CN114606805A - 内置信号传输装置的复合材料体、轨枕和制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种内置信号传输装置的复合材料体、轨枕和制造方法，一种内置信号传输装置的复合材料体，其特征在于，所述复合材料体体内布设信号传输装置，所述信号传输装置与所述复合材料体一体成型，所述信号传输装置具有压敏传感器，所述压敏传感器将复合材料体在承载时产生的内应力变化和/或应变变化转换成电阻变化信号或者电路开关信号。本发明使对复合材料实现非接触的实时工作状态检测和监控成为可能。

Description

内置信号传输装置的复合材料体、轨枕和制造方法

技术领域

本发明属于复合材料设计及材料成型设备技术领域，具体涉及一种内置信号传输装置的复合材料体、复合材料轨枕和制造方法。

背景技术

对于复合材料铁路轨枕这类的承载结构件而言，它的工作状态关系到整个铁路运行系统的安全。然而，由于列车通车密集，铁路路线长，复合材料轨枕的检测、维护是个难题。当前对这些结构体的保养和维护主要通过人工排查来发现，需要耗费大量的人力物力资源，成本较高且不容易发现一些尚未表现出明显痕迹的隐患。

发明专利内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种内置信号传输装置的复合材料体、复合材料轨枕及其成型设备和制备方法，其将信号传输装置设计布置在形成结构体的材料体系中，通过所述信号传输装置中的压敏传感器产生的电阻变化来转换成复合材料体中内应力或应变以及复合材料体是否处于结构正常范围，从而实现实时检测或者监控复合材料体在受载状态下的应力、应变状态或者是否处于正常工作状态。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明首先提供一种内置信号传输装置的复合材料体，所述复合材料体体内布设信号传输装置，所述信号传输装置与所述复合材料体一体成型，所述信号传输装置具有压敏传感器，所述压敏传感器将复合材料体在承载时产生的内应力变化和/或应变变化转换成电阻变化信号或者电路开关信号。

进一步地，对含所述电阻变化和相应的内应力变化和/或应变变化建立对应关系。

进一步地，对于所述电阻变化范围或者电路开关状态与所述复合材料体的工作状态建立对应关系。

上述对应关系可以通过数据标定，通过带计算功能的芯片完成。

进一步地，所述信号传输装置包括信号储存电路，用以存储电阻变化对应的内应力和/或应变信号和/或复合材料体的工作状态信号。优选地，为了节省存储空间，可以仅保存芯片计算的引力状态或应变状态与正常状态的比较结果，这样可以使信号传输装置做得很小，很节能。

进一步地，所述信号传输装置包括无线信号发射电路。

进一步地，所述信号传输装置包括电磁信号接收电路。

进一步地，所述压敏传感器设置于靠近复合材料体的最大压应力处。

进一步，所述压敏传感器设置于靠近复合材料体表面的最大压应力处。

进一步，所述压敏传感器包括应变片，所述应变片通过在复合材料体受载荷时产生形变而导致的电阻变化来指示压力信号，优选地，所述应变片设置于靠近复合材料体的最大拉应力处。这样的设置可以增加压敏传感器的灵敏度。

进一步，所述压敏传感器包括带有弹性臂的贴合开关，所述贴合开关在复合材料体正常工作时处于叠合状态，在复合材料体的纤维断裂或者分层一定程度时所述弹性臂弹开，贴合开关断开。这种压敏传感器体积小，成本低，可以和纤维一起进入复合材料固化，把它装置在复合材料靠近应力最大或者应变最大的位置，也是最容易发行纤维断裂和分层的位置，这样可以实现复合材料破坏时实时报警。进一步，所述信号传输装置还具有压电转换装置，用以将复合材料体所受到的压力载荷转换为信号传输装置工作的电能。

进一步，所述信号传输装置包括无源射频装置。由于无源射频装置依靠外来的电磁能量工作，不需要有线传输电力或者电池，可以使信号传输装置完全封闭在复合材料内，永久工作，无需维护。

进一步，所述无源射频装置具有振荡电路、无线信号发射电路、信号存储电路、压敏传感器。

进一步，所述复合材料体具有第一材料体和第二材料体，所述第一材料体周向包覆第二材料体，所述第一材料体和第二材料体采用非电磁屏蔽材料或弱电磁屏蔽材料制成，所述信号传输装置布置在第一材料体和/或第二材料体中一体成型。

进一步，所述第二材料体采用蜂窝状或格栅状材料体，所述蜂窝状或格栅状材料体采用由铝或铝合金、塑料、纸、复合材料中的一种或多种制备而成；优选地，所述蜂窝为六角形蜂窝或复合材料蜂窝，所述蜂窝体积密度小于200g/cm3。采用这种结构可以很方便地容纳和保护所述信号传输装置，尤其是当信号传输装置体积比较大时。

本发明进一步提供一种内置信号传输装置的复合材料轨枕，所述轨枕采用前述的复合材料体制备而成，在列车通过轨枕时，所述信号传输装置将压敏传感器将感应到的电阻变化转换成轨枕工作状态信号。

进一步，所述无源射频装置具有振荡电路、无线信号发射电路、信号存储电路和压敏传感器，在列车通过轨枕时，所述无源射频装置将压敏传感器将感应到的电阻变化转换成轨枕工作状态信号储存电信号存储电路中，当无源射频装置位于接收器感应范围时，振荡电路将磁能转化为电能驱动无线信号发射电路将信号存储电路中的信号发送，由所述接收器接收。

