CN114932694B - 一种轻质高强度抗扭复合材料机械臂杆的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种轻质高强度抗扭复合材料机械臂杆的制备方法，属于轻量化复合材料技术领域，具体方案包括以下步骤：一、设待制机械臂杆的直径为Z，环向缠绕若干圈连续纤维窄带，当缠绕连续纤维窄带的厚度达到10‑35％Z后停止缠绕，形成圆环坯料；二、将圆环坯料放在压型工装内压制成型得1/2机械臂杆坯件；三、将两个1/2机械臂杆坯件相对合并组成杆体，在杆体空腔内放置航空泡沫预制件，在杆体外表面沿径向缠绕若干层织物预浸料Ⅰ，在杆体两端接头沿纤维方向放置高温隔离膜；四、将缠绕织物预浸料Ⅰ的杆体放入固化工装内，加温加压固化，达到预设温度后开始降温，得到机械臂杆。该产品具有轻质、高强度、耐腐蚀、扭矩大的优点，且具有破损安全功能。

Description

一种轻质高强度抗扭复合材料机械臂杆的制备方法

技术领域

本发明属于轻量化高强度复合材料技术领域，具体涉及一种轻质高强度抗扭复合材料机械臂杆的制备方法。

背景技术

随着空间科学的发展和航天技术的进步，空间星载展开机构得到越来越多的应用。空间星载展开机构可实现由折叠状态到展开状态的转换，发射时为折叠状态，以满足航天发射工具运载舱空间的限制要求，到达轨道后再完全展开并保持构型，以执行相关任务。大型空间展开机构正朝着长跨度、大收纳率、高刚度、运动惯量小的方向发展。理想的星载展开机构所采用的材料不仅应有较高的强度和刚度，而且须具良好的空间环境适应性和重量控制。现有技术中没有采用以碳纤维为主的连续纤维复合材料制备的星载展开机构，多为金属材质，在相同的质量下，金属材质的物理化学性能指标明显低于连续纤维复合材料。

民用领域的高端机械臂杆多为合金结构的不锈钢棒为原材料，经过锻造、机加工、热处理、表面处理等工序制作而成的高强度、高塑性、高冲击韧性钢结构件。主要受力形式为轴向拉力。随着工程难度的不断增加，钢机械臂杆的自重也随之增大，承载效率比降低，这是限制大工程的一个重要因素。在相关工程施工技术中，其金属机械臂杆内部受力不合理，承载效率偏低，无法满足对承载能力日益增长的需求。现有技术中通常采用抗拉强度高的钢材作为机械臂杆，如钢绞线、高强度钢丝、高强度螺纹钢筋等，其缺点在于：钢材的防腐保护使锚固工程作业量大、耗材多、施工复杂，而且钢材的质量大，制造、运输和安装困难，另一方面钢材在低温条件下容易发生“冷脆”现象。

目前市面上的连续纤维复合材料机械臂杆多数是用玻纤湿法缠绕成型工艺：将玻璃纤维集束浸胶后，在张力控制下直接缠绕在芯模上。但此法仍有许多缺点：制品的树脂含量不容易控制，孔隙率较高，作业环境差，树脂溶剂易挥发产生危害性气体，在成型后制件抗拉力强度低，表面质量差，后期加工处理复杂。

目前的连续纤维复合材料机械臂杆的两端接头都采用金属结构件拼接工艺，会存在如下问题：

1.金属结构无法进行各向异性的优化设计，复合材料的各向异性特点也未能够充分发挥。

2.金属与碳纤维复合材料连接部位较为薄弱，会对构件的抗扭性能造成不利影响。

3.对于形状较为复杂的连杆，无法通过传统的方式保证连接点和承力部分的碳纤维连续，因此承载能力有限。

4.金属结构不具备破损安全功能，两种材料的热膨胀系数不同，耐候性差。

特大型的混凝土结构一般都是以钢筋锚杆为增强材料。但是当应用于具有侵蚀性(如严寒地区用除冰盐处理过的公路桥梁、海边建筑物、水工结构、港工结构、化工厂房等)或暴露性的环境时，在温度和湿度适宜的条件下，混凝土的碳化和氯化物的侵入，使混凝土逐渐中性化，钢筋钝化膜被破坏而开始腐蚀，最终导致混凝土结构过早衰退，结构承载力下降，产生安全隐患，严重时将会导致结构的毁损，造成严重的生命和财产损失。大型体育场馆、机场、桥梁、隧道以及机械提升设备中大量使用了钢拉杆，由于钢的材料特性，钢拉杆在使用过程中会面临钢的腐蚀和疲劳问题，为解决上述问题，采用连续纤维复合材料机械臂杆来代替钢筋，在试验研究和工程应用等方面均取得了较多的成果。

