CN118345998A - 一种带肋复合材料加强筋、制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种带肋复合材料加强筋、制备方法及应用，加强筋由基体材料和纤维结构复合形成，所述的纤维结构包括内芯和编织层，所述内芯由纱线拉挤形成，所述编织层的纱线通过编织工艺沿内芯的轴向包覆在内芯的外周且形成突出于加强筋表面的凸肋。本发明的加强筋通过编织工艺、缠绕工艺、拉挤工艺组合制备而成，提高了产品在多个方向上的承载能力，由编织工艺形成加强筋的凸肋，具有高的抗剪切能力；该加强筋可实现连续化生产，工艺简单，适用于工业化和批量化；可应用于水泥基或者树脂基等复合材料的快速制备。
Description
技术领域
本发明属于复合材料工艺技术领域，具体涉及一种带肋复合材料加强筋、制备方法及应用。
背景技术
纤维增强聚合物(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)，是将连续纤维材料与基体树脂复合所形成的高性能材料。FRP筋是其产品形式的一种，常在土木工程中用来加固或增强，具有轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳、无磁性等优点，尤其是在酸、碱盐、潮湿等恶劣环境下，可避免钢筋锈蚀对结构所带来的损害，减少结构维护费用，延长结构使用寿命。以FRP作为水泥基、树脂基板材的纵筋、腹筋或预应力筋时，能够提高板材的耐久性，具有良好的经济和社会效益。
现有技术中，复合材料加强筋在应用过程中存在一些问题，例如，复合材料加强筋的抗剪切能力弱，抗扭转强度低，在高拉应力状态下受到扭转或者剪切力的影响易发生剪切破坏。为了解决这一问题，现有的复合材料加强筋通过螺旋缠绕纤维、在表面涂覆砂石或者两者结合的方式，力求在复合材料加强筋和基体材料间形成机械互锁，从而提高两者界面的粘结强度。但是这些方法受FRP筋抗剪切和抗扭转能力的影响，在受到剪切或扭转时仍然容易导致基体材料和FRP筋的剥离。例如：
申请号为201010169644.5的中国申请公开了一种FRP筋，由热塑性树脂纤维和无机增强纤维进行交叉、间隔的均匀排布制成，所述FRP筋表面具有由单丝纤维缠绕而成的螺纹结构。
申请号为202311395540.X的中国申请公开了一种FRP筋及其制备方法，该FRP筋包括内芯和包覆于内芯外侧的外层。内芯包括第一热固性树脂和多股第一纤维，多股第一纤维通过第一热固性树脂粘合为一体；外层包括至少一层包裹层，包裹层包括改性树脂和多股第二纤维，改性树脂包括第二热固性树脂和热塑性树脂，两股以上第二纤维通过改性树脂粘合为一体。
申请号为201510989598.6的中国申请公开了一种建筑用编织复合材料加强筋，由编织结构增强体和树脂组成，编织结构增强体是由高性能纤维股线通过编织工艺而成的编织结构，编织结构成型后，通过复合工艺将树脂与编织结构增强体进行复合，形成杆状的编织复合材料加强筋。
申请号为CN201510287086.5的中国申请公开了一种复合型FRP筋，在FRP筋的中心加入钢绞线，以此提高FRP筋的抗剪切和抗扭转能力，但是上述方案并未完全采用FRP筋替代钢筋，没有实质性解决FRP筋抗剪切和抗扭转性能差的问题，相对于内芯的钢绞线，编织层的FRP材料的抗剪切和抗扭转性能并未得到提升，在长时间使用时仍然存在损坏、脱落的风险。
因此，如何提高复合材料加强筋在轴向、扭转、环向等方面的性能，提高整体力学性能值得深入研究。
有鉴于此特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是至少针对上述现有技术中的问题之一，提供一种带肋复合材料加强筋、制备方法及应用。本发明的加强筋通过编织工艺、缠绕工艺、拉挤工艺和RTM工艺组合制备而成，提高了产品在多个方向上的承载能力，由编织工艺形成的加强筋的凸肋，具有高的抗剪切能力；该加强筋可实现连续化生产，工艺简单，适用于工业化和批量化；可应用于水泥基或者树脂基等复合材料的快速制备。
本发明的第一目的是提供一种带肋复合材料加强筋，加强筋由基体材料和纤维结构复合形成，所述的纤维结构包括内芯和编织层，所述内芯由纱线拉挤形成，所述编织层的纱线通过编织工艺沿内芯的轴向包覆在内芯的外周且形成突出于加强筋表面的凸肋。
