CN114459530A - 一种混杂纤维智能复合材料芯棒 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混杂纤维智能复合材料芯棒，由内至外依次为超细光纤、增强玻纤集束芯、混杂增强纤维层、耐劈裂层，增强玻纤集束芯由高强度玻璃纤维丝束组成，混杂增强纤维层由碳纤维和无机纤维混杂组成，耐劈裂层由纤维编织窄带缠绕形成。具有智能信号传输功能，利用复合材料结构中的光纤信号变化，可感知复杂受力环境、复杂耐温环境下的复合材料结构变化。

Description

一种混杂纤维智能复合材料芯棒

技术领域

本发明属于复合材料棒材的承载承重技术领域，具体涉及一种混杂纤维智能复合材料芯棒。

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。

现代工程化领域对于部件的力学承载性能、轻量化特性以及耐温等诸多特性提出了更高的要求，复合材料作为代替金属材料使用的减重高性能材质，已经在力学承载 领域得到了诸多应用。采用单向高性能纤维排布结构，以热固性树脂作为基体形成的 复合材料棒材，在电力传输领域、油田抽油部件以及其他力学承载领域得到了广泛应 用。尤其在电力领域的承载导线芯棒和油田领域的抽油杆体棒材的应用，其复合材料 化日益成为主流产品。传统的复合材料芯棒采用碳纤维、玻璃纤维为增强材料，在电 力和油田领域中，目前遇到的应用环境日益复杂，在油田深井抽油过程中会遇到高温、 高压、腐蚀性环境，电力传输领域会遇到冰霜、冰冻或高温暴晒环境，在复杂力学环 境下的承载需要进行其变化规律的实时监测，传统复合材料的增强结构显然不具备该 功能。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种混杂纤维智能复合材料芯棒。该结构具有智能信号传输功能，利用复合材料结构中的光纤信号变化，可 感知复杂受力环境、复杂耐温环境下的复合材料结构变化。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种混杂纤维智能复合材料芯棒，由内至外依次为超细光纤、增强玻纤集束芯、混杂增强纤维层、耐劈裂层，增强玻纤集束芯由高强度玻璃纤维丝束组成，混杂增强 纤维层由碳纤维和无机纤维混杂组成，耐劈裂层由纤维编织窄带缠绕形成。

现有的芯棒结构采用碳纤维、玻璃纤维作为增强材料，作用是提高载荷和提高耐压、耐腐蚀、耐磨损、耐生物等。但是现有的芯棒不具有智能信号传输功能。本发明 提出了一种复合材料芯棒，利用复合材料芯棒中的超细光纤感知复杂受力环境、复杂 耐温环境下的复合材料结构变化，转化为超细光纤中的光信号变化，检测设备进而能 够得到信号，得知受力变化情况、温度变化情况。本发明中使用的增强玻纤集束芯、 混杂增强纤维层相比于现有的增强材料，不仅具有增加强度的作用，在外力的作用还 具有灵敏的压力转变反应能力，在外界的温度变化的情况下，还具有灵敏的温度反应 能力。这样才能传递给超细光纤产生光信号的变化。

在芯棒的中心埋入超细光纤，利用超细光纤的信号传感特性与外侧包覆的结构的承受复杂力学性能的温度环境下的结构变化，然后利用信号传输变化感知受力和耐温 的变化，为结构稳定性、服役稳定性的变化提供了灵敏检测功能。

增强玻纤集束芯的作用是:给光纤提供定位和保护的作用，具有一定的强度，能够抵抗外力，在受力的情况下产生微应变。

混杂增强纤维层的作用是：在增强玻纤集束芯的外部形成增强纤维结构层。其中碳纤维具有增强作用，无机纤维具有辅助的作用。能够抵抗外力，在受力的情况下产 生微应变。

增强玻纤集束芯、混杂增强纤维层协同在受到外力的作用下，产生微应变，并将微应变传递给超细光纤。

耐劈裂层的作用是：提高芯棒抵抗外力的作用减少发生劈裂。还具有抵抗温度变化的作用，在温度变化后，不会发生失效，能够灵敏的反应出温度的变化。

在实际的使用过程中，可以得到超细光纤上每个点受到应力的变化产生的微应变。

在本发明的一些实施方式中，超细光纤为波长是320到430nm、400到680nm、 780到970nm、980到1650nm、1260到1650nm、1.7到2.3μm中的一种；

光纤芯层的直径为50±2.5μm、50±3μm、62.5±2.5μm、62.5±3μm中的一种。

在本发明的一些实施方式中，超细光纤的数量为单根或多根。

在本发明的一些实施方式中，超细光纤的外表面设置涂层，涂层的材质为聚酯、聚酰亚胺、特氟龙等工程塑料中的一种。设置涂层，可以提高超细光纤与增强玻纤集 束芯的结合作用。超细光纤和增强玻纤集束芯的结合更为紧密有利于提高信号的传输 作用。

