[发明专利]高模量碳纤维承力件加工方法

说明书

本发明公开了一种高模量碳纤维承力件加工方法，承力件主体至少由三层高模量碳纤维组成，根据模具和工艺的要求，碳纤维的缠绕方式为直线或螺旋线，缠绕角度为0度、25度、90度和155度，并且两层碳纤维之间的缠绕角度各不相同，模具的横截面为方形、圆柱和圆锥形，模具的半径为20mm—2000mm，模具的长度为1m—4m，与现有钢结构或铝合金结构相比，具有质量轻、强度高、结构稳定等特点。

技术领域

本发明涉及高模量碳纤维承力件加工方法。

背景技术

人类科学技术发展的过程中，新材料和新工艺的出现总是能够推动科学技术的在进步。例如，本世纪60年代美国设计师在研制北极星(Poloris)A3导弹时大胆采用了纤维浸渍热固性树脂复合材料缠绕发动机壳体的新工艺，以取代合金钢的切削成型工艺，使该部件减重达45％，导弹射程由1600km增至4000km，增程150％。整个制造工艺也得以简化，使生产周期缩短1/3，成本降低为原来钛合金的1/10。它的成功震动了导弹界和材料界，这是首次采用复合材料作为主承载力结构材料，因而被列入航空航天工程史册，缠绕工艺的创举成功也作为新材料、新工艺的里程碑载入了近代复合材料发展史。

复合材料使用适当的方法将两种或两种以上不同性质的材料组合在一起而构成的一种新型材料。这种材料能够克服单一材料的缺点，改进单一材料的性能，并通过各个组成材料在性能上的互相协同作用，可得到单一材料所无法比拟的优越的综合性能。比如：典型的轻量特性、卓越的比强度、比模量、独特的耐烧蚀和隐蔽性、良好的化学/物理稳定性(耐酸、耐碱、阻燃等)、减震、防磁、材料性能的可设计性、制备的灵活性和易加工性等。所以复合材料被广泛的应用于航空航天、兵器等高科技领域，并逐渐向民用工业扩展。然而，复合材料的发展还必须依赖于机械制造业为其提供先进的工艺设备。就目前来说，传统的机械设备已不能满足新材料、新工艺的发展要求，因此研制适合复合材料生产的先进、高性能数控布带缠绕机和作为其必备辅助装置的精密张力控制 系统是科学技术发展的需要。

碳纤维研制和应用可以追溯到1850年的碳素灯丝，此后的研究应用一直处于停滞状态，到上世纪五十年代随着工业技术的发展和军事工业的要求，碳纤维的研制和生产，相继解决了原丝的选择和高温碳化的工业生产工艺，使碳纤维应用才进入到一个新阶段。二十世纪60年代，为解决近海地区和气候寒冷地区的钢筋混凝土结构遭受盐蚀危害的问题，美生产出一种GFRP加筋混凝土。此外，在一些海堤、工业厂房屋面板、处于侵蚀性环境的混凝土楼板等，CFRP产品越来越得到广泛的应用。在搅拌混凝上的同时加入短的碳纤维可以很好地改善混凝土的性能.根据其结构形状在体外预应力法、片材加固法甚至隔震、消震法中都可得到很好的应用。近年来国内不少高等院校、科研部门、和各大设计院都参与到对碳纤维的应用和研究，目前国家还没有颁布正式的设计和施工规范.在建设部确定的研究项目中，已包括有“纤维增强复合材料(FRP)用于城市桥梁的加固与修补研究”、“碳纤维材料加固混凝土结构新技术”等课题，碳纤维的应用研究已得到围家的重视。

碳纤维又称增强复合材料CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)，是由含碳量较高、在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的，其含碳量般在90％以上。根据原料、制造方法的不同，碳纤维分为PAN(聚丙烯腈)基碳纤维和沥青基碳纤维两大类。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨、导电、导热及耐腐蚀等，但与‘般的碳素材料不同的是，它的外形有显著的各相异性，沿纤维轴向表现出很高的强度。同时碳纤维比重小，有很高的比强度，与钢材相比，重量减轻3/4，而强度提高2倍。由碳纤维和环氧树脂结合而制成的复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有的结构利料中是最高的。在强度、刚度、重量、疲劳特性 等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材判都颇具优势。又由于碳纤维材料删酸、蒯盐碱、耐老化、耐高温、耐低温等，碳纤维材料粘贴在表面后对原结构具有良好的保护作用。