CN215857225U - 多用途高强度集成式实心碳纤维拉索 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种多用途高强度集成式实心碳纤维拉索，包括：拉索本体，由预浸碳纤维经多次绕制后形成的预浸碳纤维绕组经扭转、压实和固化后形成，包括拉索主体和形成在拉索主体的两端的封闭环，其中拉索主体为实心结构，所述预浸碳纤维的纤维长度方向与拉索主体的长度方向相同；线材绕组，由线材缠绕并绑紧在拉索主体上形成；2个合金接头，分别被紧固在封闭环内，合金接头的材质为非铸态的不锈钢或钛合金，所述的合金接头带有连接孔，且连接孔的轴线方向与拉索本体的长度方向垂直。通过预浸碳纤维扭绞与紧固真正实现了密实碳纤维与预浸树脂胶液的完全浸润与结合，配合合金接头的使用达到高强度、轻质的要求，且安装简单，使用长度不受限制。

Description

多用途高强度集成式实心碳纤维拉索

技术领域

本实用新型属于复合材料技术领域，涉及一种集成碳纤维拉索，具体为一种多用途高强度集成式实心碳纤维拉索。

背景技术

目前桥梁、工程机械、基建等各领域所用到的各种拉索或支撑索基本采用钢索。钢索具有价格低廉、工艺成熟的特点，一直在各行业得到广泛应用。但钢索缺点也很明显，主要表现在：①耐腐蚀性能差，对于大型缆索维护成本高，对于小型索由于腐蚀问题需要经常更换；②自重大，比重约为7.8g/cm³；③采用锚杯连接，接头采用钢制锚杯，将钢丝与锚杯用灌浆形式连在一起，再将锚杯与结构件螺纹连接或链接，不仅连接件制作麻烦，而且容易损坏受力钢丝。中国专利文献(申请号为201310004771.3)公开一种碳纤维复合材料拉板的制造方法，包括步骤：(1)钛合金铸造拉板的端部连接件；(2)制造碳纤维复合材料拉板：将碳纤维丝束缠绕在两个端部连接件表面，在缠绕时对处于两个端部连接件之间的碳纤维丝束施加横向压力，使碳纤维丝束紧贴端部连接件，同时将碳纤维丝束均匀的分布在端部连接件表面，使碳纤维丝束不重合；将定型模具放入热压固化箱中，进行拉板的固化处理，使固化均匀；固化完成后，在拉板中部缠绕与拉板呈±45°碳纤维布带。其制备出的碳纤维复合材料拉板用于汽车吊支撑索的拉板，但存在如下缺陷：(1)采用铸造钛合金做接头，强度低缺陷多不适合做高强度拉索使用；(2)采用未经预浸碳纤维丝和塑料结合需要必须加热固化；(3)所制成的板材心部无树脂浸润，只是表面覆盖一层塑料难以成密实的实芯；(4)只能用于汽车吊支撑索或类似设备，且由于是板型结构，有时会受到风向影响，造成车吊摇晃等问题。由于上述缺陷，其专利产品尚未获得很好应用。中国专利文献(申请号为202010942659.4)公开了一种自锚式碳纤维拉索，是由单向碳纤维预浸料依次层叠环绕固化形成的具有多层碳纤维层的索体，碳纤维索体的纤维方向与碳纤维索体的长度方向相同，其中，碳纤维索体的两端形成封闭环，碳纤维索体在位于两个封闭环之间的部分为索体主体；两个锚具分别包括钢内芯、钢夹板和紧固件；两个锚具的钢内芯分别一一对应地位于两个封闭环中并与相应的封闭环的内表面贴合；两个锚具的钢夹板分别对应地设置在封闭环的外表面上；两个锚具的紧固件分别将对应的钢夹板与钢内芯紧固。但是该专利存在如下技术缺陷：(1)单纯由单向碳纤维预浸料依次层叠环绕固化形成的具有多层碳纤维层的索体为非密实索体，甚至中间可能存在空心，在受力时容易分层；刚度差，使用时容易折弯，特别是长度很大时很容易受弯损坏；同体积情况下承载能力下降；(2)钢制夹板增加重量，受力时与碳纤维接触的边缘容易刮伤碳纤维，而且夹板制作也麻烦增加额外成本；(3)索体为片状，只能应用于特定场合，室外使用时易受风向干扰而出现振动、摇晃等；(4)需高温固化，但高温固化只适合长度较小索的生产一般小于10米。

