CN111893812A - 一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁及制备方法，包括：拉挤管芯材、拉挤管封口材料、复合材料腹板和复合材料面板；拉挤管芯材为矩形截面，其外表面缠绕有缠绕纤维布，并且由拉挤管封口材料进行封口；拉挤管芯材设有多个，多个拉挤管芯材拼叠形成组合构件，呈梁的形状，多个拉挤管芯材拼叠形成的组合构件其表面外包有外包纤维布；本发明通过采用真空袋成型工艺将树脂灌入模具使得面板、腹板与芯材整体一次成型；本发明采用复合材料夹芯结构，以拉挤型材为芯材，以复合材料为面层及腹板，充分利用了拉挤型材和复合材料夹层结构两种的优点，使得构件抗压、抗弯、抗剪以及抗剥离能力显著提高解决了承载力低及界面剥离问题。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料领域，特别是涉及一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁及制备方法。
背景技术
复合材料因其轻质高强的特性被广泛应用于基础设施领域。目前桥梁(尤其是对重量特别敏感的悬索桥)为减轻结构重量，提出了复合材料承重梁的概念。
玻璃纤维增强复合材料(GFRP)因其较低的价格优势在基础设施领域中应用广泛，常采用拉挤空腔式型材，但拉挤型材通常以纵向纤维为主，且在面板与腹板的交接处存在较大的剪力和应力集中现象，极易在面板中部或面板与腹板相交处发生劈裂破坏，因此承载力较低，且现有拉挤工艺难以成型大尺寸截面复材构件，故常用于受力不大的附属结构。
以蜂窝、泡沫和轻木等作为芯材的复合材料夹芯结构是工程应用中极为广泛的结构形式，通过芯材以增大截面惯性矩，获得较高的抗弯强度和刚度。但传统复合材料夹芯构件在制造与服役过程中极易发生面层与芯材界面剥离破坏，严重制约其轻质高强特性的发挥。
目前铁路桥上架设铁轨的木枕存在品质下降、防腐处理不彻底等问题，导致其使用性能和寿命日趋下降，制约了运营速度、轴重和运量的提高，而本发明正是日后铁路轨轨枕更新换代的主流产品。复合材料承重梁作为轨枕具有强度高、耐腐蚀、使用寿命长、轨距保持能力好、扣件安装灵活及生产机械化、连续化等优点，相对木枕具有较大优势，有非常良好的应用前景。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁及制备方法，主要解决的问题是：现有技术中复合材料夹芯构件在制造与服役过程中极易发生面层与芯材界面剥离破坏，严重制约其轻质高强特性的发挥。
为实现上述的目的，本发明提供如下的技术方案：
本发明公开了一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁，包括：拉挤管芯材、拉挤管封口材料、复合材料腹板和复合材料面板；所述拉挤管芯材为矩形截面，其外表面缠绕有缠绕纤维布，并且由所述拉挤管封口材料进行封口；所述拉挤管芯材设有多个，多个拉挤管芯材拼叠形成组合构件，呈梁的形状，所述拉挤管芯材拼叠的方式有：水平拼叠、竖直拼叠、多列拉挤管芯材水平拼叠和多层拉挤管芯材竖直拼叠；所述多个拉挤管芯材拼叠形成的组合构件其表面外包有外包纤维布；所述外包纤维布和树脂固化成复合材料面板；在所述组合构件内部，上下相邻和/或左右相邻的拉挤管芯材接缝位置的缠绕纤维布与树脂固化成复合材料腹板；所述复合材料腹板沿拉挤管芯材高度方向和/或长度方向布置，形成空间格构腹板。
优选的，所述拉挤管封口材料为复合材料片材或结构泡沫块，所述复合材料片材通过胶粘封口；所述结构泡沫块塞入所述拉挤管芯材的两端并固定进行封口；所述复合材料面板外部包裹有碳纤维布。
优选的，所述拉挤管芯材的尺寸、数量可根据结构实际受力灵活采用；所述缠绕纤维布的铺设方向与层数可根据需要灵活控制；所述外包纤维布的铺设方向与层数可根据需要灵活控制。
优选的，所述缠绕纤维布和所述外包纤维布的材质为：碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或杂交纤维布；所述缠绕纤维布和所述外包纤维布中纤维的轴向方向为：单轴向、双轴向或多轴向；所述拉挤管芯材内部填充有轻混凝土。
优选的，所述树脂选择以下的种类的树脂：不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂或酚醛树脂。
本发明还公开了一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁的制备方法包括如下步骤：
S1、所述拉挤管芯材的两端使用所述拉挤管封口材料进行封口；
S2、对已完成封口的拉挤管芯外表面材铺设缠绕纤维布；所述缠绕纤维布的铺设层数及方向为：单层单向、单层双向或多层多向；
S3、拼叠步骤S2中的拉挤管芯材，形成组合构件，呈梁的形状；
S4、在所述组合构件的外表面在铺设一层或者多层外包纤维布；
S5、将步骤S4中获得的组合构件置于真空袋或模具中，在通过真空袋成型工艺、真空导入成型工艺或RTM成型工艺将树脂灌入到真空袋或模具中；