可选的，涂层的厚度为155±5μm或245±10μm。涂层的厚度根据增强玻纤集束芯的束芯的数量进行变化。

在本发明的一些实施方式中，增强玻纤集束芯的高强度玻璃纤维丝束的材质为S-1玻纤、S-2玻纤、HS2玻纤、HS4玻纤、HS6玻纤、BMT玻纤等中任意一种。

在本发明的一些实施方式中，增强玻纤集束芯的束芯的数量为2-4束。

在本发明的一些实施方式中，混杂纤维增强层中的碳纤维为T300、T700、T800、T1000等高强度碳纤维中的任意一种。

在本发明的一些实施方式中，无机纤维为玄武岩纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等其中的任意一种且不局限于该几种。

在本发明的一些实施方式中，混杂纤维增强层的排布形式为：沿着径向包绕叠层排布或在径向面积内无规则分布。

在本发明的一些实施方式中，碳纤维和无机纤维的混杂比控制在2：1-10：1范 围内灵活调节。碳纤维和无机纤维的配比，反应了能够承受的强度。强度越大，能够 更好的将微应变传递给超细光纤。

碳纤维和无机纤维的组成，能够灵敏的感知温度的变化，在遇到冰霜、冰冻或高温暴晒环境，能够灵敏的反应出温度的变化，通过监测设备能够得到芯棒的环境变化 情况。

在本发明的一些实施方式中，耐劈裂层的纤维编织窄带的宽度为10-30mm，材质为S玻璃纤维、玄武岩纤维中的一种或S玻璃纤维与其它无机纤维的混杂编织。S玻 璃纤维为高强度玻璃纤维，纤维的强度为4.3--4.9。

耐劈裂层的材质提供芯棒更好的强度，在合适的强度条件下，在受到外力作用时，才能够更好的转变为微应变。

在本发明的一些实施方式中，耐劈裂层的纤维编织窄带的编织形式为平纹、斜纹、缎纹编织中的任意一种或混杂编织，缠绕角度可在30-60度之间灵活调整。

在本发明的一些实施方式中，耐劈裂层的纤维编织窄带为混杂编织形式，耐劈裂层的纤维为玻璃纤维和其它种类的无机纤维的混杂纤维，其它无机纤维的混杂比例小 于玻璃纤维。

在本发明的一些实施方式中，芯棒的最外层设置热固性树脂，热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的任意一种，树脂含量为30-50％。

在本发明的一些实施方式中，芯棒的直径为3-15mm。

本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

提出了一种混杂纤维智能复合材料芯棒，该棒材采用碳纤维、玻璃纤维及其他高性能纤维单向排布增强热固性树脂基体构成，利用光纤在中心埋入在复合材料细观结 构中使其具备信号传输功能特性，在芯棒的复杂力学服役过程中，实时监测其力学承 载变化和温度感知变化等，提高复合材料棒材在不同应用领域的功能预测性和智能化 特性。

在遇到的高温高压、腐蚀性环境、冰霜、冰冻或高温暴晒等极端环境和复杂力学环境下，能够实现对变化的实时监测。

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申请的进一步理解，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为复合材料结构芯棒的示意图；

图2为微应变与应力的变化关系图。

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，本文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 根据本申请的示例性实施方式。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。

如图1所示为混杂纤维智能复合材料结构芯棒的示意图，由内至外依次为超细光纤1、增强玻纤集束芯2、混杂增强纤维层3、耐劈裂层4。

下面结合实施例对本发明进一步说明

实施例1

一种混杂纤维智能复合材料结构芯棒，采用3束的BMT玻纤作为增强玻纤集束 芯，在增强技术芯内部埋入波长980到1650nm范围的直径62.5±3μm的1根光纤， 在超细光纤表面采用厚度155±5μm的特氟龙涂层表面改性。在增强玻纤集束层外部 采用混杂比例5：1的T800碳纤维和氧化铝纤维构成混杂纤维增强层，该增强层纤维 采用随机分布方式构成。在混杂纤维增强层外部采用7：1混杂比的玻璃纤维与玄武 岩纤维利用平纹织物结构构成的22mm宽度窄带进行55度的螺旋缠绕，最终将该四 层结构与树脂含量为47％的环氧树脂，采用拉挤工艺成型，最终成型芯棒直径为8mm。

实施例2

一种混杂纤维智能复合材料结构芯棒，采用2束的S-1玻纤作为增强玻纤集束芯，在增强技术芯内部埋入波长320到430nm范围的直径50±2.5μm、的1根光纤，在超 细光纤表面采用厚度155±5μm的聚酯涂层表面改性。在增强玻纤集束层外部采用混 杂比例2：1的T300碳纤维和玄武岩纤维构成混杂纤维增强层，该增强层纤维采用随 机分布方式构成。在混杂纤维增强层外部采用1：1混杂比的玻璃纤维与碳化硅纤维 利用平纹织物结构构成的10mm宽度窄带进行30度的螺旋缠绕，最终将该四层结构 与树脂含量为30％的环氧树脂，采用拉挤工艺成型，最终成型芯棒直径为3mm。

