CN115231480B - 内植加强芯的大丝束碳纤维复合材料货叉及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于洁净搬运机器人部件技术领域，公开了一种内植加强芯的大丝束碳纤维复合材料货叉及其制备方法，包括加强芯和货叉主体，加强芯设置于货叉主体的中部，其包括本体及缠绕于本体外侧的耐劈裂保护层；本体的材料为碳纤维增强热固性树脂基复合材料；所述碳纤维为大丝束碳纤维或大丝束碳纤维与高模量碳纤维的混合纤维；耐劈裂保护层的材质为二维编织织物增强热固性树脂基复合材料；货叉主体的材料为大丝束碳纤维二维织物叠层结构增强树脂基复合材料；耐劈裂保护层的树脂基体与货叉主体的树脂基体复合为一体。采用单向纤维排布增强树脂复合材料加强芯，通过采用碳纤维或不同类型碳纤维原料的混杂设计使用，达到刚性设计的目的。

Description

内植加强芯的大丝束碳纤维复合材料货叉及其制备方法

技术领域

本发明属于洁净搬运机器人部件技术领域，具体涉及一种内植加强芯的大丝束碳纤维复合材料货叉及其制备方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

货叉是平板显示器行业所用的洁净搬运机器人的重要零部件之一，用来搬运玻璃基板。由于玻璃基板非常轻薄易碎，整个搬运过程需保证玻璃基板在货叉上足够平稳。目前，国内的货叉一般为单一碳纤维排布结构增强树脂基复合材料，虽然具有较好的减重性能，但是纤维在复合材料内部的增强形式单一，不可避免出现刚性不稳定，变形量大等诸多力学问题。

传统的碳纤维复合材料货叉普遍使用24K以下的小丝束纤维作为复合材料增强体，存在原料成本高、加工周期长、难以满足高刚度要求等问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种内植加强芯的大丝束碳纤维复合材料货叉及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供一种内植加强芯的大丝束碳纤维复合材料货叉，包括加强芯和货叉主体，加强芯设置于货叉主体的中部，且沿货叉整体的长度方向排布，其中，

所述加强芯包括本体及缠绕于本体外侧的耐劈裂保护层；

本体的材料为碳纤维增强热固性树脂基复合材料，热固性树脂质量百分含量为30-60%；所述碳纤维为大丝束碳纤维或大丝束碳纤维与高模量碳纤维的混合纤维；大丝束碳纤维单向排布；

耐劈裂保护层的材质为二维编织织物增强热固性树脂基复合材料；

货叉主体的材料为大丝束碳纤维二维织物叠层结构增强树脂基复合材料；

耐劈裂保护层的树脂基体与货叉主体的树脂基体复合为一体。

第二方面，本发明提供一种内植加强芯的大丝束碳纤维复合材料货叉的制备方法，包括如下步骤：

大丝束碳纤维或大丝束碳纤维与高模量碳纤维的混杂纤维单向排布后浸渍热固性树脂，得到加强芯本体预浸料；

在加强芯本体预浸料的外表面缠绕二维织物预浸料，在模具中固化成型，制得加强芯；

在对货叉主体的大丝束碳纤维二维织物进行叠层过程中，在大丝束碳纤维二维织物叠层结构的中心位置植入所述加强芯；

然后将大丝束碳纤维二维织物的叠层结构浸渍热固性树脂，在模具中固化成型，即得。

上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下：

采用单向纤维排布增强树脂复合材料加强芯，通过采用碳纤维或不同类型碳纤维原料的混杂设计使用，达到刚性设计的目的，可提高货叉复合材料结构的轴向刚性，有效抵抗服役过程的轴向变形，保证使用耐久度。

在加强芯的外表面采用耐劈裂保护层，有效保证加强芯的整体韧性，同时该耐劈裂保护层也可在内植过程中与货叉主体的大丝束碳纤维二维织物增强树脂复合材料形成界面过渡层，提高内植界面的结合性，提高复合材料货叉的整体协同变形能力。

