CN113696499A - 一种拼装防变形轻量化碳纤维复合材料框架制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种拼装防变形轻量化碳纤维复合材料框架制备方法，属于复合材料框架制造技术领域，用以解决现有连接方式容易松动，且连接处刚度和强度较弱的技术问题，包括；步骤1、利用中空刚性芯模、片状的膨胀胶胶膜和纤维预浸料制备呈柱状体状的碳纤维复合材料管材；步骤2、在所述柱状体上设置孔槽连接结构；步骤3、利用所述柱状体搭建具有网格结构的单层框架，所述柱状体通过所述孔槽连接结构交叉连接得到所述网格结构的交点。本发明提供的技术方案能提高碳纤维复合材料框架连接部的连接刚度和强度。
Description
技术领域
本发明属于复合材料框架制造技术领域，具体涉及一种拼装防变形轻量化碳纤维复合材料框架制备方法。
背景技术
传统由梁框组成的框架连接，在框与梁、臂的连接处一般是完全分开的部件，然后通过粘接、机械连接固定，这种固定方式往往导致连接处刚度和强度较弱。或者通过连接件，比如连接板、角盒等连接，这种结构虽然会增强连接部位的强度和刚度，但存在连接部位尺寸增大、增重明显的问题，同时连接部位有可能在使用过程中产生的变形、震动等疲劳导致粘接面失效或机械连接处的松动，进而导致结构失效的风险。还有一类框架，采用梁交叉层叠结构拼接，可以实现连续的梁结构，但无法保证连接部位刚度，尤其是沿框架平面的转动和扭动导致的连接部位的松动。此外，传统方法制备的管材容易出现分层、气孔等缺陷以及管材内壁不平整，上述缺陷和管材内壁不平整会影响连接部的强度和刚度。
发明内容
鉴于以上分析，本发明旨在提供了一种拼装防变形轻量化碳纤维复合材料框架，用以解决现有连接方式容易松动，且连接处刚度和强度较弱。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明实施例提供了一种拼装防变形轻量化碳纤维复合材料框架制备方法，包括；
步骤1、利用中空刚性芯模、片状的膨胀胶胶膜和纤维预浸料制备呈柱状体状的碳纤维复合材料管材；
步骤2、在所述柱状体上设置孔槽连接结构；
步骤3、利用所述柱状体搭建具有网格结构的单层框架，所述柱状体通过所述孔槽连接结构交叉连接得到所述网格结构的交点。
进一步地，在所述中空刚性芯模表面覆裹所述膨胀胶胶膜；
在所述膨胀胶胶膜表面覆裹所述纤维预浸料；
在覆裹预浸料后，对膨胀胶胶膜进行预膨胀；
将所述中空刚性芯模、所述膨胀胶胶膜和所述纤维预浸料放入阴模中加热成型，得到复合材料管材。
进一步地，所述膨胀胶胶膜的膨胀温度为50℃～170℃，体积膨胀率为2～30，膨胀压力为0.2～4MPa。
进一步地，所述刚性芯模的制备材料为金属材料、树脂材料或树脂基复合材料；
其中，所述树脂材料固化温度高于100℃；所述树脂基复合材料玻璃化转变温度高于150℃。
进一步地，所述阴模内壁与预浸料之间存在工艺间隙；
所述工艺间隙不超过所述膨胀胶胶膜厚度。
进一步地，所述中空刚性芯模截面为圆形时，所述中空刚性芯模壁厚与截面直径之比不小于1:20；
所述中空刚性芯模截面为矩形时，所述中空刚性芯模壁厚与截面的任一边的长度之比不小于1:20。
进一步地，所述孔槽连接结构包括：连接孔；
所述柱状体包括第一柱状体和第二柱状体；
所述第一柱状体上设置有所述连接孔，所述第二柱状体从所述连接孔中穿过；
所述连接孔和所述第二柱状体的配合尺寸小于0.15mm。
进一步地，所述孔槽连接结构包括：第一连接槽和第二连接槽；
所述柱状体包括：第一柱状体和第二柱状体；
所述第一柱状体上设置所述第一连接槽，所述第二柱状体上设置所述第二连接槽，所述第一连接槽形状和所述第二连接槽形状相匹配；
所述第一柱状体和所述第二柱状体交叉连接时，所述第一连接槽和所述第二连接槽扣合；
所述第一连接槽和所述第二连接槽的配合公差小于0.15mm。
进一步地，所述孔槽连接结构包括：连接槽；
所述柱状体包括：第一柱状体和第二柱状体；
所述第一柱状体上设置所述连接槽，所述第二柱状体穿过所述连接槽与所述第一柱状体交叉连接；
所述连接槽和所述第二柱状体的配合尺寸小于0.15mm。
