CN112373067A - 一种热塑性复合材料螺栓及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热塑性复合材料螺栓及其制备方法与应用，属于材料领域，该结构包括如下部分：热塑性混杂纤维增强芯、表面热塑性混杂纤维缠绕螺纹层。其中热塑性混杂纤维增强芯采用高模量碳纤维为主体，混杂高强度碳纤维和高韧性纤维为混杂纤维，该芯部材料采用拉挤成型工艺以热熔方式在单向连续纤维之间通过加热方式渗入热塑性树脂构成；在复合增强芯的表面采用而为缠绕工艺制备表面增强层，该螺旋表面增强层可适用于螺栓的表面螺纹的二次模压塑化加工。
Description
技术领域
本发明属于一种热塑性复合材料机械部件，特别涉及一种热塑性复合材料的杆状螺栓。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
随着热固性复合材料制备和应用过程中的诸多问题逐渐显现，对于热固性复合材料的二次回收利用成为解决复合材料连续和长期使用的主要技术难题，而热塑性复合材料由于其树脂基体的可反复塑化加工的特点，成为取代热固性复合材料的主要特色产品。目前采用热塑性基体制备的纤维增强复合材料的杆材或棒材，成为结构部件和机械部件复合材料化的主要应用产品，其中为了适应复合材料的连接和装配特点，采用具有螺纹的杆状结构成为目前复合材料部件的主要产品，可适用于各种机械装配和连接。
但发明人发现：现有具有螺纹的杆状结构的性能仍有待提升，以满足特殊领域的机械装配和连接要求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种热塑性复合材料螺栓的结构，该结构包括如下部分：热塑性混杂纤维增强芯、表面热塑性混杂纤维缠绕螺纹层。其中热塑性混杂纤维增强芯采用高模量碳纤维为主体，混杂高强度碳纤维和高韧性纤维为混杂纤维，该芯部材料采用拉挤成型工艺以热熔方式在单向连续纤维之间通过加热方式渗入热塑性树脂构成；在复合增强芯的表面采用而为缠绕工艺制备表面增强层，该螺旋表面增强层可适用于螺栓的表面螺纹的二次模压塑化加工。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种热塑性复合材料螺栓，包括：热塑性混杂纤维增强芯、表面热塑性混杂纤维缠绕螺纹层；所述表面热塑性混杂纤维缠绕螺纹层包括：表面增强层和螺纹层；所述热塑性混杂纤维增强芯外侧缠绕有表面增强层，所述表面增强层上设置有螺纹层。
本发明在拉挤成型的基础上，通过采用环向缠绕和纵向排布纤维，提高螺栓的轴向和径向刚性和强度。
本发明的第二个方面，提供了一种热塑性复合材料螺栓的制备方法，包括：
采用高模量碳纤维为主体，混杂高强度碳纤维和高韧性纤维为混杂纤维；
采用拉挤成型工艺以热熔方式在单向连续纤维之间通过加热方式渗入热塑性树脂构成热塑性混杂纤维增强芯部；
在所述热塑性混杂纤维增强芯部的表面采用二维缠绕工艺制备表面增强层；
在所述表面增强层上采用二次模压塑化加工制备出表面螺纹。
本发明的制备方法简单、力学性能优异、实用性强，易于推广。
本发明的第三个方面，提供了任一上述的热塑性复合材料螺栓在机械装配和连接中的应用。
由于本申请的热塑性复合材料螺栓具有较优的轴向和径向刚性和强度，因此，有望在机械装配和连接中得到广泛的应用。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明在拉挤成型的基础上，通过采用环向缠绕和纵向排布纤维，提高螺栓的轴向和径向刚性和强度。
