CN1331259A - 高韧性芳纶碳纤维复合材料拉杆 - Google Patents

Abstract

本发明的高强度高韧性高耐磨芳纶碳纤维复合材料拉杆,以芳纶和碳纤维为增强材料,环氧树脂胶液为基体材料,采用拉挤成型工艺制作,拉杆上间隔设有耐磨箍。具有高的强度、模量、耐磨性和抗疲劳性能,适用于腐蚀而又要求连续工作的液压提升机械中,也可用于杆泵机械深井采油抽油杆。

Description

高韧性芳纶碳纤维复合材料拉杆

本发明属液压或机械提升设备领域，特别适合用作液压提升器拉杆。

国内外液压或机械提升设备中，关键部件之一是拉杆，拉杆在工作过程中，不但要承受交变载荷，震动载荷，冲击载荷等复杂外力作用，同时还受到工作环境中砂子、粉尘、酸、碱、盐及厌氧菌微生物等的腐蚀，在偏心条件下还要受到拉杆与套管之间的摩擦，拉杆侧面损坏特别严重。因而实际工况要求拉杆必须具有高的抗拉强度，疲劳强度，耐复杂环境腐蚀，耐磨等性能。

目前国内主要有两种类型拉杆，一种是钢制拉杆，主要由含有锰铬等合金元素的中低碳结构钢组成，这类拉杆经热处理后可以达到较高的强度，但当与套管间存在摩擦时，由于拉杆本身是刚性的，且硬度较高，失效时会导致拉杆和套管同时损坏。第二种为玻璃纤维增强的玻璃钢拉杆，与钢制拉杆相比，玻璃钢拉杆抗拉强度大，耐腐蚀性能好，但耐疲劳特性较差，接口处易于发生脆断。目前国内的这两种拉杆均为刚性杆，每根杆长度在八米左右，当长度超过每根杆的长度时，要用多个接头和接箍连接起来，有时还要根据实际情况进行截断和再连接处理。由于接头的存在，拉杆在服役过程中，又增加了磨损和提拉阻力，并且易于发生脱扣等问题。

国外除刚性拉杆外，还有柔性杆，主要类型有三种，高强度钢丝绳拉杆，钢制带式拉杆及复合材料拉杆。前两种拉杆材质主要是高强度贝氏体钢，与刚性杆相比，运输使用比较方便，但在使用过程中需配备专用切割，热处理，焊接等设备，其他性能无明显改善。国外柔性复合材料拉杆的成分主要是高级石墨，玻璃纤维，芳纶纤维和乙烯基树脂，结构为扁带状，该种拉杆比钢制拉杆有更强的耐腐蚀性，比通常的玻璃钢拉杆有更好的柔韧性，运输安装都比较方便，但成本高，耐温性能较差，耐磨性能不高。

本发明的目的在于研制高强度高柔韧性高耐磨芳纶碳纤维复合材料连续提升机构拉杆，解决长期以来拉杆综合性能难于提高的难题。

本发明的连续拉杆由芳纶和碳纤维增强树脂基复合材料组成，其中碳纤维和芳纶为增强材料，环氧树脂为主的工程塑料为基体材料，环氧树脂胶液中含有环氧树脂，邻苯二甲酸二丁酯，甲基四氢苯二甲酸酐，脱模剂等。拉杆的原料配比(按重量％)为，

芳纶纤维：    7～12％

碳纤维：      50～55％

环氧树脂胶液：30～35％

玻璃纤维填料：10～15％

本发明拉杆的生产工艺采用拉挤成型工艺，即将10束12K芳纶纤维和70束12K碳纤维经环氧树脂胶液浸渍后，附加玻璃纤维填料在牵引机构的拖动下，进入拉挤摸具的预热区和成型固化区，每隔一定长度，在拉杆上加装预成型浸胶耐磨箍。图1给出了耐磨箍剖面结构示意图，1为右箍，2为拉杆，3为左箍，4为胶粘剂。耐磨箍由结构完全相同中心对称半内燕尾槽卡扣和半外燕尾槽卡扣构成，耐磨箍的外侧为扁圆的十字花形，耐磨箍的燕尾槽部位中部设有扁带内腔，采用尼龙碳纤维复合材料挤出成型，复合材料的尼龙碳纤维配比(按重量％)为，

尼龙：      60～90％

碳纤维：    10～40％

耐磨箍利用燕尾槽卡扣彼此紧密结合在一起，耐磨箍内腔壁与拉杆2间用胶粘剂4填充。而后再进入后固化炉固化，最后盘绕在制品圆盘上。耐磨箍也可以在拉杆使用现场安装。

本发明的高强度高韧性高耐磨性芳纶碳纤维复合材料拉杆的技术指标为：

拉伸强度：  ≥2100MPa

抗疲劳性能：失效的循环次数≥10⁷

拉伸模量：  210Gpa

使用温度：  -5℃～140℃

密度：      1530kg/m³

芳纶碳纤维复合材料拉杆具有较高的模量，耐腐蚀，耐磨性，抗疲劳性能好，使用寿命较长等优点，综合性能明显优于钢制拉杆及玻璃钢拉杆；柔韧性更好，而且截面积小，减少了拉杆服役过程中的上下行阻力；拉杆上的耐磨箍，大大提高了拉杆的侧面抗磨损性能；芳纶纤维及碳纤维的减磨特性，极大地保护了套管。

与当前现有拉杆相比，本发明的拉杆强度更高，耐磨耐腐蚀性能更好，而且柔韧性更高，运输，安装更为方便，特别适合用作高腐蚀环境下液压提升器拉杆，也适合用作油田的深井采油抽油杆。

实施例：

70束12K碳纤维和10束12K芳纶纤维经过放丝架，进入环氧树脂胶液槽浸胶，再经过树脂控制器进入预成型模，树脂控制器的作用是保证碳纤维及芳纶纤维充分浸胶，预成型模具的作用是使浸胶后的纤维在此模具中先经过预热制成坯料，并使浸过胶的纤维准确地进入主成型模。从预成型模具出来的坯料进入主成型模，主成型模具长度为2米，用模具钢制成，采用渗氮工艺处理，这样既有利于脱模，又可提高模具的耐磨能力，延长模具的使用寿命，主成型模具中采用电加热，温度控制点为三个区(125℃，170℃，185℃)。经固化脱模后，在拉杆上再加装如图1所示的预成型浸胶耐磨箍，最后进入后固化区，再经牵引机牵引盘绕在直径为3米的圆盘上，即完成生产过程。

Claims (3)

1.高韧性芳纶碳纤维复合材料拉杆，其增强材料为芳纶和碳纤维，基体材料是以环氧树脂为基的高分子材料，采用拉挤法成型，拉杆间隔设有耐磨箍，其特征在于该拉杆原料配比(按重量百分比)为：

芳纶纤维：    7～12％

碳纤维：      50～55％

环氧树脂胶液：30～35％

玻璃纤维填料：10～15％

2.根据权利要求1所述的高韧性芳纶碳纤维复合材料拉杆，其特征在于所述的耐磨箍由结构完全相同的中心对称半内燕尾槽卡扣和半外燕尾槽卡扣构成，耐磨箍的外侧为扁圆的十字花形，耐磨箍的燕尾槽部位中部设有扁带内腔，耐磨箍用尼龙碳纤维复合材料挤出成型。

3.根据权利要求1、2所述的高韧性芳纶碳纤维复合材料拉杆，其特征在于所述的耐磨箍材料采用尼龙碳纤维复合材料，其配比(按重量百分比)为，

尼龙：      60～90％

碳纤维：    10～40％

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