一种复合材料杆及其制备方法技术

本发明专利技术属于复合材料加工领域，具体地涉及一种复合材料杆，以纤维衬管作为杆体支撑部，在所述纤维衬管两端耦合有连接结构，所述连接结构周向设置有连续绕制的容置腔，纤维复合材料沿着连接结构的容置腔的旋向方向缠绕，至纤维衬管按变换缠绕角度进行缠绕，以确保纤维复合材料连续性。本发明专利技术涉及的纤维复合材料缠绕在带螺旋连续槽的连接结构与纤维衬管的管体上，纤维复合材料部分轴向平直，无弧面过渡，抗拉抗压缩强度高，疲劳性能优异。本发明专利技术的螺旋连续槽给复合材料提供了缠绕方向和固定空间，使复合材料缠绕可以有效连接纤维衬管管体与连接结构，保证了连接强度。保证了连接强度。保证了连接强度。

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料杆及其制备方法


[0001]本专利技术属于复合材料加工领域，具体地，涉及一种复合材料杆及其制备方法。尤其适用推进系统、悬挂系统领域使用。

技术介绍

[0002]复合材料因其质量轻、比强度和比刚度高、抗振性能好、可设计性强等特性，广泛应用于航空航天领域。目前，采用了由碳纤维复合材料杆件和金属接头组成的桁架结构以及各类支撑杆结构复合材料支撑杆作为主要承力部件，主要承受轴向的拉压载荷，其杆件与接头一般常用套接的胶接形式，该形式的主要特点为：结构简单，主承力类型为剪力，当碳纤维主方向与杆件轴向一致时，胶接强度较高，承载能力较强。
[0003]经检索，CNCN201910605214.4公开了复合材料拉杆的成型方法及复合材料拉杆，能够得到金属接头与复合材料层一体缠绕成型，实现共固化成型，免去后期金属接头与复合材料的装配，具有较高的成型效率；结合了自动化干纤维纱缠绕工艺与树脂灌注两种复合材料的成型工艺优点，制备的拉杆即具有较高的强度又具有较高的外观质量以及尺寸精度；可通过在接头位置采用非测地线缠绕规律，进行金属接头连接位置缠绕局部增强，进一步增加拉杆承受外界载荷的能力，真正做到轻质高强复合材料拉杆的制备，满足特种载荷的需求。
[0004]CN201210388517.3公开了一种高拉伸载荷复合材料管件及其制备方法，针对复合材料管子轻质大拉伸载荷的技术难点，通过对复合材料管件的金属接头形式优化，有效减弱了大拉伸载荷复合材料构件端头部位因局部应力集中先期破坏的趋势，通过对管件铺层结构的工艺优化，实现了管件端头的铺层结构的局部优化，设计并成功研制了适于高拉伸载荷工况的复合材料管件。
[0005]上述将复合材料缠绕包覆到整个金属接头上，再绕回到杆体上，杆体与金属接头的复合材料形成明显的弧面，易产生应力集中，在疲劳工况下更易发生损伤乃至破坏。因此专利技术一种高抗拉抗压强度、高疲劳寿命的复合材料杆设计及成型方法，解决复合材料杆易产生应力集中，在疲劳工况下更易发生损伤乃至破坏的问题。

