由纤维增强塑料复合材料制造的圆柱形零件及其制造方法

摘要

此外所公开的方法能通过使用纤维增强塑料复合材料制造优质的、无夹层分离的厚壁圆柱形零件。具有很小的热膨胀系数的纤维增强塑料复合材料沿型芯的圆周方向被层合;对层合的纤维增强塑料复合材料层进行热固化处理以形成型芯的辅助件;将具有不同的弹性模量的多种纤维增强塑料复合材料分别层合到形成的辅助件上;对所有的层合的纤维增强塑料复合材料进行热固化。

说明书

本发明涉及用作结构件的、由纤维增强塑料复合材料制造的圆柱形零件，以及用纤维增强塑料复合材料制造的上述的圆柱形零件的方法。

纤维增强塑料复合材料具有卓越的比强度、比刚度和耐蚀性。然而，当由纤维增强塑料复合材料制造结构件时它仍存在各种各样需要解决的技术问题。

当由纤维增强塑料复合材料制造厚壁圆柱形零件时，现在沿用诸如长丝缠绕法、带缠绕法、片缠绕法、等等的各种各样方法。

然而，纤维增强塑料复合材料具有这样的特性以致在层合方向上其热膨胀系数的差别很大。因此，当由纤维增强塑料复合材料制造厚壁圆柱形零件时，在被加热固化之后在纤维增强塑料复合材料中必然产生与固化温度和室温的差值成正比例的内应力。在厚壁圆柱形零件的例子中出现产生于纤维增强塑料复合材料中的内应力超过纤维增强塑料复合材料的夹层粘合强度的情况。在此情况时，在纤维增强塑料复合材料中发生夹层分离。

在一般的层合厚壁圆柱形零件的方法中，±10°/±45°/±85°的许多层合角被相互结合。在这种情况下，当圆柱形零件的直径很小(例如，小于200mm)和壁厚很大(例如，大于30mm)时，由于内应力过大而存在的问题是发生夹层分离。

为了克服这种涉及夹层分离的问题，日本公布的未审查(公开)的专利申请No.2-236014公开一种为了消除由于加热固化和冷却到室温时的条件差之间的热膨胀系数的差别所引起的夹层分离，而交替层合抗扭加强层(其中层合角为±30 °到±60°，相对于轴向)和抗弯加强层(其中层合角为0°到20°)的这样的方法。

此外，日本公布的未审查(公开)的专利申请No.6-335973公开一种为了减少在固化加热时的温度偏移并由此减少其内应力而使用高频感应加热装置的方法。

在第一种的现有技术方法中，由于可制造的圆柱形零件的壁厚被限制在15mm左右，因此，以不同的层合角(即，层合方向)层合各层。但是，当其壁厚增加到高于此值(例如，15～50mm)时，产生于纤维增强塑料复合材料中的内应力随着壁厚的增加而急剧地增加，以致在纤维增强塑料复合材料层中出现夹层分离。因此，通过最好地利用复合材料的特性来制造高强度和高刚性的圆柱形结构是不可能的。

另外，在第二种的现有技术方法中，为了减少热固化期间的温度偏移并由此减少产生在纤维增强塑料复合材料层中的内应力而使用高频感应加热装置，由于将磁性物质添加到母体树脂中，其重量必然增加，结果出现结构体的重量增加和性能变差的问题。在该方法中存在的另外问题是专用的高频感应加热设备必须根据被制造的结构体的形状来制造，以代替热压罐或加热炉。

还有，当使用由钢(热膨胀系数为：10～12×10^-6/℃)形成的型芯时，由于在加热固化后被冷却时型芯的收缩而出现内层在其径向上收缩的问题并由此经常发生夹层分离问题。

考虑到这些问题，因此本发明的目的是提供一种由利用纤维增强塑料复合材料、通过减少其内应力、并同时使用常用设备来制造具有稳定质量的厚壁(例如，40m)圆柱形零件的方法。

为了实现上述的目的，本发明提供一种由纤维增强塑料复合材料制造圆柱形零件的方法，它包括以下的步骤：将具有某一弹性模量的纤维增强塑料复合材料层合在型芯上，将具有另一弹性模量的不同类的所说的复合材料缠绕到所说的纤维增强塑料复合材料上，交替地重复所说的层合操作和所说的缠绕操作，固化这二种所说的材料并在冷却和取出所说的模芯后获得没有由于内应力引起的变形的纤维增强塑料产品。

