專利名稱：由纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制造的圓柱形零件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用作結(jié)構(gòu)件的、由纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制造的圓柱形零件，以及用纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制造的上述的圓柱形零件的方法。
纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料具有卓越的比強(qiáng)度、比剛度和耐蝕性。然而，當(dāng)由纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制造結(jié)構(gòu)件時(shí)它仍存在各種各樣需要解決的技術(shù)問題。
當(dāng)由纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制造厚壁圓柱形零件時(shí)，現(xiàn)在沿用諸如長絲纏繞法、帶纏繞法、片纏繞法、等等的各種各樣方法。
然而，纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料具有這樣的特性以致在層合方向上其熱膨脹系數(shù)的差別很大。因此，當(dāng)由纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制造厚壁圓柱形零件時(shí)，在被加熱固化之后在纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料中必然產(chǎn)生與固化溫度和室溫的差值成正比例的內(nèi)應(yīng)力。在厚壁圓柱形零件的例子中出現(xiàn)產(chǎn)生于纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料中的內(nèi)應(yīng)力超過纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料的夾層粘合強(qiáng)度的情況。在此情況時(shí)，在纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料中發(fā)生夾層分離。
在一般的層合厚壁圓柱形零件的方法中，±10°/±45°/±85°的許多層合角被相互結(jié)合。在這種情況下，當(dāng)圓柱形零件的直徑很小(例如，小于200mm)和壁厚很大(例如，大于30mm)時(shí)，由于內(nèi)應(yīng)力過大而存在的問題是發(fā)生夾層分離。
為了克服這種涉及夾層分離的問題，日本公布的未審查(公開)的專利申請No.2-236014公開一種為了消除由于加熱固化和冷卻到室溫時(shí)的條件差之間的熱膨脹系數(shù)的差別所引起的夾層分離，而交替層合抗扭加強(qiáng)層(其中層合角為±30 °到±60°，相對于軸向)和抗彎加強(qiáng)層(其中層合角為0°到20°)的這樣的方法。
此外，日本公布的未審查(公開)的專利申請No.6-335973公開一種為了減少在固化加熱時(shí)的溫度偏移并由此減少其內(nèi)應(yīng)力而使用高頻感應(yīng)加熱裝置的方法。
在第一種的現(xiàn)有技術(shù)方法中，由于可制造的圓柱形零件的壁厚被限制在15mm左右，因此，以不同的層合角(即，層合方向)層合各層。但是，當(dāng)其壁厚增加到高于此值(例如，15～50mm)時(shí)，產(chǎn)生于纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料中的內(nèi)應(yīng)力隨著壁厚的增加而急劇地增加，以致在纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層中出現(xiàn)夾層分離。因此，通過最好地利用復(fù)合材料的特性來制造高強(qiáng)度和高剛性的圓柱形結(jié)構(gòu)是不可能的。
另外，在第二種的現(xiàn)有技術(shù)方法中，為了減少熱固化期間的溫度偏移并由此減少產(chǎn)生在纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層中的內(nèi)應(yīng)力而使用高頻感應(yīng)加熱裝置，由于將磁性物質(zhì)添加到母體樹脂中，其重量必然增加，結(jié)果出現(xiàn)結(jié)構(gòu)體的重量增加和性能變差的問題。在該方法中存在的另外問題是專用的高頻感應(yīng)加熱設(shè)備必須根據(jù)被制造的結(jié)構(gòu)體的形狀來制造，以代替熱壓罐或加熱爐。
還有，當(dāng)使用由鋼(熱膨脹系數(shù)為10～12×10-6/℃)形成的型芯時(shí)，由于在加熱固化后被冷卻時(shí)型芯的收縮而出現(xiàn)內(nèi)層在其徑向上收縮的問題并由此經(jīng)常發(fā)生夾層分離問題。
考慮到這些問題，因此本發(fā)明的目的是提供一種由利用纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料、通過減少其內(nèi)應(yīng)力、并同時(shí)使用常用設(shè)備來制造具有穩(wěn)定質(zhì)量的厚壁(例如，40m)圓柱形零件的方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明提供一種由纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制造圓柱形零件的方法，它包括以下的步驟將具有某一彈性模量的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層合在型芯上，將具有另一彈性模量的不同類的所說的復(fù)合材料纏繞到所說的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料上，交替地重復(fù)所說的層合操作和所說的纏繞操作，固化這二種所說的材料并在冷卻和取出所說的模芯后獲得沒有由于內(nèi)應(yīng)力引起的變形的纖維增強(qiáng)塑料產(chǎn)品。