(2)本发明的结构简单、力学性能优异、实用性强，易于推广。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是一种热塑性复合材料螺栓的结构示意图，其中包括内部热塑性复合材料增强芯1和表面热塑性复合材料增强层2两部分，其中热塑性复合材料增强层的表面采用二次热压塑化工艺制备表面螺纹3。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明提供了一种热塑性复合材料螺栓的结构，该结构包括如下部分：热塑性混杂纤维增强芯、表面热塑性混杂纤维缠绕螺纹层。其中热塑性混杂纤维增强芯采用高模量碳纤维为主体，混杂高强度碳纤维和高韧性纤维为混杂纤维，该芯部材料采用拉挤成型工艺以热熔方式在单向连续纤维之间通过加热方式渗入热塑性树脂构成；在复合增强芯的表面采用而为缠绕工艺制备表面增强层，该螺旋表面增强层可适用于螺栓的表面螺纹的二次模压塑化加工。
所述的热塑性混杂纤维增强芯部所用的高模量碳纤维可选用M40、M40J、M55、M55J、M60、M60J中的任意一种，所用的高强度碳纤维可选用T300、T700、T800、T1000碳纤维中的任意一种，所用的高韧性纤维可选用芳纶纤维、UHMWPE纤维、PBO纤维等其中的任意一种，其中主体纤维和混杂纤维——两种纤维的比例根据使用要求灵活调节，以更好地兼顾刚性和韧性，使增强芯具有更好的支撑和抗拉作用。
所述的热塑性混杂纤维缠绕表面层在热塑性混杂纤维增强芯制备完成后在其表面采用二维缠绕工艺制备，可采用高强度碳纤维和高韧性纤维混杂缠绕成型，其中高强度碳纤维可选用T300、T700、T800、T1000碳纤维中的任意一种，所用的高韧性纤维可选用芳纶纤维、UHMWPE纤维、PBO纤维等其中的任意一种，两种纤维的混杂比例根据设计要求灵活调整，所述的缠绕过程采用缠绕方式可选用环向缠绕、螺旋缠绕、纵向缠绕等任意一种缠绕方式，其中环向缠绕的缠绕角控制在85-90°范围内，螺旋缠绕的缠绕角控制在45-70°，纵向缠绕的缠绕角不超过25°，采用环向缠绕和纵向排布纤维，提高螺栓的轴向和径向刚性和强度，使其可适用于螺栓的表面螺纹的二次模压塑化加工。
本申请对所述的热塑性混杂纤维增强芯和表面缠绕增强层的热塑性树脂基体的具体类型不作特殊的限定，可选用聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、热塑性聚酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酮、聚酰胺、聚酰亚胺等中的任意一种，树脂基体含量控制在40-60％范围内。该树脂基体均采用加热加压熔融方式将热塑性树脂熔体渗入混杂纤维内部，加热加压的温度控制在180-290℃范围内，加压压强控制在2-8MPa范围内。最终成型的热塑性混杂纤维增强芯的直径和二维缠绕层的厚度根据设计要求灵活调节，以满足不同工况下的技术要求。
所述的热塑性复合材料螺栓的制备，在上述芯部和表面增强层的棒材或杆材成型之后，将其置于具有一定型腔的螺栓模具进行螺纹二次塑化加工，根据树脂基体的热熔塑化特性进行升温加热，当温度达到棒材或杆材的树脂热熔温度之后，对其进行加压处理，其中塑化温度控制在180-290℃范围内，加压压强控制在2-8MPa范围内，二次塑化螺纹加工的时间控制在2-5小时范围内，待模具冷却后，将螺栓样品取出。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