为了克服现有技术中复合材料加强筋与基体材料界面粘结性能差的问题，本发明的复合材料加强筋，内芯由纱线拉挤制成，可以实现纤维在产品轴向的合理排布，提高产品在轴向抗拉伸和抗压缩方面的性能；编织层利用编织工艺可以实现纤维在产品的±45°方向的排布，提高产品的抗扭转和抗弯曲性能；编织层中一体编织而成的凸肋，具有高的抗剪切能力，可明显提高加强筋与基体间的机械互锁，提高与基体材料的粘接性能。
本发明中，最外层的编织层由纱线束编织形成，通过编织层中交错排列的纱线束之间的咬合和摩擦，降低了纱线束之间的活动能力，同时交错排列的纱线束能够将剪切力沿交错排列的纱线束分散，由编织层整体进行分担，显著提升了复合材料加强筋的抗剪切性能；编织层中一体编织而成的凸肋，还与其它编织纱线形成交织结构，可以进一步提高横肋的抗剪切能力。另外，通过编织形成的编织层本身具有较高的抗拉伸性能，能够进一步提高复合材料加强筋的拉伸强度。
进一步的方案，编织层中的凸肋可以由具有不同直径的至少两种纱线束编织形成，通过纱线束之间的直径差异在所述编织层的外侧表面形成所述凸肋。或者，可以由多根相同直径的纱线束并纱编织而成。不论采用哪种方式，均可以采用现有的编织技术，在编织层中形成突出于表面的凸肋即可。
进一步的方案，所述凸肋为横肋，由编织层中的部分纱线并纱编织而成，在加强筋表面螺旋排布，且横向突出。
本发明所述的横肋类似钢筋上的横肋结构，而钢筋的横肋是在钢材料的表面轧制而成，而纤维结构上无法简单实现横肋结构的设置。本发明中首次提出了在加强筋中编织形成一体化的横肋，利用横肋本身的抗剪切能力以及横肋与编织层中其他编织纱形成的交织结构，可以进一步提高横肋的抗剪切能力。
进一步的方案，所述凸肋为多个横肋：
所述多个横肋连续设置，在加强筋的周向方向上间隔一定距离呈螺旋环绕设置；
或者，所述多个横肋按不同方向螺旋环绕，在加强筋表面形成交叉抱合式排布。
采用编织+缠绕+拉挤的组合技术，可形成一系列不同的纤维排布结构，以满足不同产品需求。通过编织工艺的设计，实现横肋的表面结构，具体为通过纱线的细度和捻度调控凸肋的高度，同时，通过横肋纱编织位置的设计，形成不同的凸肋外观形式，包括螺旋、螺旋抱合等。不论哪种形式的横肋，能够提高加强筋的抗剪切能力，提高与基体材料的粘结能力即可。连续螺旋设置或者单独设置的横肋，增加了加强筋与基体材料接触的表面积，还可以明显提高加强筋与基体间的机械互锁，提高与基体材料的粘接性能。
进一步的方案，所述横肋与加强筋轴线之间的夹角θ1大小满足条件：-90°＜θ1＜90°且θ1≠0°；
优选的，所述横肋与加强筋轴线之间的夹角θ1为±45°。
当横肋与加强筋轴线之间的夹角在±45°时，横肋具有较好的抗剪切能力，其他交叉层叠的纱线束也能够从多个方向提高复合材料加强筋的承载能力。
进一步的方案，还具有缠绕层，所述缠绕层的纱线绕所述内芯的周向进行缠绕，所述编织层通过编织工艺覆在缠绕层的外周；
优选的，所述缠绕层的纱线进行缠绕的角度满足条件：0°＜θ＜90°。
通过缠绕工艺制备缠绕层，来优化纤维在产品环向的排布，增加产品环向刚度，避免在使用过程中出现劈裂破坏。
内芯的表面先覆盖一层缠绕层，所述缠绕层挤压内芯表面，使得内芯产生沿加强筋径向的弹性变形。如此，缠绕层和内芯之间相互挤压，使得内芯在带肋复合材料加强筋径向方向上的厚度减小，在切向方向上的厚度增大，缠绕层和内芯之间无需其他手段辅助，仅通过树脂的粘结和缠绕纱的捆扎作用就能够实现相互固定；如果缠绕层和内芯仅仅是包覆关系而没有相互挤压，则不利于提升复合材料加强筋的剪切强度和抗拉强度。
进一步的方案，所述加强筋的直径D满足：D＝d+2H；
其中，d为内芯和缠绕层的直径；H为横肋的高度；
优选的，所述横肋的高度H满足：0＜H＜d。
横肋高度会影响其剪切剥离力的大小，本发明中控制横肋高度为0＜H＜d，可以起到良好的抗剪切作用。
进一步的方案，内芯、缠绕层、编织层的纱线的种类可以具体根据产品需求选择，列举但不局限于以下纤维：
内芯的纱线选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、石英纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、PEEK纤维、PEAK纤维、PI纤维、LCP纤维中的至少一种；