另外，本發(fā)明還提供一種由纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制造圓柱形零件的方法，它包括以下的步驟沿金屬型芯的圓周方向?qū)雍暇哂泻苄〉臒崤蛎浵禂?shù)的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料；為了固化而加熱層合的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料，以形成輔助件；將另一種纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層合在形成的輔助件的外側(cè)面上；以及為了固化而加熱已成形的、層合的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料。
另外，本發(fā)明還提供一種由纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制造厚壁圓柱形零件的方法，它包括以下的步驟沿型芯的圓周方向?qū)雍暇哂泻苄〉臒崤蛎浵禂?shù)的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料；在第一種加熱條件下熱固化層合的復(fù)合材料以形成輔助件；用高耐熱簿膜覆蓋形成的輔助件；在簿膜覆蓋的輔助件上層合另一纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料，以形成第一纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層；將具有彈性模量小于第一纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料的彈性模量的另一種纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層合到已成形的第一纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層上，以形成第二纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層；將與第一纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層的材料相同的另一種纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層合到形成的第二纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層，以形成第三纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層；將與第二纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層的材料相同的另一種纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料和與第三纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層的材料相同的另一種纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料交替地以預(yù)定的次數(shù)層合到第三纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層；在溫度低于和時(shí)間短于第一種加熱條件的第二種加熱條件下壓實(shí)所有的層合的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層，以形成強(qiáng)力件；將與第二纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層的材料相同的另一種纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料和與第三纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層的材料相同的另一種纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料交替地以預(yù)定的次數(shù)層合到形成的強(qiáng)力件上；在第二種加熱條件下壓實(shí)所有的層合的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層，以形成另一的強(qiáng)力件；將與第二纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層的材料相同的另一種纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料和與第三纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層的材料相同的另一種纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料交替地以預(yù)定的次數(shù)層合到形成的強(qiáng)力件上，以在成形的強(qiáng)力件上形成具有預(yù)定厚度的厚壁圓形體；在第一種加熱條件下熱固化所有的層合的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層。
