Pmi泡沫夾芯碳纖維復(fù)合材料工程車臂架及其制造方法
【專利摘要】PMI泡沫夾芯碳纖維復(fù)合材料工程車臂架及其制造方法。本發(fā)明的PMI泡沫夾芯碳纖維復(fù)合材料工程車臂架包括PMI泡沫芯層，以及外表面包覆的碳纖維增強(qiáng)樹脂層蒙皮。本發(fā)明還包括PMI泡沫夾芯碳纖維復(fù)合材料工程車臂架的制造方法。本發(fā)明產(chǎn)品強(qiáng)度高，重量輕，易于維護(hù)。使用本發(fā)明，有利于簡(jiǎn)化制造復(fù)合材料臂架的工裝及工藝過程，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。本發(fā)明使用碳纖維材料作為臂架的蒙皮，通過PMI泡沫芯材代替現(xiàn)有技術(shù)中的芯模或者氣囊，利用PMI泡沫芯材的高耐溫性、高壓縮強(qiáng)度、重量輕、易加工等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)碳纖維層成型起到了輔助作用，在降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期的同時(shí)，提高了臂架的精度和失穩(wěn)強(qiáng)度及破壞強(qiáng)度。
【專利說明】PM I泡沬夾芯碳纖維復(fù)合材料工程車臂架及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種工程車臂架及其制造方法，尤其是涉及一種聚甲基丙烯酰亞胺泡沫(PMI泡沫)夾芯碳纖維復(fù)合材料工程車臂架及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]臂架是以混凝土泵車、消防救援車為代表的工程車的關(guān)鍵構(gòu)件之一，其安全性、可靠性和先進(jìn)性是決定工程車核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。目前，工程車臂架多使用高強(qiáng)鋼制造，重量較大，對(duì)車架、底盤要求較高，油耗很大，機(jī)動(dòng)性較差；同時(shí)，工程車臂架作業(yè)工況始終處于動(dòng)載作用下，臂架結(jié)構(gòu)各部件間還存在著耦合作用，易因疲勞破壞出現(xiàn)局部變形、開裂等問題；另外，工程車的作業(yè)環(huán)境惡劣，易發(fā)生腐蝕問題。
[0003]由于金屬臂架存在的以上諸多問題，現(xiàn)有多家研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)提出了使用碳纖維復(fù)合材料替代金屬制造工程車臂架的方法。
[0004]中國(guó)專利201010524104.4公開了一種制作混凝土泵車用碳纖維臂架的方法，設(shè)有芯模，芯模為中空結(jié)構(gòu)，芯模表面鏤空，覆蓋一層真空鍍膜，制造碳纖維臂架的原材料放在真空膜表面，上模及下模合在芯模上，上模及下模合模位置用螺栓緊固，上模及下模被真空膜包覆，兩端與芯模上的真空膜兩端密封在一起，真空膜上設(shè)有抽氣孔，整個(gè)模具放入熱壓罐內(nèi)，利用壓縮空氣加壓，用電加熱管進(jìn)行加熱固化成型。這種制造方法需要加工芯模，模具制造成本投入大，還需要模具維護(hù)、維修費(fèi)用。另外，模具制作時(shí)間長(zhǎng)，維修難度大，耗時(shí)長(zhǎng)，且在生產(chǎn)過程中需要抽模；這三個(gè)方面的因素，延長(zhǎng)了臂架的制作總耗時(shí)。