进一步地，在步骤3之后，所述方法还包括：
步骤4，在所述网格结构的交点处设置角片。
本发明可实现如下有益效果之一：
1.在梁框(柱状体)上设置孔槽连接结构，并在搭建网格状的框架时，利用孔槽连接结构连接交叉的梁框，以实现交叉连接的梁框之间相互制约。同时上述结构可以配合粘接、机械连接固定等固定方式，相比于单纯靠粘接、机械连接进行固定，在本发明提供的技术方案中，连接部位的强度和刚度更好，且两个梁都是连续结构，不会因为截断形成的连接面导致框架刚度和强度降低的问题。
2、对于中空的管材，在其上面在制作孔槽连接结构后，管内壁必然会与其他梁框的表面发生接触，此时如果管内壁不平整或存在其它缺陷，会影响连接部位的强度和刚度。因此本发明提供了一种管材的制备方法：在加热成型过程中，膨胀胶胶膜夹在中空刚性芯模的外表面和纤维预浸料之间，由于芯模是中空的，所以可以从芯模内部对膨胀胶胶膜的一侧表面进行加热。同时，还可以通过纤维预浸料对膨胀胶胶膜的另一侧表面进行加热。片状的膨胀胶胶膜相比于现有的实心膨胀胶芯模，厚度更薄，因此能够更快速地到达膨胀温度，从而避免出现复材产品分层、气孔等缺陷，提高了管材成型质量。
3.本发明只是在芯模上缠绕膨胀胶胶膜，而在现有技术中，芯模为由热膨胀胶制得实心膨胀胶芯模，因此在生产管材的管径相同的条件下，本发明的膨胀胶用量更少，从而节省了生产成本。
4.膨胀胶的强度和硬度都不够，制造实心膨胀胶芯模时，芯模表面容易出现不平整，这会造成管材内壁表面的不平整，从而形成质量缺陷。而本发明中芯模的制备材料可以为金属、非金属复合材料和树脂材料，保证了芯模的强度和硬度，使得裹覆在中空刚性芯模上的膨胀胶各部分膨胀程度相同，进而防止管材内壁表面出现不平整和质量缺陷。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1是本发明实施例提供的加热成型前中空刚性芯模、膨胀胶胶膜和纤维预浸料的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的框架连接处的结构示意图；
图3是实施例5中制得的框架的结构示意图。
附图标记说明：1-纤维预浸料；2-膨胀胶胶膜；3-中空刚性芯模；4-第一柱状体；5-第二柱状体；6-第二连接槽；7-第一连接槽；8-角片。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
碳纤维复合材料相比金属材料具有高比强度、比模量的优势，在轻量化结构上具有不可替代的应用优势。相比金属材料具有易于加工的特点，碳纤维复合材料只能通过共固化、粘接、机械连接的方式进行，这些工艺往往需要专用模具、特殊的成型设备，造成工艺复杂、生产周期长、成本高的缺点。因此碳纤维复合材料框架连接方式的设计对实现框架更高力学性能和生产效率具有重要作用。
为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种拼装防变形轻量化碳纤维复合材料框架制备方法，包括以下步骤；
步骤1、利用中空刚性芯模、片状的膨胀胶和纤维预浸料制备呈柱状体的碳纤维复合材料管材。
在本发明实施例中，柱状体包括：圆形柱状体、方形柱状体、空心柱状体、实心柱状体、等截面柱状体或不等截面柱状体中的一个或多个。例如，柱状体可以同时为圆形柱状体和等截面柱状体。
步骤2、在柱状体上设置孔槽连接结构。
在本发明实施例中，孔槽连接结构包括以下三种情况：
第一种情况
孔槽连接结构包括：连接孔；柱状体包括第一柱状体和第二柱状体；第一柱状体上设置有连接孔，第二柱状体从连接孔中穿过；连接孔和第二柱状体的配合尺寸小于0.15mm。
第二种情况
孔槽连接结构包括：第一连接槽和第二连接槽；柱状体包括：第一柱状体和第二柱状体；第一柱状体上设置第一连接槽，第二柱状体上设置第二连接槽，第一连接槽形状和第二连接槽形状相匹配；第一柱状体和第二柱状体交叉连接时，第一连接槽和第二连接槽扣合；第一连接槽和第二连接槽的配合公差小于0.15mm，其结构如图2所示。
第三种情况