另外，本發(fā)明還提供一種由纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制造的厚壁圓柱形零件，該厚壁圓柱形零件包括多種具有不同的彈性模量和被分別地交替層合的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料。
在根據(jù)本發(fā)明的由復(fù)合材料制造的厚壁圓柱形零件的方法中，為了降低固化后產(chǎn)生于纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層中的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)厚壁圓柱形零件的主要材料為碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料時(shí)，將一種具有彈性模量小于碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料的彈性模量的彈性墊料(例如，玻璃或芳酰胺纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料)分成幾到20％分別層合到厚壁方向的若干層中。通過這些層合層，能減少每一層中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力并由此消除在熱固化圓柱形零件后引起的夾層分離。
此外，在疊鋪期間，就壓實(shí)法而言層合的圓柱形零件在低于固化溫度(例如，180℃)的某一溫度(例如，60℃～130℃)和壓力(例如，從真空到7kgf/cm2)下處理一段時(shí)間(例如，30～60分鐘)；即，在這樣的條件下不會對最后的固化的圓柱形零件的物理性能發(fā)生有害的影響。通過這種壓實(shí)工藝，能夠減少在疊鋪與被加熱后條件之間其壁厚度的變化和防止在固化加熱后出現(xiàn)局部曲折和局部褶皺；即，降低內(nèi)應(yīng)力。
另外，由于將由在纖維方向上具有很小的熱膨脹系數(shù)的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層形成的輔助件層合到提高強(qiáng)度和剛性所需的強(qiáng)力件內(nèi)部，這就可能防止強(qiáng)力件一旦為了固化而被加熱和隨后被冷卻后出現(xiàn)各內(nèi)層的收縮，由此可以防止厚壁圓柱形零件的夾層分離。此處，就用于此目的的復(fù)合材料而言，在纖維方向上具有大致為零的熱膨脹系數(shù)的碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料是適于被使用的。
另外，由于內(nèi)應(yīng)力的出現(xiàn)率是與固化溫度和室溫之間的差值成正比例的，因此有可能與慣用的固化周期所得到的性能相比在不降低性能的范圍內(nèi)通過降低固化溫度來減少加熱固化條件與冷卻條件之間的溫度差值。結(jié)果，有可能在熱固化后減少內(nèi)應(yīng)力。
此外，根據(jù)壁厚和用途，有可能通過變化纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料的層合方向來消除內(nèi)應(yīng)力的出現(xiàn)。


圖1為顯示根據(jù)本發(fā)明的由纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制造厚壁圓柱形零件方法所用的型芯的側(cè)視圖；圖2為有助于說明根據(jù)本發(fā)明的由纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制造厚壁圓柱形零件的第一種方法的示例圖；圖3為有助于說明根據(jù)本發(fā)明的由纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制造厚壁圓柱形零件的第二種方法的示例圖；圖4為有助于說明根據(jù)本發(fā)明的由纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制造厚壁圓柱形零件的第三種方法的示例圖；圖5為有助于說明根據(jù)本發(fā)明的由纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制造厚壁圓柱形零件的第四種方法的示例圖；圖6為顯示根據(jù)本發(fā)明的由纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制造厚壁圓柱形零件方法的固化周期的曲線圖；和圖7為顯示根據(jù)本發(fā)明的由纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制造的厚壁圓柱形零件的內(nèi)應(yīng)力的分析結(jié)果的曲線圖。
在下文中將參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行介紹。
圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的由纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制造厚壁圓柱形零件方法所用的成型型芯。型芯1是由鋼材(熱膨脹系數(shù)10～12×10-6/℃)形成的。另外，所形成的成型型芯1具有從其外表面1 a的一端向另一端延伸的很小的錐度，以便在熱固化后容易從型芯1取出圓柱形零件。
如圖2中所示，碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料(CFRP)2a以角θ(約90度)和徑向厚度約為幾毫米(約3～5毫米)方式被疊鋪在成型型芯1的外表面1a上，以致壁的厚度能夠變化來抵消成型型芯1的外表面1a上的錐形表面。在圖6中所示的固化周期中，將被疊鋪在成型型芯1的外表面1a上的碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料(CFRP)2a進(jìn)行固化加熱(即，熱定形)；即，在165℃下歷時(shí)240分鐘。被加熱的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料2a形成為輔助件2?？梢圆捎脩T用的固化周期(例如，在180℃下歷時(shí)120分鐘)代替圖6中所示的固化周期。