[0005]中國(guó)專利201210232251.3公開了一種碳纖維復(fù)合材料臂架的制作方法:向可伸縮氣囊中充氣，形成具有第一狀態(tài)的氣囊，在其外表面鋪放碳纖維預(yù)浸料，獲取第一過渡組件；將第一過渡組件放入箱型模具內(nèi)部，向具有第一狀態(tài)的氣囊內(nèi)部充氣，對(duì)碳纖維預(yù)浸料進(jìn)行壓縮定型，獲取第二過渡組件；將第二過渡組件進(jìn)行升溫固化，固化后冷卻脫模獲取碳纖維臂架。這種制作方法，由于第一過渡組件通過充氣擠壓得到第二過渡組件，前后尺寸發(fā)生了變化，那么要得到第二過渡組件的尺寸，就必須要對(duì)第一過渡組件的用量、尺寸包括伸縮性能進(jìn)行精確地預(yù)估，該項(xiàng)預(yù)估難以準(zhǔn)確，造成最終臂架尺寸難以符合設(shè)計(jì)要求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種生產(chǎn)成本低，產(chǎn)品重量輕，剛性好，制作周期短，易加工的PMI泡沫夾芯碳纖維復(fù)合材料工程車臂架及其制造方法。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
本發(fā)明之PMI泡沫夾芯碳纖維復(fù)合材料工程車臂架，包括PMI泡沫芯層，所述PMI泡沫芯層外表面包覆有碳纖維增強(qiáng)樹脂層蒙皮。
[0008]進(jìn)一步，所述PMI泡沫芯層由橫截面呈“回”字形的PMI泡沫矩形管構(gòu)成，所述橫截面呈“回”字形的PMI泡沫矩形管由橫截面呈“一”字形PMI泡沫條和橫截面呈“凹”字形泡沫條粘合而成。
[0009]進(jìn)一步，所述橫截面呈“一”字形PMI泡沫條和橫截面呈“凹”字形泡沫條的密度彡60 kg/m3、壓縮強(qiáng)度彡0.8 MPa、熱變形溫度彡150°C,130°C的壓縮強(qiáng)度大于0.4 MPa。
[0010]進(jìn)一步，所述碳纖維增強(qiáng)樹脂層的原料為碳纖維絲束，所述碳纖維絲束的縱向拉伸強(qiáng)度應(yīng)彡1800 MPa，縱向拉伸模量彡IlOGpa0
[0011]本發(fā)明之聚甲基丙烯酰亞胺泡沫夾芯碳纖維復(fù)合材料工程車臂架的制造方法，包括如下步驟:
(1)將PMI泡沫塊加工成橫截面呈“一”字形的PMI泡沫條和橫截面呈“凹”字形的PMI泡沫條，橫截面呈“凹”字形的PMI泡沫條的上部中央位置開有凹槽；
(2)將橫截面呈“一”字形的PMI泡沫條粘接于橫截面呈“凹”字形的PMI泡沫條頂部，形成橫截面呈“回”字形的PMI泡沫矩形管；
(3)制作一根矩形鋼管，所述矩形鋼管的外徑尺寸與橫截面呈“回”字形的PMI泡沫矩形管的內(nèi)徑尺寸相適應(yīng)；
(4)將矩形鋼管插入PMI泡沫矩形管中；
(5)將插有矩形鋼管的PMI泡沫矩形管置于在纖維纏繞機(jī)的夾具上，通過纖維纏繞機(jī)將浸潰了樹脂的碳纖維絲束環(huán)形纏繞在PMI泡沫矩形管的外表面，形成碳纖維增強(qiáng)樹脂層蒙皮;
(6)在碳纖維增強(qiáng)樹脂層外表面依次包覆離型膜、透氣氈，然后通過真空袋進(jìn)行密封，并對(duì)真空袋抽真空，然后置于熱壓罐中，通過加熱加壓方式實(shí)現(xiàn)固化成型，冷卻至常溫后，將矩形鋼管從PMI泡沫矩形管中抽出，即得到以碳纖維增強(qiáng)樹脂層為蒙皮，PMI泡沫為芯層的臂架。
[0012]進(jìn)一步，所述步驟(I)中，截面呈“一”字形的PMI泡沫條和截面為“凹”字形的泡沫條可由木工加工設(shè)備加工而成，橫截面呈“凹”字形的PMI泡沫條的上部中央位置的凹槽由數(shù)控銑床加工而成。
[0013]進(jìn)一步，所述步驟(2)中，將橫截面呈“一”字形的PMI泡沫條和橫截面呈“凹”字形的PMI泡沫條粘接固連時(shí)，可采用以下兩種方法中的一種:
(i )使用粘接劑(如環(huán)氧樹脂膠)，實(shí)現(xiàn)橫截面呈“一”字形的PMI泡沫條和橫截面呈“凹”字形的PMI泡沫條的粘接固連；
(ii)在橫截面呈“一”字形的PMI泡沫條和橫截面呈“凹”字形的PMI泡沫條的粘接面上覆蓋半固化片，將橫截面呈“一”字形的PMI泡沫條和橫截面呈“凹”字形的PMI泡沫條進(jìn)行加熱加壓，壓強(qiáng)0.15-0.6MPa (優(yōu)選0.25-0.4 MPa)，加熱溫度為60-135 °C (優(yōu)選120-130°C)，加熱時(shí)長(zhǎng)為0.5-4h (優(yōu)選l_2h)，實(shí)現(xiàn)粘接。
[0014]進(jìn)一步，所述步驟(3)中，所述矩形鋼管也可用實(shí)心矩形鋼條替代。
