CN117341237B - 碳纤维结构件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了碳纤维结构件及其制备方法，碳纤维结构件呈方管状，其包括第一槽件、第二槽件及外包覆层。第一槽件为树脂基复合材料，第一槽件的槽底设有凸台，凸台的两侧与第一槽件的两个腿内壁间形成限位槽；第二槽件为树脂基复合材料，第二槽件的腰高对应于第一槽件的槽宽，所第二槽件的腿宽对应于所第一槽件的槽深，第二槽件的腿厚对应于限位槽的槽宽，第二槽件与第一槽件槽口相对以扣合成方管；外包覆层为碳纤维树脂材料，碳纤维沿方管的周向包覆，包覆圈数不小于一圈半，树脂浸润碳纤维并固化成型。本发明通过限位槽对腿部的限位及支撑作用，以及外包覆层的包裹作用，显著提高了方管的抗弯强度。

Description

碳纤维结构件及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料方管制备技术领域，具体涉及一种碳纤维结构件及其制备方法。

背景技术

方管是一种常见的管件，被广泛应用构筑各种结构件，例如，在车辆的车身的构建等。随着树脂基复合材料的出现，基于树脂基复合材料成型的方管也随之出现，并由于其相比于方钢具备防锈功能、轻量化等优点，而得到广泛应用。

现有的树脂基树脂基复合材料成型的方管的成型方法一般有模压成型、缠绕工艺成型及真空制袋成型，其中，模压成型需要有芯轴，在成型后抽出芯轴，其弊端在于对于较长规格的方管，抽芯困难；缠绕工艺成型，纤维的铺贴角度无法选择，综合力学性能较差；因此，更多的采用真空袋制袋成型。然而，真空制袋成型在成型圆管时具有其优势，但在成型方管时，其容易使得方管的四个直角转角无法夯实，易出现缺脂、分层、错位褶皱等缺陷。

易于理解，方管的抗弯强度要远高于圆管。这是因为，方钢管由于其截面的直角转角，通常具有较高的耐弯性能，能够承受和分散外来压力；而圆管由于其曲面转角，具有更好的弯曲性能，能够适应曲线形状的需要。换言之，方管抗弯强度远高于圆管的原因之一即在于其直角转角，若直角转角存在前述无法压实的缺陷，直角转角的功能将被弱化，并趋向于曲面转角，将导致抗弯强度的显著下降。

发明内容

本申请提出通过两个槽件粘合来实现方管的成型的方案，旨在避免圆角处的缺陷，提高方管的抗弯强度，但由于其层间结合的问题，其抗弯强度仍有可进一步提升的空间，遂提出本案。

本发明的目的之一在于提供一种碳纤维结构件，以实现两个槽型件的可靠结合，从而解决方管的圆角缺陷，提供一种高抗弯强度的碳纤维结构件。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

碳纤维结构件，呈方管状，其包括：

第一槽件，所述第一槽件为树脂基复合材料，所述第一槽件的槽底设有凸台，所述凸台的两侧与所述第一槽件的两个腿内壁间形成限位槽；

第二槽件，所述第二槽件为树脂基复合材料，所述第二槽件的腰高对应于所述第一槽件的槽宽，所述第二槽件的腿宽对应于所述第一槽件的槽深，所述第二槽件的腿厚对应于所述限位槽的槽宽，所述第二槽件与所述第一槽件槽口相对以扣合成方管；