现有技术中还有以碳纤维筋束索来代替钢丝制作吊索，但存在以下缺点：(1)以碳纤维筋代替钢丝，虽然减小了一些重量，但碳纤维筋之间合并程度有限，导致碳纤维筋束在索内存有空隙，影响使用强度，且筋束之间易有损伤进而导致抗拉变形和断裂载荷降低；(2)为了保证它的使用强度，碳纤维筋束索的外表面需包裹多层保护层，因此整体重量减轻有限；(3)连接仍采用笨重的锚杯和灌浆模式，在这种模式下，碳纤维筋由于抗剪性能差将更容易受到损伤，同时由于锚杯重量大，对于短索，例如3米以下拉索，其减重效果并不明显。另外连接锚具一般采用合金钢，耐腐蚀性能与碳纤维筋束索体不能保持一致。

实用新型内容

为了克服上述现有技术中的问题，本实用新型提供了一种高强、轻质、耐蚀、安装简单的多用途高强度集成式实心碳纤维拉索。

为了实现本上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：一种多用途高强度集成式实心碳纤维拉索，包括：

拉索本体，由预浸碳纤维经多次绕制后形成的预浸碳纤维绕组经扭转、压实和固化后形成，包括拉索主体和形成在拉索主体的两端的封闭环，其中拉索主体为实心结构，所述预浸碳纤维的纤维长度方向与拉索主体的长度方向相同；

线材绕组，由线材缠绕并绑紧在拉索主体上形成；

2个合金接头，分别被紧固在封闭环内，合金接头的材质为非铸态的不锈钢或钛合金，所述的合金接头带有连接孔，且连接孔的轴线方向与拉索本体的长度方向垂直。通过连接孔，两端可用插销直接与其他构件连接，安装简单，使用方便。同时由于拉索的两端采用简单的销接，索与索可简单连接，使索的使用长度不受限制，这对于锚杯结构索来说是很难实现的。

为了增加拉锁两端封闭环与合金接头的连接牢固度，防止滑脱，作为优选，合金接头的外表面上设有沟槽，沟槽的深度可根据需要缠绕的预浸碳纤维在合金接头表面的厚度确定，进而合金接头通过沟槽被紧固在封闭环内。

进一步的限定了合金接头的形状可以为圆形或椭圆形。

进一步限定了预浸碳纤维的形状，为了扭转方便和保证拉索本体的强度，预浸碳纤维为带状或丝状。本实用新型中带状的预浸碳纤维是指由多束预浸碳纤维并排粘接而成，丝状的预浸碳纤维是指单束预浸碳纤维。

进一步的，所述拉索主体处的碳纤维的扭角为2～3°。

进一步限定了拉索主体的横截面为圆形或异形，其中更优选圆形，圆形既适用于室内，也适用于室外，且当室外使用时，可以避免因风力影响而发生振动或偏移，具有安全、稳定的特点。此外，且本产品两端头通过扭绞可形成各种角度，满足不同的构件连接需要，这也在一定程度上扩大了本实用新型的碳纤维拉锁的使用场合，如可用于各类张力场合，如桥梁吊索、场馆拉索、建筑物加固等。

进一步的，线材为丝状或带状的玻璃纤维，或者为丝状或带状的碳纤维。

为了进一步增加耐磨性能，所述线材绕组的外周面上涂覆有陶瓷涂层。

作为优选，本实用新型的预浸碳纤维，通过调节预浸树脂胶液的成分可实现固化速度，以适应各种应用场景。可在扭绞和张紧状态下自然固化，固化时间根据碳纤维拉锁的规格及树脂体系而定，也可根据需要对扭绞捆绑后的预浸碳纤维拉索进行加温快速固化，具体的，所述预浸碳纤维包括碳纤维束和含浸在碳纤维束中的预浸树脂胶液，所述预浸树脂胶液可于室温下固化。更具体的，所述预浸树脂胶液包含如下重量组分：环氧树脂100±2份、593固化剂25±2份、3,5-二甲硫基甲苯二胺2±1份,三氧化二铝粉末2±1份(进一步优选三氧化二铝粉末为1000目)。