將高耐熱的簿膜(未示出)(例如，泰佛隆帶(泰佛隆“Teflon”是聚四氟乙烯的商標(biāo)))纏繞在被疊鋪在成型型芯1上的輔助件2上以致覆蓋住輔助件2的整個(gè)表面。此簿膜被用來將輔助件2完全與被疊鋪在其上的強(qiáng)力件3相隔離。
當(dāng)強(qiáng)力件3的碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料的層合方向不同時(shí)，根據(jù)碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料的纖維方向其熱膨脹系數(shù)也不同。例如，在碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料的例子中，由于碳纖維的強(qiáng)大的影響在纖維延伸方向的熱膨脹系數(shù)幾乎為零。然而，在垂直于碳纖維的方向上因?yàn)樘祭w維的影響很弱之故，在該垂直方向上的熱膨脹系數(shù)由于母體樹脂的強(qiáng)烈影響而是相當(dāng)?shù)拇蟆Ｒ虼?，?dāng)將碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料從固化溫度冷卻到室溫時(shí)，就在形成的各強(qiáng)力件3之間存在層合方向差別的情況來說，由于在各強(qiáng)力件3之間熱膨脹系數(shù)的不同之故內(nèi)應(yīng)力(張力)增加，以致出現(xiàn)各強(qiáng)力件3彼此相分離的情況。因此，制得具有較厚的壁并且在各強(qiáng)力件3之間的層合方向差別減少的圓柱形零件是有可能的。
被疊鋪在輔助件2上的各強(qiáng)力件3可以按照圖3～5中所示的三步法夾形成。
更詳細(xì)地如圖3中所示，在被疊鋪在成型型芯1上的輔助件(例如，泰佛降帶(泰佛降“Teflon”是聚四氟乙烯的商標(biāo)))2上，由碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料和玻璃纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料(作為彈性復(fù)合材料)組成的強(qiáng)力件3a(它相當(dāng)于全部層的1/3)以相對于成型型芯1的軸線為±17度的層合方向疊鋪。
在被施加到圓柱的軸線的外力幾乎為不包括扭力的彎曲、拉伸和壓縮的情況中，可以認(rèn)為當(dāng)將層合方向選定為接近軸向時(shí)能夠制得高強(qiáng)度的圓柱形零件。然而，在此種情況下，難于進(jìn)行纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料的層合作業(yè)。此處，就能夠確保強(qiáng)度和剛度而言，從生產(chǎn)率的觀點(diǎn)考慮，最好選擇不在軸向的層合方向。因此，在能夠確保必不可少的強(qiáng)度和必不可少的剛性又能使層合作業(yè)在給定的條件下順利地進(jìn)行的前提下，可以設(shè)定17度的不變的層合方向。然而，并不僅僅局限于這一角度，如果需要的話此層合方向是可以變化的。
作為主要材料的碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料與作為彈性墊料的玻璃纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料之比可以根據(jù)復(fù)合規(guī)則選定，以便符合所要求的強(qiáng)度和彈性模量。
在碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料和玻璃纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料的例子中，兩者在強(qiáng)度方面稍有區(qū)別。然而，兩者在彈性模量方面存在大的差別。因此，碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料與玻璃纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料之比根據(jù)以下的彈性模量的復(fù)合規(guī)則選定為9∶1，以使各彈性模量符合所要求的值E＝Er×Vr+Eb×Vb式中E＝要求的彈性模量Er＝強(qiáng)力件的彈性模量Eb＝彈性墊料的彈性模量Vr＝強(qiáng)力件的體積比例Vb＝彈性墊料的體積比例將被疊鋪在成型型芯1的輔助件2上的強(qiáng)力件3a在100℃和6kgf/cm2下進(jìn)行30分鐘的壓縮處理，以確保圓柱度和防止出現(xiàn)局部曲折與局部褶皺。
此后，如圖4中所示，將約占全部層1/3的另一強(qiáng)力件3b另外疊鋪在被疊鋪在成型型芯1的強(qiáng)力件3a上。對被疊鋪在強(qiáng)力件3a上的強(qiáng)力件3b在100℃和6kgf/cm2下進(jìn)行30分鐘的壓縮處理，以確保圓柱度和防止出現(xiàn)局部曲折與局部褶皺。
另外，如圖5中所示，將約占全部層1/3的另一強(qiáng)力件3c另外疊鋪在被疊鋪在成型型芯1的強(qiáng)力件3b上。對被疊鋪在強(qiáng)力件3b上的強(qiáng)力件3c在165℃下進(jìn)行240分鐘的固化加熱，以獲得具有厚壁和由碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制成的圓柱形零件。
在對具有厚壁和由復(fù)合材料及通過最終的固化制成的圓柱形零件的物理性質(zhì)不存在有害影響的范圍內(nèi)選定上述的壓縮條件(壓力、溫度、時(shí)間、次數(shù))。
