂和10％～15％固化剂而成。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是所述的预浸料为片状模塑料。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是固化成型采用模压成型。
本实施方式模压成型温度为120～155℃，成型压力为140～210MPa。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是所述的连续碳纤维复合材料螺栓为无开口销孔的螺栓。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是所述的连续碳纤维复合材料螺栓为六角头螺栓。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是所述的连续碳纤维复合材料螺栓为M5、M6或M8六角头螺栓。
实施例1：本实施例连续碳纤维复合材料M5螺栓是以日本东丽T700型号的连续碳纤维作为增强体，以TDE85/615型号的咪唑环氧树脂作为基体制成预浸料，预浸料按照质量百分含量由62.7％的连续碳纤维、25％咪唑环氧树脂和12.3％的固化剂(低分子聚酰胺)而成，通过模压固化成型连续碳纤维复合材料螺栓。
本实施例预浸料的模压固化成型按照以下步骤实现：
一、按照质量百分含量为62.7％的连续碳纤维、25％咪唑环氧树脂和12.3％的固化剂制作成片状模塑料，片状模塑料剪裁成长方形或圆形，制作样板裁料；
二、在模具内涂敷脱模剂；
三、将样板裁料按照上小下大呈锥形重叠放置在模具内，通过压机进行模压成型，在 135℃的成型温度、成型压力200MPa下成型，保温保压固化得到连续碳纤维复合材料螺栓。
本实施例连续碳纤维复合材料螺栓为无开口销孔的M5六角头螺栓，M5六角头螺栓尺寸结构图如图1所示。该六角头螺栓的s(公称)为8.0mm，k(公称)＝3.5mm，r为0.2mm， e＝8.63mm，d＝6.74mm，长度L为22mm，a为2.4mm。
经测试，日本东丽T700型号的碳纤维与TDE85/615型号的咪唑环氧树脂的接触角为约为33°，表面浸润性良好；此种复合材料螺栓和±45°/0°的碳纤维增强板配合时，单个螺栓的剪切力最大可达6.85kN，界面剪切强度为348.96MPa；拉伸强度为2205.6MPa，拉伸模量114.4GPa，弯曲强度为1439.76MPa，弯曲模量117.4GPa，断裂延伸率1.53％，泊松比为0.2834，力学性能优异。
实施例2：本实施例连续碳纤维复合材料M6螺栓是以日本东丽T700型号的连续碳纤维作为增强体，以TDE85/615型号的咪唑环氧树脂作为基体制成预浸料，预浸料按照质量百分含量由60.4％的连续碳纤维、26.4％的咪唑环氧树脂和13.2％的固化剂而成，通过模压固化成型连续碳纤维复合材料螺栓。
本实施例连续碳纤维复合材料螺栓为无开口销孔的M6六角头螺栓，M6六角头螺栓尺寸结构图如图2所示。该六角头螺栓的s(公称)为10mm，k(公称)＝4mm，r为0.25mm，e＝10.89mm，d＝8.74mm，长度L为26mm，a为3mm。
经测试，日本东丽T700型号的碳纤维与TDE85/615型号的咪唑环氧树脂的接触角为约为33°，表面浸润性良好；此种复合材料螺栓和±45°/0°的碳纤维增强板配合时，单个螺栓的剪切力最大可达6.33kN，界面剪切强度为334.65MPa；拉伸强度为2115.5MPa，拉伸模量110.1GPa，弯曲强度为1415.50MPa，弯曲模量116.1GPa，断裂延伸率1.32％，泊松比为0.2843，力学性能优异。
实施例3：本实施例连续碳纤维复合材料M8螺栓是以日本东丽T700型号的连续碳纤维作为增强体，以TDE85/615型号的咪唑环氧树脂作为基体制成预浸料，预浸料按照质量百分含量由63.2％的连续碳纤维、24.6％的咪唑环氧树脂和12.2％的固化剂而成，通过模压固化成型连续碳纤维复合材料螺栓。
本实施例连续碳纤维复合材料螺栓为无开口销孔的M8六角头螺栓，M6六角头螺栓尺寸结构图如图1所示。该六角头螺栓的s(公称)为13mm，k(公称)＝5.3mm，r为0.4mm， e＝14.2mm，d＝11.47mm，长度L为22mm，a为4mm。
经测试，日本东丽T700型号的碳纤维与TDE85/615型号的咪唑环氧树脂的接触角为约为33°，表面浸润性良好；此种复合材料螺栓和±45°/0°的碳纤维增强板配合时，单个螺栓的剪切力最大可达6.93kN，界面剪切强度为350.25MPa；拉伸强度为2022.3MPa，拉伸模量115.3GPa，弯曲强度为1366.98MPa，弯曲模量119.3GPa，断裂延伸率1.21％，泊松比为0.3035，力学性能优异。
Claims (10)
1.一种连续碳纤维复合材料螺栓，其特征在于该连续碳纤维复合材料螺栓是以连续碳纤维作为增强体，以咪唑环氧树脂作为基体制成预浸料，预浸料按照质量百分含量由60％～70％的连续碳纤维、20％～30％的咪唑环氧树脂和5％～15％固化剂而成，通过预浸料固化成型连续碳纤维复合材料螺栓。
2.根据权利要求1所述的一种连续碳纤维复合材料螺栓，其特征在于所述的咪唑环氧树脂的型号为TDE85/615。
3.根据权利要求1所述的一种连续碳纤维复合材料螺栓，其特征在于所述的连续碳纤维的直径为7μm。
4.根据权利要求1所述的一种连续碳纤维复合材料螺栓，其特征在于所述的连续碳纤维为日本东丽T700型号的连续碳纤维。
5.根据权利要求1所述的一种连续碳纤维复合材料螺栓，其特征在于预浸料按照质量百分含量由60％～65％的连续碳纤维和20％～27％的咪唑环氧树脂和10％～15％固化剂而成。
6.根据权利要求1所述的一种连续碳纤维复合材料螺栓，其特征在于所述的预浸料为片状模塑料。
7.根据权利要求6所述的一种连续碳纤维复合材料螺栓，其特征在于固化成型采用模压成型。
8.根据权利要求1所述的一种连续碳纤维复合材料螺栓，其特征在于所述的连续碳纤维复合材料螺栓为无开口销孔的螺栓。
9.根据权利要求1所述的一种连续碳纤维复合材料螺栓，其特征在于所述的连续碳纤维复合材料螺栓为六角头螺栓。
10.根据权利要求9所述的一种连续碳纤维复合材料螺栓，其特征在于所述的连续碳纤维复合材料螺栓为M5、M6或M8六角头螺栓。
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