CN1739957B - 碳纤维基复合材料制成的管状元件及提供管状元件的方法 - Google Patents

Abstract

一由复合材料制成的管状元件(1)，其包括多层(2)结构纤维，它们重叠和布置成诸纤维沿预设的方向放置，所述纤维沉浸在聚合物型的基质内。预定量的至少一种颜色设置在最外层(2a)的聚合物基质内，基本上只接近其最外的表面。

Description

碳纤维基复合材料制成的管状元件及提供管状元件的方法

技术领域

本发明涉及一碳纤维基复合材料制成的管状元件。

背景技术

在许多领域中(尤其是体育运动领域)，需要采用碳纤维基复合材料制成的管状元件(由于其优秀的机械性能和轻的重量)来制造设备：例如，钓竿、冲浪风帆(或帆船)的桅杆、高尔夫球棍或滑雪杖。

由于各种原因，所有这些元件需要具有一有颜色的外表面(或具有设计或字母)：然而，该着色决不能减弱机械性能，且在使用过程中，运动器具在经受应力中必须足够耐磨避免颜色被磨去。

尤其是，采用碳纤维用罗拜克斯技术(Roubaisienne technique)制成的钓竿在当今是具有最佳机械性能的钓竿类型(组合最佳动态弹性作用和极轻的重量及良好的抗外界作用的能力)。

使用罗拜克斯型钓竿的钓鱼技术要求有分段的钓竿，在钓鱼过程中，诸分段杆连续地组装和拆卸(通过互相插入)，以便改变杆的长度，使其在各种情形中适合于所要实施的动作。

在钓鱼过程中，这些碳纤维钓竿经受太阳辐射的入射：经太阳底下的长时间之后，它们的外表面相当地过热，这使得必须操作杆的钓鱼者引起不愉快的感觉

为了减小由太阳辐射造成的加热，方便地是提供这样的碳纤维杆，其表面不是黑色的并最好不反射的。

杆元件的外部涂漆是不使人感兴趣的一种方案，其原因在于，漆的沉积层可改变杆的弹性响应和厚度。当使用一具有涂漆外表面的杆时，应指出的是，在一短时间内，使用者用其手最经常触摸的表面会失去其颜色，实际上，这取消了所述着色所获得的优点。

为了确保良好的耐漆性，有人可能考虑稍微地磨损杆元件的表面(涂漆之前)以便确保颜色更好地粘着：这种选择必须蒙受最外碳纤维的损坏，其结果降低被处理元件的机械性能。

着色粘结剂膜的应用也被认为极其负面的，因为它带来重量的增加，所以，大大地改变杆元件的弹性响应特性。

在任何的情形中，着色层显著地修改杆元件的外表面，通常降低其可滑动性

在用罗拜克斯型钓竿钓鱼时，钓鱼者手中的可滑动性是基本的要素，的确，因为钓鱼动作是依据杆的模块化调整，通过插入或移去杆元件，杆可得到延伸或缩短。为了在杆上实施这些操作，因此，必须在使用者手掌内滑动：这些操作经常地进行同时施加一载荷(从线上下垂的一鱼或杆本身重量)，尽可能高度的可滑动性变得是基本的。

在用装备有线轮的伸缩型杆的钓鱼中，太阳辐射造成的表面过度加热也是一个问题。

另一方面，用传统方法获得着色是不可取的，因为它改变由线轮分配的线在外表面上的可滑动性并在抛掷过程中造成不利。当钓鱼者朝向希望的位置抛掷钓饵时，线实际上从线轮上快速地缠开并快速地移动，撇过各个杆元件的外表面：线在外表面上滑动的摩擦越小，则抛掷动作使钓饵达到的距离越远。

由于需要准许立即区分不同段的罗拜克斯型钓竿，因此，便于组织钓鱼的活动，为了对不同伸缩杆给出区别的特征(例如，属于相同的系列，因此会容易地混淆)，必须提供不同着色的小部件(理想地，也予以设计、加以字母或大写)。目前，这只由通过涂漆或丝网印刷或通过粘贴粘结薄层才有可能。

使管状元件的外表面个性化或就仅给予它们不同的颜色，从而允许立即区分出类似的但具有不同特征的元件，在许多其它的体育运动领域中(例如，用于帆船运动的桅杆、高尔夫球棍、网球拍、滑雪杖等)也同样感到如此的需要。

