一种使用预制件制造大型复合材料管状制品的方法

摘要

一种使用预制件制造大型复合材料管状制品的方法。它是先在模具上湿法缠绕一层复合材料环向层，然后将预制好的复合材料预制件卷绕在上面，再在上面缠绕一层复合材料环向层，卷绕在两层环向层之间的预制件被外层环向层的纤维捆紧，同时被环向层富余的树脂浸渍、粘接，形成轴向层，而环向层和轴向层，又被树脂粘接成一个整体，如此循环往复，直至设计要求，构成环向层和轴向层交替重叠的3层或多层结构的复合材料制品。本方法可根据制品的使用要求进行力学结构设计，确定不同方向的性能要求；用预制件来提供轴向性能，用环向缠绕来提供环向性能，可满足的性能要求范围宽广。生产原材料成本低，自动化程度高，方便制造大型制品，制品质量容易控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料大型管状制品的制造方法。

背景技术

输送介质或结构用途的复合材料管道、烟筒、杆塔及型材等大型管状制品，常采用缠绕、手糊、拉挤等成型工艺制造。复合材料是各向异性材料，通常需要根据具体制品的受力情况设计铺层结构，以实现不同方向上的不同性能要求。

手糊成型工艺是一种接触成型工艺，其制品力学性能较差。而且其增强材料采用的是单向布、短切毡、方格布等纤维织物，由于纤维织物的价格一般是纤维纱的2倍，所以原材料成本较高。同时，手糊成型对人工的依赖较大，生产效率低，制品的质量稳定性差，而且制造大型制品的难度较大。

拉挤成型工艺可以提供较高的轴向强度，难以提供较高的环向强度，在需要二者兼顾的制品上无法使用。而且，拉挤成型工艺能够制造的制品尺寸不能太大，也无法满足大型制品的要求。

而缠绕成型工艺，制品上必定需要有一个从中间部分到端头部分的过渡段。对于小型制品，由于过渡段较短，一般直接切除丢弃；对于中型制品，可采用封头或挂纱器来减少过渡段的长度后切除丢弃；对于大型制品，过渡段很长，如果切除过渡段，则会造成很大的浪费；因此，只能以很大的缠绕角(接近90°)进行缠绕(环向缠绕)，此时无法提供轴向性能。为了解决这个问题，通常的方法是采用单向布、短切毡、方格布等纤维织物辅以手糊成型方式，或采用纤维纱辅以喷射成型方式，配合环向缠绕，这样又会引入手糊成型的缺点。而且，在制品需要较高轴向性能时，这种方式也难以满足要求。

发明内容

本发明目的旨在解决大型复合材料管状制品，在受到过渡段不能切除的制约下，只能采用大角度环向缠绕，轴向性能不足的问题，同时要兼顾工艺性、可靠性且经济的要求。提供一种使用预制件制造大型复合材料管状制品的方法。

本发明目的采用以下技术方案实现：

本发明的一种使用预制件制造大型复合材料管状制品的方法，特点在于使用纤维主要取向为轴向的复合材料预制件来为制品提供轴向层，使用纤维纱环向缠绕来提供环向层，使制品最终达到性能要求。

本发明所述的制造方法，采用二步法实现；即先按要求生产复合材料预制件备用，然后用生产好的预制件，配合缠绕工艺制造产品。复合材料预制件采用拉挤、编织等工序制造。在缠绕的过程中，将预制件嵌入到产品中。其具体方法如下：

一种大型复合材料管状制品的制造方法，其特征是，采用嵌入预制件和湿法缠绕方法，先在模具上湿法缠绕一层复合材料环向层，然后将预制好的复合材料预制件卷绕在上面，再在上面湿法缠绕一层复合材料环向层，卷绕在两层环向层之间的预制件被外层环向层的纤维捆紧，同时被环向层富余的树脂浸渍、粘接，形成轴向层，而环向层和轴向层，又被树脂粘接成一个整体，如此循环往复，直至设计要求，而构成环向层和轴向层交替重叠的3层或多层结构的复合材料制品。