实施例3

一种混杂纤维智能复合材料结构芯棒，采3束的S-2玻纤作为增强玻纤集束芯， 在增强技术芯内部埋入波长400到680nm范围的直径50±3μm的2根光纤，在超细 光纤表面采用厚度245±10μm的特氟龙涂层表面改性。在增强玻纤集束层外部采用混 杂比例5：1的T1000碳纤维和碳化硅纤维构成混杂纤维增强层，该增强层纤维采用 随机分布方式构成。在混杂纤维增强层外部采用5：1混杂比的玻璃纤维与玄武岩纤 维利用缎纹织物结构构成的13mm宽度窄带进行60度的螺旋缠绕，最终将该四层结 构与树脂含量为50％的酚醛树脂，采用拉挤工艺成型，最终成型芯棒直径为15mm。

实施例4

一种混杂纤维智能复合材料结构芯棒，采用4束HS6玻纤作为增强玻纤集束芯， 在增强技术芯内部埋入波长780到970nm范围的直径62.5±3μm的2根光纤，在超细 光纤表面采用厚度155±5μm的聚酰亚胺涂层表面改性。在增强玻纤集束层外部采用 混杂比例7：1的T800碳纤维和玄武岩纤维构成混杂纤维增强层，该增强层纤维采用 随机分布方式构成。在混杂纤维增强层外部采用6：1混杂比的玻璃纤维与氧化铝纤 维利用缎纹织物结构构成的20mm宽度窄带进行40度的螺旋缠绕，最终将该四层结 构与树脂含量为45％的环氧树脂，采用拉挤工艺成型，最终成型芯棒直径为10mm。

实验例1

利用光纤传感器和解调器进行测量，将实施例1的芯棒放置到钢绞线中，光纤传感器与钢绞线连接，解调仪与钢绞线电连接，解调仪用以接收所述钢绞线传递的信号。 用以测量随着应力产生的应变。得到的结果如图1所示，可以看到，荷载与应变基本 成线性关系，所以可以通过芯棒很好的反应出所处环境中的受力变化情况，便于实现 实时监测。

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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

Claims (10)

1.一种混杂纤维智能复合材料芯棒，其特征在于：由内至外依次为超细光纤、增强玻纤集束芯、混杂增强纤维层、耐劈裂层，增强玻纤集束芯由高强度玻璃纤维丝束组成，混杂增强纤维层由碳纤维和无机纤维混杂组成，耐劈裂层由纤维编织窄带缠绕形成。

2.如权利要求1所述的混杂纤维智能复合材料芯棒，其特征在于：超细光纤为波长是320到430nm、400到680nm、780到970nm、980到1650nm、1260到1650nm、1.7到2.3μm中的一种；

光纤芯层的直径为50±2.5μm、50±3μm、62.5±2.5μm、62.5±3μm中的一种。

3.如权利要求1所述的混杂纤维智能复合材料芯棒，其特征在于：超细光纤的数量为单根或多根。

4.如权利要求3所述的混杂纤维智能复合材料芯棒，其特征在于：超细光纤的外表面设置涂层，涂层的材质为聚酯、聚酰亚胺、特氟龙等工程塑料中的一种；

可选的，涂层的厚度为155±5μm或245±10μm。

5.如权利要求1所述的混杂纤维智能复合材料芯棒，其特征在于：增强玻纤集束芯的高强度玻璃纤维丝束的材质为S-1玻纤、S-2玻纤、HS2玻纤、HS4玻纤、HS6玻纤、BMT玻纤等中任意一种；

或，增强玻纤集束芯的束芯的数量为2-4束。

6.如权利要求1所述的混杂纤维智能复合材料芯棒，其特征在于：混杂纤维增强层中的碳纤维为T300、T700、T800、T1000等高强度碳纤维中的任意一种；

或，无机纤维为玄武岩纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等其中的任意一种且不局限于该几种。

7.如权利要求1所述的混杂纤维智能复合材料芯棒，其特征在于：混杂纤维增强层的排布形式为：沿着径向包绕叠层排布或在径向面积内无规则分布；

碳纤维和无机纤维的混杂比控制在2：1-10：1。

8.如权利要求1所述的混杂纤维智能复合材料芯棒，其特征在于：耐劈裂层的纤维编织窄带的宽度为10-30mm，材质为S玻璃纤维、玄武岩纤维中的一种或S玻璃纤维与其它无机纤维的混杂编织；

或，耐劈裂层的纤维编织窄带的编织形式为平纹、斜纹、缎纹编织中的任意一种或混杂编织，缠绕角度为30-60度；

或，耐劈裂层的纤维编织窄带为混杂编织形式，耐劈裂层的纤维为玻璃纤维和其它种类的无机纤维的混杂纤维，其它无机纤维的混杂比例小于玻璃纤维。

9.如权利要求1所述的混杂纤维智能复合材料芯棒，其特征在于：芯棒的最外层设置热固性树脂，热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的任意一种，树脂含量为30-50％。

10.如权利要求1所述的混杂纤维智能复合材料芯棒，其特征在于：芯棒的直径为3-15mm。

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