发明内容

本发明的目标是避免上述的缺点并满足上述的要求，其提供用重量、厚度无变化的有颜色的复合材料制成的管状元件，其粗糙度从颜色区域过渡到非颜色区域。

毫无问题，本发明的目的是提供一管状元件，其具有区别的表面颜色同时保持机械性能不变。

有利地是，本发明的另一目的是提供一具有高的表面滑动性的管状元件。

在此目标和这些目的内，本发明的另一目的是提供一管状元件，其简单、实践中相对容易制造、使用中安全、操作中有效，并具有相当低的成本。将在下文中变得更加明白的上述目标和上述和其它的目的通过由复合材料制成的本管状元件得以实现，由复合材料制成的管状元件包括至少两层结构纤维，它们包裹重叠和布置成诸纤维沿预设的方向放置，以使所述层的机械特征达到最佳，所述纤维沉浸在聚合物型的基质内，其特征在于，预定量的至少一种颜色设置并扩散在最外层的聚合物基质内，只在其最外的表面和布置纤维的区域之间，从而不影响所述纤维，所述颜色和所述聚合物基质具有相同量级大小的玻璃转变温度。

此外，根据本发明的另一个方面，用来提供由复合材料制成的管状元件的方法包括如下的步骤：重叠至少两层浸渍在形成聚合物基质的聚合物树脂内的结构纤维，通过围绕一刚性内芯包裹而将它们成形为大致的管形，根据要求的分布，将一预定量的至少一个颜色沉积在一带的至少一个表面上，提供一有颜色的带，所述颜色和所述聚合物基质具有相同量级大小的玻璃转变温度，围绕包裹在所述内芯周围的层包裹所述有颜色的带，使有颜色的表面接触最外层，通过收紧和加力在所述有颜色的带的上方包裹一第二压力带，所述有颜色的带在前面的步骤中已围绕在所述内芯周围的层上，所述第二压力带以紧密的螺旋形间距包裹，以便压迫层和有颜色带在所述内芯上，将内芯、层(和包裹的有颜色带和压力带放置在一高温的环境中，以便促进颜色在最外层的聚合物基质内的扩散，并同时地促进构成所述基质的聚合物的交联，以便进行热成形。

附图的简要说明

从以下对于优选的但不排外的由碳纤维制成的管状元件的实施例的详细的描述中，将会更加明白本发明的进一步的特征和优点，所述实施例在附图中借助于非限制的实例予以示出，其中：

图1是沉浸在聚合物基质中并重叠的多层结构纤维的示意的立体图；

图2是在一刚性内芯上的多层纤维布置的示意的立体图；

图3是一颜色薄膜沉积在诸如塑料的材料制成的一带的表面上的示意的立体图；

图4是根据第一方法包覆一颜色带的示意的立体图，其间距近似地对应于所述带的宽度，并且局部地有重叠，其包覆在布置在刚性内芯上的多层纤维上；

图5是根据第二方法包覆一颜色带的示意的立体图，其间距无限长，包覆在布置在刚性内芯上的多层纤维上；

图6是第二压紧带以紧密的间距包覆在所述颜色带上的示意的立体图；

图7是其上包覆两个带的元件进行加热的示意的立体图；

图8是根据本发明的管状元件的示意的立体图；

图9是根据本发明的管状元件的示意的立体图；

图10是周围包覆颜色带的管状元件的一部分的放大比例的截面图；

图11是在热成形过程中周围包覆颜色带的管状元件的一部分的放大比例的截面图；

图12是根据本发明的管状元件的一部分的放大比例的截面图。

具体实施方式

参照附图，根据本发明用复合材料制成的管状元件一般地用编号1表示。

以下的叙述描述了一用于钓竿的元件1；该描述不局限于所描述的仅仅的实施例，因为如果它们是钓竿、帆船运动的桅杆、网球球拍、滑雪杖或其它器具的部件的话，则给出的特征和采用的制造方法对于可提供的所有类型的元件1都是相同的。

钓竿的每个元件1由复合材料(结构纤维和聚合物基质)制成的多层2(2a、2b、2c)构成，它们重叠和布置成沿预设方向放置，以使沿这些方向的层2的机械特征达到最佳。

在这些层2的各层中，纤维(通常为碳纤维，但作为变体也可以采用玻璃纤维或其它材料)嵌入在聚合物的基质中；这样的基质通常由热固性树脂(例如，环氧树脂)构成，它在管状元件1生产的最后步骤中进行聚合，也称之为热成形