受拉管型结构杆件的承力接头是现代航空器结构设计中不可或缺的一个重要组成部分，飞机中多以金属承力接头为主。随着复合材料被应用在各类航空器的承力构件上，使用连续纤维复合材料制造的承力接头逐渐代替传统金属接头，可以从根本上解决航空航天等领域里的金属机械臂杆的抗疲劳和耐腐蚀性能较差的问题。保证飞机结构刚度的前提下实现结构重量的进一步优化是近年来飞机结构研究的一个主要方向。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种轻质高强度抗扭复合材料机械臂杆的制备方法。该方法制备的产品具有轻质、高强度、扭矩大、耐腐蚀的优点，且具有破损安全功能。本发明可制作出屈服强度达6500MPa级的机械臂杆。充分利用连续纤维各向异性的特点，通过连续缠绕方法使得纤维整体连续，将纤维的排列方向与连杆的承力方向一致，在具备破损安全功能的同时也提高了纤维的屈服强度及抗拉强度的使用效率。该受拉管型结构杆件全部为连续纤维复合材料材质，无其它金属拼接件。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种轻质高强度抗扭复合材料机械臂杆的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、环向缠带：设待制机械臂杆的直径为Z，环向缠绕若干圈连续纤维窄带，当缠绕连续纤维窄带的厚度达到10-35％Z后停止缠绕，形成圆环坯料；

步骤二、压制成型：压型工装下模的上表面开设长条形的、且横截面为半圆形的凹槽结构Ⅰ，所述凹槽结构Ⅰ的内部两端分别固定设置有O型垫块Ⅰ或U型垫块，所述压型工装上模的下表面设有长条形的、且横截面为半圆形的凸起结构，所述凸起结构的两端分别固定设置有O型垫块Ⅱ或U型槽体，所述凸起结构与凹槽结构Ⅰ对应设置，所述O型垫块Ⅰ与O型垫块Ⅱ对应设置，所述U型垫块与U型槽体对应设置，所述O型垫块Ⅰ、U型垫块、O型垫块Ⅱ和U型槽体的中部均设置有销孔Ⅰ，所述销孔Ⅰ内插设销轴Ⅰ，将圆环坯料平铺在凹槽结构Ⅰ上，且两端拉紧挂在销轴Ⅰ上，盖合压型工装上模，对合模后的压型工装进行加热，当温度达到45-125℃时，压型工装上模向下冲压圆环坯料，冲压压力为50-1000N，压型时间为10-130s，得到1/2机械臂杆坯件；

步骤三、径向缠带：将两个1/2机械臂杆坯件相对合并组成杆体，在杆体内部空腔内放置航空泡沫预制件，在杆体外周面沿径向缠绕若干层织物预浸料Ⅰ；

步骤四、固化成型：将缠绕织物预浸料Ⅰ的杆体放入固化工装内，用1-3℃/min速率，升温至90-220℃，真空负压为3-9兆帕，当升温至60℃以上后每增加20℃就恒温10-60min，达到预设温度后开始降温，打开固化工装，取出机械臂杆。

进一步的，步骤三中，将杆体两端接头处的连续纤维窄带均沿与纤维的平行方向分成2-4份，相邻两份之间铺设高温隔离膜。

进一步的，步骤二中，设置有O型垫块Ⅰ的凹槽结构Ⅰ的端部以曲面封端。

进一步的，步骤二中，所述O型垫块Ⅰ的上表面或U型垫块的上表面与凹槽结构Ⅰ的底面之间通过曲面过渡；所述O型垫块Ⅱ的下表面与凸起结构的下表面之间通过曲面过渡，所述U型槽体开设在凸起结构的下表面，所述O型垫块Ⅰ、O型垫块Ⅱ的直径与凹槽结构Ⅰ的截面直径相等，所述U型垫块、U型槽体的宽度与凸起结构的截面直径相等。