另外，本发明还提供一种由纤维增强塑料复合材料制造圆柱形零件的方法，它包括以下的步骤：沿金属型芯的圆周方向层合具有很小的热膨胀系数的纤维增强塑料复合材料；为了固化而加热层合的纤维增强塑料复合材料，以形成辅助件；将另一种纤维增强塑料复合材料层合在形成的辅助件的外侧面上；以及为了固化而加热已成形的、层合的纤维增强塑料复合材料。

另外，本发明还提供一种由纤维增强塑料复合材料制造厚壁圆柱形零件的方法，它包括以下的步骤：沿型芯的圆周方向层合具有很小的热膨胀系数的纤维增强塑料复合材料；在第一种加热条件下热固化层合的复合材料以形成辅助件；用高耐热簿膜覆盖形成的辅助件；在簿膜覆盖的辅助件上层合另一纤维增强塑料复合材料，以形成第一纤维增强塑料复合材料层；将具有弹性模量小于第一纤维增强塑料复合材料层的纤维增强塑料复合材料的弹性模量的另一种纤维增强塑料复合材料层合到已成形的第一纤维增强塑料复合材料层上，以形成第二纤维增强塑料复合材料层；将与第一纤维增强塑料复合材料层的材料相同的另一种纤维增强塑料复合材料层合到形成的第二纤维增强塑料复合材料层，以形成第三纤维增强塑料复合材料层；将与第二纤维增强塑料复合材料层的材料相同的另一种纤维增强塑料复合材料和与第三纤维增强塑料复合材料层的材料相同的另一种纤维增强塑料复合材料交替地以预定的次数层合到第三纤维增强塑料复合材料层；在温度低于和时间短于第一种加热条件的第二种加热条件下压实所有的层合的纤维增强塑料复合材料层，以形成强力件；将与第二纤维增强塑料复合材料层的材料相同的另一种纤维增强塑料复合材料和与第三纤维增强塑料复合材料层的材料相同的另一种纤维增强塑料复合材料交替地以预定的次数层合到形成的强力件上；在第二种加热条件下压实所有的层合的纤维增强塑料复合材料层，以形成另一的强力件；将与第二纤维增强塑料复合材料层的材料相同的另一种纤维增强塑料复合材料和与第三纤维增强塑料复合材料层的材料相同的另一种纤维增强塑料复合材料交替地以预定的次数层合到形成的强力件上，以在成形的强力件上形成具有预定厚度的厚壁圆形体；在第一种加热条件下热固化所有的层合的纤维增强塑料复合材料层。

另外，本发明还提供一种由纤维增强塑料复合材料制造的厚壁圆柱形零件，该厚壁圆柱形零件包括多种具有不同的弹性模量和被分别地交替层合的纤维增强塑料复合材料。

在根据本发明的由复合材料制造的厚壁圆柱形零件的方法中，为了降低固化后产生于纤维增强塑料复合材料层中的内应力，当厚壁圆柱形零件的主要材料为碳纤维增强塑料复合材料时，将一种具有弹性模量小于碳纤维增强塑料复合材料的弹性模量的弹性垫料(例如，玻璃或芳酰胺纤维增强塑料复合材料)分成几到20％分别层合到厚壁方向的若干层中。通过这些层合层，能减少每一层中产生的内应力并由此消除在热固化圆柱形零件后引起的夹层分离。

此外，在叠铺期间，就压实法而言层合的圆柱形零件在低于固化温度(例如，180℃)的某一温度(例如，60℃～130℃)和压力(例如，从真空到7kgf/cm²)下处理一段时间(例如，30～60分钟)；即，在这样的条件下不会对最后的固化的圆柱形零件的物理性能发生有害的影响。通过这种压实工艺，能够减少在叠铺与被加热后条件之间其壁厚度的变化和防止在固化加热后出现局部曲折和局部褶皱；即，降低内应力。