如以上所述，在本發(fā)明的制造方法的上述的優(yōu)選實(shí)施方案中，當(dāng)形成強(qiáng)力件3時(shí)，將形成強(qiáng)力件3的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料分別層合三次。此處，一層玻璃纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料以有規(guī)律的間距被疊鋪在纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料之間。此外，在第一與第二次層合后，對強(qiáng)力件3進(jìn)行在100℃和6kgf/cm2下進(jìn)行30分鐘的壓縮處理。
此外，在本發(fā)明的制造方法的優(yōu)選實(shí)施方案中，強(qiáng)力件3的層合層的數(shù)目與壓縮處理的時(shí)間控制如下8層纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料→1層玻璃纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料→9層纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料→1層玻璃纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料→8層纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料→壓縮處理→1層纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料→1層玻璃纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料→9層纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料→1層玻璃纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料→9層纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料→1層玻璃纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料→5層纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料→壓縮處理→4層纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料→1層玻璃纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料→9層纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料→1層玻璃纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料→9層纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料→1層玻璃纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料→3層纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料→熱固化處理。
在此實(shí)施方案中，在第三次層合后，對圓柱形零件在165℃和6kgf/cm2下進(jìn)行240分鐘的加熱固化。此溫度條件低于在6kgf/cm2下120分鐘的180℃的慣用條件。由于熱固化溫度被降低，能使加熱溫度與室溫之間的差值減少，以致熱應(yīng)力能被減少。此外，還證實(shí)，由于固化條件的改變復(fù)合材料的性能沒有變化。更具體地說，在165℃下試樣被熱固化240分鐘，并且還進(jìn)一步證實(shí)這些試樣在玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化點(diǎn)溫度有變化。另外，通過測定這些試樣的吸水量還證實(shí)，被含在試樣中的非活性物質(zhì)是與在180℃固化120分鐘的試樣中的非活性物質(zhì)相當(dāng)。此外，對經(jīng)過最終的熱固化處理的相同試樣的每一塊進(jìn)行強(qiáng)度測試。證實(shí)其強(qiáng)度沒有降低?；谏鲜龅淖C據(jù)，選定最終的熱固化條件。
進(jìn)行上述的壓縮處理，以確保正確的圓柱形和防止出現(xiàn)局部曲折與局部褶皺。基于塑料開始流動(dòng)的這樣的溫度標(biāo)準(zhǔn)和塑料還未被熱固化的這樣的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的前提下可在最終熱固化后對復(fù)合材料的物理性質(zhì)不存在有害影響的范圍內(nèi)選定這些條件。換句話說，壓縮處理?xiàng)l件是基于壓縮處理后塑料的性能測定和最終的熱固化后塑料的強(qiáng)度測試結(jié)果來確定的。被確定的壓縮條件如下溫度為60～130℃，和壓力為通常熱固化條件的3～6kgf/cm2。
表1列出固化條件與物理性能的關(guān)系。表1固化條件與性能
基于上述的測試結(jié)果，在本發(fā)明的固化周期(固化時(shí)間240分鐘；固化溫度165℃)中，得到相當(dāng)于慣用的固化周期(固化時(shí)間120分鐘；固化溫度180℃)的性能。因此，固化溫度與室溫的差值是能夠減少的。
在根據(jù)本發(fā)明的方法由纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制造的厚壁圓形件中，主要材料是碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)而彈性墊料是玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)。根據(jù)強(qiáng)度與剛性的要求，二者的比例是9∶1。另外，層合取向是±17°(100％)的單向。此單向?qū)雍先∠虻目箯潖?qiáng)度和剛性二者均相當(dāng)于由具有±10°(65％)/±45°(25％)/±85°(10％)的層合取向的復(fù)合材料制造的圓柱形零件的抗彎強(qiáng)度和剛性。