采用大丝束碳纤维，避免小丝束碳纤维原料的使用，可有效降低生产原料成本，同时配合碳纤维的平面多轴向铺层设计，提高货叉主体复合材料结构的力学强度可设计性和使用寿命。

采用大丝束碳纤维混杂结构排布的多层结构，同时在特定位置引入加强芯这种高刚性内嵌结构，可在发挥碳纤维复合材料主体结构低密度、高强度优势的基础上，重点提高特定服役部位的刚性，同时可以也有效提高货叉的使用寿命。

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是本发明实施例1的内植加强芯的大丝束碳纤维复合材料货叉的整体结构示意图。

图中，1、加强芯，2、货叉主体，3、耐劈裂保护层。

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。

第一方面，本发明提供一种内植加强芯的大丝束碳纤维复合材料货叉，包括加强芯和货叉主体，加强芯设置于货叉主体的中部，且沿货叉主体的长度方向设置，其中，

所述加强芯包括本体及缠绕于本体外侧的耐劈裂保护层；

本体的材料为碳纤维增强热固性树脂基复合材料，热固性树脂质量百分含量为30-60%；所述碳纤维为大丝束碳纤维或大丝束碳纤维与高模量碳纤维的混合纤维；大丝束碳纤维单向排布，大丝束碳纤维的铺设方向平行于加强芯本体的长度方向；

耐劈裂保护层的材质为二维编织织物增强热固性树脂基复合材料；

货叉主体的材料为大丝束碳纤维二维织物叠层结构增强树脂基复合材料；

耐劈裂保护层的树脂基体与货叉主体的树脂基体复合为一体。

本发明中，树脂的含量均为质量百分数。

碳纤维分为不同丝束，一般用K来表示，1K表示一束碳纤维丝中含有1000根原丝，1K、3K、6K、12K、24K被称为小丝束碳纤维，48K以上为大丝束碳纤维。

丝束越大，越容易聚集，但是展纱效果越差，浸润胶液的效果越差，而且由于单丝中容易出现空隙等问题，大丝束碳纤维的性能不如小丝束碳纤维，大丝束碳纤维的变异系数为15-18%，综合性能稳定程度较低。由于货叉属于承重件，对材料的力学性能要求较高，所以采用目前的碳纤维增强树脂基复合材料货叉的结构及工艺，还难以满足货叉的使用要求。

采用单向铺层的碳纤维增强的树脂基复合材料具有较大的轴向刚性。将该种复合材料制备的加强芯填埋于碳纤维增强复合材料货叉的中部，并沿货叉的长度方向设置时，可以对货叉进行有效加强，有效增强其刚度，进而可以有效抵抗服役过程的轴向变形，提高货叉的使用耐久度。

在刚性加强芯的外表面缠绕设置耐劈裂保护层，对加强芯起到较好的禁锢保护作用，防止加强芯在承载较大载荷时发生劈裂，提高加强芯的整体韧性。

此外，由于耐劈裂保护层的增强结构为纤维二维织物，当其预浸树脂与货叉主体的树脂复合成型时，该耐劈裂保护层也可在内植过程中与二维叠层织物增强碳纤维结构形成界面过渡层，提高内植界面的结合性，提高复合材料货叉的整体协同变形能力。

综上，在带有耐劈裂保护层的加强芯的增强作用下，货叉主体刚度得到大幅度提升，进而使得货叉主体可以采用大丝束碳纤维增强树脂基复合材料进行制备。

需要说明的是，加强芯沿货叉主体的长度方向设置，所以加强芯为细长状结构，加强芯本体中的增强碳纤维沿其长度方向铺设，使细长的加强芯具有较强的抗弯曲性能，进而提高货叉的承载能力。

