一種連續(xù)纖維樹脂基復合材料緊固件的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明創(chuàng)造提供一種連續(xù)纖維樹脂基復合材料緊固件的制備方法，該方法包括通過預成型將纖維絲與樹脂絲編織成的復合絲以一定的數(shù)量制作成中間體棒料的過程，以及將該中間體棒料通過二次成型獲得最終緊固件產品的過程。通過中間體棒料各部分尺寸的計算以及二次成型過程中的兩步升溫分步成型，把控最終緊固件產品的成型過程。本發(fā)明創(chuàng)造為連續(xù)纖維復合材料緊固件的制備提供了一種可行的技術方法。
【專利說明】一種連續(xù)纖維樹脂基復合材料緊固件的制備方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明創(chuàng)造涉及樹脂基復合材料的制備【技術領域】，特別涉及一種連續(xù)纖維樹脂基復合材料緊固件的制備方法。

【背景技術】
[0002]先進樹脂基復合材料因其具有輕質高強、抗腐蝕、耐疲勞等特點，已被廣泛用于當今世界先進的飛機機體結構之中。目前，在緊固件領域大部分仍是金屬材質，而金屬緊固件不僅不能與復合材料很好的匹配，而且比重大、耐高溫、耐腐蝕能力有限，難以滿足航空、航天以及其他領域的迫切需求。由于復合材料的特殊層狀結構，與金屬結構具有很大的不同，需選用配套的連接件來解決復合材料本身具有的層間剪切強度低、抗拉脫強度低等弱點，而是用復合材料結構的緊固件無疑是最好的解決方式。
[0003]在緊固件成型【技術領域】，關于金屬材質成型技術已經很成熟，而短切纖維和長纖維復合材料的注塑等成型技術也達到了工程應用，但其力學性能不足以與金屬材質的緊固件抗衡。連續(xù)纖維復合材料在軸向強度上具有巨大優(yōu)勢，但是鑒于連續(xù)纖維橫向強度弱的特殊性使其復合材料無法通過注塑或者滾絲的方式形成螺紋，因此也只是應用在通過鋪層方式制備的板材等大型構件，沒有在緊固件中獲得應用。
[0004]隨著航空航天領域空前發(fā)展，對纖維增強樹脂基復合材料緊固件性能需求越來越高，對連續(xù)纖維復合材料的成形技術的設計工作勢在必行，本發(fā)明著重對連續(xù)纖維復合材料緊固件的成型提供一種可行的技術方法。


【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明創(chuàng)造提供一種連續(xù)纖維樹脂基復合材料緊固件的制備方法，該方法包括通過預成型將纖維絲與樹脂絲編織成的復合絲以一定的數(shù)量制作成中間體棒料的過程，以及將該中間體棒料通過二次成型獲得最終緊固件產品的過程。
[0006]所述復合絲的數(shù)量由最終緊固件產品的體積與每束復合絲的體積比確定，每束復合絲的體積可根據(jù)復合絲截取長度以及纖維絲與樹脂絲的數(shù)量、直徑、編織方式確定，所述復合絲截取長度與所述中間體棒料的高度相等。
[0007]所述中間體棒料由大頭和細桿組成，所述大頭體積等于最終緊固件產品頭部的體積，所述大頭高度為最終緊固件產品頭部(即螺栓帽部分)高度的2-2.5倍，優(yōu)選為2倍；所述細桿體積等于最終緊固件產品除頭部以外(即螺紋桿加螺紋部分)的體積，所述細桿直徑為最終緊固件中徑的0.8-0.9倍，優(yōu)選為0.85倍。
[0008]其中，考慮到材料均勻性、損耗等因素，上述復合絲的長度、體積，以及中間體棒料頭部和細桿的體積、高度、直徑等的取值允許存在合理誤差，一般在± 5 %以內。
[0009]所述預成型制備中間體棒料的過程采用熱模壓工藝，進一步的，熱模壓工藝中加壓保溫溫度在所述樹脂絲熔融溫度以上，優(yōu)選為樹脂絲熔融溫度以上25-50°C。