孔槽连接结构包括：连接槽；柱状体包括：第一柱状体和第二柱状体；第一柱状体上设置连接槽，第二柱状体穿过连接槽与第一柱状体交叉连接；连接槽和第二柱状体的配合尺寸小于0.15mm。
步骤3、利用柱状体搭建具有网格结构的单层框架，柱状体通过孔槽连接结构交叉连接得到网格结构的交点。
步骤4，在网格结构的交点处设置角片。
在本发明实施例中，角片主要是强化连接位置的稳定性。角片的角度与交叉的柱状体形成的夹角相同，如图2所示。在柱状体为管材，且各梁框的尺寸完全相同时，角片厚度与管材壁厚之比为0.1-2，以兼顾角片的增加稳定性的程度和控制框架重量。管材的宽度与角片的宽度之比为0.5-1.2，以使角片能更好的贴合在梁框上。
在利用管材制作梁框时，孔槽连接结构使得管材内壁会在梁框的连接处与其他梁框接触，因此在该场景下，管内壁的平整度和质量缺陷是影响连接处刚度和强度的重要因素。
目前复合材料管材的制造方法通常分为两种：第一种为传统做法，第二种为利用热膨胀胶膨胀的特性制作管材。
传统的复合材料管材制造工艺包括：拉挤、卷管、缠绕、气囊、热压罐、模压等。这些方法都存在一些问题，比如拉挤无法实现多角度铺层，卷管和缠绕的致密性略差，气囊成型有可能因为气囊漏气导致废品，热压罐和模压成本过高，而且有可能局部形成纤维屈曲和堆积。
现有技术中，由于膨胀胶本身的强度和硬度都不够，在用膨胀胶制成柱状的芯模时，膨胀胶芯模表面容易出现不平整的地方。如此，在管材成型中，膨胀胶芯模各部分会出现膨胀程度不均匀的情况，从而造成管材内壁表面的不平整，从而形成质量缺陷。
综上，现有技术制得的管材的内壁存在不平整和质量缺陷，这不利于上述制备框架方法的实现，为了解决上问题，本发明实施例提供了一种复合材料管成型方法，包括以下步骤：
步骤1、在中空刚性芯模表面覆裹膨胀胶胶膜。
在本发明实施例中，为了对膨胀胶起到较好的支撑作用，同时避免管材内表面出现不平整的问题，设计了一种中空刚性芯模，为筒状结构，厚度不小于2mm，更优为大于5mm；该芯模的制备材料包括金属材料(例如铝合金)、树脂材料和树脂基复合材料中的一个，如金属材料中的一种，树脂材料中的一种或树脂基复合材料中的一种；其中，树脂材料固化温度大于100℃；树脂基复合材料玻璃化转变温度大于150℃，更优方案高于180℃。其中，树脂材料包括：双酚A、双酚F、聚砜、脂环族类环氧树脂，环氧改性氰酸酯、双马等树脂。树脂材料还包括：固化后的双酚A、双酚F、聚砜、脂环族类环氧树脂。其中固化剂包括：双氰胺、酸酐、多脲、苯胺类等固化剂。树脂基复合材料材料为上述任一树脂材料为基体的复合材料。
在本发明实施例中，为了实现产品均匀、低缺陷效果，将膨胀胶胶膜设置为片状。膨胀胶制成片状后，膨胀胶被均匀地分摊在一个平面内，因而保证了加热成型时，膨胀胶的分布均匀，从而保证管材内壁的平整。此外，片状的膨胀胶柔韧度更好，更容易在中空刚性芯模上卷曲成筒状结构，并与中空刚性芯模更好地贴合在一起，进一步保证管材内壁的平整度。
为了防止膨胀胶在后续加热成型的过程中溢出，膨胀胶胶膜形成的筒状结构并没有覆盖中空刚性芯模两端。覆裹膨胀胶胶膜后，中空刚性芯模的两端分别露出10mm-15mm。
在本发明实施例中，为了保证中空刚性芯模的刚度，控制中空刚性芯模壁厚与截面尺寸的比例。具体地，中空刚性芯模截面为圆形时，中空刚性芯模壁厚与截面直径之比不小于1:20。中空刚性芯模截面为矩形时，所述中空刚性芯模壁厚与截面的任一边的长度之比不小于1:20。
步骤2、在膨胀胶胶膜表面覆裹纤维预浸料。
在本发明实施例中，膨胀胶胶膜的厚度为2-3mm，膨胀胶胶膜的制备材料包括：环氧类化合物、聚氨酯类化合物、聚甲基丙烯酸类化合物和不饱和聚酯类化合物。膨胀胶胶膜的膨胀温度为50℃～170℃，体积膨胀率为2～30，膨胀压力为0.2～4MPa。优选地，膨胀胶在110℃下开始膨胀，最大膨胀率可达原体积的8～30倍。膨胀胶在130℃可达最大膨胀率，最大膨胀压力约为3MPa。
在本发明实施例中，纤维预浸料裹覆在膨胀胶上后，其厚度为1-3mm
步骤3、在覆裹预浸料后，对膨胀胶胶膜进行预膨胀，即对膨胀胶胶膜进行加热，加热温度为100℃-130℃，加热时间为30min-2h，预膨胀率为5％-50％。预膨胀可以有效保证加热成型时，膨胀胶在预浸料成型之前，完全膨胀。