外包覆层，所述外包覆层为碳纤维树脂材料，碳纤维沿所述方管的周向包覆，包覆圈数不小于一圈半，所述树脂浸润所述碳纤维并固化成型。

优选地，所述限位槽的深度大于2mm。

优选地，所述第二槽件的腿外侧端部形成倒角，所述倒角尺寸大于所述第一槽件的腿内侧根部的圆角尺寸。

优选地，所述第一槽件的腿内壁形成0.5-2mm且粗糙度大于Ra25的内树脂层，所述第二槽件的腿外壁形成0.5-2mm且粗糙度大于Ra25的外树脂层。

优选地，所述外树脂层上形成有斜向交错的滚刀纹路，所述滚刀纹路在所述第二槽件的腰边缘位置汇聚形成用作导胶口的三角交错区，所述交错区的宽度大于3mm。

优选地，所述内树脂层上形成有若干道竖直插槽。

优选地，所述第一槽件的腿内侧端部形成30°-45°的导流角。

本发明的再一目的在于提供一种碳纤维结构件的制备方法，用于制备如前所述的碳纤维结构件，其包括：

S1、采用树脂基复合材料分别制备所述第一槽件及所述第二槽件，成型所述第一槽件时，所述第一槽件的槽底侧的纤维层数多于其腿部的纤维层数以成型所述凸台；

S2、铣削所述凸台的两侧边缘，成型所述限位槽；修整所述第一槽件或所述第二槽件的腿宽，使所述第二槽件的腿宽对应于所述第一槽件的槽深；

S3、将所述第二槽件相向扣合在所述第一槽件中，使所述第二槽件的腿外壁贴合所述第一槽件的腿内壁，使所述第二槽件的腿端部插设在所述第一槽件的限位槽中，以扣合成所述方管；

S4、在所述方管周向包覆碳纤维，在所述第一槽件的腰部位置布置导流管，真空辅助树脂灌注成型。

进一步地，在所述S1中还包括在所述第一槽件的腿内壁形成0.5-2mm的内树脂层，以及，在所述第二槽件的腿外壁形成0.5-2mm的外树脂层；

在所述S2中还包括糙化所述内树脂层及所述外树脂层使其粗糙度大于Ra25；

以及，在所述外树脂层上加工成型滚刀纹路，所述滚刀纹路在所述第一槽件的腰边缘位置汇聚形成用作导胶口的三角交错区，所述交错区的宽度大于3mm；和/或，在所述内树脂层上加工成型有若干道竖直插槽。

进一步地，所述第一槽件及所述第二槽件通过模压成型。

采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：

1.本发明通过在第一槽件的限位槽与第二槽件的腿部的适配，使得当弯曲力垂直作用于槽件的腿部时，凸起作为支撑第二槽件的腿部的受力点，防止第二槽件的腿部向内弯曲而产生剪切力使得第二槽件的腿外壁与第一槽件的腿内壁形变分离；也使得当弯曲力垂直作用于槽件的腰部时，限位槽对第二槽件的腿部进行限位，防止其向中心弯曲形变而使得结合面剪切降低抗弯强度。

2.本发明通过在方管的周向包覆碳纤维树脂材料，一方面使得方管从视觉上接近一体成型，外观美观，另一方面，充分利用了碳纤维材料沿纤维轴方向有很高的强度和模量的特点，紧紧束缚第一槽件与第二槽件，使其抗弯强度进一步提高。

3.本发明通过在第一槽件的腿内壁及第二槽件的腿外壁设置树脂层，一方面在第二槽件的腰高高于第一槽件的槽宽时，富有加工余量；另一方面，通过两树脂层与粘合树脂的同材料结合，提高了层间界面的结合力。

4.本发明通过在第二槽件的外树脂层上设置斜向交错的滚刀纹路，并在靠近第二槽件的腰边缘位置汇聚形成导胶口，以便于树脂的均匀分布，提高结合面的均匀性，另一方面，利用固化在斜向的滚刀纹路中的树脂，使得第一槽件的腿内壁与第二槽件的腿外壁在槽口方向难以分离，进一步提高抗剪切力，进而提高抗弯曲能力。

附图说明

图1为一种通过两槽件粘合成型方管的结构示例；

图2为本发明第一槽件的结构示意图；

图3为本发明第二槽件的结构示意图；

图4为本发明第一槽件与第二槽件成型方管的结构示意图；

图5为本发明第二槽件的腿外壁示意图；

图6为本发明第一槽件的腿内壁示意图。

附图标记说明：

100、第一槽件；110、凸台；120、限位槽；130、圆角；140、内树脂层；141、竖直插槽；导流角150；

200、第二槽件；210、倒角；220、外树脂层；221、滚刀纹路；222、导胶口；

300、外包覆层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

为便于理解本发明，请先参考图1所示，本申请提出一种通过两个槽件粘合来实现方管的成型，旨在避免圆角处的缺陷，提高方管的抗弯强度。该种结构中，通过分别成型两个槽件，使得槽件可以通过模压方式成型，从而获得夯实的直角转角，进而，实现抗弯性能的提升。

然而，经过研究，此种方式，对方管的受力方向提出了要求，受力方向只能为槽口方向，即垂直于腰部的方向，当受力方向为垂直于腿部方向时，容易因为腿部的变形而产生两个槽件的结合面的分离；同时，即便受力方向为腰部的方向，也容易因为内部槽件的腿部变形产生向内侧的弯折，进而剪切结合面，使得方管失效。

