碳纤维分段缠绕复合材料厚壁圆筒制造技术

本发明专利技术提出一种碳纤维分段缠绕复合材料厚壁圆筒，包括圆筒主体，所述圆筒主体沿其长度方向均匀间隔交错设有多个复合材料缠绕段和金属复合段，所述复合材料缠绕段由内至外依次包括金属层和碳纤维增强环氧树脂层，所述碳纤维增强环氧树脂层内设有导热层，所述导热层包括设置在碳纤维增强环氧树脂层内的导热部和与所述导热部相连接的传热端，所述传热端与所述金属层一体连接。本发明专利技术的碳纤维分段缠绕复合材料厚壁圆筒，设计了导热层结构，在碳纤维增强环氧树脂层内设有导热层，提高了内壁散热效率，延长了管壁的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
碳纤维分段缠绕复合材料厚壁圆筒
本专利技术涉及机械制造领域，具体涉及一种应用在管壁外延伸部分的碳纤维分段缠绕复合材料厚壁圆筒。
技术介绍
众所周知，纤维缠绕复合材料具有比强度大、比刚度高和耐腐蚀等优点，其在航空航天、能源输送和压力容器等领域得到了广泛应用。其中，碳纤维复合材料因具有一般碳素材料的特性，如：耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀性等，同时其还具有优异的抗疲劳、抗冲击特性，尤其是具有超高的强度重量比和硬度重量比，从而广泛应用在航天和汽车工业领域中。迄今为止，碳纤维复合材料已经成为一种不可或缺的工业材料。此外，近年来，伴随着工程中热应力问题的日益凸显，比如说柴油机活塞、机床主轴等这一类圆筒轴对称结构，都高频承受着热负荷和机械复合的双重作用，对它们进行应力计算都必须把热的影响充分考虑在内。但是由于复合材料的导热性能差，使用温度较低，因此且容易产生管壁温度超过复合材料许用温度、管壁内温度过高、寿命下降等问题。因此如何很好地解决复合材料层散热性差的问题是本领域技术人员亟待解决的技术问题。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的目的在于提出一种碳纤维分段缠绕复合材料厚壁圆筒。具体技术方案如下：一种碳纤维分段缠绕复合材料厚壁圆筒，包括圆筒主体，所述圆筒主体沿其长度方向均匀间隔交错设有多个复合材料缠绕段和金属复合段，所述复合材料缠绕段由内至外依次包括金属层和碳纤维增强环氧树脂层，所述碳纤维增强环氧树脂层内设有导热层，所述导热层包括设置在碳纤维增强环氧树脂层内的导热部和与所述导热部相连接的传热端，所述传热端与所述金属层一体连接。根据本专利技术提供的碳纤维分段缠绕复合材料厚壁圆筒，设计了导热层结构，在碳纤维增强环氧树脂层内设有导热层，提高了内壁散热效率，延长了管壁的使用寿命。根据本专利技术的一个示例，所述传热端的数量为多个，且每个传热端呈板状或柱状件，所述导热部的截面呈圆环状，且所述导热部为网格状结构。根据本专利技术的一个示例，所述碳纤维增强环氧树脂层为通过将碳纤维通过液态树脂浸泡，并施加张力将碳纤维缠绕到所述金属层上，所述树脂为热固性树脂或者热塑性树脂，所述热固性树脂为酚醛树脂、环氧树脂、改性酚醛树脂、改性环氧树脂、双马来酰胺树脂或热固性聚酰亚胺树脂中的一种或几种的组合，所述热塑性树脂为热塑性聚酰亚胺树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚砜树脂或聚酯树脂中的一种或几种的组合。根据本专利技术的一个示例，所述树脂中添加有增塑剂和/或稀释剂。根据本专利技术的一个示例，碳纤维增强环氧树脂层的缠绕角为50°～65°。根据本专利技术的一个示例，所述碳纤维增强环氧树脂层为多层结构，单层厚度为0.3～0.5mm。根据本专利技术的一个示例，所述导热部和/或所述传热端的材质为钢。根据本专利技术的一个示例，所述传热端成型时以900℃加热保温40min后淬火水冷，再通过560℃加热保温80min后回火空冷，并经过84℃保温40min后水冷亚温淬火，再通过560℃加热保温80min回火空冷处理。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明图1是本实施例的一种碳纤维分段缠绕复合材料厚壁圆筒的示意图；图2是本实施例的另一种碳纤维分段缠绕复合材料厚壁圆筒的剖面示意图；图3是图2中的散热层的结构示意图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。下面参考附图来详细描述根据本专利技术的碳纤维分段缠绕复合材料厚壁圆筒。结合附图1-3所示，本实施例一种碳纤维分段缠绕复合材料厚壁圆筒，包括圆筒主体1，圆筒主体沿其长度方向均匀间隔交错设有多个复合材料缠绕段2和金属复合段3，所述复合材料缠绕段2由内至外依次包括金属层和碳纤维增强环氧树脂层6，具体的，金属层以铬结构层4、钢结构层5为例，当然不限于此，其他金属或合金材料也可以作为本实施例的金属层，本实施例的复合材料缠绕段是将碳纤维增强环氧树脂层以一定的缠绕角设置在钢结构的外层，碳纤维增强环氧塑料是一种强度、刚度、耐热性均好的复合材料，它的比重较小，且结构强度较大。