[0015]進(jìn)一步，所述步驟(5)中，纖維纏繞機(jī)的抽紗速度為10-20m/min，張力為10-20N。
[0016]進(jìn)一步,所述步驟(6)中，對(duì)真空袋抽真空至真空度為-0.098 MPa。
[0017]進(jìn)一步，所述步驟(6)中，通過加熱加壓方式實(shí)現(xiàn)固化成型時(shí)，升溫速度為2_3°C /min,固化溫度為115-135°C，保溫時(shí)間為1-5小時(shí)(優(yōu)選1.2-2小時(shí))，壓強(qiáng)為0.15-0.6MPa(優(yōu)選 0.2-0.4 MPa) ο
[0018]進(jìn)一步，所述步驟(6)中，當(dāng)固化成型的壓強(qiáng)要求小于0.1 MPa時(shí)，熱壓罐可用烘箱替代，通過烘箱直接加熱固化，固化溫度為115-135°C，加熱時(shí)間為1-5小時(shí)(優(yōu)選1.2-2小時(shí))。
[0019]本發(fā)明產(chǎn)品強(qiáng)度高，重量輕，易于維護(hù)。使用本發(fā)明，有利于簡(jiǎn)化工裝，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。本發(fā)明使用碳纖維材料作為臂架的蒙皮，通過PMI泡沫芯材代替現(xiàn)有技術(shù)中的芯?；蛘邭饽?，利用PMI泡沫芯材的高耐溫性、高壓縮強(qiáng)度、重量輕、易加工等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)碳纖維層成型起到了輔助作用，在降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期的同時(shí)，提高了臂架的精度和失穩(wěn)強(qiáng)度及破壞強(qiáng)度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為使用熱壓罐對(duì)臂架進(jìn)行加熱加壓的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為橫截面呈“凹”字形的PMI泡沫條的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為橫截面呈“一”字形的PMI泡沫條和橫截面呈“凹”字形的PMI泡沫條組裝結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0022]一種PMI泡沫夾芯碳纖維復(fù)合材料工程車臂架，包括PMI泡沫芯層4，所述PMI泡沫芯層4外表面包覆有碳纖維增強(qiáng)樹脂層蒙皮3 (參見圖1)。
[0023]參照?qǐng)D3，所述PMI泡沫芯層4由橫截面呈“回”字形的PMI泡沫矩形管構(gòu)成，所述橫截面呈“回”字形的PMI泡沫矩形管由橫截面呈“一”字形PMI泡沫條B和橫截面呈“凹”字形泡沫條A (參見圖2)粘合而成。
[0024]本發(fā)明之PMI泡沫夾芯碳纖維復(fù)合材料工程車臂架的制造方法，包括如下步驟: Cl)使用木工加工設(shè)備將PMI泡沫塊加工出I條長(zhǎng)*寬*高為2500*200*125mm的橫截面呈“凹”字形的PMI泡沫條A和I條長(zhǎng)*寬*高為2500*200*75mm的橫截面呈“一”字形的PMI泡沫條B，所述橫截面呈“凹”字形的PMI泡沫條A和橫截面呈“一”字形的PMI泡沫條B由密度為110kg/m3的PMI泡沫塊加工而成，加工尺寸誤差在±0.5mm內(nèi)；橫截面呈“凹”字形的PMI泡沫條A的上部中央位置開有凹槽C，凹槽C由數(shù)控銑床加工而成，槽深為50mm、槽寬為30mm (參見圖2)，加工誤差在±0.5mm內(nèi)；
(2)使用粘接劑(如環(huán)氧樹脂膠)將橫截面呈“凹”字形的PMI泡沫條A和橫截面呈“一”字形的PMI泡沫條B粘接起來，粘接時(shí)可采用手工涂膠的方式，將粘接劑在橫截面呈“凹”字形的PMI泡沫條A和橫截面呈“一”字形的PMI泡沫條B的粘接面涂刷四遍，以確保粘接層D的粘接面上的各處都能粘接牢固，制成橫截面呈“回”字形的PMI泡沫矩形管(參見圖3);