一种如上所述的多用途高强度集成式实心碳纤维拉索的制备方法，包括如下步骤：

1)将2个合金接头相对间隔固定，然后将预浸碳纤维缠绕在所述的2个合金接头上，形成预浸碳纤维绕组且合金接头位于预浸碳纤维绕组径向的两端；

2)移动2个合金接头中的至少一个，使预浸碳纤维绕组张紧至所述多用途高强度集成式实心碳纤维拉索的预设长度，然后控制合金接头并扭转预浸碳纤维绕组，使得2个合金接头之间的预浸碳纤维扭转成所述拉索主体，位于合金接头处的预浸碳纤维形成所述封闭环，再从径向方向压紧拉索本体，使形成实心的拉索本体；

3)使用线材缠绕在实心的拉索主体上，使得实心的拉索主体在径向上被绑紧，然后静置固化，制得所述多用途高强度集成式实心碳纤维拉索。

进一步的，所述的预浸碳纤维的缠绕方法为，控制预浸碳纤维的一端绕过其中一个合金接头后再绕过另一个合金接头，然后再绕过其中一个合金接头后再绕过另一个合金接头，重复多次；

进一步的，步骤1)中所述的2个合金接头之间的距离按所述多用途高强度集成式实心碳纤维拉索的预设长度的95％～98％固定。

与现有技术相比，本实用新型取得了如下有益效果：

本实用新型通过预浸碳纤维扭绞与紧固，真正实现了密实碳纤维与预浸树脂胶液的完全浸润与结合，使用时所有碳纤维均为按载荷方向排列，进而达到高强度、轻质的要求，同尺寸碳纤维拉索可比传统钢索强度提高1.5倍以上，重量仅是传统钢索的1/4。

本实用新型解决了吊索连接麻烦且不安全的问题，将合金接头与拉索本体在制作时同时集成在一起，安装时可采用简单的销接。

合金接头采用非铸造不锈钢或钛合金，达到了接头和索体强度、耐蚀性相匹配，几乎不用任何防腐蚀维护。传统钢索采用锚杯进行连接，一般锚杯系统重量较大(约几十公斤)且连接处容易损伤或锈蚀，本实用新型中拉索在相同规格条件下合金接头体积可缩减至传统锚杯的1/3-1/4，真正实现拉索重量约为钢索的1/4。

制作工艺简单，可采用人工缠绕也可以采用机械手缠绕。

实现了对拉索性能的可控性，可通过铺设不同预浸碳纤维的品种(如预浸碳纤维强度级别和丝束大小)与数量来控制最终拉索的机械性能。

拉索可用于多种场景，例如悬索桥吊索，斜拉桥的斜拉索或吊索、各种拱桥吊索、汽车吊或塔吊支撑索、体育场馆拉索、建筑物抗震加固索等。

附图说明

图1为本实用新型实施例中多用途高强度集成式实心碳纤维拉索的结构示意图。

图2为图1中多用途高强度集成式实心碳纤维拉索的合金接头沿A-A方向的剖视图；

图3为本实用新型实施例中预浸碳纤维绕组的结构示意图。

图4为本实用新型实施例中拉索本体的结构示意图。

图中附图标记为：1.拉索本体，101.拉索主体，102.封闭环，2.线材绕组，3.合金接头，4.沟槽，5.连接孔，6.预浸碳纤维绕组。

具体实施方式

本实用新型下面结合实施例作进一步详述：

一种多用途高强度集成式实心碳纤维拉索，包括：

拉索本体1，由预浸碳纤维经多次绕制后形成的预浸碳纤维绕组6经扭转、压实和固化后形成，包括拉索主体101和形成在拉索主体101的两端的封闭环102，其中拉索主体101为实心结构，所述预浸碳纤维的纤维长度方向与拉索主体101的长度方向相同；

线材绕组2，由线材缠绕并绑紧在拉索主体101上形成；

2个合金接头3，分别被紧固在封闭环102内。

合金接头3的结构具体结构为：合金接头3带有连接孔5，且连接孔5的轴线方向与拉索本体1的长度方向垂直。通过连接孔5，两端可用插销直接与其他构件连接，安装简单，使用方便。同时由于拉索的两端采用简单的销接，索与索可简单连接，使索的使用长度不受限制，这对于锚杯结构索来说是很难实现的。

为了增加拉锁两端封闭环102与合金接头3的连接牢固度，防止滑脱，合金接头3的外表面上设有沟槽4，沟槽4的深度可根据需要缠绕的预浸碳纤维在合金接头3表面的厚度确定，进而合金接头3通过沟槽4被紧固在封闭环102内。