进一步的，步骤三中，所述织物预浸料Ⅰ铺层的角度为+45°、-45°或90°，相邻两层的铺设角度不同。

进一步的，步骤三中，所述航空泡沫预制件的外周面包覆有胶膜，在胶膜的外周面沿杆体径向缠绕若干层织物预浸料Ⅱ，所述织物预浸料Ⅱ铺层的角度为+45°、-45°或90°，相邻两层的铺设角度不同。

进一步的，步骤三中，所述航空泡沫的内部轴向设置有通孔Ⅰ，在杆体的端部开设有通孔Ⅱ，所述通孔Ⅰ和通孔Ⅱ相对设置。

进一步的，步骤四中，所述固化工装包括固化工装上模和固化工装下模，所述固化工装上模和固化工装的下模结构相同，所述固化工装上模的上表面开设有长条形的、且横截面为半圆形的凹槽结构Ⅱ，所述凹槽结构Ⅱ的内部两端分别设置有O型垫块Ⅲ或挡块，所述O型垫块Ⅲ水平固定在凹槽结构Ⅱ的底部，且其中心设置有销孔Ⅱ，所述挡块沿凹槽结构Ⅱ的中轴线设置且其上开设有1/2销孔Ⅲ，所述销孔Ⅲ的轴线水平设置，所述销孔Ⅱ内设置有销轴Ⅱ，所述销孔Ⅲ内设置有销轴Ⅲ。

进一步的，对步骤四得到的机械臂杆，取下高温隔离膜，并对机械臂杆表面的毛刺进行清理。

进一步的，步骤三中，所述航空泡沫预制件的两端做型面渐变处理，使其适应杆体中部的空腔。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

因为连续纤维复合材料具有：轻质、高强、不锈蚀、无蠕变、耐腐蚀、耐疲劳、热膨胀系数低、减震性能好，可现场切割等优异金属物化性能。所以用连续纤维复合材料制造的机械臂杆具有：轴向强度和模量高，密度低、比强度高，无金属类蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好,电磁屏蔽性好，耐低温性能强，在液氮温度下具备不脆化等优良特性。

本发明制造出的机械臂杆重量轻，同等强度可以较金属减重73％左右，体积减少25％。轴向剖面可设计成流线型，极大减少风阻，纤维复合材料机械臂杆屈服强度可达6500MPa级，不仅节能环保还增加了稳定性，对我国场馆向大跨度、大高度的建设发展意义巨大。方便安装、减少维护，采用连续纤维预浸料包裹航空泡沫后合模固化工艺制成复合材料圆柱形机械臂杆。本发明成型工艺能严格控制机械臂杆产品的树脂含量、降低孔隙率，制件型面尺寸稳定性好，抗扭矩大，承载能力强，热膨胀系数低，耐低温性能好。

本发明采用碳纤维预浸带进行：环向缠带、模压、杆芯预成型、径向缠带、高温高压固化，制成碳纤维复合材料环形机械臂杆。具有如下效果：

1.传统工艺中环形机械臂杆的制备采用湿法缠绕成型，存在以下缺点：树脂浪费大、操作环境差、含胶量及成品质量不易控制、可供湿法缠绕的高性能树脂品种较少、在成型后需要后期加工处理。而本发明采用预浸料作为原材料可以对树脂含量进行严格控制，没有树脂溶剂挥发造成的危害性气体，成型后制件外观平整、型面光滑，无需后期加工。本发明使用的连续纤维预浸带，制作过程中可以对纤维含量、树脂分布均匀度进行严格控制，制得的环形机械臂杆孔隙率低、承载能力强。

2.传统工艺湿法缠绕成型中采用玻璃纤维材料为主，而本发明提供一种以环氧树脂碳纤维预浸料为主要原材料，采用缠带、模压、固化的工艺制成。碳纤维在低温下有很好的尺寸稳定性，选取耐低温环氧树脂基预浸料，制备出的环形缠绕成型工艺的机械臂杆具有很好的耐低温性，能在-75℃的环境下长期使用。