进一步，所述信号传输装置包括无源射频装置，所述无源射频装置具有振荡电路、无线信号发射电路、信号存储电路、压敏传感器和压电转换装置，在列车通过轨枕时，所述无源射频装置将感应到的电阻变化转换成轨枕工作状态信号储存至信号存储电路中，，并通过压电转换装置将压力转换为电能供应振荡电路、无线信号发射电路和信号存储电路工作，压敏传感器感应到的信号压力存储至信号存储电路中；当振荡电路感应到信号读取器的电磁信号时，发射电路将信号存储电路中的信号传输至所述信号读取器。

进一步，所述无源射频装置中布设至少两个压敏传感器，所述至少两个压敏传感器分别布设在轨枕内的同一水平高度的与两根铁轨中轴线镜像对称的两个位置，优选地，设置于铁轨的下方，所述无源射频装置配置为当所述至少两个压敏传感器感应的内应力或应变差值超出预设阈值时，产生报警信号，所述报警信号存储在信号存储电路中，并且当感应到信号读取器的电磁信号时将所述报警信号传输至所述信号读取器。

进一步，所述信号读取器设置于列车上。

进一步，所述第一材料体为纤维增强树脂复合材料，所述第二材料体为纤维材料、树脂材料、无机材料、金属材料或复合材料中的一种或多种，所述第一材料体中纤维含量大于60wt％，第二材料体中纤维含量小于60wt％；优选地，所述第二材料体中包含再生橡胶颗粒和/或塑料颗粒，所述颗粒直径大于30μm，所述橡胶颗粒和/或塑料颗粒占所述轨枕的质量比大于10wt％；优选地，所述第二材料体包括短切纤维，所述短切纤维占轨枕总体质量比重为5％～40wt％；优选地，所述短切纤维选自玻璃、塑料、晶须和金属中的一种或多种。

本发明进一步提供一种内置信号传输装置的复合材料体的成型设备，其包括进料设备和模具设备，所述模具设备连接在进料设备的下游，所述进料设备包括周向密闭的第一型腔和周向密闭的第二型腔，所述第一型腔内布设有中空芯模，所述第一型腔出口端连通至第二型腔，所述中空芯模的出口端连通至第二芯腔。

进一步，所述中空芯模悬置于第一型腔中，所述第一型腔具有由入口端向出口端方向径向截面逐渐收缩的挤压段。

本发明进一步提供一种内置信号传输装置的复合材料体的制备方法，将所述信号传输装置和复合材料的增强材料及液态基体材料一起复合成为复合前体，再将复合前体固化和/或定型为整体的所述复合材料。

进一步地，将所述信号装置置于纤维或者纤维织物之间，或，置于蜂窝状或格栅状材料中和包括液态基体材料在内的复合材料中的其他材料一起复合成为复合前体，再将复合前体固化和/或定型为整体的所述复合材料。

进一步地，采用前述的成型设备完成，包括如下步骤：步骤1：将第一材料体送入到第一型腔中并施加力的作用使其向第二型腔方向移动；步骤2：将在指定位置布设有信号传输装置的第二材料体置入中空芯模中，并施加力的作用使其向第二型腔方向移动；步骤3：在第二型腔中使第一材料体包覆第二材料体形成复合材料预浸体；步骤4：将所述复合材料预浸体送入到模具设备中进一步加工成型，同时，在以上步骤1和/或步骤2中，将所述信号传输装置置于所述第一材料体和/或第二材料体中。

通过本发明的设备和方法制造轨枕，借助进料设备可以确保轨枕复合材料中基体材料对纤维材料的充分浸渍，有效保障轨枕质量；借助穿纱板和芯模的设置，可以实现纤维及芯模填料的定位设置，从而可以根据实际需要实现对复合材料轨枕内部组分及结构的精细设计和制造，并且可以稳定可靠地将所述信号传输装置封装在轨枕中。

本发明的轨枕，不但强度高、韧性好、成本低、抗压性好，而且还能实现对其工作状态的实时监控。

附图说明

图1所示为本发明的优选实施例的轨枕示意图；

图2所示为图1的主视图示意图；

图3所述为图2中C-C剖面示意图；

图4所示为本发明的优选实施例的压敏传感器的贴片开关示意图；

图5所示为本发明的复合材料浸渍设备的示意图；

图6所示为本发明的复合材料成型设备的整体结构示意图；

图7所示为本发明的穿纱板的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明所述的优选实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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：

本发明首先提供一种内置信号传输装置的复合材料轨枕500，所述复合材料轨枕500具有第一材料体510和第二材料体520，所述第一材料体内靠近上表面处10mm处的铁轨下方与铁轨的中轴线对称布设两个无线信号传输装置600，第一材料体510在周向上环围包覆第二材料体520，且所述信号传输装置600完全包覆在第一材料体内，所述第一材料体510包覆第二材料体520和信号传输装置600一体成型。在图示的实施例中，所述第二材料体520含有蜂窝板521和短切纤维522，优选地，还含有再生橡胶颗粒或者塑料颗粒，所述短切纤维和/或再生橡胶或塑料颗粒填充于所述蜂窝板521内。所述信号传输装置具有压敏传感器，所述压敏传感器将复合材料体所受的列车通过时通过轨道传递的压应力所导致的电阻变化转化为压力信号或者或故障报警信号或电路开关信号。进一步地，所述复合材料轨枕500含有两个无线信号传输装置600或一个信号传输装置600具有两个压力传感器，所述压力传感器设置与轨枕与铁轨接触面的下方，通过对两个压力传感器感知的压力差值与设定阈值的对比来产生复合材料轨枕600工作状态是否正常的信号，如果超出阈值，则产生故障报警信号。所述压敏传感器包括但不限于压力传感器、应变传感器、应变片或压差传感器等。