圖7顯示由復(fù)合材料制造的在該固化周期中固化后得到的厚壁圓柱形零件的內(nèi)應(yīng)力的分析結(jié)果(NASTRAN)。
在圖7中，實(shí)曲線顯示由具有±17°(100％)的單向?qū)雍先∠虻膹?fù)合材料制造和165℃固化溫度的厚壁圓柱形零件所得到的內(nèi)應(yīng)力變化；虛曲線顯示由具有±10°(65％)/±45°(25％)/±85°(10％)的層合取向的復(fù)合材料制造和180℃固化溫度的厚壁圓柱形零件所得到的內(nèi)應(yīng)力變化；點(diǎn)劃曲線顯示由具有±10°(65％)/±45°(25％)/±85°(10％)的層合取向的復(fù)合材料制造和165℃固化溫度的厚壁圓柱形零件所得到的內(nèi)應(yīng)力變化。
此外，用于形成由復(fù)合材料制造的厚壁圓柱形零件的碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料與玻璃纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料二者的比例為9∶1。
在由具有±10°(65％)/±45°(25％)/±85°(10％)的層合取向的復(fù)合材料制造的厚壁圓柱形零件中，±10°和±45°的層合方向被施加到碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料而±85°的層合方向被施加到玻璃纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料。此外，層合層的數(shù)目和壓縮加工的時(shí)間控制如下±10°5層→45°1層→±85°1層→±45°1層→±10°6層→±45°1層→±85°1層→±45°1層→±10°6層→±45°1層→±8 5°1層→±45°1層→10°2層→壓縮→±10°4層→±45°1層→±85°1層→±45°1層→±10°6層→±45°1層→±85°1層→±45°1層→±10°6層→±45°1層→85°1層→±45°1層→10°2層→壓縮→±10°4層→±45°1層→±85°1層→±45°1層→10°6層→±45°1層→±85°1層→±45°1層→±10°6層→±45°1層→85°1層→45°3層→最終固化圖7指出，在由如實(shí)曲線所示的復(fù)合材料制造的厚壁圓柱形零件的情況中，通過降低固化溫度和通過僅確定一個(gè)層合方向來大大地減少內(nèi)應(yīng)力是可能的。
表2列出通過本發(fā)明方法制造的厚壁圓柱形零件的夾層分離的試驗(yàn)結(jié)果，并與通過其他方法制造的夾層分離結(jié)果相比較。表2各種制造方法的是否出現(xiàn)夾層分離的情況
T厚度(mm)A使用彈性墊料B使用熱壓縮C使用輔助件D固化溫度(℃)E出現(xiàn)夾層分離是使用，否未使用上述的試驗(yàn)結(jié)果表明，在壁厚度為11mm(№1)情況中，當(dāng)未采用專門方法時(shí)未出現(xiàn)夾層分離。
在壁厚度為30mm(№2)情況中，約在壁厚度的中部出現(xiàn)夾層分離。
在壁厚度為30m(№3)情況中，由于使用彈性墊料和進(jìn)一步進(jìn)行熱壓縮處理而沒有出現(xiàn)夾層分離。
在此情況中，厚壁圓柱形零件的強(qiáng)力件的層合層的數(shù)目及壓縮處理的時(shí)間安排如下另外，±10°和±45°的層合方向被施加到碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料而±85°的層合方向被施加到玻璃纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料。
±10°5層→45°1層→±85°1層→±45°1層→±10°6 層→±45°1層→±85°1層→±45°1層→±10°6層→±45°1層→±85°1層→±45°1層→10°2層→壓縮→±10°4層→±45°1層→±85°1層→±45°1層→±10°6層→±45°1層→±85°1層→±45°1層→±10°6層→±45°1層→±85°1層→±45°1層→10°2層→最終的固化此外，在壁厚度為42mm(№4)情況中，盡管使用彈性墊料和進(jìn)一步進(jìn)行熱壓縮處理，但是約在壁厚度中部處幾乎整個(gè)圓周面及其長度上發(fā)生夾層分離。
在壁厚度為42m(№5)情況中，盡管使用彈性墊料；進(jìn)行熱壓縮處理；使用輔助件；和另外將固化溫度從180℃降低到165℃，但是在局部處出現(xiàn)夾層分離。
另外，層合層的數(shù)目和42mm壁厚度的壓縮處理時(shí)間安排(№4和№5)是與圖7的虛曲線或點(diǎn)劃曲線所示的情況相同。
在本發(fā)明的壁厚度為42mm(№6)情況中，層合取向?yàn)椤?7°的單向；使用彈性墊料；進(jìn)行熱壓縮處理；使用輔助件；以及將固化溫度降低到165℃。因此，獲得具有卓越質(zhì)量的、無夾層分離的圓柱形零件是可能的。
此外，在條件為不使用單向?qū)雍锨闆r下使具有層合方向?yàn)椤?0°和±45°的碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料和具有層合方向?yàn)椤?5°的玻璃纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料與熱壓縮處理相結(jié)合；不使用輔助件；以及最終的熱固化溫度不變的這樣的層合方法的情況下，獲得具有無夾層分離的30mm厚的圓柱形零件是可能的。在這些圓柱形零件中，由于碳纖維是以±45°方向排列的，因此厚壁圓柱形零件是強(qiáng)抗彎和抗扭的。
