[发明专利]一种便于受力测量的碳纤维缠绕件、其制备方法和应用

权利要求书

1.一种便于受力测量的碳纤维缠绕件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、清理模具，

首先对模具表面进行抛光处理，将使用乙醇溶液将模具清洗表面至干净，然后将脱模剂均匀的涂抹于整个模具表面，然后对模具进行预热；

步骤二、缠绕纤维，

将模具进一步升温至90～125℃，首先，将浸渍有树脂的纤维增强材料以预定的缠绕速度、100～200N的缠绕张力、30～60度的缠绕角、右螺旋缠绕方向进行环向缠绕；

然后，将磁性或压电陶瓷纤维的复合材料以预定的缠绕速度、30～60度的缠绕角、左螺旋缠绕方向进行环向缠绕；

最后，将浸渍有树脂的纤维增强材料以预定的缠绕速度、100～200N的缠绕张力、30～60度的缠绕角、右螺旋缠绕方向进行环向缠绕；

步骤三、固化树脂，

将模具继续升温至200～250℃，保温0.5～1h，树脂在高温和催化剂作用快速固化，得到高强度的纤维缠绕件；

步骤四、切割修整，

树脂固化后，会轻微收缩，在脱模剂的作用下，去取出模具，并对纤维缠绕件进行切割、修整。

2.根据权利要求1所述的便于受力测量的碳纤维缠绕件制备方法，其特征在于，所述脱模剂为液体脱模剂、润滑油、动植物油中的一种。

3.根据权利要求1所述的便于受力测量的碳纤维缠绕件制备方法，其特征在于，所述浸渍有树脂的纤维增强材料为碳纤维浸润聚氨酯树脂，其中，树脂质量浓度为30～50%。

4.根据权利要求1所述的便于受力测量的碳纤维缠绕件制备方法，其特征在于，所述磁性或压电陶瓷纤维缠绕间距保持一致，其间距为20～150mm。

5.根据权利要求1所述的便于受力测量的碳纤维缠绕件制备方法，其特征在于，所述磁性或压电陶瓷纤维为掺杂有的压电陶瓷材料有机纤维，其中，所述压电陶瓷材料分子式为，其中0≤x≤1；0≤y≤0.012。

6.根据权利要求1所述的便于受力测量的碳纤维缠绕件制备方法，其特征在于，所述压电陶瓷纤维的制备工艺如下：

步骤一、称量，将氧化铈、碳酸钠、碳酸钾、氧化铌烘干，然后按照分子式计算所需原料，然后精准称取原料；

步骤二、研磨，将称取好的氧化铈、碳酸钠、碳酸钾、氧化铌倒入尼龙罐中，并加入乙醇至恰好研磨原料，然后在球磨机上充分研磨6～12小时，烘干后，在600～800℃煅烧2～6小时；然后加入乙醇，进行二次球磨，在球磨机上充分研磨6～12小时，最后烘干，过筛，得到直径小于20微米的原料颗粒；

步骤三、纺丝，将所述原料颗粒加入聚乙烯醇纺丝溶剂中，在熔融纺丝机上进行纺丝，得到聚乙烯醇初生纤维，然后进行冷冻干燥、冷拉伸、热定型、退解并捻，得到连续的掺杂有的聚乙烯醇纤维；

步骤四、极化，将所述聚乙烯醇纤维样品固定在夹具上，置于硅油中，增加样品的直流极化电压至2000～3000V/mm，保持30～60min，使其在电场中极化，最后冷冻干燥，即得到所述磁性或压电陶瓷纤维。

7.一种基于权利要求1～6任一项所述的制备方法得的便于受力测量的碳纤维缠绕件，其特征在于，在所述碳纤维缠绕中缠绕有磁性或者压电陶瓷纤维。

8.一种基于权利要求7所述的便于受力测量的碳纤维缠绕件的应用，其特征在于，当纤维缠绕件在受力时，通过纤维缠绕件的磁性参数或者电学参数变化，分析纤维缠绕件的裂纹情况；

其测量方法包括如下步骤：

步骤一、将所述弹纤维缠绕件制成后，在其两端的封装圆片上通入电源，形成电回路，检测所述纤维缠绕件外某一点的电场强度；

步骤二、将纤维缠绕件置于外力作用的环境中，采用步骤一相同的方法测量其相对位置不变的某一点的电场强度；

步骤三、对比电场强度，通过比例系数确定纤维缠绕件的受力情况和其内部应力变化。

9.一种便于受力测量的碳纤维缠绕件的应用，其特征在于，所述纤维缠绕件的压电圆片的电场强度为：

其中，为两端的封装片的电势差，为磁性或压电陶瓷纤维的缠绕圈数，磁性或压电陶瓷纤维缠绕的半径，当缠绕件受到外力作用时，其会发生形变，为缠绕角；

另外，当缠绕纤维收到切向外力矩时，则半径为r处的剪切应变符合如下数学模型：

其中，为缠绕纤维受到切向外力矩，为相对重力；

磁性或压电陶瓷纤维的缠绕沿着圆片径向的直线，平面扭转、变形后为螺旋曲线，在极坐标下，螺旋线满足如下微分方程：

其中，为应变扭转角，即在螺旋曲线偏离圆片径向的角度；

其应变扭转角:

其中，、分布为有无作用力时，磁性或压电陶瓷纤维缠绕的半径；

根据的大小侧面反映纤维缠绕件的受力情况和其内部应力变化，当大于阈值时，判断其内部应力超过材料纤维缠绕件所能承受的极限值。