[0010]所述二次成型過程采用兩步升溫分步成型，具體為，首先加熱中間體棒料細桿部分位置至樹脂絲材料變形溫度，加壓形成緊固件產品螺紋桿部；然后整體加熱中間體棒料至樹脂絲熔融溫度以上，優(yōu)選為樹脂絲熔融溫度以上25-50°C，進一步形成緊固件產品頭部。
[0011]進一步，所述的兩步升溫分步成型，在加熱中間體棒料細桿部分位置至樹脂絲材料變形溫度后，由中間體棒料細桿部一端施加模壓力，將細桿部壓入模具內先成形緊固件螺紋桿部；在整體加熱中間體棒料至樹脂絲熔融溫度以上后，由中間體棒料大頭一端繼續(xù)施加模壓力，進而形成緊固件產品頭部。
[0012]本發(fā)明創(chuàng)造中涉及的纖維絲為本領域常用的連續(xù)纖維增強體，包括但不限于玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維和芳綸纖維等，優(yōu)選為碳纖維或玻璃纖維。
[0013]其中，碳纖維絲單根直徑5-10 μ m,優(yōu)選為7_10 μ m,更優(yōu)選為7_8 μ m,最優(yōu)選為7 μ m ;呈束使用，每束1000-48000根，優(yōu)選為1000-6000根，更優(yōu)選為1000-3000根，最優(yōu)選為3000根；市購；市購規(guī)格一般包括但不限于11(、31(、61(、121(、241(、481(，優(yōu)選為3K。
[0014]其中，玻璃纖維絲單根直徑8-15 μ m,優(yōu)選為8_14 μ m,更優(yōu)選為9_11 μ m,最優(yōu)選為Ilym;呈束使用，每束600-9600，優(yōu)選為1000-3000根，更優(yōu)選為1000-2000根，最優(yōu)選為1000根；可市購。
[0015]涉及的樹脂絲為本領域常用熱塑性樹脂，包括但不限于PAN、PVC、PS、PE、PP、PMMA、PEEK、PA、POM、PC 等，優(yōu)選為 PEEK。
[0016]其中，PEEK樹脂絲直徑0.1-0.15mm，市購。
[0017]所述纖維絲與樹脂絲的種類、數(shù)量、直徑以及編織方式可根據(jù)最終緊固件產品所要求的性能和規(guī)格來選取和設計；通常情況下，纖維絲所占的體積為復合絲體積(即纖維絲與樹脂絲總體積)的10-50 %，優(yōu)選為20-40 %。
[0018]具體的，所述的一種連續(xù)纖維樹脂基復合材料緊固件的制備方法包括如下步驟:
(I)根據(jù)待獲得的最終緊固件產品的性能選取纖維絲和樹脂絲，確定纖維絲所占體積分數(shù)，根據(jù)每束連續(xù)纖維表面需要包覆的樹脂絲數(shù)量編織成復合絲；(2)根據(jù)待獲得的最終緊固件產品的規(guī)格確定中間體棒料各部分尺寸和體積，并按照所需長度和數(shù)量截取復合絲；(3)通過熱模壓工藝預成型該中間體棒料；(4)將中間體棒料經二次成型制備最終緊固件產品，首先加熱中間體棒料細桿部分位置至樹脂絲材料變形溫度，加壓形成緊固件產品螺紋桿部；然后整體加熱中間體棒料至樹脂絲熔融溫度以上，進一步形成緊固件產品頭部；(5)脫模即可獲得所需緊固件產品。
[0019]其中所述復合絲的編織過程為本領域的常規(guī)編織技術，技術人員可根據(jù)需要采用編織機對不同數(shù)量的纖維絲和樹脂絲進行編織，在此不再贅述。
[0020]進一步，所述步驟(2)和步驟(3)之間，還包括根據(jù)所需中間體棒料制作相應預成型模具的過程，模具可自制或定制，制備過程可采用本領域常規(guī)制備手段，不再贅述。
[0021]進一步，所述步驟(2)和步驟(3)中，可在進行模壓的模具上涂覆脫模劑，脫模劑的種類可根據(jù)纖維絲和樹脂絲的種類以及成型工藝條件等因素選取。