通過以圖7所示的內(nèi)徑為80mm(半徑為40mm)的圓柱形零件作例子已對本發(fā)明進(jìn)行了解釋。然而，壁厚度的限度還未被證實(shí)。因此，當(dāng)壁厚度的限度被證實(shí)時(shí)，或許還可能獲得未被表2中所列出的厚壁圓柱形零件。此外，當(dāng)圓柱形零件的內(nèi)徑變化時(shí)，即使壁厚度不變的話，內(nèi)應(yīng)力也是不同的。因此，當(dāng)通過改變圓柱形零件的內(nèi)徑而沿用本發(fā)明的制造方法時(shí)，或許還可能獲得具有與表2中所列的部分地不同的壁厚度的圓柱形零件。例如，當(dāng)內(nèi)徑大于80mm時(shí)，由于內(nèi)應(yīng)力減少，還可能獲得比在內(nèi)徑為80mm時(shí)所得到的圓柱形零件的壁厚度更厚的圓柱形零件。因此，本發(fā)明的技術(shù)范圍包括內(nèi)徑變化的制造方法，而并不僅僅限于80mm的內(nèi)徑。
如以上所述，在本發(fā)明的方法中，通過使用纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料和通過減少熱固化處理后產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力能夠制造具有優(yōu)良質(zhì)量的厚壁的圓柱形零件。
雖然已對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案作了顯示和說明，但是應(yīng)該理解，上述的公開內(nèi)容僅僅是為了說明本發(fā)明，在不背離權(quán)利要求書中提出的本發(fā)明范圍的前提下還可以作出種種的變化和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種由纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制造圓柱形零件的方法，包括以下步驟將具有某一彈性模量的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層合在型芯上；將具有另一彈性模量的不同類的所說的復(fù)合材料纏繞到所說的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料上；交替地重復(fù)所說的層合操作和所說的纏繞操作；固化這二種所說的材料；和在冷卻和取出所說的模芯后在沒有由于內(nèi)應(yīng)力引起的變形的情況下取得纖維增強(qiáng)塑料產(chǎn)品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的制造圓柱形零件的方法，其中在所說的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料被層合時(shí)對所說的圓柱形零件進(jìn)行壓縮處理。
3.一種由纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制造圓柱形零件的方法，包括以下步驟在金屬型芯的圓周方向?qū)雍暇哂泻苄〉臒崤蛎浵禂?shù)的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料；為了固化而加熱層合的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料，以形成輔助件；將另一種纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層合在形成的輔助件的外側(cè)面上；以及為了固化而加熱已成形的、層合的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的制造圓柱形零件的方法，其中層合在輔助件的外側(cè)面上的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料是多種分別具有不同的彈性模量的所說的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4的制造圓柱形零件的方法，其中在具有所說的不同的彈性模量的所說多種纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料中的具有最小彈性模量的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料分別以與所說的圓柱形零件的軸線方向?yàn)椤?0～90度方向?qū)雍稀?br> 6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4的制造圓柱形零件的方法，其中所說多種的所說的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料的層合方向分別是不變的。
7.一種由纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制造厚壁圓柱形零件的方法，包括以下步驟在型芯的圓周方向?qū)雍暇哂泻苄〉臒崤蛎浵禂?shù)的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料；在第一種加熱條件下固化所說的復(fù)合材料以形成輔助件；用高耐熱的簿膜覆蓋所形成的輔助件；在所說的簿膜覆蓋的輔助件上層合另一纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料，以形成第一纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層；將具有彈性模量小于第一纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料的彈性模量的另一種纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層合到所說的第一纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層上，以形成第二纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