另外，由于将由在纤维方向上具有很小的热膨胀系数的纤维增强塑料复合材料层形成的辅助件层合到提高强度和刚性所需的强力件内部，这就可能防止强力件一旦为了固化而被加热和随后被冷却后出现各内层的收缩，由此可以防止厚壁圆柱形零件的夹层分离。此处，就用于此目的的复合材料而言，在纤维方向上具有大致为零的热膨胀系数的碳纤维增强塑料复合材料是适于被使用的。

另外，由于内应力的出现率是与固化温度和室温之间的差值成正比例的，因此有可能与惯用的固化周期所得到的性能相比在不降低性能的范围内通过降低固化温度来减少加热固化条件与冷却条件之间的温度差值。结果，有可能在热固化后减少内应力。

此外，根据壁厚和用途，有可能通过变化纤维增强塑料复合材料的层合方向来消除内应力的出现。

图1为显示根据本发明的由纤维增强塑料复合材料制造厚壁圆柱形零件方法所用的型芯的侧视图；

图2为有助于说明根据本发明的由纤维增强塑料复合材料制造厚壁圆柱形零件的第一种方法的示例图；

图3为有助于说明根据本发明的由纤维增强塑料复合材料制造厚壁圆柱形零件的第二种方法的示例图；

图4为有助于说明根据本发明的由纤维增强塑料复合材料制造厚壁圆柱形零件的第三种方法的示例图；

图5为有助于说明根据本发明的由纤维增强塑料复合材料制造厚壁圆柱形零件的第四种方法的示例图；

图6为显示根据本发明的由纤维增强塑料复合材料制造厚壁圆柱形零件方法的固化周期的曲线图；和

图7为显示根据本发明的由纤维增强塑料复合材料制造的厚壁圆柱形零件的内应力的分析结果的曲线图。

在下文中将参照附图对本发明进行介绍。

图1显示根据本发明的由纤维增强塑料复合材料制造厚壁圆柱形零件方法所用的成型型芯。型芯1是由钢材(热膨胀系数：10～12×10^-6/℃)形成的。另外，所形成的成型型芯1具有从其外表面1 a的一端向另一端延伸的很小的锥度，以便在热固化后容易从型芯1取出圆柱形零件。

如图2中所示，碳纤维增强塑料复合材料(CFRP)2a以角θ(约90度)和径向厚度约为几毫米(约3～5毫米)方式被叠铺在成型型芯1的外表面1a上，以致壁的厚度能够变化来抵消成型型芯1的外表面1a上的锥形表面。在图6中所示的固化周期中，将被叠铺在成型型芯1的外表面1a上的碳纤维增强塑料复合材料(CFRP)2a进行固化加热(即，热定形)；即，在165℃下历时240分钟。被加热的碳纤维增强复合材料2a形成为辅助件2。可以采用惯用的固化周期(例如，在180℃下历时120分钟)代替图6中所示的固化周期。

将高耐热的簿膜(未示出)(例如，泰佛隆带(泰佛隆“Teflon”是聚四氟乙烯的商标))缠绕在被叠铺在成型型芯1上的辅助件2上以致覆盖住辅助件2的整个表面。此簿膜被用来将辅助件2完全与被叠铺在其上的强力件3相隔离。

当强力件3的碳纤维增强塑料复合材料的层合方向不同时，根据碳纤维增强塑料复合材料的纤维方向其热膨胀系数也不同。例如，在碳纤维增强塑料复合材料的例子中，由于碳纤维的强大的影响在纤维延伸方向的热膨胀系数几乎为零。然而，在垂直于碳纤维的方向上因为碳纤维的影响很弱之故，在该垂直方向上的热膨胀系数由于母体树脂的强烈影响而是相当的大。因此，当将碳纤维增强塑料复合材料从固化温度冷却到室温时，就在形成的各强力件3之间存在层合方向差别的情况来说，由于在各强力件3之间热膨胀系数的不同之故内应力(张力)增加，以致出现各强力件3彼此相分离的情况。因此，制得具有较厚的壁并且在各强力件3之间的层合方向差别减少的圆柱形零件是有可能的。

被叠铺在辅助件2上的各强力件3可以按照图3～5中所示的三步法夹形成。

更详细地如图3中所示，在被叠铺在成型型芯1上的辅助件(例如，泰佛降带(泰佛降“Teflon”是聚四氟乙烯的商标))2上，由碳纤维增强塑料复合材料和玻璃纤维增强塑料复合材料(作为弹性复合材料)组成的强力件3a(它相当于全部层的1/3)以相对于成型型芯1的轴线为±17度的层合方向叠铺。