可选地，所述信号传输装置600也可以置于所述第二材料体520中，优选地，置于第二材料体520的上部靠近第一材料体510的交界处，更优选地，置于所述蜂窝板521内部；针对体积稍大的信号传输装置，这个位置设计既可以使压力传感器灵敏地感知复合材料体内的压力变化，又不至于影响第一材料体510的力学性能和复合材料轨枕500的整体力学性能，同时还能对信号传输装置600进行充分的保护。

在优选的实施例中，第一材料体510本身采用由连续纤维513增强树脂基体512形成的复合材料，其中树脂基体512材料选自芳香族聚氨酯、脂肪族聚氨酯、酚醛树脂、含氟树脂、热塑性树脂的反应单体、环戊二烯树脂、有机硅树脂、无机凝胶中的一种或多种的组合；第二材料体520采用金属材料、高分子材料、无机非金属材料或复合材料中的一种或多种的组合；图2和图3所示的实施例中，第一材料体的最外层还设有纤维布或纤维毡511，该纤维布或纤维毡511优选地采用玻璃纤维，其克重为300～1800g/m²；优选地，第一材料体中玻璃纤维的重量占第一材料体的50～80％；优选地，第一材料体为玻璃纤维增强聚氨酯树脂、酚醛树脂或者热塑性丙烯酸树脂或其齐聚物或共聚物、己内酰胺单体、尼龙66盐，更优选地，所述酚醛树脂或者热塑性丙烯酸树脂或其齐聚物或共聚物、或己内酰胺单体、尼龙66盐含有发泡剂；在其他的优选实施例中，第二材料体520可以选用蜂窝、泡沫或粉末、片状、颗粒状或纤维状的橡胶、塑料、玻璃、建筑废渣中的一种或多种，更优选地，所述第二材料体含有铝或PVC或纸制成的蜂窝、短切纤维、再生橡胶颗粒，优选地，所述第一材料体的密度大于第二材料体。本实施例中所述第一材料体所采用的纤维为玻璃纤维，包括但不限于重庆国际复合材料有限公司的ECR469P-9600TEX，所采用的第一基体材料为发泡的芳香族聚氨酯树脂，包括但不限于科思创聚合物公司的DESMODUR1511L/BAYDUR48BD176双组分聚氨酯体系；可选地，第一材料体的外表面的纤维毡或纤维布511还可以采用300～1800g/m2玻璃纤维连续毡、针织毡、方格布、轴向布中的一种或作者多种的组合，用以提高复合材料的横向强度，防止开裂；本实施例中所述第二材料体选用80～300mg/cm3的PVC蜂窝填充短切再生玻璃纤维和再生橡胶颗粒，第一材料体中的基体材料在固化中发泡使第一材料体和第二材料体固化为一体成为所述复合材料铁路轨枕，优选地，将可发泡的液态的第二基体材料材料浇注在第二材料体的其他材料上使第一材料体和第二材料体固化为一体成为所述复合材料铁路轨枕，可选地，所述第二基体材料与第一基体材料相同。所述复合材料体，第一材料体形成的外层强度高，硬度大，耐磨损，第二材料体形成的芯层抗压强度高，有弹性，所述复合材料体应用与轨枕整体抗弯强度和抗压强度高，耐疲劳，成本低。

在优选的实施例中，所述复合材料轨枕中布设的信号传输装置600为的具有无源射频接受电路和射频发射电路的无源射频装置，所述无源射频装置依靠无线地吸收外部输入能源工作，所述吸收外部能源的方法包括但不限于通过振荡电路将外部电磁能转换成电能或依靠压电转换装置将机械能转换为电能的一种或多种的组合，优选地，所述信号传输装置600还具有信号存储电路，可以存储复合材料轨枕500的工作状态信息，所述工作状态信息在受到触发后通过射频发射电路发送，由信号读取装置接收。所述信号传输装置600在轨枕成型过程中置于所述第一材料体中和第二材料体一起固化成一体成为带有无线信号发射功能的复合材料体，由于复合材料对电磁信号屏蔽弱，所以外部信号读取装置的射频信号发射器向复合材料发射信号时复合材料中的无线射频装置中的振荡电路会吸收能量，所述能量可驱动无线射频装置中的发射电路将存储在信号存储电路中的复合材料的工作状态信息或者故障报警信息发送，由信号读取装置接收，或，由于信号传输电路中断而丧失工作状态信息，由信号读取装置判断出复合材料状态故障，从而可以实现实时监测复合材料的使用状态信息；可选地，所述复合材料轨枕中的无源射频装置还可以通过压电转换装置将列车通过时铁轨对轨枕的压力转换成电能供所述无源射频装置产生、运算、储存、发射轨枕的工作状态信息。这样的复合材料轨枕使非接触的实时工作状态监控成为可能。