層；將與第一纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層的材料相同的另一種纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層合到形成的第二纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層，以形成第三纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層；將與第二纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層的材料相同的另一種纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料和與第三纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層的材料相同的另一種纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料交替地以預(yù)定的次數(shù)層合到所形成的第三纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層；在溫度低于和時(shí)間短于第一種加熱條件的第二種加熱條件下壓實(shí)所有的層合的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層，以形成強(qiáng)力件；將與第二纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層的材料相同的另一種纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料和與第三纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層的材料相同的另一種纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料交替地以預(yù)定的次數(shù)層合到形成的強(qiáng)力件上；在第二種加熱條件下壓實(shí)所有的層合的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層，以形成另一的強(qiáng)力件；將與第二纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層的材料相同的另一種纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料和與第三纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層的材料相同的另一種纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料交替地以預(yù)定的次數(shù)層合到形成的強(qiáng)力件上，以在形成的強(qiáng)力件上形成具有預(yù)定厚度的厚壁圓柱體；和在第一種加熱條件下熱固化所有的層合的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層。
8.一種由纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制造的厚壁圓柱形零件，包括多種具有不同彈性模量、分別被交替地層合的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的厚壁圓柱形零件，其中各纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料的層合方向是不變的。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的厚壁圓柱形零件，其中纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料的層合方向是與該圓柱形零件的軸線方向成±5～30度角。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的厚壁圓柱形零件，其中在所說的具有不同的彈性模量的多種纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料中的具有最小彈性模量的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料分別以與該圓柱形零件的軸線方向?yàn)椤?0～90度方向?qū)雍稀?br> 全文摘要
此外所公開的方法能通過使用纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制造優(yōu)質(zhì)的、無夾層分離的厚壁圓柱形零件。具有很小的熱膨脹系數(shù)的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料沿型芯的圓周方向被層合;對層合的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層進(jìn)行熱固化處理以形成型芯的輔助件;將具有不同的彈性模量的多種纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料分別層合到形成的輔助件上;對所有的層合的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料進(jìn)行熱固化。
文檔編號B29C70/06GK1169910SQ9711491
公開日1998年1月14日 申請日期1997年6月13日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月13日
發(fā)明者木村稔, 永井晴子, 伊藤友美, 滝沢尚哉, 南云隆 申請人:富士重工業(yè)株式會社