S6、等待树脂固化成型后，取出，所述外包纤维布和树脂固化成复合材料面板；在所述组合构件内部，上下相邻和/或左右相邻的拉挤管芯材接缝位置的缠绕纤维布与树脂固化成复合材料腹板，即制得一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用复合材料夹芯结构，以复合材料拉挤型材为芯材，以复合材料为面层及腹板，充分利用了拉挤型材和复合材料夹层结构两种的优点，使得构件抗压、抗弯、抗剪以及抗剥离能力显著提高解决了承载力低及界面剥离问题，满足了实际工程需求。
2、本发明提供的一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁在铁路运输领域应用广泛，可以取代现有铁轨上的木枕，本发明相对与现有技术中的木枕具有强度高、耐腐蚀、使用寿命长、轨距保持能力好、扣件安装灵活及生产机械化、连续化等优点，具有非常良好的应用前景。
附图说明
图1为一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁的结构示意图，拉挤管芯材水平拼叠。
图2为一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁示意图，拉挤管芯材竖直拼叠。
图3为一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁示意图，多列拉挤管芯材水平拼叠。
图4为一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁示意图，多层拉挤管芯材竖直拼叠。
图5为一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁的工程应用实例示意图。
图6为图5中的一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁的断面图。
图7为一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁的纤维铺层示意图。
图8为一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁的工程应用于铁路轨枕的示意图。
图9为图8中的一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁的结构示意图。
附图中：1为拉挤管芯材，2为拉挤管封口材料，3为缠绕纤维布，4为外包纤维布，5为复合材料腹板，6为复合材料面板，7为碳纤维布。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。
实施例1
参见图1，本实施例1公开了一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁，包括：拉挤管芯材1、拉挤管封口材料2、复合材料腹板5和复合材料面板6；拉挤管芯材1为矩形截面，其尺寸可根据结构实际受力灵活采用，拉挤管芯材1的外表面缠绕有缠绕纤维布3，并且由拉挤管封口材料2进行封口；在本实施例中，拉挤管封口材料2可以选用复合材料片材过胶粘封口，也可以选用一定长度的结构泡沫块，将结构泡沫块塞入拉挤管芯材1的两端并固定进行封口。
拉挤管芯材1设有3个，在其他的具体的例子中，数量可根据结构实际受力灵活采用，3个拉挤管芯材1水平拼叠形成组合构件，呈梁的形状，3个拉挤管芯材拼叠形成的组合构件其表面外包有外包纤维布4；
外包纤维布4和树脂固化成复合材料面板6；在组合构件内部，上下相邻和/或左右相邻的拉挤管芯材1接缝位置的缠绕纤维布3与树脂固化成复合材料腹板6；在本实施例1中，上下相邻拉挤管芯材1接缝位置的缠绕纤维布3与树脂固化成复合材料腹板6，复合材料腹板6有两块；复合材料面板6外部包裹有碳纤维布7。
在具体的实施中，缠绕纤维布3和外包纤维布4的铺设方向与层数可根据需要灵活控制；缠绕纤维布3和外包纤维布4的材质可以选择：碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或杂交纤维布；缠绕纤维布3和外包纤维布4中纤维的轴向方向可以选择：单轴向、双轴向或多轴向；拉挤管芯材1内部填充有轻混凝土。
上述的树脂可以选用：不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂或酚醛树脂。
本发明将复合材料面板6、复合材料腹板5与拉挤管芯材1整体一次成型，极大地提高了复合材料面板6与拉挤管芯材1的抗剥离能力和协同工作能力；显著增强了芯材单向纤维受力的受压、受剪性能。
参见图2，图2公开的一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁，不同于图1之处在于，3个拉挤管芯材1呈竖直拼叠。
参见图3，图3公开的一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁，不同于图1之处在于，拉挤管芯材1设有2列，每列3层，共有6个，呈水平拼叠。
参加图4，图3公开的一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁，不同于图1之处在于，拉挤管芯材1设有3列，每列2层，共有6个，呈竖直拼叠。
