CN115302808A - 一种螺旋夹芯复合材料管及其制备方法 - Google Patents

一种螺旋夹芯复合材料管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种螺旋夹芯复合材料管及其制备方法，所述复合材料管自内向外由复合材料内层、螺旋夹芯层和复合材料外层相包裹紧贴构成；所述制备方法包括步骤是，材料准备；复合材料管内层缠绕、加热固化；螺旋夹芯层中的复合材料螺旋加强筋的缠绕成型、加热固化；螺旋夹芯层中的轻质材料螺旋加强筋的填充；复合材料外层的缠绕、加热固化。本发明有效解决了复合材料夹芯轻质构件在径向及轴向上的抗压及抗弯曲能力，提高了复合材料管在高压环境下的作业能力。

Description

一种螺旋夹芯复合材料管及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料管制造技术领域，具体涉及一种螺旋夹芯复合材料管及分步成型制备方法。
背景技术
复合材料管线作为海洋资源开发装备的核心组成，是众多国家在海洋资源领域竞相支持的重点领域，其结构设计、耐压性能及成型工艺是保障深海作业安全的重要研究方向，其被普遍认为是极具发展前景的资源运输装置。
目前，现有的文献多集中于均质复合材料管线的研究，如专利CN202121074008.4、CN202020839543.3、CN202011099958.2、CN202011476718.X等，或者针对复合材料管的制备工艺或结构参数设计进行了讨论，如专利CN202010247901.6、CN202111586687.8、CN202111019751.4、CN201510464345.7等。虽然这些文献从其它方面对提高复合材料管的制备与设计进行了研究，但仅仅针对均质复合材料管的研究。为了更好的降低复合材料管的重量，夹芯复合材料管也相继被研究，如专利CN202120650709.1、CN202110344750.0、CN201410342726.3等。虽然这些研究提出了一些夹芯管的设计方法与制备工艺，提高了复合材料管径向刚度及弯曲刚度，使得复合材料管的抗弯与抗振动能力增强，但同时也削弱了复合材料管轴向刚度与剪切刚度，造成复合材料管综合抗载荷能力较差。
发明内容
本发明目的是为了解决现有夹芯管线综合刚度存在的不足，提供一种轻质螺旋夹芯复合材料管及制备方法。
本发明通过设计一种螺旋夹芯的复合材料管，从而改善了复合材料管的结构综合性能，提高了复合材料管在更复杂环境的适用性。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
一种螺旋夹芯复合材料管，自内向外由复合材料内层，螺旋夹芯层和复合材料外层相包裹紧贴构成。
进一步优选方案，所述螺旋夹芯复合材料管的复合材料内层中还包裹有内衬。
进一步优选方案，所述螺旋夹芯层由若干相互交错螺旋排布的复合材料螺旋加强筋和若干轻质材料螺旋加强筋紧贴构成。
进一步优选方案，所述复合材料螺旋加强筋和轻质材料螺旋加强筋的螺旋角为8～80°，螺旋头数为2～20。
进一步优选方案，所述复合材料螺旋加强筋和轻质材料螺旋加强筋的断截面形状为等腰三角形，矩形和梯形中的任一种。
进一步优选方案，所述螺旋夹芯复合材料管壁厚H与长度L之比为1/10～1/1000，且复合材料内层厚度Hi：螺旋夹芯层厚度Hc：复合材料外层厚度He＝1：(0.5-10)：(1-4)。
为达到上述目的，本发明采用如下另一技术方案予以实现。
本发明的一种螺旋夹芯复合材料管的制备方法，具体包括如下步骤：
S1：按设计要求选配复合材料管的模具或者内衬，并对内衬进行表面处理；
S2：采用缠绕方法将复合材料按设计要求缠绕在模具或内衬表面，制得复合材料管内层预制体；
S3：将预制体放置固化炉或者热压罐中进行加热加压固化，固化温度为120℃～250℃，固化时间为4～24小时，固化时的压力为[0～1]MPa；
S4：将固化后的预制体采用螺旋组合工装和人工铺放的方式按设计要求进行螺旋夹芯层中的复合材料螺旋加强筋的铺放，制得复合材料螺旋加强筋缠绕体；