3.采用环形缠绕成型工艺的机械臂杆作为承重机械臂杆，其工作状态主要是考验其拉伸性能，而影响拉伸性能的主要因素之一是机械臂杆的孔隙率和纤维体积含量。传统的湿法缠绕成型工艺不能对此进行有效的控制，导致承重能力差；本发明提供的成型工艺中，杆体有预压实成型操作，航空泡沫的杆芯外侧有胶膜与织物预浸料包裹缠绕成型操作，可以有效的减少碳纤维层间空气含量，降低孔隙率，提高产品质量稳定性；而传统操作中，一般采用碾压轮或刮板进行手工压实，产品的质量受到操作工技能水平的影响，容易造成不同批次间的产品存在较大差异。

4.本发明提供的成型工艺中，采用碳纤维复合材料的热膨胀系数为0.12×10^-6～0.7×10^-6，而玻璃纤维复合材料的热膨胀系数为2.7×10^-6～7.4×10^-6，膨胀系数越低其尺寸稳定性越好。

5.本发明提供的机械臂杆固化工装模具为不溢式模具，通过对模具进行加温加压达到对制件毛坯进行固化处理的目的，成型后制件外观平整、型面光滑，仅需去除飞边，无需复杂的后期加工。

6.本发明提供的成型工艺中，在两端受力圆环位置做环向隔离分层设计，具备多路传力或冗余载荷路径功能，具有破损安全功能。破损安全结构是：承力结构件的某些部分产生疲劳、裂纹甚至出现严重断裂损伤时，其它余度结构能承受损伤件原来承受的载荷而不会发生灾难性破坏的结构。两端受力圆环位置做便于断裂的设计是从整体结构的观点来考虑安全的，该设计的特点是制造出多路传力或冗余载荷路径。

7.连续纤维复合材料圆柱形机械臂杆有U型和O型两种接头，结构件全部是纤维复合材料制造。完全保持了纤维复合材料具有的轻质高能，惰性稳定的特征。避免现有产品只是部分部件采用复合材料造成机械臂杆总体性能不强的缺点。因为纤维复合材料产品具有力学性质各向异性，机械臂杆主要受力形式为轴向拉力。在要断开机械臂杆过程中，对纤维复合材料径向的剪切力要小于金属材质，切割过程中快捷且无火花。

采用碳纤维复合材料制作高承重机械臂杆，通过预设杆芯，不仅增强机械臂杆在使用过程中的抗拉强度，还在杆芯及杆体外部增加碳纤维预浸布多个角度的铺层设计，保障承重机械臂杆的直线度。碳纤维复合材料承重机械臂杆在起重车，泵车等工程机械上的使用，可使工程机械自重减小，降低运动惯量，减小底盘负荷，重心的进一步降低，提高了工程机械的稳定性。碳纤维复合材料承重机械臂杆抗疲劳性极佳，相对金属机械臂杆延长使用寿命。

附图说明

图1：具有O型接头的机械臂杆；

图2：具有U型接头的机械臂杆；

图3：具有O型接头的机械臂杆压型工装上模线条图；

图4：具有O型接头的机械臂杆压型工装下模线条图；

图5：具有U型接头的1/2机械臂杆坯件；

图6：具有O型接头的机械臂杆压型工装上模3D图；

图7：具有O型接头的机械臂杆压型工装下模3D图；

图8：具有U型接头的机械臂杆压型工装上模3D图；

图9：具有U型接头的机械臂杆压型工装下模3D图；

图10：具有O型接头的机械臂杆固化工装上模线条图；

图11：具有O型接头的机械臂杆固化工装下模线条图；

图12：具有U型接头的机械臂杆固化工装上模线条图；

图13：具有U型接头的机械臂杆固化工装下模线条图；

图14：带有U型接头机械臂杆的固化工装下模线条图；

图中，1、压型工装下模，2、压型工装上模，3、固化工装上模，4、固化工装下模，11、凹槽结构Ⅰ，12、O型垫块Ⅰ，13、U型垫块，14、销孔Ⅰ，15、销轴Ⅰ，21、凸起结构，22、O型垫块Ⅱ，23、U型槽体，31、凹槽结构Ⅱ，32、O型垫块Ⅲ，33、挡块，34、销孔Ⅱ，35、销孔Ⅲ，36、销轴Ⅱ，37、销轴Ⅲ。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