在被施加到圆柱的轴线的外力几乎为不包括扭力的弯曲、拉伸和压缩的情况中，可以认为当将层合方向选定为接近轴向时能够制得高强度的圆柱形零件。然而，在此种情况下，难于进行纤维增强塑料复合材料的层合作业。此处，就能够确保强度和刚度而言，从生产率的观点考虑，最好选择不在轴向的层合方向。因此，在能够确保必不可少的强度和必不可少的刚性又能使层合作业在给定的条件下顺利地进行的前提下，可以设定17度的不变的层合方向。然而，并不仅仅局限于这一角度，如果需要的话此层合方向是可以变化的。

作为主要材料的碳纤维增强塑料复合材料与作为弹性垫料的玻璃纤维增强塑料复合材料之比可以根据复合规则选定，以便符合所要求的强度和弹性模量。

在碳纤维增强塑料复合材料和玻璃纤维增强塑料复合材料的例子中，两者在强度方面稍有区别。然而，两者在弹性模量方面存在大的差别。因此，碳纤维增强塑料复合材料与玻璃纤维增强塑料复合材料之比根据以下的弹性模量的复合规则选定为9∶1，以使各弹性模量符合所要求的值：

E＝Er×Vr+Eb×Vb

式中E＝要求的弹性模量

Er＝强力件的弹性模量

Eb＝弹性垫料的弹性模量

Vr＝强力件的体积比例

Vb＝弹性垫料的体积比例

将被叠铺在成型型芯1的辅助件2上的强力件3a在100℃和6kgf/cm²下进行30分钟的压缩处理，以确保圆柱度和防止出现局部曲折与局部褶皱。

此后，如图4中所示，将约占全部层1/3的另一强力件3b另外叠铺在被叠铺在成型型芯1的强力件3a上。对被叠铺在强力件3a上的强力件3b在100℃和6kgf/cm²下进行30分钟的压缩处理，以确保圆柱度和防止出现局部曲折与局部褶皱。

另外，如图5中所示，将约占全部层1/3的另一强力件3c另外叠铺在被叠铺在成型型芯1的强力件3b上。对被叠铺在强力件3b上的强力件3c在165℃下进行240分钟的固化加热，以获得具有厚壁和由碳纤维增强塑料复合材料制成的圆柱形零件。

在对具有厚壁和由复合材料及通过最终的固化制成的圆柱形零件的物理性质不存在有害影响的范围内选定上述的压缩条件(压力、温度、时间、次数)。

如以上所述，在本发明的制造方法的上述的优选实施方案中，当形成强力件3时，将形成强力件3的纤维增强塑料复合材料分别层合三次。此处，一层玻璃纤维增强塑料复合材料以有规律的间距被叠铺在纤维增强塑料复合材料之间。此外，在第一与第二次层合后，对强力件3进行在100℃和6kgf/cm²下进行30分钟的压缩处理。    

此外，在本发明的制造方法的优选实施方案中，强力件3的层合层的数目与压缩处理的时间控制如下：

8层纤维增强塑料复合材料→1层玻璃纤维增强塑料复合材料→9层纤维增强塑料复合材料→1层玻璃纤维增强塑料复合材料→8层纤维增强塑料复合材料→压缩处理

→1层纤维增强塑料复合材料→1层玻璃纤维增强塑料复合材料→9层纤维增强塑料复合材料→1层玻璃纤维增强塑料复合材料→9层纤维增强塑料复合材料→1层玻璃纤维增强塑料复合材料→5层纤维增强塑料复合材料→压缩处理

→4层纤维增强塑料复合材料→1层玻璃纤维增强塑料复合材料→9层纤维增强塑料复合材料→1层玻璃纤维增强塑料复合材料→9层纤维增强塑料复合材料→1层玻璃纤维增强塑料复合材料→3层纤维增强塑料复合材料→热固化处理。