缠绕层的纱线选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、石英纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、PEEK纤维、PEAK纤维、PI纤维、LCP纤维中的至少一种；
编织层的纱线选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、石英纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、PEEK纤维、PEAK纤维、PI纤维、LCP纤维中的至少一种。
进一步的方案，所述基体材料选自环氧、不饱和聚酯、酚醛、有机硅、聚丙烯酸等树脂中的一种。
进一步的方案，带肋复合材料加强筋中，所述纤维体积含量为40％-78％。
本发明的第二目的是提供一种如上所述的带肋复合材料加强筋的制备方法，包括：
(1)根据产品需求确定工艺参数；
(2)将构成内芯的纱线从纱架拉出，控制纱线的张力，然后将所有用于内芯的纱线经过浸胶槽，浸胶槽内有熔融或溶液状的树脂，实现内芯纱线的浸润；
(3)浸胶后的内芯纱线经过喇叭口挤出多余的树脂并初步塑形；
(4)将构成编织层的纱线按凸肋种类进行纱线初始位置排布，在内芯外周进行编织，其中部分经过并纱的纱线参与编织形成凸肋；
(5)对编织形成凸肋的加强筋进行淋胶，然后通过带凹槽的压胶辊压除多余的树脂；
(6)最后将复合材料通过加热模具，加热固化成型。
优选的，在步骤(3)后，将构成缠绕层的纱线缠绕在塑形后的内芯纱束的表面，然后再进行步骤(4)、(5)、(6)。
本发明的制备方法根据加强筋的使用需求确定加强筋的工艺参数，然后根据工艺参数控制工艺条件。所述制备参数包括内芯直径、编织层厚度、凸肋高度、编织角和凸肋形式等等。具体制备的工艺可以采用现有的拉挤、缠绕、编织工艺。
本方案中，加热定型可以直接加热，也可以置于模具中进行加热。所述模具的尺寸大于加强筋的尺寸。本发明仅通过加热而不对复合材料加强筋施加压力，模具的尺寸大于加强筋的尺寸，能够避免受模具挤压而导致加强筋表面凸肋消失，保留加强筋表面的起伏特性，有利于加强筋与基体材料粘接性能的提升。
本发明的制备方法，不需要对现有的编织+缠绕+拉挤的设备进行任何的设备修改，只要模具尺寸大于制备的加强筋的尺寸，就可以直接用于加强筋的生产，成本低，适应性广泛。
本发明的第三目的是提供一种复合材料板，利用如上所述的带肋复合材料加强筋，通过浇筑混凝土或树脂快速成型制成。
本发明的第四目的是提供一种如上所述的带肋复合材料加强筋在制备航空航天、轨道交通、体育设施、建筑建材领域的复合材料板的应用。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明的复合材料加强筋，通过编织工艺、缠绕工艺、拉挤工艺组合制备而成，控制各个方向上的纤维排布，提高了产品在多个方向上的承载能力。复合材料加强筋具有高抗轴向拉压、高环向刚度、高抗扭转和弯曲的特性，与基体材料之间形成机械互锁，提高两者界面的粘结强度。本发明的加强筋可承受强剪切力，防止剥离。
加强筋中，内芯由纱线拉挤制成，可以实现纤维在产品轴向的合理排布，提高产品在轴向抗拉伸和抗压缩方面的性能；缠绕层通过缠绕工艺来优化纤维在产品环向的排布，增加产品环向刚度，避免在使用过程中出现劈裂破坏；编织层利用编织工艺可以实现纤维在产品的±45°方向的排布，提高产品的抗扭转和抗弯曲性能；编织层中一体编织而成的凸肋，具有高的抗剪切能力，可明显提高加强筋与基体间的机械互锁，提高与基体材料的粘接性能。另外，编织层中一体编织而成的凸肋，还与其它编织纱线形成交织结构，可以进一步提高横肋的抗剪切能力。
2、本发明的复合材料加强筋可实现自动化和连续化生产，工艺简单，适用于工业化和批量化；且可以在现有的编织+缠绕+拉挤的设备上生产，不需要进行任何的设备修改，成本低，适应性广泛。