合金接头3的形状可以为圆形或椭圆形，合金接头3的材质为非铸态的不锈钢或钛合金，可以解决锈蚀问题，且其强度、耐蚀性能和拉索本体1保持匹配，几乎不用任何防腐蚀维护。该合金接头3体积只有传统锚杯的1/3-1/4，真正实现整索重量约为钢索的1/4。

为了扭转方便和保证拉索本体1的强度，预浸碳纤维的形状为带状或丝状，拉索主体101处的碳纤维的扭角为2～3°。

拉索主体101的横截面为圆形或异形，其中更优选圆形，圆形既适用于室内，也适用于室外，且当室外使用时，可以避免因风力影响而发生振动或偏移，具有安全、稳定的特点。此外，且本产品两端头通过扭绞可形成各种角度，满足不同的构件连接需要，这也在一定程度上扩大了本实用新型的碳纤维拉锁的使用场合，如可用于各类张力场合，如桥梁吊索、场馆拉索、建筑物加固等。

线材为丝状或带状的玻璃纤维，或者为丝状或带状的碳纤维，为了进一步增加耐磨性能，所述线材绕组2的外周面上涂覆有陶瓷涂层。本实用新型的预浸碳纤维，可在扭绞和张紧状态下自然固化，固化时间根据碳纤维拉锁的规格及树脂体系而定，也可根据需要对扭绞捆绑后的预浸碳纤维拉索进行加温快速固化，具体的，所述预浸碳纤维包括碳纤维束和含浸在碳纤维束中的预浸树脂胶液，所述预浸树脂胶液可于室温下固化。

一种如上所述的多用途高强度集成式实心碳纤维拉索的制备方法，包括如下步骤：

(1)将2个合金接头3相对间隔固定，然后将预浸碳纤维缠绕在所述的2个合金接头3上，形成环形的预浸碳纤维绕组6且合金接头3位于预浸碳纤维绕组6径向的两端；

(2)移动2个合金接头3中的至少一个，使预浸碳纤维绕组6张紧至所述多用途高强度集成式实心碳纤维拉索的预设长度，然后控制合金接头3并扭转预浸碳纤维绕组6，使得2个合金接头3之间的预浸碳纤维扭转成所述拉索主体101，位于合金接头3处的预浸碳纤维形成所述封闭环102，再从径向方向压紧拉索本体1，使形成实心的拉索本体1；

(3)使用线材缠绕在实心的拉索主体101上，使得实心的拉索主体101在径向上被绑紧成圆形，然后静置固化，制得所述多用途高强度集成式实心碳纤维拉索。

预浸碳纤维的缠绕方法为，控制预浸碳纤维的一端绕过其中一个合金接头3后再绕过另一个合金接头3，然后再绕过其中一个合金接头3后再绕过另一个合金接头3，重复多次；

步骤(1)中所述的2个合金接头3之间的距离按所述多用途高强度集成式实心碳纤维拉索的预设长度的95％～98％固定。

具体制备例如下：

以下实施例的预浸树脂胶液包含如下重量组分：环氧树脂100份(巴陵石油化工有限责任公司生产)、593固化剂25份(中国石油化工股份有限公司生产)、二甲硫基甲苯二胺2份(简称E.300，由美国乙基公司生产)，1000目三氧化二铝2份(河南拓锐精细研磨材料有限公司)。

实施例1

一种体育场馆用高强度拉索

拉索要求：承载490吨(考虑安全系数2.2-2.5)，长度18.5米

一、原料准备：预浸碳纤维选用T700SC 24K碳纤维预浸带，设定碳纤维束与预浸树脂胶液的质量比为7：3，预浸碳纤维的宽度为35毫米，

玻璃纤维胶带若干

陶瓷涂料若干

钛合金圆形接头2个，外径150毫米，内径50毫米，沟槽4深30毫米，宽50毫米，槽两侧壁厚分别为2.5毫米。

二、设置2个钛合金圆形接头之间的距离为17.6米，将预浸碳纤维以两个合金接头3(本实施例为钛合金圆形接头)为支撑进行缠绕16圈，形成预浸碳纤维绕组6。

三、移动一端的钛合金圆形接头使预浸碳纤维绕组6张紧。

四、将一端钛合金圆形接头并扭转预浸碳纤维绕组6，使得2个合金接头3之间的预浸碳纤维扭转成所述拉索主体101，拉索主体101处的碳纤维形成一定的扭角，一般2-3度，可根据情况调节。