在优选的实施方式中，所述压敏传感器包括应变片，所述应变片在复合材料体受载荷时产生形变而导致的电阻变化来转换生成压力信号，在列车通过轨枕使轨枕受载时，通过应变片的电阻变化与标定的电阻变化阈值比较来指示复合材料的内应力状态信号，应变片的电阻变化值与阈值范围不符则产生故障报警信号，存储与信号存储电路中，待信号传输器600感应到信号读取器的电磁信号时通过发射电路发送，由信号读取器接收，这种含有应变片的信号传输装置轻薄，可以附着在衬纸或者织物上随着第一材料体510或者第二材料体520固化为一体成为复合材料轨枕500，可以连续生产，方便、稳定、高效且成本低。

在优选的实施方式中，所述压敏传感器包括带有弹性臂的贴合开关612，如图4所示，在加工成型时，贴合开关612通过热收缩管套线611捆扎，在模具内固化时热收缩管套线611熔化和复合材料体合为一体；在正常工作状态下，所述贴合开关612处于叠合状态，当复合材料体的纤维断裂或者分层时所述弹性臂弹开，贴合开关断开，触发故障报警状态信息存储于信号存储电路中，或者使信号传输装置600丧失传输工作信号功能。

在其他的实施方式中，也可以采用具有上述结构的第一材料体和第二材料体形成其他复合材料体，用作其他的用途，例如地板、结构承载体、或其他具有类似需求的相关产品中。

通过此实施例获得的复合材料体中，第一材料体可具有耐候、耐磨、阻燃和提供强度的功能，第二材料体可提供抗压、抗剪切、降低成本功能，使复合材料具备最佳的性价比，优选地，热塑性树脂作为基体材料的使用使复合材料具有可回收性。

优选地，所述信号读取器可以设置在列车上，当列车通过上述复合材料轨枕500中的信号传输装置600时，可以触发所述信号传输装置600，实时读取轨枕的工作状态信号，及时将轨枕状态信息传输出去，实现对轨枕工作状态的实时非接触监控，保证铁路运营安全。

实施例2：

本实施例提供一种复合材料的浸渍设备，如图5所示，该浸渍设备100包括周向密闭的第一型腔110及连接在第一型腔轴向下游方向的第二型腔120，第二型腔120的出口径向尺寸小于入口径向尺寸；浸渍设备上设有连通至第一型腔110内的第一注入口150。

图示的优选实施例中，第二型腔120配置为其内腔壁具有相较第一型腔110的内腔壁周向或径向向内收拢的聚拢部段；第一型腔110内还设有芯模130，第一型腔110和第二型腔120轴线对中，该芯模130轴向向下游延伸超过第一型腔和第二型腔的连接部，芯模的外壁和第一型腔110的内腔壁之间形成第一容置空间，所述第一注入口150连通至该第一容置空间内；同时芯模130还具有在第二型腔120内轴向延伸的外延部段，该外延部段的外壁与第二型腔的内壁之间形成第二容置空间。图示优选实施例中，第一容置空间为出口端径向厚度略微小于入口端径向厚度的具有连续斜面的通道结构，第一容置空间的出口端单边径向厚度小于入口端单边厚度，第二容置空间为圆锥状或棱锥状环形结构，且第二容置空间的锥度大于第一容置空间连续斜面的锥度。

在优选的实施例中，芯模130为内部中空的结构，芯模130在其延伸超过第一型腔110和第二型腔120的连接部的外延部段上设有连通至第二型腔120的第二输出口131。

图示的实施例中，浸渍设备还设有浸渍腔140，该浸渍腔140是刻于环围第一型腔110第一部段外周整体和其中对应的芯模130外表面的槽道结构，即该浸渍腔140呈现为外径大于第一型腔内壁直径的弧形或环形槽道结构，第一注入口150连通至所述浸渍腔140内。通常，该浸渍腔140的槽道结构深度为0.1mm～20mm，浸渍腔内腔沿第一型腔的轴向方向延伸的长度为1～200mm；优选地，该浸渍腔140配置为内腔深度为1mm～6mm,浸渍腔内腔沿第一型腔的轴向方向延伸的长度为10mm～100mm；优选地，连通所述浸渍腔140具有多个第一注入口150，分布于第一型腔110和芯模130与浸渍腔140对应的部分。

图示的实施例中，第一型腔具有保压段111和压缩段112，保压段111连接在浸渍腔140的入口端上游，保压段的径向尺寸与第一型腔出口端径向尺寸一致；压缩段112连接在保压段111的入口端上游，压缩段112的入口端径向尺寸大于出口端径尺寸；压缩段段轴向延伸长度为5～500mm，压缩段112入口端的单边径向尺寸比其出口端的单边径向尺寸小0.1mm～0.25mm；优选地，压缩段轴向延伸长度为20～200mm；可选地，压缩段112可以取消，只保留保压段111；可选地，在第一型腔入口处还包括挤压段，挤压的入口端径向尺寸大于出口端径尺寸；挤压段段轴向延伸长度为5～500mm，挤压段入口端的单边径向尺寸比其出口端的单边径向尺寸大于0.25mm，优选地，大0.25～50mm。

图示实施例中，在第一型腔110的的轴向上游入口端设有穿纱板160，穿纱板160上设有容纳纤维纱或纤维织物穿过的穿纱孔和/或缝，所述穿纱孔和/或缝按照需要对纤维纱的分布位置和/或对纤维织物的形状定形的设计来布置。