S5：将复合材料螺旋加强筋缠绕体放置在固化炉或者热压罐中进行加热加压固化，固化温度为120℃～250℃，固化时间为4～24小时，固化时的压力为[0～1]MPa；
S6：采用填充方法将固化后的复合材料螺旋加强筋缠绕体安置在缠绕机器上进行轻质材料螺旋加强筋的填充；所述轻质材料为泡沫材料，ABS材料、聚碳酸酯材料或聚酰胺材料；
S7：采用缠绕方法，在填充后的螺旋夹心层外表面，按设计要求缠绕复合材料外层；
S8：将复合材料外层缠绕完成的螺旋夹芯复合材料管放置固化炉或热压罐中进行加热加压固化，固化温度为120℃～250℃，固化时间为4～24小时，固化时的压力为[0～1]MPa。
S9：对采用模具制备的螺旋夹芯复合材料管，进行脱模处理。
进一步地，步骤S1中，所述的表面处理包括喷砂或涂覆粘结剂。
进一步地，步骤S2中，所述复合材料按体积百分比由38％～70％的纤维材料与30％～62％的基体材料组成，其中纤维材料为碳纤维或玻璃纤维；基体材料为单相材料或两相材料，单相材料为环氧树脂或酚醛树脂；两相材料按体积百分比由50％～98％的树脂与2％～50％的纳米颗粒组成，其中树脂为环氧树脂或酚醛树脂，纳米颗粒为碳纳米管、石墨烯、金属纳米材料中任一种，在本发明制备工艺中，复合材料为预浸料或湿法浸胶纤维粘性体，其中预浸料为纤维浸渍基体后烘干形成的非固化复合材料；湿法浸胶纤维粘性体为纤维完全浸渍基体后形成的非固化复合材料。
进一步地，步骤S2和步骤S7中，所述的缠绕方法为干法缠绕方法或湿法缠绕方法。
进一步地，步骤S6中，所述的填充方法为手动填充方法或3D打印填充方法。
进一步地，步骤S6中，所述轻质材料为复合泡沫材料或3D打印轻质塑料材料。
进一步地，步骤S6，在填充轻质材料螺旋加强筋前还对复合材料螺旋加强筋缠绕体表面，和步骤S7，在缠绕复合材料外层前还对螺旋夹心层外表面均分别涂覆树脂基体，涂覆厚度为0.1mm～1.5mm。
有益效果：本发明与现有技术相比，通过对夹芯复合材料管夹心层结构进行设计，改善管在轴向与环向的加筋分布，有效提高复合材料综合抗载荷能力；同时，通过分布成型工艺方法，有效实现该类型管的成型制备；结合这两点，解决了现有夹芯管综合抗载荷能力差、管强度低的问题，为新型复合材料管的设计与制备提供新的途径，具有较好的使用效果。
附图说明
图1(a)是本发明实施例1的螺旋夹芯复合材料管结构立体示意图；
图1(b)是本发明实施例1的螺旋夹芯复合材料管结构剖面示意图；
图1(c)是本发明实施例1的螺旋夹芯复合材料管结构剖面示意图；
图2(a)是本发明实施例2的螺旋夹芯复合材料管结构立体示意图；
图2(b)是本发明实施例2的螺旋夹芯复合材料管结构剖面示意图；
图2(c)是本发明实施例2的螺旋夹芯复合材料管结构剖面示意图；
图3(a)是本发明实施例3的螺旋夹芯复合材料管结构立体示意图；
图3(b)是本发明实施例3的螺旋夹芯复合材料管结构剖面示意图。
图3(c)是本发明实施例3的螺旋夹芯复合材料管结构剖面示意图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行进一步的详细说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明具体实施例之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例1
如图1(a)、图1(b)、图1(c)所示，本发明的一种螺旋夹芯复合材料管，自内向外由复合材料内层1、螺旋夹芯层和复合材料外层2相包裹紧贴构成，其中螺旋夹芯层由相互交错对应排布的8个螺旋头数的三角形复合材料螺旋加强筋3和8个螺旋头数的三角形轻质材料螺旋加强筋4，螺旋角A为15°相紧贴构成。
本实施例中螺旋夹芯复合材料管的长度L为600mm，内径R为100mm，复合材料内层1的厚度Hi为10mm，螺旋夹芯层的厚度为Hc为20mm，复合材料外层2厚度He为10mm。