具体实施方式一：

随着连续纤维复合材料性能参数提升及成本下降，使得该材料加速降维应用在各个领域，目前连续纤维复合材料制造的产品已经由次承力构件开始逐步应用于主承力构件。该机械臂杆由纤维复合材料与航空泡沫(聚酰亚胺泡沫或聚甲基丙烯酰亚胺)组合制备而成，可承受较高的拉伸以及压缩载荷，并且具有极轻的质量和极大的抗扭强度。制作的机械臂杆具有刚度高、变形极小，长期载荷无蠕变滑移，自重轻，耐腐蚀，耐振动疲劳，安装简便，质量易控制，安全可靠，该复合材料结构杆件可以取代金属结构杆件应用在航空、航天、水电站、工程机械、轨道交通、机器人手臂等技术领域，类属于轻量化复合材料技术领域。用于桥梁、场馆、车站等空间结构建筑中可代替钢拉杆。

1在航空航天领域主要应用于：空间运载器的推力支架和星载展开机构，能起到良好的减重效果，且提升非金属材料的占比，显著提高了运载器的效率和提供稳定的空间站展开设施。飞机吊挂盒段下连杆结构组件。

2在工程基建的技术领域中应用于：连接、支撑、禁锢的张紧装置结构件。产品外形与传统金属钢拉杆外形可保持一致，可置换桥梁、场馆、车站等空间结构建筑的钢拉杆，是承载其主要载荷的受力构件，解决了现有复合管抗拉、抗弯、抗冲击性能不强的问题。

3根据工况使用要求可在机械臂杆沿轴向中心预留中空管路，作为走线(油路，气路，电路)的通路。

4复合材料的自振频率高于金属材料，有利于起重机械和泵车等设备性能的提高；耐腐蚀，能在恶劣的环境下工作，可用于高温、高湿、有腐蚀的作用场合；寿命长，减少了振动与减轻了作用在连接设备上的负荷，减少了设备的共振、摩擦，从而提高了整体设备的使用寿命；挠度小，碳纤维机械臂杆使用过程中，挠度不会增加，保证了设备的良好运行。

用本发明方法制造成型的连续纤维复合材料机械臂杆，按照两端接头的形状不同分为：OO型，UU型，OU型三种型式，通过相同材料的开口销可将以上三种型式的机械臂杆无限连接起来。本发明采用外链环和中间件结合结构，当两端接头在承受拉伸载荷作用时，主要由外链环承力，而在承受扭矩和扰度载荷作用时，则主要由中间件航空泡沫预制件承力。机械臂杆受拉伸载荷作用时，因为碳纤维机械臂杆的接头与杆体为同直径设计，所以结构将头尾两端的挤压载荷转化成外链环的纤维拉伸载荷，避免了传统层压式结构常见的分层现象；当受扭矩和扰度载荷作用时，中间件具有较高的强度，避免设计载荷时出现内破坏。

以下对本发明的技术方案做详细介绍：

一种轻质高强度抗扭复合材料机械臂杆的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、环向缠带：设待制机械臂杆的长度为C，直径为Z，环向缠绕若干圈宽度为10-40％Z宽度的连续纤维窄带，环向缠绕的圆环直径为2C/π，当缠绕连续纤维窄带的厚度达到10-35％Z后停止缠绕，形成圆环坯料；在缠绕之前，将连续纤维窄带穿过加热管升温35-145℃并施加反向10-500N的力均匀缠绕；

步骤二、压制成型：压型工装下模1的上表面开设长条形的、且横截面为半圆形的凹槽结构Ⅰ11，所述凹槽结构Ⅰ11的内部两端分别固定设置有O型垫块Ⅰ12或U型垫块13，所述压型工装上模2的下表面设有长条形的、且截面为半圆形的凸起结构21，所述凸起结构21的两端分别固定设置有O型垫块Ⅱ22或U型槽体23，所述凸起结构21与凹槽结构Ⅰ11对应设置，所述O型垫块Ⅰ12与O型垫块Ⅱ22对应设置，所述U型垫块13与U型槽体23对应设置，所述O型垫块Ⅰ12、U型垫块13、O型垫块Ⅱ22和U型槽体23的中部均设置有销孔Ⅰ14，所述销孔Ⅰ14内插设销轴Ⅰ15，将圆环坯料平铺在凹槽结构Ⅰ11上，且两端拉紧挂在销轴Ⅰ15上，盖合压型工装上模2，对合模后的压型工装进行加热，当温度达到45-125℃时，压型工装上模2向下冲压圆环坯料，冲压压力为50-1000N，压型时间为10-130s，升起压型工装上模2，从压型工装下模1取出得到1/2机械臂杆坯件；