3、利用本发明的复合材料加强筋制备的混凝土或者树脂基复合材料，成型周期短，成本低、质量轻、力学性能强，还可以搭配材料的选取，满足航空航天、轨道交通、体育休闲、建筑等各种领域对不同复合材料板的需求。
附图说明
附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：
图1为本发明实施例二制得的带肋复合材料加强筋的横截面图；
图2为本发明加强筋三种编织结构的纱线排布图；其中，纱线排布中颜色只为表述这组纱线在设备上运行的轨道不同，被蓝色圈出的纱线表示横肋纱线；
图3为本发明三种带有编织横肋结构的加强筋的示意图，其中表面突出的部分即为横肋；
图中：1、内芯和缠绕层；2、凸肋；3、编织层。
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“编织”指示的是一种纺织技术，包括二维编织和三维编织两种。实施例采用二维编织，仅为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所采用的技术仅限于二维编织，因此不能理解为对本发明的限制。
接下来以具体实施例对本发明进行进一步说明。
本发明提供一种带肋复合材料加强筋，加强筋由基体材料和纤维结构复合形成，所述的纤维结构包括内芯和编织层，所述内芯由纱线拉挤形成，所述编织层的纱线通过编织工艺沿内芯的轴向包覆在内芯的外周且形成突出于加强筋表面的凸肋。
进一步的方案，还具有缠绕层，所述缠绕层的纱线绕所述内芯的周向进行缠绕，所述编织层通过编织工艺覆在缠绕层的外周。
根据产品需求，加强筋的纤维结构可以由内芯和编织层构成，或者由内芯、缠绕层和编织层构成。本方案中，内芯由纱线拉挤制成，可以实现纤维在产品轴向的合理排布，提高产品在轴向抗拉伸和抗压缩方面的性能；缠绕层通过缠绕工艺来优化纤维在产品环向的排布，增加产品环向刚度，避免在使用过程中出现劈裂破坏；编织层利用编织工艺可以实现纤维在产品的±45°方向的排布，提高产品的抗扭转和抗弯曲性能。编织层中一体编织而成的凸肋，具有高的抗剪切能力，可明显提高加强筋与基体间的机械互锁，提高与基体材料的粘接性能。
其中，内芯的表面先覆盖一层缠绕层，所述缠绕层挤压内芯表面，使得内芯产生沿加强筋径向的弹性变形。如此，缠绕层和内芯之间相互挤压，使得内芯在带肋复合材料加强筋径向方向上的厚度减小，在切向方向上的厚度增大，缠绕层和内芯之间无需其他手段辅助，仅通过树脂的粘结和缠绕纱的捆扎作用就能够实现相互固定；如果缠绕层和内芯仅仅是包覆关系而没有相互挤压，则不利于提升复合材料加强筋的剪切强度和抗拉强度。
最外层的编织层由纱线束编织形成，通过编织层中交错排列的纱线束之间的咬合和摩擦，降低了纱线束之间的活动能力，同时交错排列的纱线束能够将剪切力沿交错排列的纱线束分散，由编织层整体进行分担，显著提升了复合材料加强筋的抗剪切性能；编织层中一体编织而成的凸肋，还与其它编织纱线形成交织结构，可以进一步提高横肋的抗剪切能力。另外，通过编织形成的编织层本身具有较高的抗拉伸性能，能够进一步提高复合材料加强筋的拉伸强度。
编织层中的凸肋可以由具有不同直径的至少两种纱线束编织形成，通过纱线束之间的直径差异在所述编织层的外侧表面形成所述凸肋。或者，可以由多根相同直径的纱线束并纱编织而成。不论采用哪种方式，均可以采用现有的编织技术，在编织层中形成突出于表面的凸肋即可。
凸肋沿带肋复合材料加强筋的轴向方向设置，具体形状和凸肋数量可以根据实际使用需求进行调整，例如，当带肋复合材料加强筋表面仅具有一条凸肋时，凸肋可以设置为沿带肋复合材料加强筋轴向方向螺旋环绕设置的螺旋型肋，当凸肋设置为螺旋型肋时与带肋复合材料加强筋轴向方向之间形成夹角，且凸肋与加强筋轴线之间形成的编织角在-90°～90°之间，在该角度范围内保证了编织的顺利进行。本领域技术人员在已知本发明技术原理的基础上根据实际需要调整凸肋与加强筋轴向方向之间的夹角大小后得到的方案也落入本发明的保护范围内。
带肋复合材料加强筋表面具有至少两条凸肋时，多条凸肋的形状可以根据实际使用需求设置为相同或者不同；以加强筋表面具有三条凸肋为例进行进一步举例说明：三条凸肋可以都设为沿加强筋轴向方向螺旋环绕的螺旋型肋，不同凸肋的螺旋方向可以相同或者相反，方向相同时为带肋复合材料加强筋提供了更好的抗剪切能力；方向相反时带肋复合材料加强筋的结构对称性更高，在提高加强筋抗剪切能力的同时，也有利于加强筋抗弯折能力的提升。