在一些实施例中，耐劈裂保护层的缠绕方向与加强芯中的碳纤维的铺设方向垂直。

加强芯本体中的增强碳纤维沿其长度方向铺设，用于对加强芯长度方向进行加强，耐劈裂保护层的缠绕方向与加强芯中的碳纤维的铺设方向垂直，用于对加强芯本体的周向包裹紧箍，以提高加强芯的耐劈裂性能，进而增强加强芯的整体力学性能。

在一些实施例中，加强芯的数量为1个、2个或多个。所述多个为3个、4个、5个以及更多。

通过改变加强芯的尺寸和数量，以更好地对货叉进行加强，使货叉具有更好的力学性能，进而具有更好的刚度和耐久性。

加强芯的截面形状可采用方形、圆形或扁带形等任意一种截面，圆形截面直径控制在1-6mm以内，方形或扁带的最大尺寸为1-6mm。

在一些实施例中，加强芯的主体采用的大丝束碳纤维选自T300、T700、T800或T1000。

优选的，加强芯的主体采用的树脂选自环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂或脲醛树脂。

优选的，加强芯主体的高模量纤维选自M40、M40J、M55、M55J、M60或M60J。

高模量纤维的混杂比例根据货叉的刚性设计要求灵活调整。高模量纤维混杂添加，可以有效提高加强芯主体的抗变形能力。

在一些实施例中，所述耐劈裂保护层中的二维编织织物选自平纹、斜纹、缎纹或多轴向织物。

优选的，所述耐劈裂保护层中的二维编织织物的纤维选自芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、PBO纤维或玻璃纤维。

超高分子量聚乙烯纤维，又称高强高模聚乙烯纤维，是目前世界上比强度和比模量最高的纤维，其为分子量在100-500万的聚乙烯纺出的纤维。

PBO纤维是聚对苯撑苯并二恶唑纤维的简称。

芳纶纤维选自K29、K49或K129。

优选的，耐劈裂保护层的厚度为0.5-1mm。

优选的，耐劈裂保护层的树脂含量为30-60%。可根据使用要求灵活调整。

在一些实施例中，货叉主体的碳纤维为大丝束碳纤维，碳纤维选自T300、T700、T800或T1000，二维织物的结构选自平纹、斜纹、缎纹或多轴向织物结构。

多轴向织物结构，采用上述大丝束碳纤维原料中的任意一种或多种混杂组合，混杂比例根据设计要求灵活调整，多轴向织物可采用多层铺层结构，铺层角度可采用0°、90°、±45°、±30°、±60°等多种方向组合，叠层数量根据最终织物厚度设计，最终厚度不超过13mm。最终多轴向织物采用高强度玻璃纤维或涤纶纤维缝编成整体结构。

优选的，货叉主体的二维织物叠层结构的厚度小于等于13mm，二维织物叠层结构采用玻璃纤维或涤纶纤维缝合成整体结构。缝合密度根据设计要求灵活调整。以提高货叉主体增强结构的整体性，进而保证货叉主体的整体力学性能。

叉体长度为300-4000mm，宽度为10-2000mm，厚度控制在2-20mm范围内。

第二方面，本发明提供一种内植加强芯的大丝束碳纤维复合材料货叉的制备方法，包括如下步骤：

大丝束碳纤维或大丝束碳纤维与高模量碳纤维的混杂纤维单向排布后浸渍热固性树脂，得到加强芯本体预浸料；

在加强芯本体预浸料的外表面缠绕二维织物预浸料，在模具中固化成型，制得加强芯；

在对货叉主体的大丝束碳纤维二维织物进行叠层过程中，在大丝束碳纤维二维织物叠层结构的中心位置植入所述加强芯；

然后将大丝束碳纤维二维织物的叠层结构浸渍热固性树脂，在模具中固化成型，即得。

在一些实施例中，将加强芯植入碳纤维二维织物叠层结构的中心位置后，采用玻璃纤维或涤纶纤维将叠层结构缝合成整体结构，然后浸渍热固性树脂。

优选的，所述热固性树脂选自环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂或脲醛树脂。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