在一特别有效的实施例中，根据本发明提供的元件1的最外层2a在其外表面上具有一均匀分布的极小的表面粗糙度3。

极小粗糙度3的存在并结合由浸渍多层2的树脂的机械特征造成的元件1的表面硬度，便于钓鱼者的手在表面上滑动：微量的水分可保持在表面连续的凹窟内，基本上提供了一种润滑剂。

对于传统钓竿的光滑表面，通过直接的可滑动性，在长时间的使用情形中，可以相当地减小使用者手掌的磨损，由此，相当地改善了钓鱼的动作。

如上所述，所述方案涉及一钓竿的元件1，但实际上表面可滑动性重现在其它的体育运动的许多情形中也是有利的：例如，帆在风帆冲浪的桅杆上必须能容易地滑动。

在其它的实施例中，元件1的表面也可以是完全光滑的(抛光)，或具有包括在两个极端情形之间的任何程度的表面粗糙度，即，一是光滑(抛光)表面，一是具有极小粗糙度3(固有的不透明性)的表面。

最外层2a的聚合物基质包含至少一个颜色的预定质量：颜色的树脂4(内部有颜色的层2a的基质的部分)确保照射到钓竿元件1的的太阳辐射的部分的反射，保持的温度低于传统钓竿的温度。

基于碳纤维的复合物制成的传统的钓竿是外表发黑和抛光的：因为这些表面特征，它们由于太阳辐射可达到高的温度(如上所述，部件分段在连续的组装和拆卸后，它们令人不舒服和接触到手后会烫手)。

颜色不分布在层2a的外表面上：存在于颜色树脂4内的基本颜色5颗粒处于层2a中，因为它们在面向外表面的区域内的聚合物基质内扩散。

在实践中，颗粒5嵌入在聚合物树脂内，它构成处于最外区域的层2a的复合物的基质，从固有的观点来看，对元件1给予一特定的着色(层2a的部件、聚合物树脂之一，事实上呈现由颜色颗粒5的存在所确定的颜色)。

层2a的表面并不由于颜色颗粒5的存在而在粗糙度上经受任何的变化。

层2a的外表面通常具有一突脊3a，它沿元件1成螺旋地布置并具有一减小的高度；在某些情形中，突脊3a也可基本上不被觉察或甚至忽略。

层2a的结构纤维6(碳纤维)基本上完好如初，并不具有由插在个别纤维6之间的颜色树脂4内的颜色颗粒5的存在造成的内部张力：这是因为颜色颗粒5的贯串并不影响全部层2a，但仅影响最外区域(因此，不影响结构纤维6)，还因为颗粒5均匀地嵌入在构成基质的聚合物树脂内。

颜色颗粒5设置在可变数量的聚合物型(它们嵌入在其中)的基质内，并均匀地分布：这确保钓竿元件1的外观在颜色分布上是均匀的，并确保即使颜色颗粒5的量是小的，也不能识别出多颜色(或少颜色)的区域。

供选择的做法是，颜色颗粒5可仅分布在杆元件1的某些部分上：这样，例如，根据区别的符号或标记，可在杆元件1的表面上提供各种形状和特殊颜色的组合。该实施例的优点在于，由此盖印的标记不经受磨损，因为颜色与层2a的聚合物基质混合在层2a的外区域内。

另一种可能是在不同颜色的基本颜料5的混合物内提供颜色的树脂4，以在杆元件1的表面上获得任何类型的颜色或设计。

这种精细的设计对于使用管状元件1的所有部门显然令人很感兴趣。尤其是在体育运动的领域内，它特别地有效地能在设备的表面上给出特殊的颜色或盖印的标记或区别的设计，以便于其使用和改进其外观。

颜色颗粒5和聚合物基质具有一在相同量级上的玻璃转变温度：这样，在热成形过程中颜色颗粒5可扩散在基质内(在此步骤中它经受一初步的软化)，而不会有如此的风险：由于过度高温的结果，两个材料中的一个在另一个变劣之前硬化。