技术实现思路

[0006]推进系统、悬挂系统用复合材料杆要求抗拉、抗压强度大，特别是疲劳性能要求严苛，现有的复合材料杆技术尚不能完全满足要求，如何解决高抗拉抗压强度、高疲劳寿命的复合材料杆设计及成型方法成为亟待解决的问题。本专利技术针对上述现有技术的不足，提供了一种复合材料杆，将纤维衬管作为杆体支撑部，在纤维衬管两端耦合有连接结构，纤维复合材料沿着连接结构的螺旋连续槽的旋向方向缠绕，至纤维衬管方向按变换缠绕角度缠绕，以确保复合材料纤维连续性。从根本上解决了复合材料杆身与接头的连接在拉压疲劳载荷振动下易发生脱粘产生位移的问题，设计制造的复合材料杆连接可靠性高。
[0007]本专利技术设计了一种带螺旋连续槽的连接结构，通过连续复合材料纤维在适宜张力
下缠绕进凹槽，并以合适角度缠至杆身，最大限度利用了复合材料强度，保证了连接强度。
[0008]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：本专利技术提供一种复合材料杆，以纤维衬管作为杆体支撑部，在所述纤维衬管两端耦合有连接结构，所述连接结构周向设置有连续绕制的容置腔，纤维复合材料沿着连接结构的容置腔的旋向方向缠绕，至纤维衬管方向按变换缠绕角度进行缠绕，以确保纤维复合材料连续性。
[0009]本专利技术涉及的纤维复合材料缠绕在带螺旋连续槽的连接结构与纤维衬管的管体上，纤维复合材料部分轴向平直，无弧面过渡，抗拉抗压缩强度高，疲劳性能优异。
[0010]本专利技术的螺旋连续槽给纤维复合材料提供了缠绕方向和固定空间，使纤维复合材料缠绕可以有效连接结构与纤维衬管，保证了连接强度。
[0011]进一步地，所述纤维衬管为内腔中空的衬管，所述连接结构与衬管端部耦合；所述容置腔为螺旋连续槽，通过纤维复合材料第一次缠绕将连接结构与衬管固定为一体；再在其外围缠绕一定厚度的纤维复合材料形成承力结构，通过利用复合材料纤维在连接结构容置腔、衬管连续缠绕形成强力结构，保证复合材料杆整体的连接强度。第一次缠绕的纤维复合材料优选为浸渍高强高韧树脂的高强纤维，再次缠绕的纤维复合材料为高强纤维预浸布。
[0012]本连接结构一般为金属材料，设置有台阶结构，在台阶结构的外壁环向设置螺旋连续槽，使纤维复合材料缠绕通过槽体结构进行限位与固定，缠绕更加便捷。
[0013]进一步地，所述衬管的两端口的内圆部分呈内锥面，所述内锥面由衬管的两端口向衬管中间收缩。此种结构为了使连接结构的连接端与衬管相互抵接，可以将连接结构插入内锥面，使连接更紧密。
[0014]进一步地，所述连接结构为两个，分置在纤维衬管的两侧，相对设置的两个连接结构的螺旋连续槽的螺旋方向相反。
[0015]进一步地，所述螺旋连续槽的槽宽与槽深之比为1
‑
4:1。此种结构的设置尤其利于纤维复合材料缠绕，槽宽与槽深之比的限定使螺旋连续槽与纤维复合材料的接触面更大，增大接触面积。
[0016]进一步地，所述连接结构为金属接头，所述连接结构的两侧端头为内螺纹，且两端的内螺纹旋向相反，用于固定连接外部机械系统。
[0017]进一步地，所述连接结构的螺旋连续槽尾部设置圆台结构，所述圆台结构与衬管两端部内圆锥面的长度、锥度一致。
[0018]本专利技术的另一目的是公开上述复合材料杆的制备方法，包括以下步骤：S1.纤维衬管制备：准备金属棒材模具，安装在缠绕设备上，将纤维衬管用材在张力作用下缠绕到模具上，缠绕至目标厚度；缠绕完毕后转运至旋转固化炉中旋转第一次固化；S2.纤维衬管的整理：脱模得到纤维衬管坯件，对纤维衬管加工两端锥面；S3.对连接结构、纤维衬管内锥面喷砂；S4.连接结构、纤维衬管的耦合：将连接结构的圆台结构、纤维衬管内锥面清洗干净，均匀刷涂高强高韧性胶黏剂，再对齐粘接，确保两者锥面完全配合到位后进行第二次固化；
S5.纤维复合材料的缠绕：将上述制备的连接结构
‑
纤维衬管坯体安装到数控缠绕设备上，表面清洗干净，确保无油污；S51.设置缠绕程序，先用纤维复合材料沿着（浸渍高强高韧树脂的高强纤维）沿着连接结构的螺旋连续槽缠绕，缠至纤维衬管时调整成大角度缠绕，到另一端连接结构则重新调整为沿螺旋连续槽缠绕，直至大于凹槽深度的1/2处；S52.换纤维复合材料（高强纤维预浸布）进行再次缠绕，适时变换缠绕角度，直至目标外径，缠绕角度及铺层[
±
14/90/90/
±
18/90/90/
±
14]3S，最后缠绕2
‑
4层热缩膜；S6.整体进行第三次固化冷却后形成承力结构去掉热缩膜，即复合材料杆成品。
[0019]进一步地，第一次固化工艺为：先加热至80
‑
120℃，保温1
‑
4h；再将温度升至120
‑
160℃，保温1
‑
4h，最后降温至150℃以下保温至少2h；所述第二次固化的工艺为在100
‑
120℃保温2
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合材料杆，其特征在于，以纤维衬管作为杆体支撑部，在所述纤维衬管两端耦合有连接结构（2），所述连接结构（2）周向设置有连续绕制的容置腔，纤维复合材料沿着连接结构（2）的容置腔的旋向方向缠绕，至纤维衬管按变换缠绕角度进行缠绕，以确保纤维复合材料连续性。2.根据权利要求1所述复合材料杆，其特征在于，所述纤维衬管为内腔中空的衬管（1），所述连接结构（2）与衬管（1）端部耦合；所述容置腔为螺旋连续槽（21），通过纤维复合材料第一次缠绕将连接结构（2）与衬管（1）固定为一体；再在其外围再次缠绕纤维复合材料形成承力结构（3），通过利用复合材料纤维在连接结构容置腔、衬管连续缠绕形成强力结构，保证复合材料杆整体的连接强度。3.根据权利要求2所述复合材料杆，其特征在于，所述衬管（1）的两端口的内圆部分呈内锥面（11），所述内锥面（11）由衬管（1）的两端口向衬管（1）中间收缩。4.根据权利要求2所述复合材料杆，其特征在于，所述连接结构（2）为两个，分置在纤维衬管的两侧，相对设置的两个连接结构（2）的螺旋连续槽（21）的螺旋方向相反。5.根据权利要求4所述复合材料杆，其特征在于，所述螺旋连续槽（21）的槽宽与槽深之比为1
‑
4:1。6.根据权利要求5所述复合材料杆，其特征在于，所述连接结构（2）为金属接头，所述连接结构（2）的两侧端头为内螺纹，且两端的内螺纹旋向相反，用于固定连接外部机械系统。7.根据权利要求6所述复合材料杆，其特征在于，所述连接结构（2）的螺旋连续槽（21）尾部设置圆台结构（22），所述圆台结构与衬管两端部内圆锥面的长度、锥度一致。8.一种权利要求1
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7任意一项所述复合材料杆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.纤维衬管制备：准备金属棒材模具安装在缠绕设备上，将纤维衬管用材在张力作用下缠绕到模具上，缠绕至目标厚度；缠绕...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢绍祥，黄河，郑永，郭晓军，臧莉，张万里，
申请(专利权)人：株洲时代橡塑元件开发有限责任公司，
类型：发明
国别省市：