一种轻质高强度抗扭复合材料机械臂杆的制备方法技术

一种轻质高强度抗扭复合材料机械臂杆的制备方法，属于轻量化复合材料技术领域，具体方案包括以下步骤：一、设待制机械臂杆的直径为Z，环向缠绕若干圈连续纤维窄带，当缠绕连续纤维窄带的厚度达到10

【技术实现步骤摘要】
一种轻质高强度抗扭复合材料机械臂杆的制备方法


[0001]本专利技术属于轻量化高强度复合材料
，具体涉及一种轻质高强度抗扭复合材料机械臂杆的制备方法。

技术介绍

[0002]随着空间科学的发展和航天技术的进步，空间星载展开机构得到越来越多的应用。空间星载展开机构可实现由折叠状态到展开状态的转换，发射时为折叠状态，以满足航天发射工具运载舱空间的限制要求，到达轨道后再完全展开并保持构型，以执行相关任务。大型空间展开机构正朝着长跨度、大收纳率、高刚度、运动惯量小的方向发展。理想的星载展开机构所采用的材料不仅应有较高的强度和刚度，而且须具良好的空间环境适应性和重量控制。现有技术中没有采用以碳纤维为主的连续纤维复合材料制备的星载展开机构，多为金属材质，在相同的质量下，金属材质的物理化学性能指标明显低于连续纤维复合材料。
[0003]民用领域的高端机械臂杆多为合金结构的不锈钢棒为原材料，经过锻造、机加工、热处理、表面处理等工序制作而成的高强度、高塑性、高冲击韧性钢结构件。主要受力形式为轴向拉力。随着工程难度的不断增加，钢机械臂杆的自重也随之增大，承载效率比降低，这是限制大工程的一个重要因素。在相关工程施工技术中，其金属机械臂杆内部受力不合理，承载效率偏低，无法满足对承载能力日益增长的需求。现有技术中通常采用抗拉强度高的钢材作为机械臂杆，如钢绞线、高强度钢丝、高强度螺纹钢筋等，其缺点在于：钢材的防腐保护使锚固工程作业量大、耗材多、施工复杂，而且钢材的质量大，制造、运输和安装困难，另一方面钢材在低温条件下容易发生“冷脆”现象。
[0004]目前市面上的连续纤维复合材料机械臂杆多数是用玻纤湿法缠绕成型工艺：将玻璃纤维集束浸胶后，在张力控制下直接缠绕在芯模上。但此法仍有许多缺点：制品的树脂含量不容易控制，孔隙率较高，作业环境差，树脂溶剂易挥发产生危害性气体，在成型后制件抗拉力强度低，表面质量差，后期加工处理复杂。
[0005]目前的连续纤维复合材料机械臂杆的两端接头都采用金属结构件拼接工艺，会存在如下问题：
[0006]1.金属结构无法进行各向异性的优化设计，复合材料的各向异性特点也未能够充分发挥。
[0007]2.金属与碳纤维复合材料连接部位较为薄弱，会对构件的抗扭性能造成不利影响。
[0008]3.对于形状较为复杂的连杆，无法通过传统的方式保证连接点和承力部分的碳纤维连续，因此承载能力有限。
[0009]4.金属结构不具备破损安全功能，两种材料的热膨胀系数不同，耐候性差。
[0010]特大型的混凝土结构一般都是以钢筋锚杆为增强材料。但是当应用于具有侵蚀性(如严寒地区用除冰盐处理过的公路桥梁、海边建筑物、水工结构、港工结构、化工厂房等)或暴露性的环境时，在温度和湿度适宜的条件下，混凝土的碳化和氯化物的侵入，使混凝土
逐渐中性化，钢筋钝化膜被破坏而开始腐蚀，最终导致混凝土结构过早衰退，结构承载力下降，产生安全隐患，严重时将会导致结构的毁损，造成严重的生命和财产损失。大型体育场馆、机场、桥梁、隧道以及机械提升设备中大量使用了钢拉杆，由于钢的材料特性，钢拉杆在使用过程中会面临钢的腐蚀和疲劳问题，为解决上述问题，采用连续纤维复合材料机械臂杆来代替钢筋，在试验研究和工程应用等方面均取得了较多的成果。
[0011]受拉管型结构杆件的承力接头是现代航空器结构设计中不可或缺的一个重要组成部分，飞机中多以金属承力接头为主。随着复合材料被应用在各类航空器的承力构件上，使用连续纤维复合材料制造的承力接头逐渐代替传统金属接头，可以从根本上解决航空航天等领域里的金属机械臂杆的抗疲劳和耐腐蚀性能较差的问题。保证飞机结构刚度的前提下实现结构重量的进一步优化是近年来飞机结构研究的一个主要方向。