一种热塑性复合材料螺栓具体包括热塑性混杂纤维增强芯1和表面热塑性混杂纤维缠绕螺纹层2两部分。其中热塑性混杂纤维增强芯1采用M40碳纤维与芳纶K129纤维以4:1比例混杂进行增强，采用树脂含量60％的聚乙烯基体进行复合，混杂纤维通过拉挤方式进行单向排布，采用拉挤工艺复合熔渗热塑性基体形成直径6mm的增强芯1。在混杂纤维增强芯1表面采用混杂比例5:1的T300碳纤维和芳纶K29纤维进行混杂，以缠绕角85°的环向缠绕方式制备表面螺纹增强层2。将缠绕增强螺纹层2的纤维缠绕完毕后，采用熔渗方式在螺纹层纤维内部使用180℃温度和2MPa压力浸渍树脂含量50％的聚乙烯树脂，最终形成厚度为3mm的表面增强螺纹层2。之后将上述芯部和表面增强层置于一定型腔的螺栓模具中采用180℃的温度和2MPa的压力进行二次加热加压处理，时间控制在2小时范围内，待模具冷却后，将螺栓样品取出。
实施例2
一种热塑性复合材料螺栓具体包括热塑性混杂纤维增强芯1和表面热塑性混杂纤维缠绕螺纹层2两部分。其中热塑性混杂纤维增强芯1采用M60碳纤维与芳纶K29纤维以2:1比例混杂进行增强，采用树脂含量65％的聚丙烯基体进行复合，混杂纤维通过拉挤方式进行单向排布，采用拉挤工艺复合熔渗热塑性基体形成直径4mm的增强芯。在混杂纤维增强芯表面采用混杂比例5:3的T700碳纤维和UHMWPE纤维进行混杂，以缠绕角45°的螺旋缠绕方式制备表面螺纹增强层2。将缠绕增强螺纹层2的纤维缠绕完毕后，采用熔渗方式在螺纹层纤维内部使用210℃温度和3MPa压力浸渍树脂含量55％的聚乙烯树脂，最终形成厚度为2mm的表面增强螺纹层2。之后将上述芯部和表面增强层置于一定型腔的螺栓模具中采用210℃的温度和2MPa的压力进行二次加热加压处理，时间控制在2.5小时范围内，待模具冷却后，将螺栓样品取出。
实施例3
一种热塑性复合材料螺栓具体包括热塑性混杂纤维增强芯1和表面热塑性混杂纤维缠绕螺纹层2两部分。其中热塑性混杂纤维增强芯1采用M55碳纤维与芳纶K129纤维以2:1比例混杂进行增强，采用树脂含量50％的对苯二甲酸乙二醇酯基体进行复合，混杂纤维通过拉挤方式进行单向排布，采用拉挤工艺复合熔渗热塑性基体形成直径2mm的增强芯1。在混杂纤维增强芯1表面采用混杂比例3:1的T800碳纤维和PBO纤维进行混杂，以缠绕角88°的环向缠绕方式制备表面螺纹增强层2。将缠绕增强螺纹层2的纤维缠绕完毕后，采用熔渗方式在螺纹层纤维内部使用220℃温度和2MPa压力浸渍树脂含量65％的聚乙烯树脂，最终形成厚度为3mm的表面增强螺纹层2。之后将上述芯部和表面增强层置于一定型腔的螺栓模具中采用220℃的温度和3MPa的压力进行二次加热加压处理，时间控制在3小时范围内，待模具冷却后，将螺栓样品取出。
实施例4
一种热塑性复合材料螺栓具体包括热塑性混杂纤维增强芯1和表面热塑性混杂纤维缠绕螺纹层2两部分。其中热塑性混杂纤维增强芯1采用M60碳纤维与PBO纤维以6:1比例混杂进行增强，采用树脂含量60％的聚苯硫醚树脂进行复合，混杂纤维通过拉挤方式进行单向排布，采用拉挤工艺复合熔渗热塑性基体形成直径2mm的增强芯1。在混杂纤维增强芯1表面采用混杂比例5:2的T1000碳纤维和UHMWPE进行混杂，以缠绕角90°的环向缠绕方式制备表面螺纹增强层2。将缠绕增强螺纹层2的纤维缠绕完毕后，采用熔渗方式在螺纹层纤维内部使用230℃温度和2MPa压力浸渍树脂含量50％的聚乙烯树脂，最终形成厚度为3mm的表面增强螺纹层2。之后将上述芯部和表面增强层置于一定型腔的螺栓模具中采用230℃的温度和2MPa的压力进行二次加热加压处理，时间控制在4小时范围内，待模具冷却后，将螺栓样品取出。
实施例5