[0022]本發(fā)明創(chuàng)造具有的優(yōu)點和積極效果是:a、在預成型過程及中間體棒料的設計，降低纖維的彎曲程度，避免因成形中過大的行程壓力造成纖維彎曲纏繞，導致纖維失去軸向強度優(yōu)勢，以及造成緊固件頭部連接薄弱山、通過二次成型過程采用兩步升溫分步成型，首先在樹脂絲材料變形溫度下成型緊固件產品螺紋桿部，避免過熱造成基體呈粘流態(tài)，使得纖維無基體阻力下過度彎曲纏繞，造成纖維未進入螺紋內部；然后整體加熱中間體棒料至樹脂絲熔融溫度以上，形成緊固件產品頭部，確保獲得均質材料；C、本發(fā)明創(chuàng)造所制備的緊固件材料成品率高、可靠性好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明創(chuàng)造預成型中間體棒料模具的主視方向和俯視方向示意圖；
[0024]圖2是本發(fā)明創(chuàng)造預成型中間體棒料模具的上模主視方向和俯視方向示意圖；
[0025]圖3是本發(fā)明創(chuàng)造預成型中間體棒料模具的下模主視方向和俯視方向示意圖；
[0026]圖4是本發(fā)明創(chuàng)造二次成型過程示意圖。

【具體實施方式】
[0027]下面通過具體實施例對本發(fā)明創(chuàng)造進行進一步說明。
[0028]圖1-3所示為本發(fā)明創(chuàng)造中用于中間體棒料制備的成型模具示意圖，本示意圖提供了預成型中間體棒料模具的一個示例，并不用于對中間體棒料的成型模具進行限定，任何能夠用于形成本發(fā)明創(chuàng)造所需要的中間體棒料的模具均應視為本發(fā)明創(chuàng)造所保護的范圍之內。
[0029]圖4所示為本發(fā)明創(chuàng)造中用于對中間體棒料進行二次成型的過程示意圖，本示意圖提供了二次成型模具的一個示例，并不用于對二次成型模具進行限定，任何能夠用于形成本發(fā)明創(chuàng)造所需要的二次成型模具均應視為本發(fā)明創(chuàng)造所保護的范圍之內。
[0030]實施例1
[0031]M6六角頭螺栓的制備
[0032]制備強度在200MPa以上的M6*15六角頭螺栓緊固件，將一束3K碳纖維(單絲直徑7μπι)與16根聚醚醚酮樹脂絲(單絲直徑0.15mm)編織成復合絲，控制碳纖維體積比為28.5%。根據(jù)M6六角頭螺栓的尺寸(各尺寸參數(shù)可查閱相關規(guī)格的緊固件標準獲得)，確定中間體棒料各部分尺寸，即，大頭體積約346.2mm3,大頭高度8mm，細桿體積(螺紋桿加螺紋部分)約為332.9mm3，細桿直徑4.4mm，該中間體棒料的高度為30mm，然后以長度30mm截取復合絲56根。將所截取的復合絲放入根據(jù)上述中間體棒料的尺寸制作的預成型模具內，以20°C /min的程序升溫至380°C保溫30min后施加lOMPa，冷卻、脫模獲得中間體棒料。將中間體棒料放入二次成型的模具內，首先在聚醚醚酮的變形溫度約200°C保溫lOmin，施加上模壓力1MPa將露出在螺紋模芯外的桿部壓入模芯內(如圖4)，在該溫度、壓力下保持5min,形成緊固件產品螺紋桿部；繼續(xù)按20°C /min升溫至380°C,保溫1min施加下模壓力lOMPa，恒定該溫度、壓力5min，形成緊固件產品頭部；冷卻脫模，即得到M6六角頭螺栓緊固件。通過測試該M6六角頭螺栓緊固件的平均拉伸強度為300MPa。
[0033]對比例I
[0034]重復實施例1步驟制備M6六角頭螺栓緊固件，區(qū)別在于對中間體棒料進行二次成型時，以20°C /min直接升溫至380°C，保溫lOmin，然后上模、下模同時施加壓力lOMPa，保壓5min，同時形成緊固件螺紋桿部和頭部，冷卻脫模得到M6六角頭螺栓緊固件。通過測試該M6六角頭螺栓緊固件的平均拉伸強度為256MPa。