本发明的制造方法中，所述的环向层是浸渍了树脂的纤维缠绕纱，由缠绕机经缠绕工艺制造形成。

所述的预制件是主体和连接线组成的竹帘状构件，其主体为树脂基复合材料采用拉挤成型工艺制成的长条形材料，其长条排布主要取向为轴向；连接线选用玻璃纤维、尼龙纤维或芳纶纤维制成。

所述的预制件的制作方法是：先将主体材料切割成一致的需要长度；然后利用主体材料自身的机械嵌套结构，或用连接线采用编织、穿孔连接的方法，将主体材料连接成一串连续的竹帘状预制构件，收卷备用。

所述的大型复合材料管状制品是指圆形、矩形、多边形或其它截面的管道、烟筒、或塔筒管状复合材料制品，其圆形截面直径或其它截面对角线长度为2-20米，长度为6-20米。

所述的树脂是指不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂、环氧树脂或酚醛树脂，或上述树脂的改性品种。

所述的纤维是指玻璃纤维、C纤维、玄武岩纤维、硼纤维、超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维或其它可用于复合材料增强体的纤维。

本发明与现有技术相比的优点在于，可以根据制品的使用要求进行力学结构设计，确定不同方向的性能要求；用预制件来提供轴向性能，用环向缠绕来提供环向性能，可满足的性能要求范围宽广。同时，预制件的生产和环向缠绕的原材料都是纤维纱和树脂，原材料成本低；而且都采用机械化生产，工艺的自动化程度高，方便制造大型制品，同时制品的质量容易控制。

附图说明

图1是制品的截面成型示意图

图2是预制件的结构示意图

图中：1-模具，2-环向层，3-轴向层，4-预制件主体，5-连接线。

具体实施方法

实施例1

按本发明的方法制造的复合材料大型管状制品，其截面示意如图1所示：它包含有交替重叠的环向层2和轴向层3的3层或多层结构，由嵌入的预制件和湿法缠绕结构构成，模具1外有若干层复合材料结构，环向层2与轴向层3交替重叠，环向层2将轴向层3包裹在中间。轴向层3是预先制备的预制件由缠绕纤维的张力捆紧及富余树脂的粘接形成，环向层2是纤维纱和树脂通过缠绕工艺形成，二者之间由树脂粘接成一个整体。

上述预制件为树脂基复合材料，如图2所示：由主体4和连接线5组成，主体4是由拉挤成型工艺制成的长条状材料，其长条排布主要取向为轴向；连接线5选用玻璃纤维、尼龙纤维或芳纶纤维等制成。制作方法是根据需要，先将拉挤主体材料切割成一致的长度；然后利用其自身的机械嵌套结构(此时没有连接线5)或用连接线5采用编织，或穿孔连接的方法，连接成一串连续的竹席状(竹帘状)预制结构，收卷备用。

制造大型复合材料制品时，如图1所示，先在模具1上湿法缠绕一层复合材料环向层2，然后将预制好的复合材料预制件卷绕在上面，再在上面缠绕一层复合材料环向层2；卷绕在两层环向层2之间的预制件被外层环向层2的纤维捆紧，同时被环向层2富余的树脂浸渍、粘接，形成轴向层3；而环向层2和轴向层3，又被树脂粘接成一个整体；如此循环往复，直至设计要求；构成环向层2和轴向层3交替重叠的3层或多层结构的复合材料制品。

当使用的预制件根数较少时，即制品相对较小，预制件相对较大，也可无须预先将预制件制成连续的竹席状结构，而直接在环向层上排布。

上述实施例1中树脂系指不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂、环氧树脂或酚醛树脂，或上述树脂的改性品种。

上述纤维包括玻璃纤维、C纤维、玄武岩纤维、硼纤维、超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维及其它可用于复合材料增强体的纤维。