为了获得管状元件1，必须浸渍在聚合物树脂内重叠至少两层结构纤维2，通过围绕一刚性内芯8(其一般为金属)进行包裹，将它们大致地成形为一管状体。

必须预先在带9上以要求的分布沉积至少一种类型的颜色颗粒5：带9在其两个平表面上可以完全地光滑(铮亮)，或可以设置有具有极小表面粗糙度3的至少一个表面。

如果提供具有极小表面粗糙度3的表面，则沉积将设置在所述表面上。

颜色颗粒5必须根据传统的过程进行沉积，例如，在一合适的装置11内的照相凹版或实际的涂漆(或也可用苯胺印刷术、丝网印刷术，或适合于目的的任何其它方法)。

此时，必须将颜色带10包裹在围绕内芯8包裹的多层2结构纤维上，保持颜色的表面与纤维的最外层接触，并形成一大致的螺旋形路径。

如果有人希望以无限的(或零)间距包裹带10，则带10相对于元件1纵向地布置(如果带10以零间距布置，则其横向地布置，因此，宽度等于元件1的长度)。

必须用一附加的压紧带12在包裹的颜色带10上实施一第二种包裹，此时该包裹较紧和较为施力，还是采用一螺旋形布置但此时采用一紧密的间距。

在实施第二种包裹之后，内芯8、纤维层2和包裹的带10和12必须放置在一高温的环境中，以便于颜色颗粒5在最外层2a的聚合物基质内扩散，从而在最外层2a的外表面上赋予颜色带10的极小的表面粗糙度3(因此，如果已经选择带有这些表面特征的带)，并便于构成热成形基质的聚合物的交连。

设置有至少一个具有极小表面粗糙度3的带是由热塑性型的材料制成，其适于颜色颗粒5的暂时的粘结但不适于永久的粘结(因此，便于在热成形过程中所述颗粒的分离和朝向层2a的基质内部的迁移)。

在热成形步骤之后，管状元件1从内芯8中抽出，而带10和12从元件1的表面移去，因此，由于层2a内的颜色颗粒5(被带10释放)的扩散，元件1保持住着色，并由带10赋予极小的表面粗糙度3。

本发明的操作是直觉的：使用一根据本发明的元件1构成的钓竿，由于其表面存在极小的表面粗糙度3而造成高的表面可滑动性，钓鱼者可便于他的活动。如上所述，保持在元件1的表面的微小凹窟和凹陷内的水颗粒可确保钓鱼者手掌内最大的可滑动性。即使在伸缩型的钓竿中也可立即识别出该可滑动性，因为由线轮释放的线在放开滑动的过程中以最大的可滑动性在表面上释放。应该指出的是，极小的表面粗糙度3在抛掷过程中降低钓竿的空气动力学的拖曳力。同样地，风帆冲浪的张帆沿着轴容易地滑动，以便于其组装。

表面还具有由颜色在聚合物基质内的扩散造成的特殊着色：这样，管状元件1可以任何颜色提供(根据使用者的技术要求，但也根据商业上的要求)。

有利地，所述着色不随着使用而磨损，在施加颜色的区域处不能检测出厚度的增加。

方便地是，添加的重量是不被检测的，因为颜色嵌入在聚合物基质内，因此，给予要求颜色所需要的颜色量非常低。

方便地是，获得元件1的方法产生的污染物比表面着色的传统方法减少，因为给予选定颜色所需要的颜色量低，且颜色的分散也最小，还因为根据高效的方法，颜色的沉积在一带上实施(不直接在元件1的表面上)，这也需要使用少量的溶剂(相对于传统的涂漆)。

毫无问题，颜色沿着杆元件1均匀地分布(根据制造者的要求)，而不形成因颗粒5插入引起的相邻的纤维之间的内部张力。

根据本发明提供的管状元件1还允许根据要求的方法对元件1盖印各种设计(甚至标志或字母)。尽管这些盖印不修改杆元件1的机械的和结构的特征，但它们相对于其它类似的产品可给出区别的特征，确保区别产品。

由此表明，本发明已经达到了要求的目标和目的。

因此，可以想象本发明易于作出多种修改和变化，它们都落入附后的权利要求书的范围之内。

所有的细节还可用其它技术上等价物来替代。

在以下的实施例中，涉及的具体实施例中给出的个别特征实际上可用存在于其它实施例中的其它不同的特征来互换。

此外，应该指出的是，在专利形成过程中任何发现为已经公知的技术则理解为不予主张，且理解为放弃的主题。

在实践中，在不放弃附后的权利要求书的保护范围的前提下，采用的材料以及形状和尺寸根据要求可以是任意的。

Claims (16)