在其他的优选实施例中，芯模130也可以不具有在第二型腔中延伸的外延部段，即第二容置空间与第二型腔120完全重合。

在其他优选实施例中，第一容置空间也可以为圆柱状环形结构、其他锥台状环形结构或棱柱状环形结构；第二容置空间为圆锥状环形结构或其他棱锥状环形结构。

在优选的实施例中，所述第一型腔110和第二型腔120为一体成型的结构或拼接而成的结构。

在优选的实施例中，该浸渍设备还包括冷却或者加热装置，所述冷却或者装置配置在第一型腔和/或第二型腔的外围布置，用于减缓或加速液态基体材料的反应速度或者维持基体材料的熔融状态。作为制造复合材料轨枕的具体实施案例，所述第一型腔110为一个棱柱状通道结构，其中所述压缩段112为自第一型腔110入口向下游延伸的锥台形通道，其入口的厚度和宽度分别较其出口的对应厚度和宽度大0.5～1mm，长度为150～250mm；所述保压段112分别紧接压缩段110下游和紧接浸渍腔140上游和下游的两段四棱柱状通道，其横截面均与第一型腔110的出口相同，长度为50～150mm；所述芯模130为具有空腔的方形管道，其入口位于第一型腔110入口上游，其下表面与第一型腔110下表面相连进行支撑，其延伸段出口位于第二型腔120中，芯模130的外表面和第一型腔110构成槽形的第一容置空间，和第二型腔120构成环形的第二容置空间；所述浸渍腔140为在两段保压段112之间的刻于第一型腔110外周型腔壁和芯模120外周壁上的一个环形槽道结构，其槽道深度为6mm，槽道长度为12mm；在浸渍腔140对应部分的第一型腔110上开有多个第一注入口150；第二型腔120是紧接第一型腔110出口的锥台结构，成为一个周向收缩的聚拢段，其锥度大于挤压段110的斜度，其长度为50～200mm；芯模130有方管形空腔，在空腔中还有上方开口的PVC槽道，在芯模130入口前有蜂窝展开装置，在牵引作用下连续地使蜂窝材料通过空腔内PVC槽道进入第二型腔120，同时芯模130入口上方还开有入料口，供自动计量输送装置向空腔内输入短切玻纤、再生橡胶颗粒等落入蜂窝材料的孔中和蜂窝一起进入第二型腔120。

在一些优选的实施方式中，芯模130内对应于第一注入口150的位置设有第二输入口，第二输入口连接有穿过第一注入口150连接至外部的注料管，用于在制备外层很厚的复合材料体时，向浸渍腔140内注入第一基体材料帮助更好地浸渍第一增强材料。

在一些优选的实施方式中，第一型腔110和第二型腔120壁中开有冷却水道，可通入冷却水对第一型腔110和第二型腔120降温；在第一型腔110的入口前前设置有穿纱板161，穿纱板161上有穿纱孔和穿纱缝，穿纱孔的位置和密度决定了纤维纱的分布位置和密度，穿纱缝的形状决定了通过其中的纤维织物的形状。

实施例3：

本实施例提供一种浸渍设备，其与实施例2的设计思路基本相同，但是第二型腔120内腔壁与第一型腔110出口的内腔壁形状一致；本实施例的浸渍设备的第一型腔110入口端设有第一穿纱板161，第一型腔110从入口到出口依次设置挤压段、压缩段、保压段、浸渍腔及向第二型腔的过渡段，挤压段的入口横截面面积是出口的1.8倍，长度为450mm；压缩段入口的单边径向尺寸比出口半径大0.2mm，长度为150mm；保压段具有相同截面尺寸的入口和出口，保压段长度为100mm；浸渍腔是环绕第一容置空间的环形槽道结构，深2mm，轴向长度50mm，向第二型腔的过渡段的出口和入口尺寸与保压段相同，长度为600mm。第二型腔120为柱形腔，具有空心内腔的芯模130在第二型腔内延伸至第一型腔110和第二型腔120的交界处，芯模130在外延部段上设有连通至第二容置空间的第二输出口131。

实施例4：

本实施例提供一种纤维增强树脂基复合材料体的制造方法，其采用实施例2的设备实现，具体过程如下：采用本实施例的浸渍设备浸渍复合材料时，通过第一穿纱板161将单向纤维和纤维织物输入到第一容置空间内，将单向纤维和/不和纤维织物一起用牵引装置牵引穿过穿纱板上的经过设计的纱孔和/或缝进行纤维空间分布和/或纤维织物形状调整后通过第一型腔和芯模形成的第一容置空间，在此过程中，将信号传输装置600置于所述纤维或者纤维织物之间与其一起进入第一容置空间，液态的第一基体材料通过第一注入口注入到浸渍腔140中，由于保压段和向第二型腔的过渡段被纤维填充满，液态第一基体材料的压力升高才能渗入到纤维的间隙中，于是注射压力上高，在第一容置空间内形成一个由入口到出口逐步升高的压力梯度，将纤维间的气体挤出，代之以液态第一基体材料，液态的第一基体材料包覆在纤维周围被纤维带着一起向第二容置空间移动着前进在从第一容置空间挤出时形成第一预浸体；同时，液体压力还推动着液态的第一基体材料向第一型腔的入口方向运动，使其填充保压段、压缩段和敞口段，这样就延长了浸渍纤维的时间，从而有效保证浸渍质量。可选地，在浸渍设备上设置冷却装置，通过对浸渍设备的冷却来降低进入型腔的基体材料的温度，延长其凝胶时间，防止其过早地凝胶而堵塞型腔。