在本发明实施例中，步骤2后得到的中空刚性芯模、膨胀胶胶膜和纤维预浸料的结构如图1所示。需要说明的是，图1只反映热成型前，由内向外，依次为中空刚性芯模、膨胀胶胶膜和纤维预浸料。实际中，膨胀胶胶膜两端没有完全覆盖中空刚性芯模的两端，而纤维预浸料则完全包裹住中空刚性芯模的两端，以使膨胀胶胶膜在膨胀时不会外溢，从而保证了后续膨胀胶膨胀加压的效果。
步骤4、将中空刚性芯模、膨胀胶胶膜和纤维预浸料放入阴模中加热成型，得到复合材料管材。
在本发明实施例中，加热成型的具体工艺步骤和工艺条件为：
将所述中空刚性芯模、所述膨胀胶胶膜和所述纤维预浸料放入阴模放入烘箱中；
在60℃-70℃下预热20min-30min；
升温至95℃-105℃，保持温度20min-30min；
升温至145℃-155℃，保持温度2h-3h。
在本发明实施例中，在为了防止管材与模具粘连，在热成型之前，在预浸料的表面包覆一层脱模布。
在本发明实施例中，膨胀胶胶膜膨胀时会对纤维预浸料产生挤压，以使纤维预浸料形成跟阴模内壁尺寸相匹配的管材。在实际生产中，为了得到目标管径，需要使用足够量的膨胀胶，以提供足够大的压力，同时需要设定与膨胀胶胶膜量相匹配的工艺间隙，以使膨胀后的膨胀胶胶膜能够填充工艺间隙，从而将预浸料挤压至阴模内壁上，最终形成管材。这里工艺间隙为阴模内壁与预浸料之间的间隙，工艺间隙通常不超过膨胀胶胶膜的厚度。
步骤5、冷却到室温后开模，取出整体样件，将铝管抽出，切掉两端的不均匀区。
为了说明上述实施例的可行性，本发明给出下述实施例：
实施例1
步骤1、用铝合金50×50×1000mm，壁厚3mm型材作为刚性芯模，外表面先涂覆脱模剂。
步骤2、用2mm厚的膨胀胶胶膜将铝合金管外部包裹，两端各预留约10mm的空间。
步骤3、T300平纹布预浸料完全包裹住铝管和膨胀胶胶膜，平纹布厚度约为2mm。
步骤4、膨胀胶胶膜进行预膨胀，预膨胀温度130℃，预膨胀时间30min，
步骤5、放入阴模，阴模内腔尺寸约58×58×1000mm，阴模为中空结构，平纹布、膨胀胶胶膜和中空刚性芯模均设置在中空部分中。阴模的中空部分保证膨胀胶胶膜两侧可以同时加热。
步骤6、合模，放入烘箱中，在60℃下预热20min，升温到100℃，保温20min，然后升温到150℃保温2h。
步骤7、冷却到室温后开模，取出整体样件，将铝管抽出，切掉碳管两端的不均匀区，并打磨边缘，获得产品。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于，在步骤4之后，步骤5之前在膨胀胶胶膜外表面包裹上一层四氟脱模布。其他均与实施例1相同。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于，中空刚性芯模的材质为双酚A、双酚F、聚砜、脂环族类环氧树脂，环氧改性氰酸酯、双马等树脂中的任意一种。其他均与实施例1相同。
实施例4
实施例4与实施例1的区别在于，中空刚性芯模的材质为以双酚A、双酚F、聚砜、脂环族类环氧树脂，环氧改性氰酸酯、双马等树脂中的任意一种为基质的树脂基复合材料。其他均与实施例1相同。
对比例
步骤1、裁切膨胀胶，纤维预浸布和预埋管。
步骤2、把膨胀胶包裹预埋管放入芯模成型的模具，加热到80℃，维持15分钟，在此温度下，膨胀胶预先微膨胀，充满芯材模腔，冷却脱模去除预型芯材。
步骤3、将纤维预浸布再包裹在预型芯材外，获得预制件，放入成型模具内，合模加热到成型温度150℃，成型时间为15分钟；冷却，脱模，取件，即得碳纤维机械臂的臂杆。
由对比例的步骤2可知，现有技术需要将膨胀胶放入芯模成型的模具中，由于膨胀胶本身强度和硬度不够，将膨胀胶填充在芯模成型的模具中并压实时容易出现局部膨胀胶过多的情况，并导致在后续预膨胀的过程中，膨胀胶各部分膨胀程度不一致，最终导致膨胀胶芯模表面不平整。而在本发明实施例中，基于膨胀胶强度和硬度不够的特性，将膨胀胶做成片状，从工艺的角度讲，膨胀胶做成片状更容易维持表面的平整，同时片状更利于膨胀胶缠绕在刚性芯模上。