按照上述步驟制作5條長(zhǎng)為2500mm，I條長(zhǎng)為2100mm的橫截面呈“回”字形的PMI泡沫矩形管，并將制得的6根PMI泡沫矩形管依次沿軸向粘接起來；
(3)制作I根長(zhǎng)為15.6m、高*寬為50*30mm的矩形鋼管,誤差在±0.5mm內(nèi)；
(4)將步驟(3)中的矩形鋼管插入PMI泡沫矩形管；
(5)通過纖維纏繞機(jī)的夾具將插有矩形鋼管的PMI泡沫矩形管夾住并拉直，通過纖維纏繞機(jī)將浸潰了樹脂的碳纖維絲束環(huán)形纏繞于PMI泡沫矩形管外表面，所述浸潰了樹脂的碳纖維絲束為預(yù)浸料制復(fù)合材料(室溫下縱向拉伸強(qiáng)度2468MPa，縱向拉伸模量165 GPa,環(huán)氧樹脂體系，固化溫度為115-130°C);纖維纏繞機(jī)抽紗速度為15m/min，張力為15N，形成碳纖維增強(qiáng)樹脂層蒙皮3 ；
(6)依次將離型膜2 (如由艾爾泰克公司生產(chǎn)的艾爾泰克WL4900型，最高使用溫度170°C)、透氣租I (如由艾爾泰克公司生產(chǎn)的艾爾泰克AirweaveN-1O型)包覆并固定于碳纖維增強(qiáng)樹脂層3外表面，然后將真空袋6 (艾爾泰克5400型，最高使用溫度為177°C)通過密封條(如由艾爾泰克公司生產(chǎn)的艾爾泰克AT-200Y，最高使用溫度204°C)進(jìn)行密封，在真空袋一端接好真空管7，另一端安裝好真空傳感器(圖中未示出)，用真空泵(圖中未示出)對(duì)真空袋抽真空至真空度達(dá)到-0.098MPa ;然后放置在熱壓罐5中，通過加熱(升溫速度為2V /min,固化溫度為130°C，保溫時(shí)間為4小時(shí))、加壓(壓強(qiáng)為0.3MPa)的方式進(jìn)行固化成型，冷卻至常溫后，將矩形鋼管從PMI泡沫矩形管中抽出，然后按設(shè)計(jì)尺寸要求進(jìn)行修剪，切除兩端各300_，即得到以碳纖維增強(qiáng)樹脂層為蒙皮，PMI泡沫為芯層的臂架。
[0025]相比中國(guó)專利201010524104.4公開的一種制作混凝土泵車用碳纖維臂架的方法,本發(fā)明生產(chǎn)成本更低。
[0026]另外，由于PMI泡沫易于加工，制作規(guī)定尺寸的型材時(shí)間短，節(jié)省了制作芯模需要的至少3個(gè)月時(shí)間，所以使用本發(fā)明能極大縮短臂架制造的總周期。
[0027]且使用本發(fā)明工藝生產(chǎn)臂架，PMI泡沫材料仍保留在碳纖維層內(nèi)部，只需要抽出鋼管即可，省去了抽芯模的時(shí)間，也就縮短了臂架的生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率。
[0028]與中國(guó)專利201210232251.3公開的一種碳纖維復(fù)合材料臂架的制作方法相比，本發(fā)明中所使用的PMI泡沫材料具有高熱變形溫度、高壓縮強(qiáng)度和高溫高壓下的低壓縮蠕變率，所以使用本發(fā)明所述方法生產(chǎn)的碳纖維臂架的碳纖維增強(qiáng)樹脂層的尺寸精確度更聞。
[0029]本發(fā)明使用PMI泡沫作為芯材，PMI泡沫本身的力學(xué)性能優(yōu)異，PMI泡沫填充的復(fù)合材料臂架，其強(qiáng)度、剛性和失穩(wěn)強(qiáng)度更高。
【權(quán)利要求】
1.PMI泡沫夾芯碳纖維復(fù)合材料工程車臂架，其特征在于，包括PMI泡沫芯層，所述PMI泡沫芯層外表面包覆有碳纖維增強(qiáng)樹脂層蒙皮。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PMI泡沫夾芯碳纖維復(fù)合材料工程車臂架，其特征在于，所述PMI泡沫芯層由橫截面呈“回”字形的PMI泡沫矩形管構(gòu)成，所述橫截面呈“回”字形的PMI泡沫矩形管由橫截面呈“一”字形PMI泡沫條和橫截面呈“凹”字形泡沫條粘合而成。