同时，将第二增强材料中的织物、长纤维等，通过芯模130的入口端通过第二穿纱板162上的穿纱孔定位到芯模130的内壁的底部或侧部，并将其通过牵引装置牵引穿过芯模的空心内腔并通过第二输出口131进入到第二型腔中，和/或，将蜂窝材料展开并将其通过牵引装置牵引穿过芯模的空心内腔并通过第二输出口131进入到第二型腔中，与前述步骤形成的第一预浸体复合，由于第二型腔是出口径向尺寸小于入口径向尺寸的锥形，已在第一容置空间中由液态的第一基体材料充分浸渍第一增强材料形成的第一预浸体在第二容置空间中与芯模中输出的包含蜂窝、填料、短纤、纤维等的第二增强材料混合挤压形成复合前体。

在另外的实施例中，采用实施例3的设备实现。在第二增强材料被牵引进入芯模内之前或进入芯模后也可以进一步填充液态的第二基体材料,将蜂窝板521连续展开并将短切纤维和/或橡胶或塑料颗粒填充置蜂窝板521的蜂窝格内，然后将信号传输装置600置于第二增强材料的蜂窝板521的蜂窝格内，牵引含有信号传输装置600的含有蜂窝板521、短切纤维和/或橡胶或塑料颗粒的第二增强材料和信号传输装置600第二增强材料一起进入芯模130并且在第二增强材料上浇注液态的第二基体材料使其浸渍第二增强材料并在芯模130内浸渍含有长纤维、短纤、蜂窝或其他填料的第二增强材料形成第二预浸体，该第二预浸体从芯模的第二输出口输出并与第一预浸体一起进一步复合形成复合前体。此处，第二预浸体的第二基体材料和第二增强材料可以与注入到第一容置空间内的第一基体材料和第一增强材料相同但密度不同，也可以是组分部分不同或完全不同的材料。

在另外的实施例中，采用实施例3的设备实现，第一材料体为进入芯模内的材料，第二增强材料为进入第一容置空间的材料；第一材料体具有液态的可发泡第一基体材料和第一增强材料，第二增强材料为纤维织物附在织物外表的薄膜，不含有基体材料；牵引第二材料体通过穿纱板上的毡缝形成所需要的形状进入第二容置空间，同时，将蜂窝板521连续展开并将短切纤维和/或橡胶或塑料颗粒填充置蜂窝板521的蜂窝格内，然后将信号传输装置600置于第一增强材料的蜂窝板521的蜂窝格内，牵引含有信号传输装置600的含有蜂窝板521、短切纤维和/或橡胶或塑料颗粒的第一增强材料和信号传输装置600第一增强材料一起进入芯模130并且在第一增强材料上浇注液态的第一基体材料使其浸渍第一增强材料并在芯模130内形成第一预浸料，然后通过第二输出口131进入第二容置空间，在第二容置空间内所述第一预浸料与所述第二材料体复合成为复合前体，在模具内使第一基体材料发泡，发泡的第一基体材料浸透第二增强材料并且固化和/或定型，使复合前体成型为复合材料体；所述复合材料体具有第一材料体形成的芯部和包含有第二增强材料和第一基体材料的第二材料体形成外层。

实施例5：

本实施例提供一种复合材料的成型设备，其包括实施例3的浸渍设备100、模具设备200和牵引装置400，并在浸渍设备100的出口端和模具设备200的入口端之间设置辅助脱模装置300，本实施例中模具设备长度为4m，由多个铝合金型材挤压拼装而成所需的形状；优选地，通过在铝合金型材的分隔空腔中注入热水或者热油控制模具设备200的温度80～130℃；优选地，在模具200内腔贴附玻璃纤维增强聚四氟乙烯薄膜。

在一个优选实施例中，通过第一注入口150向第一容置空间内填充丙烯酸树脂体系作为第一基体材料，芯模内填充发泡聚氨酯树脂材料作为第二基体材料，并将牵引速度设定为0.1m/min。从浸渍设备100输出的复合前体通过穿过模具设备的预成型板进入模具型腔内预成型为所需要的形状，同时通过裹膜装置300将隔离层材料周向包覆着复合前体进入到模具型腔内，由于该隔离层的存在，复合前体无法直接接触模具型腔，从而未完全干透的液态或半固态的基体材料不会对模具型腔造成污染。发泡聚氨酯材料在模具型腔中发泡使复合前体进一步固化和定型为复合材料体，最终被牵引装置牵引出模具型腔而形成所需要的复合材料体型材。隔离层包括但不限于涂有脱模剂的牛皮纸、玻璃纤维增强聚四氟乙烯薄膜，在出模口后剥离重复利用，也可以通过辅助脱模设备300循环至模具200的入口重复使用。采用该方法制备而成的复合材料具有优异的抗老化和防刮擦性能。