五、用套压模从径向方向挤压拉索本体1，使形成实心的拉索本体1。

六、用玻璃纤维胶带将拉索主体101进行绑紧，并形成玻璃纤维胶带绕组。

七、室温静置固化30小时，静置时间根据索体规格而不同，若需要可进行加热缩短固化时间。

八、固化结束后，在玻璃纤维胶带绕组的外周面上涂覆陶瓷涂料，时形成陶瓷涂层。

基于本实施例方法制备的拉索样品的试验结果见表1：

表1：

实际可承受载荷494吨，安全系数2.47，满足安全系数2.2-2.5之间要求。

若采用目前商业化高强度钢绞线索(以2000MPa算)，同样条件下钢索重量约为：350公斤。由此可见其减重效果十分明显。

实施例2

一种汽车吊用支撑拉索

拉索要求：承载250吨(已考虑安全系数3.5)，长度14米

一、原料准备：预浸碳纤维选用T700SC碳纤维12K预浸带，碳纤维束与预浸树脂胶液的质量比为7：3，预浸碳纤维的宽度为25毫米。

玻璃纤维胶带若干

陶瓷涂料若干

钛合金圆形接头2个，外径100毫米，内径40毫米，沟槽4深20毫米，宽35毫米，槽两边壁厚各2.5毫米。

二、设置2个钛合金圆形接头之间的距离为13.5米，将预浸碳纤维以两个合金接头3(本实施例为钛合金圆形接头)为支撑进行缠绕13圈，形成预浸碳纤维绕组6。

三、移动一端的钛合金圆形接头使预浸碳纤维绕组6张紧。

四、将一端钛合金圆形接头并扭转预浸碳纤维绕组6，使得2个合金接头3之间的预浸碳纤维扭转成所述拉索主体101，拉索主体101处的碳纤维形成一定的扭角，扭转角2-3度，可根据情况适当调整。

五、采用套压模从径向方向挤压拉索本体1，使形成实心的拉索本体1。

六、用玻璃纤维胶带将拉索主体101进行绑紧，并形成玻璃纤维胶带绕组。

七、室温静置固化约24小时。可根据要求进行加温缩短固化时间。

八、固化结束后，在玻璃纤维胶带绕组的外周面上涂覆陶瓷涂料，时形成陶瓷涂层。

基于本实施例方法制备的拉索样品的试验结果见表2：

表2

若采用目前商业化高强度钢绞线索(以2000MPa算)，同样条件下钢索重量约为270公斤，实际再算上连接件重量更大一些。由此可见其减重效果十分明显。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

本实用新型不局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本实用新型公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本实用新型的，或者凡是采用本实用新型的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本实用新型的保护范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (6)

1.一种多用途高强度集成式实心碳纤维拉索，其特征在于：包括：

拉索本体（1），由预浸碳纤维经多次绕制后形成的预浸碳纤维绕组（6）经扭转、压实和固化后形成，包括拉索主体（101）和形成在拉索主体（101）的两端的封闭环（102），其中拉索主体（101）为实心结构，所述预浸碳纤维的纤维长度方向与拉索主体（101）的长度方向相同；

线材绕组（2），由线材缠绕并绑紧在拉索主体（101）上形成；

2个合金接头（3），分别被紧固在封闭环（102）内，所述的合金接头（3）的材质为非铸态不锈钢或钛合金，所述的合金接头（3）带有连接孔（5），且连接孔（5）的轴线方向与拉索本体（1）的长度方向垂直。

2.根据权利要求1所述的多用途高强度集成式实心碳纤维拉索，其特征在于：

所述的合金接头（3）的外表面上设有沟槽（4），所述合金接头（3）通过沟槽（4）被紧固在封闭环（102）内；

和/或，所述的合金接头（3）为圆形或椭圆形。

3.根据权利要求1所述的多用途高强度集成式实心碳纤维拉索，其特征在于：所述预浸碳纤维为带状或丝状。

4.根据权利要求1所述的多用途高强度集成式实心碳纤维拉索，其特征在于：所述拉索主体（101）处的碳纤维的扭角为2~3°；和/或所述拉索主体（101）的横截面为圆形或异形。

5.根据权利要求1所述的多用途高强度集成式实心碳纤维拉索，其特征在于：所述线材绕组（2）的外周面上涂覆有陶瓷涂层。

6.根据权利要求1所述的多用途高强度集成式实心碳纤维拉索，其特征在于：所述线材为丝状或带状的玻璃纤维，或者为丝状或带状的碳纤维。

Images