具体的，在本实施例中，碳纤维增强环氧树脂层为通过将碳纤维通过液态树脂浸泡，并施加张力将碳纤维缠绕到金属层上，树脂为热固性树脂或者热塑性树脂，热固性树脂为酚醛树脂、环氧树脂、改性酚醛树脂、改性环氧树脂、双马来酰胺树脂或热固性聚酰亚胺树脂中的一种或几种的组合，热塑性树脂为热塑性聚酰亚胺树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚砜树脂或聚酯树脂中的一种或几种的组合。并且在树脂中添加有增塑剂和/或稀释剂。在保持管壁外径不便的情况下，缠绕的复合材料越厚，也就是说内层的金属层越薄，内壁所承受的应力值也就越大，对管壁的强度有不利影响，反之，缠绕的复合材料越薄，也就是内层的金属层越厚，内壁所承受的应力值越小，但是这样不利于管壁重量的减轻，因此选取合适的复合材料缠绕厚度也是极为重要的，因此，申请人通过大量的实验得出，碳纤维增强环氧树脂层的厚度为6mm-10mm为最佳，不仅保证了结构强度，而且达到减重目的，有利的本实施例的碳纤维增强环氧树脂层为多层结构，单层厚度为0.3～0.5mm，利于加工生产。另外，申请人在实验中发现，同样外径的外层缠绕复合材料的复合材料圆筒和纯金属圆筒相比，复合材料管壁技术中的温度要比纯金属圆筒同一位置的温度高，而外层复合材料中的温度却比纯金属管壁中同一位置的温度低，这是由于外层复合材料的低导热率和高的比热的缘故，由于外层复合材料的低热传导系数，导致热量在到达复合材料层时其传递塑料布大大降低，内壁热量传不出去，这将缩短管壁的使用寿命，因此申请人设计了导热层结构，如图3所示，本实施例在碳纤维增强环氧树脂层内设有导热层7，导热层7包括与复合材料缠绕段一体连接的导热部8和设置在导热部两侧的传热端9，两个传热端分别与金属复合段的铬结构层和/或钢结构层一体连接。更具体的，导热部的数量为多个，且每个导热部呈板状或柱状件，当然也可以是其他形状，传热端的截面呈圆环状，且传热端为网格状结构，这里的网格状结构可以是规则网格，也可以是不规则网格，这样在将金属内壁加工成型后，在将导热层7与金属内壁(即钢结构层和铬结构层等金属层)相连，然后缠绕将碳纤维增强环氧树脂层，这样导热层7置于缠绕将碳纤维增强环氧树脂层内，并且导热部8将金属内壁的热量通过传热端传送给复合材料缠绕段两侧的纯金属段来进行散热，不仅提高了内壁散热效率，延长了管壁内壁的烧蚀寿命，而且网格状结构所占重量也较小。本实施例的导热部的材质优选为钢，当然其他能够达到使用强度和导热性能的材质也在本专利技术的保护范围之内。由于导热层的结构导致其强度低于内壁和复合材料层，因此为了保证导热层的结构强度，申请人导热部成型时以900℃加热保温40min后淬火水冷，再通过560℃加热保温80min后回火空冷，并经过84℃保温40min后水冷亚温淬火，再通过560℃加热保温80min回火空冷处理，以上出来可以使得导热层获得最佳的综合力学性能，硬度达到32.9HRC，屈服强度为913MPa本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纤维分段缠绕复合材料厚壁圆筒，其特征在于，包括圆筒主体，所述圆筒主体沿其长度方向均匀间隔交错设有多个复合材料缠绕段和金属复合段，所述复合材料缠绕段由内至外依次包括金属层和经过碳纤维增强环氧树脂层，所述碳纤维增强环氧树脂层内设有导热层，所述导热层包括设置在碳纤维增强环氧树脂层内的导热部和与所述导热部相连接的传热端，所述传热端与所述金属层一体连接。

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维分段缠绕复合材料厚壁圆筒，其特征在于，包括圆筒主体，所述圆筒主体沿其长度方向均匀间隔交错设有多个复合材料缠绕段和金属复合段，所述复合材料缠绕段由内至外依次包括金属层和经过碳纤维增强环氧树脂层，所述碳纤维增强环氧树脂层内设有导热层，所述导热层包括设置在碳纤维增强环氧树脂层内的导热部和与所述导热部相连接的传热端，所述传热端与所述金属层一体连接。2.根据权利要求1所述的碳纤维分段缠绕复合材料厚壁圆筒，其特征在于，所述传热端的数量为多个，且每个传热端呈板状或柱状件，所述导热部的截面呈圆环状，且所述导热部为网格状结构。3.根据权利要求1所述的碳纤维分段缠绕复合材料厚壁圆筒，其特征在于，所述碳纤维增强环氧树脂层为通过将碳纤维通过液态树脂浸泡，并施加张力将碳纤维缠绕到所述金属层上，所述树脂为热固性树脂或者热塑性树脂，所述热固性树脂为酚醛树脂、环氧树脂、改性酚醛树脂、改性环氧树脂、双马来酰胺树脂或热固性聚酰亚胺树脂中...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙九霄，陆野，刘刚，
申请(专利权)人：镇江春环密封件集团有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32