进一步需要说明的是，当带肋复合材料加强筋表面具有多个螺旋型肋时，各个螺旋型肋与加强筋轴向方向之间的夹角可以相同或者不同；并且形成内芯、缠绕层和编织层的纱线束种类也可以根据实际使用需求进行选择。
作为一种优选的实施方式，所述凸肋为横肋，由编织层中的部分纱线并纱编织而成，在加强筋表面沿着纵向排布，且横向突出。
本发明所述的横肋类似钢筋上的横肋结构，而钢筋的横肋是在钢材料的表面轧制而成，而纤维结构上无法简单实现横肋结构的设置。本方案在加强筋中编织形成一体化的横肋，利用横肋本身的抗剪切能力以及横肋与编织层中其他编织纱形成的交织结构，可以进一步提高横肋的抗剪切能力。
进一步的方案，所述凸肋为多个横肋：
所述多个横肋连续设置，在加强筋的周向方向上间隔一定距离呈螺旋环绕设置；
或者，所述多个横肋按不同方向螺旋环绕，在加强筋表面形成交叉抱合式排布。采用编织+缠绕+拉挤的组合技术，可形成一系列不同的纤维排布结构，以满足不同产品需求。通过编织工艺的设计，实现横肋的表面结构，具体为通过纱线的细度和捻度调控凸肋的高度，同时，通过横肋纱编织位置的设计，形成不同的凸肋外观形式，包括螺旋、螺旋抱合等。不论哪种形式的横肋，能够提高加强筋的抗剪切能力，提高与基体材料的粘结能力即可。连续螺旋设置或者单独设置的横肋，增加了加强筋与基体材料接触的表面积，还可以明显提高加强筋与基体间的机械互锁，提高与基体材料的粘接性能。
进一步的方案，所述横肋与加强筋轴线之间的夹角θ1大小满足条件：-90°＜θ1＜90°；且θ1≠0°；
优选的，所述横肋与加强筋轴线之间的夹角θ1为±45°。
当横肋与加强筋轴线之间的夹角在-90°～0°范围内或者夹角在0°～90°范围内时，横肋具有较好的抗剪切能力，其他交叉层叠的纱线束也能够从多个方向提高复合材料加强筋的承载能力。当横肋与加强筋轴线之间的夹角θ1为±45°时，抗剪切效果最佳。
所述缠绕层的纱线进行缠绕的角度满足条件：0°＜θ＜90°。
进一步的方案，所述加强筋的直径D满足：D＝d+2H；
其中，d为内芯和缠绕层的直径；H为横肋的高度；
优选的，所述横肋的高度H满足：0＜H＜d。
横肋高度会影响其剪切剥离力的大小，本发明中控制横肋高度为0＜H＜d，可以起到良好的抗剪切作用。本发明中，内芯、缠绕层、编织层的纱线的种类可以具体根据产品需求选择，列举但不局限于以下纤维：
内芯的纱线选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、石英纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、PEEK纤维、PEAK纤维、PI纤维、LCP纤维等中的至少一种；
缠绕层的纱线选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、石英纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、PEEK纤维、PEAK纤维、PI纤维、LCP纤维等中的至少一种；
编织层的纱线选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、石英纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、PEEK纤维、PEAK纤维、PI纤维、LCP纤维等中的至少一种。
进一步的方案，所述基体材料选自环氧、不饱和聚酯、酚醛、有机硅、聚丙烯酸等树脂中的一种。
进一步的方案，带肋复合材料加强筋中，所述纤维体积含量为40％-78％。
带横肋复合材料加强筋的制备方法具体如下：
确定内芯和缠绕层所用纱线的种类。
确定带横肋复合材料加强筋的直径、其中的纤维体积含量、横肋高度等所需产品参数。
需要说明的是，以下将构成内芯的纱线称为拉挤芯纱，将构成缠绕层的纱线称为缠绕纱，将构成编织层的纱线称为编织纱，编织横肋的纱线称为横肋纱。
(1)如图1所示，设计带肋复合材料加强筋的直径以及内芯、缠绕层和编织层的厚度，公式如下：
D＝d+2H