一种热塑性复合材料螺栓，包括：热塑性混杂纤维增强芯1、表面热塑性混杂纤维缠绕螺纹层2；所述表面热塑性混杂纤维缠绕螺纹层2包括：表面增强层和螺纹层3；所述热塑性混杂纤维增强芯1外侧缠绕有表面增强层，所述表面增强层上设置有螺纹层3。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种热塑性复合材料螺栓，其特征在于，包括：热塑性混杂纤维增强芯、表面热塑性混杂纤维缠绕螺纹层；所述表面热塑性混杂纤维缠绕螺纹层包括：表面增强层和螺纹层；所述热塑性混杂纤维增强芯外侧缠绕有表面增强层，所述表面增强层上设置有螺纹层。
2.如权利要求1所述的热塑性复合材料螺栓，其特征在于，所述缠绕为环向缠绕、螺旋缠绕、或纵向缠绕。
3.如权利要求2所述的热塑性复合材料螺栓，其特征在于，所述环向缠绕的缠绕角为85-90°。
4.如权利要求2所述的热塑性复合材料螺栓，其特征在于，所述螺旋缠绕的缠绕角为45-70°。
5.如权利要求2所述的热塑性复合材料螺栓，其特征在于，所述纵向缠绕的缠绕角不超过25°。
6.如权利要求1所述的热塑性复合材料螺栓，其特征在于，所述热塑性混杂纤维增强芯的厚度为4-6mm。
7.如权利要求1所述的热塑性复合材料螺栓，其特征在于，所述表面热塑性混杂纤维缠绕螺纹层的厚度为2-3mm。
8.如权利要求1所述的热塑性复合材料螺栓，其特征在于，所述的热塑性混杂纤维增强芯部采用高模量碳纤维为主体，混杂高强度碳纤维和高韧性纤维为混杂纤维；
优选地，所述高模量碳纤维为M40、M40J、M55、M55J、M60或M60J中的任意一种，
优选地，所用的高强度碳纤维为T300、T700、T800或T1000碳纤维中的任意一种；
优选地，所用的高韧性纤维为芳纶纤维、UHMWPE纤维或PBO纤维中的任意一种；
优选地，所述的表面增强层采用高强度碳纤维和高韧性纤维混杂缠绕成型；
优选地，高强度碳纤维为T300、T700、T800或T1000碳纤维中的任意一种；
所用的高韧性纤维为芳纶纤维、UHMWPE纤维或PBO纤维中的任意一种。
9.一种热塑性复合材料螺栓的制备方法，其特征在于，包括：
采用高模量碳纤维为主体，混杂高强度碳纤维和高韧性纤维为混杂纤维；
采用拉挤成型工艺以热熔方式在单向连续纤维之间通过加热方式渗入热塑性树脂构成热塑性混杂纤维增强芯部；
在所述热塑性混杂纤维增强芯部的表面采用二维缠绕工艺制备表面增强层；
在所述表面增强层上采用二次模压塑化加工制备出表面螺纹。
10.权利要求1-8任一项所述的热塑性复合材料螺栓在机械装配和连接中的应用。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011090606.0A Pending CN112373067A (zh) | 2020-10-13 | 2020-10-13 | 一种热塑性复合材料螺栓及其制备方法与应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112373067A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112848419A (zh) * | 2021-02-26 | 2021-05-28 | 山东中航和辉航空标准件有限责任公司 | 连续纤维复合材料螺栓的制造方法 |
-
2020
- 2020-10-13 CN CN202011090606.0A patent/CN112373067A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112848419A (zh) * | 2021-02-26 | 2021-05-28 | 山东中航和辉航空标准件有限责任公司 | 连续纤维复合材料螺栓的制造方法 |
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