以下各实施例中，货叉的向下弯曲量，采用激光跟踪仪测试，具体测试实验步骤如下：

（1）将货叉一端固定在按照实际使用工况制作的测试工装框架内，固定量为300mm，此固定量为货叉端面到工装侧面的距离。

（2）待货叉完全静置后，在货叉端头上一点安置反射器，用激光跟踪仪测试此时反射器安装点位的坐标；

（3）将尺寸为550mm×300mm，重500g的玻璃基板居中放置在货叉上，加载位置为负载玻璃板边缘超出货叉非固定一端边缘10mm，待货叉完全平稳后，重新采用激光跟踪仪测试反射器安装点位坐标。

（4）根据两个点位坐标计算向下弯曲量。

实施例1

如图1所示，一种内植加强芯的大丝束碳纤维复合材料货叉，包括加强芯1和货叉主体2，货叉主体2为大丝束碳纤维二维织物叠层结构增强树脂基复合材料。加强芯1设计为厚度为1mm、长度为1900mm的正方形截面的芯材，采用48K规格的T300高强型碳纤维与M40高模型碳纤维以1:1的混杂比例单向排布，将混杂纤维浸渍环氧树脂，最终树脂含量控制为30%。在加强芯1外表面缠绕一层厚度0.5mm的平纹编织的K29芳纶纤维织物，织物浸渍环氧树脂，且树脂含量为40%，形成耐劈裂保护层3，将加强芯1在模具中固化成型，即得。

在加强芯1制备完毕之后，将12K规格的T700碳纤维平纹织物叠层，形成厚度为12mm的叠层织物，将4个加强芯1均匀植入叠层织物的中间位置，然后叠层织物采用高强度玻璃纤维缝编成整体结构。

将植入加强芯1的二维叠层组合结构浸渍复合环氧树脂，最终树脂含量控制为50%，在模具中固化成型，最终制备出叉体长度1900mm，宽度150mm，厚度14mm大丝束碳纤维复合材料货叉，其弹性模量可达到140GPa，500g负载条件下的向下弯曲量为0.85mm。

实施例2

一种内植加强芯的大丝束碳纤维复合材料货叉，包括加强芯和货叉主体。加强芯设计为厚度为2mm、长度为1700mm的扁带型芯材，采用50K规格的T300高强型碳纤维与M60高模型碳纤维以2:1的混杂比例单向排布，将混杂纤维浸渍不饱和聚酯树脂，最终树脂含量控制为50%。在加强芯外表面缠绕一层厚度0.6mm的平纹编织的K129芳纶纤维织物，织物浸渍环氧树脂，且树脂含量在40%，形成耐劈裂保护层，将加强芯1在模具中固化成型，即得。

在加强芯制备完毕之后，将12K规格的T800碳纤维斜纹织物叠层，形成厚度为10mm的叠层织物，将4个加强芯植入叠层织物的中间位置，叠层织物采用涤纶纤维缝编成整体结构。

将植入加强芯的二维叠层组合结构浸渍复合环氧树脂，最终树脂含量控制为45%，在模具中固化成型，最终制备出叉体长度为1700mm、宽度为200mm、厚度为11mm的大丝束碳纤维复合材料货叉，其弹性模量可达到130GPa，500g负载条件下的向下弯曲量为0.79mm。

实施例3

一种内植加强芯的大丝束碳纤维复合材料货叉，包括加强芯和货叉主体。加强芯设计为直径为4mm的圆形截面、长度1400mm的复合材料芯材，采用48K规格的T700高强型碳纤维与M55高模型碳纤维以4:1的混杂比例单向排布，将混杂纤维浸渍环氧树脂，树脂的质量百分含量控制为45%。在加强芯外表面缠绕一层厚度0.9mm的缎纹编织的超高分子量聚乙烯纤维，然后将缠绕结构浸渍树脂，使耐劈裂保护层树脂含量在45%，将加强芯1在模具中固化成型，即得。