[0035]對比例2
[0036]重復實施例1步驟制備M6六角頭螺栓緊固件，區(qū)別在于對中間體棒料無預留大頭部位，中間體棒料尺寸按照總體積與緊固件體積相等，直徑為緊固件中徑的0.85倍制作成圓柱狀，獲得的M6六角頭螺栓緊固件平均拉伸強度為168MPa。
【權利要求】
1.一種連續(xù)纖維樹脂基復合材料緊固件的制備方法，該方法包括通過預成型將纖維絲與樹脂絲編織成的復合絲以一定的數(shù)量制作成中間體棒料的過程，以及將該中間體棒料通過二次成型獲得最終緊固件產品的過程。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種連續(xù)纖維樹脂基復合材料緊固件的制備方法，其特征在于:所述中間體棒料由大頭和細桿組成，所述大頭體積等于最終緊固件產品頭部的體積，所述大頭高度為最終緊固件產品頭部高度的2-2.5倍；所述細桿體積等于最終緊固件產品螺紋桿加螺紋部分的體積，所述細桿直徑為最終緊固件中徑的0.8-0.9倍。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種連續(xù)纖維樹脂基復合材料緊固件的制備方法，其特征在于:所述大頭高度為最終緊固件產品頭部高度的2倍，所述細桿直徑為最終緊固件中徑的0.85 倍。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種連續(xù)纖維樹脂基復合材料緊固件的制備方法，其特征在于:所述復合絲的數(shù)量由最終緊固件產品的體積與每束復合絲的體積比確定。
5.根據(jù)權利要求1-4任一項所述的一種連續(xù)纖維樹脂基復合材料緊固件的制備方法，其特征在于:所述二次成型過程采用兩步升溫分步成型，首先加熱中間體棒料細桿部分位置至樹脂絲材料變形溫度，加壓形成緊固件產品螺紋桿部；然后整體加熱中間體棒料至樹脂絲熔融溫度以上，進一步形成緊固件產品頭部。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種連續(xù)纖維樹脂基復合材料緊固件的制備方法，其特征在于:所述的兩步升溫分步成型，在加熱中間體棒料細桿部分位置至樹脂絲材料變形溫度后，由中間體棒料細桿部一端施加模壓力，將細桿部壓入模具內先成形緊固件螺紋桿部，形成緊固件產品螺紋桿部；在整體加熱中間體棒料至樹脂絲熔融溫度以上后，由中間體棒料大頭一端繼續(xù)施加模壓力，進而形成緊固件產品頭部。
7.根據(jù)權利要求1-6任一項所述的一種連續(xù)纖維樹脂基復合材料緊固件的制備方法，其特征在于:所述預成型制備中間體棒料的過程采用熱模壓工藝。
8.根據(jù)權利要求7所述的一種連續(xù)纖維樹脂基復合材料緊固件的制備方法，其特征在于:熱模壓工藝中加壓保溫溫度在所述樹脂絲熔融溫度以上，優(yōu)選為樹脂絲熔融溫度以上25-50。。。
9.根據(jù)權利要求1-8任一項所述的一種連續(xù)纖維樹脂基復合材料緊固件的制備方法，其特征在于:還包括根據(jù)所需中間體棒料的結構制作相應預成型模具的過程。
【文檔編號】B29D1/00GK104325664SQ201410431177
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年8月28日 優(yōu)先權日:2014年8月28日
【發(fā)明者】張曉玲, 趙國盟, 焦莎, 潘慧, 張文靜, 鄭曉冬, 郭雙雙, 徐濤濤 申請人:航天精工股份有限公司