步骤三、径向缠带：将两个1/2机械臂杆坯件相对合并组成杆体，在杆体内部空腔中放置航空泡沫预制件作为杆芯，在杆体的外周面沿径向缠绕若干层织物预浸料Ⅰ，缠绕至杆体的直径为Z；优选的，织物预浸料Ⅰ的层数为1-19层，杆芯的长度为60-95％C，直径为40-95％Z。

步骤四、固化成型：将缠绕织物预浸料Ⅰ的杆体放入固化工装内，将固化工装送进加热装置内，用1-3℃/min速率，升温至90-220℃，真空负压为3-9兆帕，当升温至60℃以上后每增加20℃就恒温10-60min，达到预设温度后开始降温，用30-150分钟降温至80℃以下，打开加热装置取出机械臂杆固化工装，打开固化工装，取出机械臂杆。

进一步的，步骤三中，将杆体两端接头处的连续纤维窄带均沿与纤维的平行方向分成2-4份，相邻两份之间铺设高温隔离膜。使之达到具有破损安全结构的功能：当两端圆环中的单个纤维结构元件损坏后，邻近纤维结构应具有足够的静强度。

进一步的，步骤二中，设置有O型垫块Ⅰ12的凹槽结构Ⅰ11的端部以曲面封端。

进一步的，步骤二中，所述O型垫块Ⅰ12的上表面或U型垫块13的上表面与凹槽结构Ⅰ11的底面之间通过曲面过渡；所述O型垫块Ⅱ22的下表面与凸起结构21的下表面之间通过曲面过渡，所述U型槽体23开设在凸起结构21的下表面，所述O型垫块Ⅰ12、O型垫块Ⅱ22的直径与凹槽结构Ⅰ11的截面直径相等，所述U型垫块13、U型槽体23的宽度与凸起结构21的截面直径相等，使制备的机械臂杆体和接头的直径相等，目的是为了增加机械臂杆体的拉力值。

进一步的，步骤三中，所述织物预浸料Ⅰ铺层的角度为+45°、-45°或90°，相邻两层的铺设角度不同。

进一步的，步骤三中，所述航空泡沫的外周面包覆有胶膜，在胶膜的外周面沿杆体径向缠绕若干层织物预浸料Ⅱ，所述织物预浸料Ⅱ铺层的角度为+45°、-45°或90°，相邻两层的铺设角度不同。优选的，胶膜的层数为1-3层，织物预浸料Ⅱ的层数为1-39层，所述胶膜和织物预浸料Ⅱ的宽度与杆芯的长度一致，目的是增加机械臂杆的抗扭强度和扰度。

进一步的，步骤三中，所述航空泡沫的内部轴向设置有通孔Ⅰ，在机械臂杆的端部开设有通孔Ⅱ，所述通孔Ⅰ和通孔Ⅱ相对设置。优选的，通孔Ⅰ的直径为10％-55％Z，设置通孔Ⅰ和通孔Ⅱ的目的是为了预留走线(油路、气路、电路)的中空通路。

进一步的，步骤四中，所述固化工装包括固化工装上模3和固化工装下模4，所述固化工装上模3和固化工装的下模4结构相同，所述固化工装上模3的上表面开设有长条形的、横截面为半圆形的凹槽结构Ⅱ31，所述凹槽结构Ⅱ31的内部两端分别固定设置有O型垫块Ⅲ32或挡块33，所述O型垫块Ⅲ32水平固定在凹槽结构Ⅱ31的底部且其中心设置有销孔Ⅱ34，所述挡块33沿凹槽结构Ⅱ31的中轴线设置且其上开设有1/2销孔Ⅲ35，，所述销孔Ⅲ35的轴线水平设置，所述销孔Ⅱ34内设置有销轴Ⅱ36，所述销孔Ⅲ35内设置有销轴Ⅲ37。当固化带有O型接头的机械臂杆时，选择带有O型垫块Ⅲ32的固化工装，销轴Ⅱ36插入O型接头中部的通孔和销孔Ⅱ34；当固化带有U型接头的机械臂杆时，选择带有的挡块33的固化工装，销轴Ⅲ37插入U型接头中部的通孔和销孔Ⅲ35，挡块33位于U型接头的中部空位。将机械臂杆放入固化工装的凹槽结构Ⅱ31内，上模垂直向下合模，通过上模与下模外部的螺栓进行禁锢机械臂杆固化工装。