在加强芯制备完毕之后，将12K规格的T800碳纤维按0°、90°、±45°交替铺层形成厚度为11mm的叠层结构，将4个加强芯植入叠层结构的中间位置，叠层织物采用高强度玻璃纤维缝编成整体结构。

将植入加强芯的二维叠层组合结构浸渍复合脲醛树脂，最终树脂含量控制为55%，在模具中固化成型，最终制备出叉体长度1400mm、宽度170mm、厚度12mm大丝束碳纤维复合材料货叉，其弹性模量可达到138GPa，500g负载条件下的向下弯曲量为0.77mm。

实施例4

一种内植加强芯的大丝束碳纤维复合材料货叉，包括加强芯和货叉主体。加强芯设计为直径为2.5mm的圆形截面、长度为1600mm的复合材料芯材，采用50K规格的T700高强型碳纤维与M55J高模型碳纤维以1:2的混杂比例单向排布，将混杂纤维浸渍环氧树脂，树脂的质量百分含量为45%。在加强芯外表面缠绕一层厚度0.5mm的斜纹编织的PBO纤维织物，织物浸渍脲醛树脂，且其树脂含量在48%，形成耐劈裂保护层，将加强芯1在模具中固化成型，即得。

在加强芯制备完毕之后，将12K规格的T1000碳纤维按0°、90°、±30°交替铺层形成厚度为11mm的叠层结构，将4个加强芯植入叠层结构的中间位置，叠层织物采用涤纶纤维编成整体结构。

将植入加强芯的二维叠层组合结构浸渍复合酚醛树脂，最终树脂含量控制为52%，在模具中固化成型，最终制备出叉体长度为1600mm、宽度为160mm、厚度为13mm的大丝束碳纤维复合材料货叉，其弹性模量可达到146GPa，500g负载条件下的向下弯曲量为0.74mm。

实施例5

与实施例4的区别点在于：将“加强芯设计为直径为2.5mm的圆形截面、长度为1600mm的复合材料芯材，采用48K规格的T300高强型碳纤维与M60J高模型碳纤维以1:2的混杂比例单向排布”替换为“加强芯设计为直径为2.5mm的圆形截面、长度为1600mm的复合材料芯材，采用12K规格的T1000高强型碳纤维单向排布”。其弹性模量可达到158GPa，500g负载条件下的向下弯曲量为0.68mm。

实施例6

一种内植加强芯的大丝束碳纤维复合材料货叉，包括加强芯和货叉主体。加强芯设计为直径为2mm的圆形截面、长度为1700mm的复合材料芯材，采用50K规格的T700高强型碳纤维与M40J高模型碳纤维以1:2的混杂比例单向排布，将混杂纤维浸渍环氧树脂，树脂的质量百分含量为60%。在加强芯外表面缠绕一层厚度1mm的斜纹编织的玻璃纤维织物，织物浸渍脲醛树脂，且使树脂的质量百分含量在60%，形成耐劈裂保护层，将加强芯1在模具中固化成型，即得。

在加强芯制备完毕之后，将12K规格的T800碳纤维按0°、90°、±45°交替铺层形成厚度为10mm的叠层结构，将2个加强芯植入叠层结构的中间位置，叠层织物采用涤纶纤维编成整体结构。

将植入加强芯的二维叠层组合结构浸渍复合脲醛树脂，树脂的质量百分含量控制为55%，在模具中固化成型，最终制备出叉体长度为1700mm、宽度为190mm、厚度为11mm的大丝束碳纤维复合材料货叉，其弹性模量可达到140GPa，500g负载条件下的向下弯曲量为0.9mm。