在此实施方案中，在第三次层合后，对圆柱形零件在165℃和6kgf/cm²下进行240分钟的加热固化。此温度条件低于在6kgf/cm²下120分钟的180℃的惯用条件。由于热固化温度被降低，能使加热温度与室温之间的差值减少，以致热应力能被减少。此外，还证实，由于固化条件的改变复合材料的性能没有变化。更具体地说，在165℃下试样被热固化240分钟，并且还进一步证实这些试样在玻璃态转化点温度有变化。另外，通过测定这些试样的吸水量还证实，被含在试样中的非活性物质是与在180℃固化120分钟的试样中的非活性物质相当。此外，对经过最终的热固化处理的相同试样的每一块进行强度测试。证实其强度没有降低。基于上述的证据，选定最终的热固化条件。

进行上述的压缩处理，以确保正确的圆柱形和防止出现局部曲折与局部褶皱。基于塑料开始流动的这样的温度标准和塑料还未被热固化的这样的时间标准的前提下可在最终热固化后对复合材料的物理性质不存在有害影响的范围内选定这些条件。换句话说，压缩处理条件是基于压缩处理后塑料的性能测定和最终的热固化后塑料的强度测试结果来确定的。被确定的压缩条件如下：温度为60～130℃，和压力为通常热固化条件的3～6kgf/cm²。

表1列出固化条件与物理性能的关系。表1

固化条件与性能

  固化条件   抗弯强度  (kgf/mm²)  弯曲模量  (kgf/mm²)玻璃态转变温度Tg(℃)吸水率(％) 180℃×120    分钟    213    12300    195    0.43 165℃×240    分钟    206    12300    191    0.41

基于上述的测试结果，在本发明的固化周期(固化时间：240分钟；固化温度：165℃)中，得到相当于惯用的固化周期(固化时间：120分钟；固化温度：180℃)的性能。因此，固化温度与室温的差值是能够减少的。

在根据本发明的方法由纤维增强塑料复合材料制造的厚壁圆形件中，主要材料是碳纤维增强塑料(CFRP)而弹性垫料是玻璃纤维增强塑料(GFRP)。根据强度与刚性的要求，二者的比例是9∶1。另外，层合取向是±17°(100％)的单向。此单向层合取向的抗弯强度和刚性二者均相当于由具有±10°(65％)/±45°(25％)/±85°(10％)的层合取向的复合材料制造的圆柱形零件的抗弯强度和刚性。

图7显示由复合材料制造的在该固化周期中固化后得到的厚壁圆柱形零件的内应力的分析结果(NASTRAN)。

在图7中，实曲线显示由具有±17°(100％)的单向层合取向的复合材料制造和165℃固化温度的厚壁圆柱形零件所得到的内应力变化；虚曲线显示由具有±10°(65％)/±45°(25％)/±85°(10％)的层合取向的复合材料制造和180℃固化温度的厚壁圆柱形零件所得到的内应力变化；点划曲线显示由具有±10°(65％)/±45°(25％)/±85°(10％)的层合取向的复合材料制造和165℃固化温度的厚壁圆柱形零件所得到的内应力变化。

此外，用于形成由复合材料制造的厚壁圆柱形零件的碳纤维增强塑料复合材料与玻璃纤维增强塑料复合材料二者的比例为9∶1。

在由具有±10°(65％)/±45°(25％)/±85°(10％)的层合取向的复合材料制造的厚壁圆柱形零件中，±10°和±45°的层合方向被施加到碳纤维增强塑料复合材料而±85°的层合方向被施加到玻璃纤维增强塑料复合材料。此外，层合层的数目和压缩加工的时间控制如下：

±10°5层→45°1层→±85°1层→±45°1层→±10°6层→±45°1层→±85°1层→±45°1层→±10°6层→±45°1层→±8 5°1层→±45°1层→10°2层→压缩

→±10°4层→±45°1层→±85°1层→±45°1层→±10°6层→±45°1层→±85°1层→±45°1层→±10°6层→±45°1层→85°1层→±45°1层→10°2层→压缩

→±10°4层→±45°1层→±85°1层→±45°1层→10°6层→±45°1层→±85°1层→±45°1层→±10°6层→±45°1层→85°1层→45°3层→最终固化