3.實(shí)施權(quán)利要求1-2任一項(xiàng)所述PMI泡沫夾芯碳纖維復(fù)合材料工程車臂架的制造方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)將PMI泡沫塊加工成橫截面呈“一”字形的PMI泡沫條和橫截面呈“凹”字形的PMI泡沫條； (2)將橫截面呈“一”字形的PMI泡沫條粘接于橫截面呈“凹”字形的PMI泡沫條頂部，形成橫截面呈“回”字形的PMI泡沫矩形管； (3)制作一根矩形鋼管，所述矩形鋼管的外徑尺寸與橫截面呈“回”字形的PMI泡沫矩形管的內(nèi)徑尺寸相適應(yīng)； (4)將矩形鋼管插入PMI泡沫矩形管中； (5)將插有矩形鋼管的PMI泡沫矩形管置于纖維纏繞機(jī)的夾具上，通過纖維纏繞機(jī)將浸潰了樹脂的碳纖維絲束環(huán)形纏繞在PMI泡沫矩形管的外表面，形成碳纖維增強(qiáng)樹脂層蒙皮； (6)在碳纖維增強(qiáng)樹脂層外表面依次包覆離型膜、透氣氈，然后通過真空袋進(jìn)行密封，并對(duì)真空袋抽真空，然后置于熱壓罐中，通過加熱加壓方式實(shí)現(xiàn)固化成型，冷卻至常溫后，將矩形鋼管從PMI泡沫矩形管中抽出，即得到以碳纖維增強(qiáng)樹脂層為蒙皮，PMI泡沫為芯層的臂架。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述PMI泡沫夾芯碳纖維復(fù)合材料工程車臂架的制造方法，其特征在于，所述步驟(2)中，將橫截面呈“一”字形的PMI泡沫條和橫截面呈“凹”字形的PMI泡沫條粘接固連，采用以下兩種方法中的一種: (i )使用粘接劑，實(shí)現(xiàn)橫截面呈“一”字形的PMI泡沫條和橫截面呈“凹”字形的PMI泡沫條的粘接固連； (ii)在橫截面呈“一”字形的PMI泡沫條和橫截面呈“凹”字形的PMI泡沫條的粘接面上覆蓋半固化片，將橫截面呈“一”字形的PMI泡沫條和橫截面呈“凹”字形的PMI泡沫條進(jìn)行加熱加壓，壓強(qiáng)0.15-0.6MPa，加熱溫度為60_135°C，加熱時(shí)長(zhǎng)為0.5_3h，實(shí)現(xiàn)粘接。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述PMI泡沫夾芯碳纖維復(fù)合材料工程車臂架的制造方法，其特征在于，所述步驟(3)中，所述矩形鋼管用實(shí)心矩形鋼條替代。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述PMI泡沫夾芯碳纖維復(fù)合材料工程車臂架的制造方法，其特征在于，所述步驟(5)中，纖維纏繞機(jī)的抽紗速度為10-20m/min，張力為10-20N。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述PMI泡沫夾芯碳纖維復(fù)合材料工程車臂架的制造方法，其特征在于，所述步驟(6)中，對(duì)真空袋抽真空至真空度為-0.098 MPa。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述PMI泡沫夾芯碳纖維復(fù)合材料工程車臂架的制造方法，其特征在于，所述步驟(6)中，通過加熱加壓方式實(shí)現(xiàn)固化成型時(shí)，升溫速度為2-3°C /min，固化溫度為115-135°C，保溫時(shí)間為1-5小時(shí)，壓強(qiáng)為0.15-0.6MPa。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述PMI泡沫夾芯碳纖維復(fù)合材料工程車臂架的制造方法，其特征在于，所述步驟(6)中，若固化成型的壓強(qiáng)小于0.1MPa時(shí)，熱壓罐用烘箱替代，通過烘箱直接加熱固化，固化溫度為115_135°C，加熱時(shí)間為1-5小時(shí)。
【文檔編號(hào)】B29C70/06GK104369387SQ201410578181
【公開日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月27日
【發(fā)明者】楊俊 , 黎孟陽, 馬曉雄 申請(qǐng)人:湖南兆恒材料科技有限公司