参见图5，图5为一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁在工程中的应用实例示意图，图6为图5中使用的一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁的断面图，图5和图6中一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁采用的拉挤管芯材1为正方形，设有2列，2层，共有4个拉挤管芯材1。
参见图7，图7公开了缠绕纤维布3和外包纤维布4的铺层角度。
参见图8和图9，图8公开了一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁在铁路运输领域的实施案例，复合材料承重梁取代传统的枕木，具有强度高、耐腐蚀、使用寿命长、轨距保持能力好、扣件安装灵活及生产机械化、连续化等优点，具有非常良好的应用前景；图9为图8中公开的一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁具体结构的示意图，该复合材料承重梁采用了单层三列的拉挤管芯材1进行拼叠。
实施例2
本实施例公开了一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁的制备方法，包括如下步骤：
S1、对拉挤管芯材1的两端使用拉挤管封口材料2进行封口。
S2、对已完成封口的拉挤管芯1外表面材铺设2层角度为45°/-45°的缠绕纤维布3。
S3、拼叠步骤S2中的拉挤管芯材1，拉挤管芯材1有设有1列，每列3个，按照水平拼叠方式进行拼叠形成组合构件，呈梁的形状。
S4、在组合构件的外表面在铺设四层外包纤维布4；内侧靠近组合构件外表面的两层铺层角度为45°/-45°并且沿梁的宽度方向外包，外侧两层铺层角度为0°/90°的并且沿梁的长度方向外包。
S5、将步骤S4中获得的组合构件置于真空袋或模具中，在通过真空袋成型工艺、真空导入成型工艺或RTM成型工艺将树脂灌入到真空袋或模具中；
S6、等待树脂固化成型后，取出，外包纤维布4和树脂固化成复合材料面板6；在组合构件内部，上下相邻的拉挤管芯材1接缝位置的缠绕纤维布3与树脂固化成复合材料腹板5，即可制得一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁，其特征在于，包括：拉挤管芯材、拉挤管封口材料、复合材料腹板和复合材料面板；
所述拉挤管芯材为矩形截面，其外表面缠绕有缠绕纤维布，并且由所述拉挤管封口材料进行封口；所述拉挤管芯材设有多个，多个拉挤管芯材拼叠形成组合构件，呈梁的形状，所述拉挤管芯材拼叠的方式有：水平拼叠、竖直拼叠、多列拉挤管芯材水平拼叠和多层拉挤管芯材竖直拼叠；
所述多个拉挤管芯材拼叠形成的组合构件其表面外包有外包纤维布；
所述外包纤维布和树脂固化成复合材料面板；在所述组合构件内部，上下相邻和/或左右相邻的拉挤管芯材接缝位置的缠绕纤维布与树脂固化成复合材料腹板；所述复合材料腹板沿拉挤管芯材高度方向和/或长度方向布置，形成空间格构腹板。
2.根据权利要求1所述的一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁，其特征在于，所述拉挤管封口材料为复合材料片材或结构泡沫块，所述复合材料片材通过胶粘封口；所述结构泡沫块塞入所述拉挤管芯材的两端并固定进行封口；所述复合材料面板外部包裹有碳纤维布。
3.根据权利要求1-2任意一项权利要求所述的一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁，其特征在于，所述缠绕纤维布和所述外包纤维布的材质为：碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或杂交纤维布；所述缠绕纤维布和所述外包纤维布中纤维的轴向方向为：单轴向、双轴向或多轴向；所述拉挤管芯材内部填充有轻混凝土。
4.根据权利要求1-2任意一项权利要求所述的一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁，其特征在于，所述树脂选择以下种类的树脂：不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂或酚醛树脂。
5.根据权利要求1-2任意一项权利要求所述的一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、所述拉挤管芯材的两端使用所述拉挤管封口材料进行封口；
S2、对已完成封口的拉挤管芯外表面材铺设缠绕纤维布；所述缠绕纤维布的铺设层数及方向为：单层单向、单层双向或多层多向；
S3、拼叠步骤S2中的拉挤管芯材，形成组合构件，呈梁的形状；
S4、在所述组合构件的外表面在铺设一层或者多层外包纤维布；
S5、将步骤S4中获得的组合构件置于真空袋或模具中，在通过真空袋成型工艺、真空导入成型工艺或RTM成型工艺将树脂灌入到真空袋或模具中；
S6、等待树脂固化成型后，取出，所述外包纤维布和树脂固化成复合材料面板；在所述组合构件内部，上下相邻和/或左右相邻的拉挤管芯材接缝位置的缠绕纤维布与树脂固化成复合材料腹板，即制得一种多轴向纤维增强拉挤型材夹芯复合材料承重梁。
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