在一个制造复合材料铁路轨枕的实施中，采用实施案例1的复合材料体结构，采用实施案例3的浸渍设备，采用钢制造浸渍设备100，铝合金挤出型材制模具200，模具长度2.5～6米，采用实施案例4所述的浸渍方法制造复合前体，在芯模130内壁、第一型腔110和第二型腔120内壁和芯模130空腔内壁粘贴纤维增强聚四氟乙烯薄膜制隔离材料，对形成模具200的铝合金型腔内注入热油并控温，在牵引装置400牵引的同时用辅助脱模装置300将纤维增强聚四氟乙烯薄膜制隔离材料预成型后包裹复合前体进入模具200，被加热的模具200使其中的复合前体中的聚氨酯树脂发泡并且和其他材料一起固化成复合材料轨枕，最后被牵引装置400牵引出模具按照设计的长度进行切割；优选地，在第一增强材料和/或第二增强材料中或在液态的第一基体材料和/或第二基体材料中加入膨胀防火材料，所述膨胀防火材料包括但不限于膨胀石墨、磷酸盐中的一种或多种的组合，所述膨胀防火材料在外层或芯层的体积比为5～50％，所述外层的基体材料为丙烯酸树脂，所述芯层的基体材料为发泡芳香族聚氨酯树脂；由此制造的复合材料铁路轨枕具有出色的耐老化、耐刮擦性能，免涂装并且防火。

采用上述设备和方法制备本发明的复合材料轨枕的步骤如下：步骤1：牵引连续纤维和/或纤维织物通过穿纱板进入第一容置空间向第二容置空间移动，同时通过第一组分材料注入口注入液态的第一基体材料，并且，将信号传输装置600装置夹在连续纤维或纤维织物之间随之进入第一容置空间和第一基体材料和纤维材料一起形成第一预浸料并在牵引装置400的作用下向第二型腔方向移动并最终进入到第二型腔120中；步骤2：同时牵引的第二材料体进入入中空芯模中，并使其向第二型腔方向移动；步骤3：在第二型腔中使第一预浸料包覆第二材料体形成复合前体；步骤4：将所述复合前体送入到模具设备中固化和/或定型为复合材料轨枕型材，最后按照预设尺寸进行切割获得内置有信号传输装置的复合材料轨枕。

优选地，所述信号传输装置600具有振荡电路、无线信号发射电路、存储电路、压电转换装置和压敏传感器，所述信号传输装置600在轨枕成型过程中置于纤维织物之间和其他第一材料体一起进入所述第一容置空间与第一材料体混合成第一预浸体和第二材料体复合成复合前体然后固化成一体成为带有无线信号接受和发射功能的复合材料轨枕。由于复合材料对电磁信号屏蔽弱，所以外部的射频信号发射器向复合材料发射信号时复合材料中的无线射频装置中的振荡电路会吸收电磁能量转换成电能，所述能量可驱动无线射频装置中的发射电路将储存在信号存储电路中的复合材料的工作信息发送给外部射频信号读取器，从而可以实现实时监测复合材料的使用状态信息；可选地，所述复合材料轨枕中的无源射频装置还可以通过压电转换装置将列车通过轨枕的压力转换成电能使所述无源射频装置产生、运算、储存、发射和接受工作数据信息。当列车行使过轨枕时，列车铁轨对轨枕的压力会使压敏传感器产生压力信号并且与标准压力范围比对产生工作状态是否正确的判断信号储存于存储电路中，优选地，所述压敏传感器为至少两个，其中至少两个分别位于铁轨的下方，当复合材料轨枕结构破坏时，其承受铁轨的压力就会失去平衡，其位于铁轨下的压敏传感器测试出的压力差就会超出标准压力差范围，于是无源射频装置就会产生一个轨枕状态故障报警信号储存与储存电路中，列车驶过时，位于列车上的信号读取器可以对无信号传输装置600发射电磁信号，使轨枕中的信号传输装置600中振荡电路获取电磁能量并驱动信号发射电路将储存在信号存储电路中的故障报警信号发送给列车上的信号读取器，列车就能实时捕捉到轨枕失效信息，及时报警处理；优选地，所述无源射频装置中还有压电转化装置，可以将列车驶过时轨枕传递给轨枕的压力转换成电力储存在无源射频装置中，维持其电路的运行。这样的复合材料使非接触的实时工作状态监控成为可能。

可选地，针对体积稍大的信号传输装置600，可以在上述步骤2中将所述信号传输装置600置于第二材料体中和第二材料体进入第二型腔中成为复合材料前体的一部分然后固化和/定型成为所述的复合材料轨枕500。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围；附图及实施例中所述尺寸与具体实物无关，不用于限定本发明的保护范围，实物尺寸可根据实际需要进行选择和变换。

Claims (21)

1.一种内置信号传输装置的复合材料体，其特征在于，所述复合材料体体内布设信号传输装置，所述信号传输装置与所述复合材料体一体成型，所述信号传输装置具有压敏传感器，所述压敏传感器将复合材料体在承载时产生的内应力变化和/或应变变化转换成电阻变化信号或者电路开关信号。

2.根据权利要求1所述的复合材料体，其特征在于，对所述电阻变化和相应的内应力变化和/或应变变化建立对应关系。

3.根据权利要求1或2所述的复合材料体，其特征在于，对于所述电阻变化范围或者电路开关状态与所述复合材料体的工作状态建立对应关系。

4.根据权利要求3所述的复合材料体，其特征在于，所述信号传输装置包括信号储存电路，用以存储电阻变化对应的内应力和/或应变信号和/或复合材料体的工作状态信号。

5.根据权利要求1～4所述的复合材料体，其特征在于，所述信号传输装置包括无线信号发射电路。

6.根据权利要求1～5所述的复合材料体，其特征在于，所述信号传输装置包括电磁信号接收电路。

7.根据权利要求1～3任一所述的复合材料体，其特征在于，所述压敏传感器设置于靠近复合材料体的最大压应力处。

8.根据权利要求1～4任一所述的复合材料体，其特征在于，所述压敏传感器包括应变片，所述应变片将在复合材料体受载荷时产生的应变变转换为电阻变化信号，优选地，所述应变片设置于靠近复合材料体的最大拉应力处。