1.一由复合材料制成的管状元件，所述管状元件包括至少两层(2a，2b，2c)结构纤维，它们包裹重叠和布置成诸纤维沿预设的方向放置，以使所述层(2a，2b，2c)的机械特征达到最佳，所述纤维沉浸在聚合物型的基质内，其特征在于，预定量的至少一种颜色设置并扩散在最外层(2a)的聚合物基质内，只在其最外的表面和布置纤维的区域之间，从而不影响所述纤维(6)，所述颜色和所述聚合物基质具有相同量级大小的玻璃转变温度。

2.如权利要求1所述的元件，其特征在于，所述外表面具有至少一个突脊(3a)，它沿着所述元件布置且具有小于120微米的高度。

3.如权利要求1所述的元件，其特征在于，所述最外层(2a)沿着其外表面具有一均匀分布的表面粗糙度(3)，它是基质所固有的，所述外表面具有一不透明的外观。

4.如权利要求1所述的元件，其特征在于，存在于纤维最外层(2a)内的聚合物基质中的颜色颗粒(5)具有一根据所有纵向、径向和角度坐标的规则的空间分布。

5.如权利要求1所述的元件，其特征在于，所述最外层(2a)不具有由于所述颜色的存在造成的内部张力和变劣。

6.如权利要求1-5之一所述的元件，其特征在于，所述预定量的至少一种颜色均匀地分布在所述元件(1)的全部表面上。

7.如权利要求1-5之一所述的元件，其特征在于，所述预定量的至少一种颜色仅分布在所述元件(1)的表面的某些部分上。

8.如权利要求1-5之一所述的元件，其特征在于，所述预定量的至少一种颜色根据至少一种区别标记的形状和颜色进行分布。

9.如权利要求1-5之一所述的元件，其特征在于，所述预定量的至少一种颜色由不同颜色的基本颜料的混合物构成。

10.如权利要求1-5之一所述的元件，其特征在于，所述预定量的至少一种颜色被分开地分布在所述元件(1)的表面上的多个点中。

11.一用来提供由复合材料制成的管状元件的方法，其包括如下的步骤：

重叠至少两层(2a，2b，2c)浸渍在形成聚合物基质的聚合物树脂内的结构纤维，通过围绕一刚性内芯(8)包裹而将它们成形为大致的管形，

根据要求的分布，将一预定量的至少一个颜色沉积在一带(9)的至少一个表面上，提供一有颜色的带(10)，所述颜色(5)和所述聚合物基质具有相同量级大小的玻璃转变温度，

围绕包裹在所述内芯(8)周围的层(2a，2b，2c)包裹所述有颜色的带(10)，使有颜色的表面接触最外层(2a)，

通过收紧和加力在所述有颜色的带(10)的上方包裹一第二压力带(12)，所述有颜色的带(10)在前面的步骤中已围绕包裹在所述内芯(8)周围的层(2a，2b，2c)上，所述第二压力带(12)以紧密的螺旋形间距包裹，以便压迫层(2a，2b，2c)和有颜色的带(10)在所述内芯(8)上，

将内芯(8)、层(2a，2b，2c)和包裹的有颜色的带(10)和压力带(12)放置在一高温的环境中，以便促进颜色在最外层(2a)的聚合物基质内的扩散，并同时地促进构成所述基质的聚合物的交联，以便进行热成形。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述带(9)设置有具有极小表面粗糙度(3)和一不透明的外观的至少一个表面，所述颜色的所述沉积将设置在具有所述粗糙度(3)的表面上。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在热成形步骤之后，所述第二压紧带(12)和所述有颜色的带(10)从管状元件(1)中移去，内芯(8)也从管状元件(1)中抽出。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述有颜色的带(10)的包裹具有大致螺旋形定向，且具有任选的非限定的间距。

15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述有颜色的带(10)的包裹基本上是选择为零间距的螺旋形。

16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，设置有具有极小表面粗糙度(3)和不透明的外观的至少一个表面的所述带(9)由诸如热塑性树脂之类的材料制成，该树脂适于颜色暂时地粘结但不适于永久地粘结。

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