其中D为带肋复合材料加强筋的厚度；d为内芯和缠绕层的直径(由于内芯和缠绕层紧紧包覆在一起，因此计算其总的直径)，H为横肋高度；
(2)内芯用纱线根数的相关计算，计算公式为：
其中，n1为所需要的拉挤芯纱的根数，其中d为内芯层直径(单位cm)，S为单根拉挤芯纱的横截面积(单位cm2)，Vf为加强筋需求的纤维体积含量；
其中，S为单根拉挤芯纱的横截面积(单位cm2)，T为纱线的公制支数(单位tex)，ρ为材料密度(g/cm3)；
(3)制作内芯和缠绕层，具体过程为：
根据计算结果将拉挤芯纱从纱架上拉出，并控制每根纱线的张力，然后将所有用于内芯的纱线经过浸胶槽，浸胶槽内有熔融或溶液状的树脂，实现内芯纱线的浸润；
浸胶后的内芯纱线经过喇叭口挤出多余的树脂并初步塑形；缠绕纱在塑形后的内芯纱线上缠绕。
(4)将构成编织层的纱线按凸肋种类进行纱线初始位置排布，在缠绕层外周进行编织，其中部分经过并纱的纱线参与编织形成凸肋；
编织肋的相关计算，计算公式为：
其中，H为横肋高度(单位cm)，N为横肋纱的合股数量，T为纱线的公制支数(单位tex)，ρ为材料的密度(g/cm3)，η为纱线的扁平系数，可通过测试获取。
(5)计算编织层编织工艺，具体如下：
其中，h为编织机转一圈拉挤走过的距离(单位cm)，V1为编织机转速(单位转/分)，V2为拉挤速度(单位米/小时)；
其中，θ为编织角；d为内芯直径(单位cm)，V1为编织机转速(单位转/分)，V2为拉挤速度(单位米/小时)；
其中，n2为编织纱线的根数，d为内芯直径(单位cm)，T为编织纱的公制支数(单位tex)，ρ为编织纱的密度(g/cm3)，θ为编织角(单位°)，η为编织纱扁平系数；
此处需要说明的是，由于纱线在编织过程中截面会由圆形变为椭圆形，此处的扁平系数则是编织过程中编织纱截面形状变化相关的参数，该参数与纱线的类型相关，可以认为是根据纱线类型所确认的常数；
(6)对编织形成凸肋的加强筋进行淋胶，然后通过带凹槽的压胶辊压除多余的树脂；
(7)最后将复合材料通过加热模具，加热固化成型。
根据计算得到的编织层编织工艺参数进行编织后淋胶，然后送入模具加热定型得到带肋复合材料加强筋；为了保留加强筋表面的起伏特性，采用模具的尺寸要比加强筋的尺寸大，模具的作用仅仅是加热成型。
对于横肋数量、横肋的缠绕方式、横肋与带肋复合材料加强筋轴向方向的夹角大小等，可以根据实际使用需求进行设计，通过具体实施例进行示意性说明如下。
本发明并不对形成带肋复合材料加强筋的纱线束的截面形状做出约束，本领域技术人员可以根据实际情况选择圆形、方形或者其他异形截面的纱线束制备带肋复合材料加强筋，为了便于描述，在未做特殊说明的情况下，以下各个实施例中的带肋复合材料加强筋均是以圆形截面的纱线束制得。
实施例一
采用12K碳纤维作为拉挤芯纱和缠绕纱，1240D的kevlar49作为编织纱，15根编织纱并纱作为横肋纱，设计制备直径为1cm和纤维体积含量为70％的带横肋复合材料加强筋，编织纱采用图2(a)所示纱线初始排布，形成如图3(b)中交叉抱合的表面横肋结构。其制备方法包括：
(1)如图1所示，加强筋的直径D＝d+2H，其中d是拉挤芯纱束和缠绕层的直径，H为横肋高度；
(2)通可计算出单根拉挤芯纱的横截面积S1＝0.00471cm2，编织纱的横截面积S2＝0.00098cm2，其中T为纱线的公制支数，ρ为材料密度(碳纤维1.7g/cm3，芳纶1.41g/cm3)；
(3)通过可以计算出所需要的拉挤芯纱的根数为117根，其中d为芯纱束直径，S1为单根拉挤芯纱的面积，Vf为制品需求的纤维体积含量；
(4)通过可以计算出横肋高度为0.0956cm，其中N为横肋纱的合股数量，T为纱线的公制支数(单位tex)，ρ为材料的密度(单位g/cm3)，η为纱线的扁平系数，可通过测试获取，该实施例中扁平系数为0.7；
(5)将拉挤芯纱从纱架上拉出，并控制每根纱线的张力，然后将拉挤芯纱进入浸浆槽以润湿纱线，通过喇叭口挤出多余的树脂进行初步塑形，通过缠绕纱缠绕在塑形后的拉挤芯纱束表面；
(6)编织纱在最外层，V1编织机转速设置50(单位转/分)，V2拉挤速度设置18(单位米/小时)，通过可以计算编织角的大小，编织芯纱束直径d＝1cm的加强筋，此时θ大小为45°；