9.根据权利要求1～5任一所述的复合材料体，其特征在于，所述压敏传感器包括带有弹性臂的贴合开关，所述贴合开关在复合材料体正常工作时处于叠合状态，在复合材料体的纤维断裂或者分层到一定程度时所述弹性臂弹开，贴合开关断开。

10.根据权利要求1～9任一所述的一种内置信号传输装置的复合材料体，其特征在于，所述信号传输装置还具有压电转换装置，用以将复合材料体所受到的压力载荷转换为信号传输装置工作的电能。

11.根据权利要求1～10任一所述的一种内置信号传输装置的复合材料体，其特征在于，所述信号传输装置包括无源射频装置，所述无源射频装置具有振荡电路。

12.根据权利要求1～11任一所述的一种内置信号传输装置的复合材料体，其特征在于，所述复合材料体具有第一材料体和第二材料体，所述第一材料体周向包覆第二材料体，所述第一材料体和第二材料体采用非电磁屏蔽材料或弱电磁屏蔽材料制成，所述信号传输装置布置在第一材料体和/或第二材料体中一体成型。

13.根据权利要求12所述的一种内置信号传输装置的复合材料体，其特征在于，所述第二材料体包含蜂窝状或格栅状材料体，所述蜂窝状或格栅状材料体采用由铝或铝合金、塑料、纸、复合材料中的一种或多种制备而成；优选地，所述蜂窝为六角形蜂窝或复合材料蜂窝，所述蜂窝体积密度小于200g/cm³。

14.一种内置信号传输装置的复合材料轨枕，其特征在于，所述轨枕具有前述权利要求1～13任一所述的复合材料体结构，在列车通过轨枕时，所述信号传输装置将压敏传感器将感应到的电阻变化转换成轨枕工作状态信号。

15.根据权利要求14所述的复合材料轨枕，其特征在于，所述信号传输装置包括无源射频装置，所述无源射频装置具有振荡电路、无线信号发射电路、信号存储电路和压敏传感器，在列车通过轨枕时，所述无源射频装置将压敏传感器将感应到的电阻变化转换成轨枕工作状态信号储存至信号存储电路中，当无源射频装置位于接收器感应范围时，振荡电路将电磁能转化为电能驱动无线信号发射电路将信号存储电路中的信号发送，由所述接收器接收。

16.根据权利要求14或15所述的复合材料轨枕，其特征在于，所述信号传输装置包括无源射频装置，所述无源射频装置具有振荡电路、无线信号发射电路、信号存储电路、压敏传感器和压电转换装置，在列车通过轨枕时，所述无源射频装置将感应到的电阻变化转换成轨枕工作状态信号储存至信号存储电路中，并通过压电转换装置将压力转换为电能供应振荡电路、无线信号发射电路和信号存储电路工作；当振荡电路感应到信号读取器的电磁信号时，发射电路将信号存储电路中的信号传输至所述信号读取器。

17.根据权利要求14～16任一所述的复合材料轨枕，其特征在于，所述无源射频装置中布设至少两个压敏传感器，所述至少两个压敏传感器分别布设在轨枕内的同一水平高度的与两根铁轨中轴线镜像对称的两个位置，优选地，设置于铁轨的下方，所述无源射频装置配置为当所述至少两个压敏传感器感应的内应力或应变差值超出预设阈值时，产生报警信号，所述报警信号存储在信号存储电路中，并且当感应到信号读取器的电磁信号时将所述报警信号传输至所述信号读取器。

18.根据权利要求14～17任一所述的复合材料轨枕，其特征在于，所述信号读取器设置于列车上。

19.根据权利要求14～18任一所述的复合材料轨枕，其特征在于，所述第一材料体为纤维增强树脂复合材料，所述第二材料体为纤维材料、树脂材料、无机材料、金属材料或复合材料中的一种或多种，所述第一材料体中纤维含量大于60wt％，第二材料体中纤维含量小于60wt％；优选地，所述第二材料体中包含再生橡胶颗粒和/或塑料颗粒，所述颗粒直径大于30μm，所述再生橡胶颗粒和/或塑料颗粒占所述轨枕的质量比大于10wt％；优选地，所述第二材料体包括短切纤维，所述短切纤维含量为5％～40wt％；优选地，所述短切纤维选自玻璃、塑料、晶须中的一种或多种。

20.一种内置信号传输装置的复合材料体的制造方法，其特征在于，将所述信号传输装置和复合材料的增强材料及液态基体材料一起复合成为复合前体，再将复合前体固化和/或定型为整体的所述复合材料。

21.权利要求20所述的一种内置信号传输装置的复合材料体的制造方法，其特征在于，将所述信号装置置于纤维或者纤维织物之间，或，置于蜂窝状或格栅状材料中和包括液态基体材料在内的复合材料中的其他材料一起复合成为复合前体，再将复合前体固化和/或定型为整体的所述复合材料。

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