复合材料内层1，复合材料外层2和三角形复合材料螺旋加强筋3的材料选择树脂与纤维混合的粘性体材料，其中树脂为环向树脂材料为WSR618，纤维为T700碳纤维，纤维体积含量为45％。
三角形轻质材料螺旋加强筋4的材料选择ESF泡沫材料。
本发明的一种螺旋夹芯复合材料管，按照如下制备方法制得：
S1：采用45#钢的复合材料管模具，并在模具表面涂刷2遍脱模剂；
S2：采用湿法缠绕方法，将T700干纱浸胶于WSR618环氧树脂中，并形成含胶量在55％的单向复合材料，将复合材料均匀的缠绕在模具表面，厚度为10mm；制得复合材料管内层1预制体；
S3：将复合材料管内层1预制体放置固化炉进行加热加压固化，固化温度为160℃，固化时间为6小时，压力为0.2MPa；
S4：在复合材料内层1预制体外表面涂刷0.5mm厚树脂胶体，然后将预制体通过三角形螺旋组合工装，采用人工铺放的方式进行单向预浸料，螺旋角A为15°，8个螺旋头数的三角形复合材料螺旋加强筋3的铺放，铺放厚度为20mm，制得三角形复合材料螺旋加强筋缠绕体；
S5：将缠绕体放置固化炉进行热压成型固化，固化温度为160℃，固化时间为12小时，压力为0.3MPa；
S6：在固化后的三角形复合材料螺旋加强筋缠绕体外表面涂覆树脂胶体，厚度为0.5mm，然后采用填充方法将缠绕体安置在缠绕机器上进行轻质材料螺旋加强筋4的填充；
S7：先在螺旋夹心层外表面涂覆厚度为1.5mm的树脂基体，后采用与步骤S2相同的湿法缠绕方法缠绕厚度为10mm的复合材料外层2；
S8：将缠绕完成的复合材料外层2放置固化炉进行热压固化，固化温度为160℃，时间为6小时，压力位0.5MPa；
S9：固化完成后进行脱模处理，获得螺旋夹芯复合材料管。
实施例2
如图2(a)、图2(b)、图2(c)所示，本发明的一种螺旋夹芯复合材料管，自内向外由复合材料内层1、螺旋夹芯层和复合材料外层2相包裹紧贴构成，其中螺旋夹芯层由相互交错对应排布的8个螺旋头数的矩形复合材料螺旋加强筋3和8个螺旋头数的矩形轻质材料螺旋加强筋4，螺旋角A为15°相紧贴构成。
本实施例中螺旋夹芯复合材料管的长度L为600mm，内径R为100mm，复合材料内层1的厚度Hi为10mm，螺旋夹芯层的厚度为Hc为20mm，矩形底边弧度C1为18°，复合材料外层2厚度He为10mm。
矩形轻质材料螺旋加强筋4的材料，以及复合材料所用材料类型与纤维体积含量均与案例1相同。
本发明的一种螺旋夹芯复合材料管，除以下步骤不同外，其余成型过程均可按照实施例1所述成型方法进行制备。具体不同步骤为：
步骤S4中螺旋组合工装需要换成矩形结构专用工装；
步骤S5中固化温度为160℃，时间为12小时，压力位0.5MPa；
步骤S6中填充矩形ESF泡沫材料。
实施例3
如图3(a)、图3(b)、图3(c)所示，本发明的一种螺旋夹芯复合材料管，自内向外由复合材料内层1、螺旋夹芯层和复合材料外层2相包裹紧贴构成，其中螺旋夹芯层由相互交错对应排布的8个螺旋头数的矩形复合材料螺旋加强筋3和8个螺旋头数的矩形轻质材料螺旋加强筋4，螺旋角A为15°相紧贴构成。
本实施例中螺旋夹芯复合材料管的长度L为600mm，内径R为100mm，复合材料内层1的厚度Hi为10mm，螺旋夹芯层的厚度为Hc为20mm，梯形底边弧度C1为18°，梯形上边宽弧度C2为15°，复合材料外层2厚度He为10mm。
矩形轻质材料螺旋加强筋4的材料，以及复合材料所用材料类型与纤维体积含量均与实施例1相同。
本发明的一种螺旋夹芯复合材料管，除以下步骤不同外，其余成型过程均可按照实施例1所述成型方法进行制备。具体不同步骤为：
步骤S4中螺旋组合工装需要换成梯形结构专用工装；
步骤S6中填充梯形ESF泡沫材料。
为了验证上述螺旋夹芯复合材料缠绕管线的性能，在万能试验机上对复合材料缠绕管线进行轴向压缩与径向压缩测试，结果如下：
Figure BDA0003769376830000061
可以看出，矩形螺旋夹芯结构表现出较好的轴向抗压能力，相比三角形及梯形结构，其在环向及轴向刚度综合较好；三角形螺旋夹芯结构综合能力为最差，主要由于三角形顶点与复合材料外层内表面界面结合差；同时，与非螺旋夹芯的情况相比，虽然径向抗压缩能力有所降低，但是差别不是很大，而轴向上螺旋结构则表现出较大的抗压能力，说明采用本发明结构可以综合改善结构的抗压能力。