实施例7

一种内植加强芯的大丝束碳纤维复合材料货叉，包括加强芯和货叉主体。加强芯设计为厚度为3mm的方形截面、长度为2000mm的复合材料芯材，采用48K规格的T300高强型碳纤维与M60J高模型碳纤维以3:1的混杂比例单向排布，将混杂纤维浸渍环氧树脂，树脂的质量百分含量为60%。在加强芯外表面缠绕一层厚度1mm的斜纹编织的芳纶纤维K49织物，织物浸渍脲醛树脂，且使树脂的质量百分含量为30%，形成耐劈裂保护层，将加强芯1在模具中固化成型，即得。

在加强芯制备完毕之后，将12K规格的T1000碳纤维按0°、90°、±45°、±30°、±60°交替铺层形成厚度为11mm的叠层结构，将3个加强芯植入叠层结构的中间位置，叠层织物采用涤纶纤维编成整体结构。

将植入加强芯的二维叠层组合结构浸渍复合脲醛树脂，树脂的质量百分含量控制为55%，在模具中固化成型。最终制备出叉体长度为2000mm、宽度为200mm、厚度为12mm的大丝束碳纤维复合材料货叉，其弹性模量可达到136GPa，500g负载条件下的向下弯曲量为0.64mm。

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 (1)

1.内植加强芯的大丝束碳纤维复合材料货叉，其特征在于：包括加强芯和货叉主体，加强芯设置于货叉主体的中部，且沿货叉主体的长度方向设置，其中，所述加强芯包括本体及缠绕于本体外侧的耐劈裂保护层；耐劈裂保护层的缠绕方向与加强芯中的碳纤维的铺设方向垂直；耐劈裂保护层的厚度为0.5-1mm；耐劈裂保护层的树脂质量百分含量为30-60%；

加强芯的数量为多个；

本体的材料为碳纤维增强热固性树脂基复合材料，热固性树脂质量百分含量为30-60%；

所述碳纤维为大丝束碳纤维，或，所述碳纤维为大丝束碳纤维与高模量碳纤维的混合纤维；

大丝束碳纤维或混合纤维单向排布，铺设方向平行于加强芯本体的长度方向；

耐劈裂保护层的材质为二维编织织物增强热固性树脂基复合材料；

货叉主体的材料为大丝束碳纤维二维织物叠层结构增强树脂基复合材料，二维织物叠层结构采用玻璃纤维或涤纶纤维缝合成整体结构；

耐劈裂保护层的树脂基体与货叉主体的树脂基体复合为一体；

耐劈裂保护层中的二维编织织物的纤维选自芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、PBO纤维或玻璃纤维；

加强芯的主体采用的大丝束碳纤维选自T300、T700、T800或T1000；

加强芯主体的高模量纤维选自M40、M40J、M55、M55J、M60或M60J；

所述耐劈裂保护层中的二维编织织物选自平纹、斜纹、缎纹或多轴向织物；

货叉主体的二维织物的结构选自平纹、斜纹、缎纹或多轴向织物结构；货叉主体的二维织物叠层结构的厚度小于等于13mm，二维织物叠层结构采用玻璃纤维或涤纶纤维缝合成整体结构；

内植加强芯的大丝束碳纤维复合材料货叉的制备方法，包括如下步骤：

将大丝束碳纤维或将大丝束碳纤维与高模量碳纤维的混杂纤维单向排布后浸渍热固性树脂，得到加强芯本体预浸料；

在加强芯本体预浸料的外表面缠绕二维织物预浸料，在模具中固化成型，制得加强芯；

在对货叉主体的大丝束碳纤维二维织物进行叠层过程中，在大丝束碳纤维二维织物叠层结构的中心位置植入所述加强芯，将加强芯植入碳纤维二维织物叠层结构的中心位置后，采用玻璃纤维或涤纶纤维将叠层结构缝合成整体结构；

然后将大丝束碳纤维二维织物的叠层结构浸渍热固性树脂，在模具中固化成型，即得。

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