(7)通过可以计算编织纱线的根数为44根，可取48型编织机，其中，n2为编织纱线的根数，d为内芯直径(单位cm)，T为编织纱的公制支数(单位tex)，ρ为编织纱的密度(g/cm3)，θ为编织角(单位°)，η为编织纱扁平系数，取0.7；
(8)对编织形成凸肋的加强筋进行淋胶，然后通过带凹槽的压胶辊压除多余的树脂；
(9)采用模具进行加热固化成型
为了保留加强筋表面的起伏特性，采用模具的尺寸要比加强筋的尺寸大，模具的作用仅仅是加热定形。
实施例二
参考实施例一中的制备方法，本实施例制备一种带肋复合材料加强筋，加强筋的表面具有一条凸肋，定义为第一凸肋，第一凸肋沿带肋复合材料加强筋的轴向方向螺旋环绕设置。
具体的，加强筋的编织层由编织纱在缠绕层外周表面编织形成，多根编织纱并纱编织形成第一凸肋。编织纱为圆柱形纱线束，采用圆柱形纱线束是因为，相比于其他形状，圆柱形纱线束更有利于与基体材料的接触和结合，并且在编织过程中圆柱形纱线束受到与内芯之间的相互挤压产生压力以及编织张力的影响，截面形状由圆形变为椭圆形，与内芯贴合紧密，有利于带肋复合材料加强筋稳定性的提升。
进一步的，本实施例中第一凸肋与加强筋的轴线之间形成45°夹角，该种设置方式能够通过第一凸肋将剪切力转移、分散，大幅度提升带肋复合材料加强筋的抗剪切能力。
实施例三
参考实施例一中的制备方法，通过编织工艺使得编织纱在带肋复合材料加强筋的表面形成三条凸肋，包括第一凸肋、第二凸肋和第三凸肋，三条凸肋制得的带肋复合材料加强筋的径向截面如图1所示，三条凸肋沿加强筋轴向方向螺旋环绕设置，且三条凸肋的环绕轨迹彼此互不相交；三条凸肋互不相交，保证了加强筋径向方向上的粗细一致，凸肋之间不会发生挤压、使得三条凸肋都能够更好的实现对剪切力的转移、分散。
为了进一步提升带肋复合材料加强筋的抗剪切性能，三条凸肋的环绕轨迹相互平行，即任一一条凸肋的环绕轨迹沿加强筋轴向方向平移后与其他两条凸肋的环绕轨迹重合；由于三条凸肋相互平行，使得带肋复合材料加强筋对于特定方向的剪切力具有更强的抵抗能力，同时提升了带肋复合材料加强筋的美观度。
进一步的，三条凸肋中任意相邻的两条凸肋之间具有固定的距离，即第一凸肋和第二凸肋之间的距离与第二凸肋和第三凸肋之间的距离相等，任意凸肋相邻两圈之间的距离与任意相邻两条凸肋之间的距离的比例为3:1；通过对同一凸肋相邻两圈之间的距离以及相邻凸肋之间距离的限定，使得第一凸肋、第二凸肋和第三凸肋能够更加均匀的覆盖在带肋复合材料加强筋的表面，更有利于提升带肋复合材料加强筋在轴向方向上抗剪切性能的一致性。
进一步的，本实施例中第一凸肋、第二凸肋和第三凸肋与加强筋的轴向方向之间形成45°夹角，能够满足大多数情况下带肋复合材料加强筋对于抗剪切性能的要求，并且能够在保证加强筋与基体材料复合能力的同时降低凸肋的整体长度，夹角过大则导致凸肋长度增加，提高了生产成本，夹角过小则可能导致加强筋与基体材料的复合性能降低。
本发明还提供上述方法得到的带肋复合材料加强筋的应用，具体如下：
实施例四
本实施例以实施例一或实施例二或实施例三制得的带肋复合材料加强筋替代钢筋作为水泥基、树脂基板材的骨架材料，具体为：将带肋复合材料加强筋固定在模具中，形成板材的骨架；然后通过浇筑、填充等方式将水泥或者树脂快速注入模具中，成型得到复合材料板。
对比例1
一种适用于钢-连续纤维复合筋的制备方法(授权号CN104085117B)是在钢筋外缠绕纤维布制备的复合钢筋，可实现一定的抗腐蚀效果，但重量大，复合筋与基体间的机械啮合力小。
对比例2
一种建筑用编织复合材料加强筋(申请号CN105459410A)是编织结构成型后，通过复合工艺将树脂与编织结构增强体进行复合，形成加强筋，但编织结构中纱线排布偏离轴向，抗拉压能力差，且与基体间的机械啮合力小。
对比例3
表面增强型树脂基复合材料加强筋及其制备方法(申请号CN107987302A)通过外层缠绕加表面覆盖增强颗粒的方法提高增强筋与基体间的机械啮合力，但增强颗粒靠树脂粘结，易于发生剪切剥离。
综上，本发明克服现有复合材料加强筋与基体材料界面粘结性能差的问题，提供一种可承受强剪切力的带横肋的复合材料加强筋。该加强筋可实现连续化生产，工艺简单，适用于工业化和批量化。可应用于水泥基或者树脂基等复合材料的快速制备。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，上述实施例中的实施方案也可以进一步组合或者替换，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。