技术实现思路

[0012]本专利技术为了解决现有技术中存在的问题，提供一种轻质高强度抗扭复合材料机械臂杆的制备方法。该方法制备的产品具有轻质、高强度、扭矩大、耐腐蚀的优点，且具有破损安全功能。本专利技术可制作出屈服强度达6500MPa级的机械臂杆。充分利用连续纤维各向异性的特点，通过连续缠绕方法使得纤维整体连续，将纤维的排列方向与连杆的承力方向一致，在具备破损安全功能的同时也提高了纤维的屈服强度及抗拉强度的使用效率。该受拉管型结构杆件全部为连续纤维复合材料材质，无其它金属拼接件。
[0013]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：
[0014]一种轻质高强度抗扭复合材料机械臂杆的制备方法，包括以下步骤：
[0015]步骤一、环向缠带：设待制机械臂杆的直径为Z，环向缠绕若干圈连续纤维窄带，当缠绕连续纤维窄带的厚度达到10
‑
35％Z后停止缠绕，形成圆环坯料；
[0016]步骤二、压制成型：压型工装下模的上表面开设长条形的、且横截面为半圆形的凹槽结构Ⅰ，所述凹槽结构Ⅰ的内部两端分别固定设置有O型垫块Ⅰ或U型垫块，所述压型工装上模的下表面设有长条形的、且横截面为半圆形的凸起结构，所述凸起结构的两端分别固定设置有O型垫块Ⅱ或U型槽体，所述凸起结构与凹槽结构Ⅰ对应设置，所述O型垫块Ⅰ与O型垫块Ⅱ对应设置，所述U型垫块与U型槽体对应设置，所述O型垫块Ⅰ、U型垫块、O型垫块Ⅱ和U型槽体的中部均设置有销孔Ⅰ，所述销孔Ⅰ内插设销轴Ⅰ，将圆环坯料平铺在凹槽结构Ⅰ上，且两端拉紧挂在销轴Ⅰ上，盖合压型工装上模，对合模后的压型工装进行加热，当温度达到45
‑
125℃时，压型工装上模向下冲压圆环坯料，冲压压力为50
‑
1000N，压型时间为10
‑
130s，得到1/2机械臂杆坯件；
[0017]步骤三、径向缠带：将两个1/2机械臂杆坯件相对合并组成杆体，在杆体内部空腔内放置航空泡沫预制件，在杆体外周面沿径向缠绕若干层织物预浸料Ⅰ；
[0018]步骤四、固化成型：将缠绕织物预浸料Ⅰ的杆体放入固化工装内，用1
‑
3℃/min速率，升温至90
‑
220℃，真空负压为3
‑
9兆帕，当升温至60℃以上后每增加20℃就恒温10
‑
60min，达到预设温度后开始降温，打开固化工装，取出机械臂杆。
[0019]进一步的，步骤三中，将杆体两端接头处的连续纤维窄带均沿与纤维的平行方向分成2
‑
4份，相邻两份之间铺设高温隔离膜。
[0020]进一步的，步骤二中，设置有O型垫块Ⅰ的凹槽结构Ⅰ的端部以曲面封端。
[0021]进一步的，步骤二中，所述O型垫块Ⅰ的上表面或U型垫块的上表面与凹槽结构Ⅰ的底面之间通过曲面过渡；所述O型垫块Ⅱ的下表面与凸起结构的下表面之间通过曲面过渡，所述U型槽体开设在凸起结构的下表面，所述O型垫块Ⅰ、O型垫块Ⅱ的直径与凹槽结构Ⅰ的截面直径相等，所述U型垫块、U型槽体的宽度与凸起结构的截面直径相等。
[0022]进一步的，步骤三中，所述织物预浸料Ⅰ铺层的角度为+45
°
、
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种轻质高强度抗扭复合材料机械臂杆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、环向缠带：设待制机械臂杆的直径为Z，环向缠绕若干圈连续纤维窄带，当缠绕连续纤维窄带的厚度达到10
‑
35％Z后停止缠绕，形成圆环坯料；步骤二、压制成型：压型工装下模(1)的上表面开设长条形的、且横截面为半圆形的凹槽结构Ⅰ(11)，所述凹槽结构Ⅰ(11)的内部两端分别固定设置有O型垫块Ⅰ(12)或U型垫块(13)，所述压型工装上模(2)的下表面设有长条形的、且横截面为半圆形的凸起结构(21)，所述凸起结构(21)的两端分别固定设置有O型垫块Ⅱ(22)或U型槽体(23)，所述凸起结构(21)与凹槽结构Ⅰ(11)对应设置，所述O型垫块Ⅰ(12)与O型垫块Ⅱ(22)对应设置，所述U型垫块(13)与U型槽体(23)对应设置，所述O型垫块Ⅰ(12)、U型垫块(13)、O型垫块Ⅱ(22)和U型槽体(23)的中部均设置有销孔Ⅰ(14)，所述销孔Ⅰ(14)内插设销轴Ⅰ(15)，将圆环坯料平铺在凹槽结构Ⅰ(11)上，且两端拉紧挂在销轴Ⅰ(15)上，盖合压型工装上模(2)，对合模后的压型工装进行加热，当温度达到45
‑
125℃时，压型工装上模(2)向下冲压圆环坯料，冲压压力为50
‑
1000N，压型时间为10
‑
130s，得到1/2机械臂杆坯件；步骤三、径向缠带：将两个1/2机械臂杆坯件相对合并组成杆体，在杆体内部空腔内放置航空泡沫预制件，在杆体外周面沿径向缠绕若干层织物预浸料Ⅰ；步骤四、固化成型：将缠绕织物预浸料Ⅰ的杆体放入固化工装内，用1
‑
3℃/min速率，升温至90
‑
220℃，真空负压为3
‑
9兆帕，当升温至60℃以上后每增加20℃就恒温10
‑
60min，达到预设温度后开始降温，打开固化工装，取出机械臂杆。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤三中，将杆体两端接头处的连续纤维窄带均沿与纤维的平行方向分成2
‑
4份，相邻两份之间铺设高温隔离膜。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤二中，设置有O型垫块Ⅰ(12)的凹槽结构Ⅰ(11)的端部以曲面封端。4.根据权利要求1所述的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：王梦勋，白明庆，吴杨，许桐，李煜，张义涛，
申请(专利权)人：广联航空工业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：