图7指出，在由如实曲线所示的复合材料制造的厚壁圆柱形零件的情况中，通过降低固化温度和通过仅确定一个层合方向来大大地减少内应力是可能的。

表2列出通过本发明方法制造的厚壁圆柱形零件的夹层分离的试验结果，并与通过其他方法制造的夹层分离结果相比较。表2各种制造方法的是否出现夹层分离的情况

  No  T   A   B   C   D    层合取向   E  1  11  否  否  否  180±10°/±45°/±85°  否  2  30  否  否  否  180±10°/±45°/±85°  是  3  30  是  是  否  180±10°/±45。/±85°  否  4  42  是  是  否  180±10°/±45°/±85°  是  5  42  是  是  是  165±10°/±45°/±85°  是  6  42  是  是  是  165±17 °  否

T：厚度(mm)

A：使用弹性垫料

B：使用热压缩

C：使用辅助件

D：固化温度(℃)

E：出现夹层分离

是：使用，否：未使用

上述的试验结果表明，在壁厚度为11mm(№1)情况中，当未采用专门方法时未出现夹层分离。

在壁厚度为30mm(№2)情况中，约在壁厚度的中部出现夹层分离。

在壁厚度为30m(№3)情况中，由于使用弹性垫料和进一步进行热压缩处理而没有出现夹层分离。

在此情况中，厚壁圆柱形零件的强力件的层合层的数目及压缩处理的时间安排如下：另外，±10°和±45°的层合方向被施加到碳纤维增强塑料复合材料而±85°的层合方向被施加到玻璃纤维增强塑料复合材料。

±10°5层→45°1层→±85°1层→±45°1层→±10°6 层→±45°1层→±85°1层→±45°1层→±10°6层→±45°1层→±85°1层→±45°1层→10°2层→压缩

→±10°4层→±45°1层→±85°1层→±45°1层→±10°6层→±45°1层→±85°1层→±45°1层→±10°6层→±45°1层→±85°1层→±45°1层→10°2层→最终的固化

此外，在壁厚度为42mm(№4)情况中，尽管使用弹性垫料和进一步进行热压缩处理，但是约在壁厚度中部处几乎整个圆周面及其长度上发生夹层分离。

在壁厚度为42m(№5)情况中，尽管使用弹性垫料；进行热压缩处理；使用辅助件；和另外将固化温度从180℃降低到165℃，但是在局部处出现夹层分离。

另外，层合层的数目和42mm壁厚度的压缩处理时间安排(№4和№5)是与图7的虚曲线或点划曲线所示的情况相同。

在本发明的壁厚度为42mm(№6)情况中，层合取向为±17°的单向；使用弹性垫料；进行热压缩处理；使用辅助件；以及将固化温度降低到165℃。因此，获得具有卓越质量的、无夹层分离的圆柱形零件是可能的。

此外，在条件为：不使用单向层合情况下使具有层合方向为±10°和±45°的碳纤维增强塑料复合材料和具有层合方向为±85°的玻璃纤维增强塑料复合材料与热压缩处理相结合；不使用辅助件；以及最终的热固化温度不变的这样的层合方法的情况下，获得具有无夹层分离的30mm厚的圆柱形零件是可能的。在这些圆柱形零件中，由于碳纤维是以±45°方向排列的，因此厚壁圆柱形零件是强抗弯和抗扭的。

通过以图7所示的内径为80mm(半径为40mm)的圆柱形零件作例子已对本发明进行了解释。然而，壁厚度的限度还未被证实。因此，当壁厚度的限度被证实时，或许还可能获得未被表2中所列出的厚壁圆柱形零件。此外，当圆柱形零件的内径变化时，即使壁厚度不变的话，内应力也是不同的。因此，当通过改变圆柱形零件的内径而沿用本发明的制造方法时，或许还可能获得具有与表2中所列的部分地不同的壁厚度的圆柱形零件。例如，当内径大于80mm时，由于内应力减少，还可能获得比在内径为80mm时所得到的圆柱形零件的壁厚度更厚的圆柱形零件。因此，本发明的技术范围包括内径变化的制造方法，而并不仅仅限于80mm的内径。

如以上所述，在本发明的方法中，通过使用纤维增强塑料复合材料和通过减少热固化处理后产生的内应力能够制造具有优良质量的厚壁的圆柱形零件。

虽然已对本发明的优选实施方案作了显示和说明，但是应该理解，上述的公开内容仅仅是为了说明本发明，在不背离权利要求书中提出的本发明范围的前提下还可以作出种种的变化和改进。