由此，请参考图2-图4所示，本发明公开了一种碳纤维结构件，以实现两个槽型件的可靠结合，从而解决方管的圆角缺陷，提供一种高抗弯曲强度的碳纤维结构件。

具体而言，一种碳纤维结构件，其包括第一槽件100、第二槽件200及外包覆层300。

其中，第一槽件100为树脂基复合材料，第一槽件100在其槽底设有凸台110，凸台110的两侧与第一槽件100的两个腿内壁间形成限位槽120。

第二槽件200同样为树脂基复合材料，第二槽件200的腰高对应于第一槽件100的槽宽，第二槽件200的腿宽对应于第一槽件100的槽深，第二槽件200的腿厚对应于所述限位槽120的槽宽，第二槽件200与所述第一槽件100槽口相对以扣合成方管。

外包覆层300为碳纤维树脂材料，碳纤维沿方管的周向包覆，包覆圈数不小于一圈半，树脂浸润碳纤维并固化成型。

如此，本发明通过在第一槽件100的限位槽120与第二槽件200的腿部的适配，使得当弯曲力垂直作用于槽件的腿部时，凸起作为有效支撑第二槽件200的腿部的受力点，防止第二槽件200的腿部向内弯曲而产生剪切力，从而避免第二槽件200的腿外壁与第一槽件100的腿内壁形变分离，大幅提高抗弯曲能力。此外，当弯曲力垂直作用于槽件的腰部时，限位槽120也可以对第二槽件200的腿部进行限位，防止其向中心弯曲形变而使得结合面剪切降低抗弯强度。由此，本发明制备的方管，对于受力方向不具有特定性，在两个方向都可以实现较高的抗弯曲强度。

此外，由于本发明在方管的周向包覆碳纤维树脂材料，碳纤维树脂材料的包覆一方面使得方管从视觉上接近一体成型，外观美观，另一方面，充分利用了碳纤维材料沿纤维轴方向有很高的强度和模量的特点，紧紧束缚第一槽件100与第二槽件200，使其抗弯强度进一步提高。

请参考图2所示，本实施中，限位槽120的深度大于2mm，以使得第二槽件200的腿部获得良好的支撑或限位作用。

请参考图3所示，第二槽件200的腿外侧端部形成倒角210，倒角210尺寸大于第一槽件100的腿内侧根部的圆角130尺寸，如此，在加工限位槽120时，可以避免对第一槽件100的腿内侧根部进行清根，防止降低第一槽件100的腿内侧根部的强度。

为提高层间结合力，作为一种优选的实施方式，第一槽件100的腿内壁形成0.5-2mm且粗糙度大于Ra25的内树脂层140，同样的，第二槽件200的腿外壁形成0.5-2mm且粗糙度大于Ra25的外树脂层220。如此，通过糙化的结合面，提高层间的结合力。

请参考图5所示，在一种更优选的实施方式中，外树脂层220上形成有斜向交错的滚刀纹路221，滚刀纹路221的槽宽1-2mm。同时，滚刀纹路221在第二槽件200的腰边缘位置汇聚形成用作导胶口222的三角交错区，交错区的宽度大于3mm，本实施例选择为5mm。

易于理解，滚刀纹路221的深度小于外树脂层220的深度，以避免破坏第二槽件200中的纤维。

如此，通过交错区作为导胶口222，可以在包覆外包覆层300时，通过导胶口222导入树脂，以便于树脂充分浸润第一槽件100的腿内壁及第二槽件200的腿外壁，并汇流到限位槽120中胶合限位槽120与第二槽件200的腿部，提高结合面的均匀性，另一方面，利用固化在斜向的滚刀纹路221中的树脂，使得第一槽件100的腿内壁与第二槽件200的腿外壁在槽口方向分离时具备自锁力而难以分离，进一步提高抗剪切力，进而提高抗弯曲能力。

同理，为提高层间结合力，请参考图6所示，内树脂层140上形成有若干道竖直插槽141，本实施例中，竖直插槽141的槽宽为1-2mm。

为提高碳纤维的浸润能力，本申请中，碳纤维布为打孔布。为进一步提高树脂的浸润能力，本实施例中，第一槽件100的腿内侧端部形成30°-45°的导流角150。

易于理解，对于对产品壁厚有均匀性要求的产品，可以对第一槽件100与第二槽件200进行丢层设计，使其腿厚小于腰厚，从而在第一槽件100与第二槽件200结合时，获得壁厚一致的方管。