实施例5
原料使用T700级碳纤维环氧树脂预浸布，采用实施例1-4所示的方法制造尺寸600×20×20mm壁厚2mm的空心梁碳复材梁。设计框架为3×3方格，每根横向放置的梁每180mm等距加工出深度18mm的卯孔凹槽，卯孔凹槽横断面与梁长度方向为90°，将然后将梁拼装在一起，在管梁相连接部位用碳纤维角片粘接加固，外部夹持固化。固化后在连接部位钻4个3.1mm直径的孔，使用M3的螺栓加固。最终组装成边长600mm的正方形框架。框架具体结构如图3所示。
需要说明的是，上述方案只是以方形管为例，给出的具体操作方式，对于其他形状管只需要将芯模做成相应的形状，其他操作与方形管相同。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种拼装防变形轻量化碳纤维复合材料框架制备方法，其特征在于，包括；
步骤1、利用中空刚性芯模、片状的膨胀胶胶膜和纤维预浸料制备呈柱状体状的碳纤维复合材料管材；
步骤2、在所述柱状体上设置孔槽连接结构；
步骤3、利用所述柱状体搭建具有网格结构的单层框架，所述柱状体通过所述孔槽连接结构交叉连接得到所述网格结构的交点。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤1包括：
在所述中空刚性芯模表面覆裹所述膨胀胶胶膜；
在所述膨胀胶胶膜表面覆裹所述纤维预浸料；
在覆裹预浸料后，对膨胀胶胶膜进行预膨胀；
将所述中空刚性芯模、所述膨胀胶胶膜和所述纤维预浸料放入阴模中加热成型，得到复合材料管材。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，
所述膨胀胶胶膜的膨胀温度为50℃～170℃，体积膨胀率为2～30，膨胀压力为0.2～4MPa。
4.根据权利要求2所述方法，其特征在于，
所述刚性芯模的制备材料为金属材料、树脂材料或树脂基复合材料；
其中，所述树脂材料固化温度高于100℃；所述树脂基复合材料玻璃化转变温度高于150℃。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述阴模的内壁与预浸料之间存在工艺间隙；
所述工艺间隙不超过所述膨胀胶胶膜厚度。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述中空刚性芯模截面为圆形时，所述中空刚性芯模壁厚与截面直径之比不小于1:20；
所述中空刚性芯模截面为矩形时，所述中空刚性芯模壁厚与截面的任一边的长度之比不小于1:20。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述孔槽连接结构包括：连接孔；
所述柱状体包括第一柱状体和第二柱状体；
所述第一柱状体上设置有所述连接孔，所述第二柱状体从所述连接孔中穿过；
所述连接孔和所述第二柱状体的配合尺寸小于0.15mm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述孔槽连接结构包括：第一连接槽和第二连接槽；
所述柱状体包括：第一柱状体和第二柱状体；
所述第一柱状体上设置所述第一连接槽，所述第二柱状体上设置所述第二连接槽，所述第一连接槽形状和所述第二连接槽形状相匹配；
所述第一柱状体和所述第二柱状体交叉连接时，所述第一连接槽和所述第二连接槽扣合；
所述第一连接槽和所述第二连接槽的配合公差小于0.15mm。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述孔槽连接结构包括：连接槽；
所述柱状体包括：第一柱状体和第二柱状体；
所述第一柱状体上设置所述连接槽，所述第二柱状体穿过所述连接槽与所述第一柱状体交叉连接；
所述连接槽和所述第二柱状体的配合尺寸小于0.15mm。
10.根据权利要求1-9所述的方法，其特征在于，在步骤3之后，所述方法还包括：
步骤4，在所述网格结构的交点处设置角片。
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