Claims (10)
1.一种带肋复合材料加强筋，其特征在于，加强筋由基体材料和纤维结构复合形成，所述的纤维结构包括内芯和编织层，所述内芯由纱线拉挤形成，所述编织层的纱线通过编织工艺沿内芯的轴向包覆在内芯的外周且形成突出于加强筋表面的凸肋。
2.根据权利要求1所述的带肋复合材料加强筋，其特征在于，所述凸肋为横肋，由编织层中的部分纱线并纱编织而成，在加强筋表面螺旋排布，且横向突出。
3.根据权利要求1或2所述的带横肋复合材料加强筋，其特征在于，所述凸肋为多个横肋：
所述多个横肋连续设置，在加强筋的周向方向上间隔一定距离呈螺旋环绕设置；
或者，所述多个横肋按不同方向螺旋环绕，在加强筋表面形成交叉抱合式排布。
4.根据权利要求2或3所述的带肋复合材料加强筋，其特征在于，所述横肋与加强筋轴线之间的夹角θ1大小满足条件：-90°＜θ1＜90°且θ1≠0°；
优选的，所述横肋与加强筋轴线之间的夹角θ1为±45°。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的带肋复合材料加强筋，其特征在于，还具有缠绕层，所述缠绕层的纱线绕所述内芯的周向进行缠绕，所述编织层通过编织工艺覆在缠绕层的外周；
优选的，所述缠绕层的纱线进行缠绕的角度满足条件：0°＜θ＜90°。
6.根据权利要求5所述的带肋复合材料加强筋，其特征在于，所述加强筋的直径D满足：D＝d+2H；
其中，d为内芯和缠绕层的直径；H为横肋的高度；
优选的，所述横肋的高度H满足：0＜H＜d。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的带肋复合材料加强筋，其特征在于，内芯的纱线选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、石英纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、PEEK纤维、PEAK纤维、PI纤维、LCP纤维中的至少一种；
缠绕层的纱线选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、石英纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、PEEK纤维、PEAK纤维、PI纤维、LCP纤维中的至少一种；
编织层的纱线选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、石英纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、PEEK纤维、PEAK纤维、PI纤维、LCP纤维中的至少一种。
8.一种如权利要求1-6任意一项所述的带肋复合材料加强筋的制备方法，其特征在于，包括：
(1)根据产品需求确定工艺参数；
(2)将构成内芯的纱线从纱架拉出，控制纱线的张力，然后将所有用于内芯的纱线经过浸胶槽，浸胶槽内有熔融或溶液状的树脂，实现内芯纱线的浸润；
(3)将浸胶后的内芯纱线挤出多余的树脂并初步塑形；
(4)将构成编织层的纱线按凸肋种类进行纱线初始位置排布，在内芯外周进行编织，其中部分经过并纱的纱线参与编织形成凸肋；
(5)对编织形成凸肋的加强筋进行淋胶，然后通过带凹槽的压胶辊压除多余的树脂；
(6)最后将复合材料通过加热模具，加热固化成型；
优选的，在步骤(3)后，将构成缠绕层的纱线缠绕在塑形后的内芯纱束的表面；然后再进行步骤(4)、(5)、(6)。
9.一种复合材料板，其特征在于，利用如权利要求1-8任意一项所述的带肋复合材料加强筋，通过浇筑混凝土或树脂快速成型制成。
10.一种如权利要求1-7任一所述的带肋复合材料加强筋在制备航空航天、轨道交通、体育设施、建筑建材领域的复合材料板的应用。
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