实施例2

本发明的再一目的在于提供一种碳纤维结构件的制备方法，用于制备如实施例1所述的碳纤维结构件，其包括：

S1、采用树脂基复合材料分别预浸料模压成型第一槽件100及第二槽件200，成型第一槽件100时，第一槽件100的槽底侧的纤维层数多于其腿部的纤维层数以成型凸台；

S2、铣削凸台的两侧边缘，以修整两侧边缘而成型限位槽；修整第一槽件100或第二槽件200的腿宽，使第二槽件200的腿宽适配于第一槽件100的槽深；

S3、将第二槽件200相向扣合在第一槽件100中，使第二槽件200的腿外壁贴合第一槽件100的腿内壁，使第二槽件200的腿端部插设在第一槽件100的限位槽中，以扣合成方管；

S4、在方管的周向包覆碳纤维，在第一槽件100的腰部位置布置导流管，真空辅助树脂灌注成型，如此，在包覆碳纤维的成型外包覆层的同时，由于导流管设置在第一槽件100的腰部位置，树脂会被导入到第一槽件100的腿内壁与第二槽件200的腿外壁之间以及限位槽与第二槽件200的腿部之间，实现第一槽件100与第二槽件200的粘合。

在S1中还包括在第一槽件100的腿内壁形成0.5-2mm的内树脂层，以及，在第二槽件200的腿外壁形成0.5-2mm的外树脂层；为提高结合面的粘合强度，在S2中还包括糙化内树脂层及外树脂层使其粗糙度大于Ra25。

在更优的实施方式中，在外树脂层上加工成型滚刀纹路，滚刀纹路在所述第一槽件100的腰边缘位置汇聚形成用作导胶口的三角交错区，交错区的宽度大于3mm；以及，在所内树脂层上加工成型有若干道竖直插槽。

试样1：

准备预浸料纤维，预浸料纤维包含E255玻璃纤维18％，994#预促进邻苯型不饱和聚酯树脂80％，BUTANOX M-50过氧化甲基乙基甲酮2％；

将不沾模具（表面涂覆离型剂，如聚四氟乙烯）升温至180℃，将预浸料纤维铺叠后转移至不沾模具的型腔中；

模具合模并抽真空，合模压力为2Mpa，压实20S，真空度小于-90Kpa，再加压至15Ma，热压成型1min；

依此方法分别成型第一槽件100及第二槽件200，第一槽件100槽件腰宽30mm，腰厚2mm，腿厚2mm，腿宽30mm；第二槽件200腰宽26mm，腿厚2mm，腿宽28mm；试样长度280mm。铺层层数6层，单层厚度0.25mm。

对第一槽件100和/或第二槽件200的腿部修整，糙化第一槽件100的腿内壁与第二槽件200的腿外壁，使其粗糙度大于Ra25，将第一槽件100与第二槽件200扣合成为方管，在-90Kpa真空环境下注入胶水胶合，胶水混合比例与预浸料中的树脂与固化剂的比例一致，等待固化成型。

试样2：

参照试样1的制备工艺制备第一槽件100及第二槽件200，并扣合形成方管；与试样1的区别在于在第一槽件100中成型有凸台，凸台厚度2mm。

参照试样1的制备工艺胶合第一槽件100及第二槽件200。

试样3：

参照试样1的制备工艺制备第一槽件100及第二槽件200，并扣合形成方管；

在方管的周向包覆T300碳纤维，碳纤维包覆层数为一圈半，然后真空辅助树脂灌注成型，真空度小于-90Kpa，树脂及固化剂的选型及比例与制备第一槽件100与第二槽件200的树脂一致。

试样4：参照试样3的方法制备方管，区别在于，第一槽件100中成型有凸台，凸台厚度2mm。

试样5：参照试样4的方法制备方管，区别在于，外树脂层220上形成有45°斜向交错的滚刀纹路221，相邻平行滚刀纹路221的间隔为10mm，滚刀纹路221的槽宽1.5mm，槽深0.8mm，导胶口222的宽度为5mm。