进一步的，对步骤四得到的机械臂杆，取下高温隔离膜，并对机械臂杆进行表面毛刺清理。

进一步的，步骤三中，所述航空泡沫预制件的两端做型面渐变处理，使其适应杆体中部的空腔，所得航空泡沫预制件与杆体的内壁紧密贴合。

根据国家标准《钢拉杆》GB/T 20934-2016，检测机械臂杆性能参数的指标有：抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、断面收缩率、冲击吸收能量。

本发明具体实施方式一制备的复合材料机械臂杆的结构拉伸试验验证：

1、试验方法：将复合材料机械臂杆固定于拉力试验机上，以1±0.05cm/min的速度进行拉伸加载，直到被试件两端端头结构有目视可见的明显破坏位置，记录拉力值。

2、试验条件：UTM5205电子万能试验机；环境：室温17.4℃，相对湿度30％。

3、试验件：机械臂杆直径20mm，长度为500mm，共3根，取平均值。

4、试验数值结果：本发明机械臂杆结构承受拉力最小可达36.49吨，在该极限拉力下，机械臂杆型面开始发生拉伸变形，但属于承受安全阈值拉力内。当拉力达到49.60吨时，端头发生断裂、滑脱与损坏，是该机械臂杆结构耐受的最大拉力。

本发明采用上述成型工艺制成的高强度抗扭机械臂杆结构，具有如下的有益效果：

1、相比原来的金属机械臂杆，提高了抗拉强度，可超过6500MPa，且在达到抗拉强度之前，几乎没有塑性变形产生；

2、在保持原来金属机械臂杆功能的基础上，抗腐蚀性能优良，可抵抗氯离子和低PH值溶液的腐蚀，尤其是抗碳化合物和氯化合物的腐蚀性更强。没有金属的锈蚀问题，适用于耐候性要求高的工程桥梁、隧道和边坡支护、海港、军事等；

3、比重较小，降低了运输成本，减少了在工作现场的加工安装时间，施工便利；

4、高强轻质，抗震性能好，可在不增加工程造价的前提下，明显提高结构抗震性能；

5、弹性模量高，且具有破损安全性能，适合在预应力大的混凝土结构中使用；

6、具有很好的弹性性能，在发生较大变形后还能恢复原状，塑性变形小，有利于结构偶然超载后的变形恢复；

7、连续纤维复合材料在机械臂杆中的应用，大大提高了机械臂杆的抗剪切强度，约为其拉伸强度的50％。而传统的玻璃钢机械臂杆的剪切强度仅为其拉伸强度的5～20％；

8、材料结合力强，热膨胀系统更接近水泥，与水泥结合握裹力更强；

9、防磁性能好，适用于磁悬浮铁路等防磁要求高的工程结构；

10、阻燃，抗静电，与金属碰撞不会产生火花；

11、树脂的导热性差，性能不受环境温度的影响，在一定程度上克服了原金属机械臂杆低温“冷脆”的缺陷；

12、具有很好的可设计性。连续纤维复合材料属于人工合成材料，可以通过使用不同的纤维材料、纤维含量，不同型号的钢制杆体设计出各种强度指标、弹性模量以及特殊性能要求的机械臂杆；

13、施工方便，可根据不同要求，生产各种不同截面积和长度的非标产品，现场施工容易切割；

14、成本较低，在内层采用航空泡沫杆体，减少了纤维材料的用量，成本比玻璃钢复合锚杆低。虽然本发明的机械臂杆成本比金属机械臂杆高，但是考虑到轻质和耐腐蚀所带来的低廉维护费用，其综合效益高于金属机械臂杆。

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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种轻质高强度抗扭复合材料机械臂杆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、环向缠带：设待制机械臂杆的直径为Z，环向缠绕若干圈连续纤维窄带，当缠绕连续纤维窄带的厚度达到10-35％Z后停止缠绕，形成圆环坯料；