本发明所涉及的材料及设备均为复合材料成型行业普遍使用的。

Claims (10)

1.一种螺旋夹芯复合材料管，其特征在于，自内向外由复合材料内层，螺旋夹芯层和复合材料外层相包裹紧贴构成。
2.根据权利要求1所述的一种螺旋夹芯复合材料管，其特征在于，所述螺旋夹芯复合材料管的复合材料内层中还包裹有内衬。
3.根据权利要求1所述的一种螺旋夹芯复合材料管，其特征在于，所述螺旋夹芯层由若干相互交错螺旋排布的复合材料螺旋加强筋和若干轻质材料螺旋加强筋紧贴构成。
4.根据权利要求3所述的一种螺旋夹芯复合材料管，其特征在于，所述复合材料螺旋加强筋和轻质材料螺旋加强筋的螺旋角为8～80°，螺旋头数为2～20，
所述复合材料螺旋加强筋和轻质材料螺旋加强筋的断截面形状为等腰三角形，矩形或梯形。
5.根据权利要求1所述的一种螺旋夹芯复合材料管，其特征在于，所述螺旋夹芯复合材料管壁厚H与长度L之比为1/10～1/1000，且复合材料内层厚度Hi：螺旋夹芯层厚度Hc：复合材料外层厚度He＝1：(0.5-10)：(1-4)。
6.一种根据权利要求1-5任一所述螺旋夹芯复合材料管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：按设计要求选配复合材料管的模具或者内衬，并对内衬进行表面处理；
S2：采用缠绕方法将复合材料按设计要求缠绕在模具或内衬表面，制得复合材料管内层预制体；
S3：将预制体放置固化炉或者热压罐中进行加热加压固化，固化温度为120℃～250℃，固化时间为4～24小时，固化时的压力为[0～1]MPa；
S4：将固化后的预制体采用螺旋组合工装和人工铺放的方式按设计要求进行螺旋夹芯层中的复合材料螺旋加强筋的铺放，制得复合材料螺旋加强筋缠绕体；
S5：将复合材料螺旋加强筋缠绕体放置在固化炉或者热压罐中进行加热加压固化，固化温度为120℃～250℃，固化时间为4～24小时，固化时的压力为[0～1]MPa；
S6：采用填充方法将固化后的复合材料螺旋加强筋缠绕体安置在缠绕机器上进行轻质材料螺旋加强筋的填充；所述轻质材料为泡沫材料，ABS材料、聚碳酸酯材料或聚酰胺材料；
S7：采用缠绕方法，在填充后的螺旋夹心层外表面，按设计要求缠绕复合材料外层；
S8：将复合材料外层缠绕完成的螺旋夹芯复合材料管放置固化炉或热压罐中进行加热加压固化，固化温度为120℃～250℃，固化时间为4～24小时，固化时的压力为[0～1]MPa；
S9：对采用模具制备的螺旋夹芯复合材料管，进行脱模处理。
7.根据权利要求6所述的螺旋夹芯复合材料管的制备方法，其特征在于，所述的表面处理包括喷砂或涂覆粘结剂。
8.根据权利要求6所述的螺旋夹芯复合材料管的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述复合材料按体积百分比由38％～70％的纤维材料与30％～62％的基体材料组成，其中纤维材料为碳纤维或玻璃纤维；基体材料为单相材料或两相材料，单相材料为环氧树脂或酚醛树脂；两相材料按体积百分比由50％～98％的树脂与2％～50％的纳米颗粒组成，其中树脂为环氧树脂或酚醛树脂，纳米颗粒为碳纳米管、石墨烯、金属纳米材料中任一种。
9.根据权利要求6所述的螺旋夹芯复合材料管的制备方法，其特征在于，步骤S6中，所述的填充方法为手动填充方法或3D打印填充方法；且在填充轻质材料螺旋加强筋前还对复合材料螺旋加强筋缠绕体表面涂覆树脂基体，涂覆厚度为0.1mm～1.5mm。
10.根据权利要求6所述的螺旋夹芯复合材料管的制备方法，其特征在于，步骤S2和步骤S7中，所述的缠绕方法为干法缠绕方法或湿法缠绕方法，且步骤S7在缠绕复合材料外层前还对螺旋夹心层外表面均分别涂覆树脂基体，涂覆厚度为0.1mm～1.5mm。
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