试样6：参照试样5的方法制备方管，区别在于，内树脂层上成型有竖直插槽141，竖直插槽141的槽宽为1.5mm，槽深为0.8mm，相邻槽的间距为15mm。

依据GB1456三点外伸弯曲实验，支撑跨距260mm，测试方向为槽口方向，测试试样1-试样6的抗弯强度，则有：

试样	试样1	试样2	试样3	试样4	试样5	试样6
							抗弯强度（Mpa）	232	287	296	320	328	332

依据GB1456三点外伸弯曲实验，支撑跨距260mm，测试方向为腿部方向，测试试样1-试样6的抗弯强度，则有：

试样	试样1	试样2	试样3	试样4	试样5	试样6
							抗弯强度（Mpa）	181	272	263	304	317	321

可见，试样2相对于试样1，通过设置凸台110，无论从何种方向施压，均提高了抗弯强度，试样3相对于试样1，通过包覆外包覆层300，也显著提高了抗弯强度，试样4同时设置凸台110及包覆外包覆层300，抗弯强度显著提升。试样5和试样6分别通过提高层间结合力，提高了抗弯强度。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.碳纤维结构件，呈方管状，其特征在于，包括：

第一槽件，所述第一槽件为树脂基复合材料，所述第一槽件的槽底设有凸台，所述凸台的两侧与所述第一槽件的两个腿内壁间形成限位槽；所述限位槽的深度大于2mm；所述第一槽件的腿内壁形成粗糙度大于Ra25的内树脂层，所述内树脂层上形成有若干道竖直插槽；

第二槽件，所述第二槽件为树脂基复合材料，所述第二槽件的腰高对应于所述第一槽件的槽宽，所述第二槽件的腿宽对应于所述第一槽件的槽深，所述第二槽件的腿厚对应于所述限位槽的槽宽，所述第二槽件与所述第一槽件槽口相对以扣合成方管；所述第二槽件的腿外侧端部形成倒角，所述倒角尺寸大于所述第一槽件的腿内侧根部的圆角尺寸；所述第二槽件的腿外壁形成粗糙度大于Ra25的外树脂层；所述外树脂层上形成有斜向交错的滚刀纹路，所述滚刀纹路在所述第二槽件的腰边缘位置汇聚形成用作导胶口的三角交错区；

外包覆层，所述外包覆层为碳纤维树脂材料，碳纤维沿所述方管的周向包覆，包覆圈数不小于一圈半，树脂浸润所述碳纤维并固化成型。

2.如权利要求1所述的碳纤维结构件，其特征在于：所述内树脂层的厚度为0.5-2mm，所述外树脂层的厚度为0.5-2mm。

3.如权利要求1所述的碳纤维结构件，其特征在于：所述交错区的宽度大于3mm。

4.如权利要求1所述的碳纤维结构件，其特征在于：所述第一槽件的腿内侧端部形成30°-45°的导流角。

5.碳纤维结构件的制备方法，用于制备如权利要求1-4任一项所述的碳纤维结构件，其特征在于，包括：

S1、采用树脂基复合材料分别制备所述第一槽件及所述第二槽件，成型所述第一槽件时，所述第一槽件的槽底侧的纤维层数多于其腿部的纤维层数以成型所述凸台；在所述第一槽件的腿内壁形成内树脂层，以及，在所述第二槽件的腿外壁形成外树脂层；

S2、铣削所述凸台的两侧边缘，成型所述限位槽；修整所述第一槽件或所述第二槽件的腿宽，使所述第二槽件的腿宽对应于所述第一槽件的槽深；糙化所述内树脂层及所述外树脂层使其粗糙度大于Ra25；在所述外树脂层上加工成型滚刀纹路，所述滚刀纹路在所述第一槽件的腰边缘位置汇聚形成用作导胶口的三角交错区；在所述内树脂层上加工成型有若干道竖直插槽；

S3、将所述第二槽件相向扣合在所述第一槽件中，使所述第二槽件的腿外壁贴合所述第一槽件的腿内壁，使所述第二槽件的腿端部插设在所述第一槽件的限位槽中，以扣合成所述方管；

S4、在所述方管周向包覆碳纤维，在所述第一槽件的腰部位置布置导流管，真空辅助树脂灌注成型。

6.如权利要求5所述的碳纤维结构件的制备方法，其特征在于：

所述内树脂层的厚度为0.5-2mm，所述外树脂层的厚度为0.5-2mm，所述交错区的宽度大于3mm。

7.如权利要求6所述的碳纤维结构件的制备方法，其特征在于：所述第一槽件及所述第二槽件通过模压成型。