步骤二、压制成型：压型工装下模(1)的上表面开设长条形的、且横截面为半圆形的凹槽结构Ⅰ(11)，所述凹槽结构Ⅰ(11)的内部两端分别固定设置有O型垫块Ⅰ(12)或U型垫块(13)，压型工装上模(2)的下表面设有长条形的、且横截面为半圆形的凸起结构(21)，所述凸起结构(21)的两端分别固定设置有O型垫块Ⅱ(22)或U型槽体(23)，所述凸起结构(21)与凹槽结构Ⅰ(11)对应设置，所述O型垫块Ⅰ(12)与O型垫块Ⅱ(22)对应设置，所述U型垫块(13)与U型槽体(23)对应设置，所述O型垫块Ⅰ(12)、U型垫块(13)、O型垫块Ⅱ(22)和U型槽体(23)的中部均设置有销孔Ⅰ(14)，所述销孔Ⅰ(14)内插设销轴Ⅰ(15)，将圆环坯料平铺在凹槽结构Ⅰ(11)上，且两端拉紧挂在销轴Ⅰ(15)上，盖合压型工装上模(2)，对合模后的压型工装进行加热，当温度达到45-125℃时，压型工装上模(2)向下冲压圆环坯料，冲压压力为50-1000N，压型时间为10-130s，得到1/2机械臂杆坯件；

步骤三、径向缠带：将两个1/2机械臂杆坯件相对合并组成杆体，在杆体内部空腔内放置航空泡沫预制件，在杆体外周面沿径向缠绕若干层织物预浸料Ⅰ；

步骤四、固化成型：固化工装包括固化工装上模(3)和固化工装下模(4)，所述固化工装上模(3)和固化工装的下模(4)结构相同，所述固化工装上模(3)的上表面开设有长条形的、且横截面为半圆形的凹槽结构Ⅱ(31)，所述凹槽结构Ⅱ(31)的内部两端分别设置有O型垫块Ⅲ(32)或挡块(33)，所述O型垫块Ⅲ(32)水平固定在凹槽结构Ⅱ(31)的底部，且其中心设置有销孔Ⅱ(34)，所述挡块(33)沿凹槽结构Ⅱ(31)的中轴线设置且其上开设有1/2销孔Ⅲ(35)，所述销孔Ⅲ(35)的轴线水平设置，所述销孔Ⅱ(34)内设置有销轴Ⅱ(36)，所述销孔Ⅲ(35)内设置有销轴Ⅲ(37)，将缠绕织物预浸料Ⅰ的杆体放入固化工装内，用1-3℃/min速率，升温至90-220℃，真空负压为3-9兆帕，当升温至60℃以上后每增加20℃就恒温10-60min，达到预设温度后开始降温，打开固化工装，取出机械臂杆。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤三中，将杆体两端接头处的连续纤维窄带均沿与纤维的平行方向分成2-4份，相邻两份之间铺设高温隔离膜。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤二中，设置有O型垫块Ⅰ(12)的凹槽结构Ⅰ(11)的端部以曲面封端。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述O型垫块Ⅰ(12)的上表面或U型垫块(13)的上表面与凹槽结构Ⅰ(11)的底面之间通过曲面过渡；所述O型垫块Ⅱ(22)的下表面与凸起结构(21)的下表面之间通过曲面过渡，所述U型槽体(23)开设在凸起结构(21)的下表面，所述O型垫块Ⅰ(12)、O型垫块Ⅱ(22)的直径与凹槽结构Ⅰ(11)的截面直径相等，所述U型垫块(13)、U型槽体(23)的宽度与凸起结构(21)的截面直径相等。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤三中，所述织物预浸料Ⅰ铺层的角度为+45°、-45°或90°，相邻两层的铺设角度不同。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤三中，所述航空泡沫预制件的外周面包覆有胶膜，在胶膜的外周面沿杆体径向缠绕若干层织物预浸料Ⅱ，所述织物预浸料Ⅱ铺层的角度为+45°、-45°或90°，相邻两层的铺设角度不同。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤三中，所述航空泡沫的内部轴向设置有通孔Ⅰ，在杆体的端部开设有通孔Ⅱ，所述通孔Ⅰ和通孔Ⅱ相对设置。

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：对步骤四得到的机械臂杆，取下高温隔离膜，并对机械臂杆表面的毛刺进行清理。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤三中，所述航空泡沫预制件的两端做型面渐变处理，使其适应杆体中部的空腔。