专利名称：玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管及其制备方法
技术领域：
本发明涉及玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管及其制备方法。
背景技术：
以往的电线杆、路灯杆主要由木材、水泥、钢筋混凝土或金属钢材料制作的。随着电力工业、路桥建设以及市政建设等的发展，对电线杆、灯杆的性能要求越来越高，从最初的木杆到当前的水泥、钢筋混凝土或金属钢杆，材料的强度、电线杆的尺度都越来越大。木杆虽然重量轻，移动和安装方面，但由于强度低、不耐环境腐蚀以及资源紧缺在新建线路不再采用了 ；金属、水泥和钢筋混凝土电线杆因其原料丰富，制作工艺简单，价格便宜而取代了木杆成为路面高架电线支撑杆的主要材料，但是对于在有电磁控制的重要军事武器区域、有重量要求的高架桥梁或出区安装架设的输电线路，金属、水泥和钢筋混凝土电线杆由于反射电磁波和重量太大移动困难而限制了使用。新一代结构材料纤维复合材料以其轻质高强、绝缘、透波、透磁等特性而广泛应用于电力、交通、市政建设等领域。其中玻璃纤维复合材料具有强度高、绝热、耐热、绝缘、耐辐射、耐腐蚀、透电磁波、耐低温等特性，且价格低而成为最广泛应用的一种复合材料，但是玻璃纤维的拉伸模量较低，为12GPa左右，一般用于低压电线杆、灯杆的制作，限制了应用范围，而碳纤维复合材料相比于玻璃纤维复合材料，具有更低的密度、更高的强度、模量、耐高温性、抗蠕变性、耐化学腐蚀性以及低电阻、高热导、热膨胀系数小等特性，缺点是碳纤维复合材料其断裂应变和冲击韧性较低，且价格相对较高，因此寻找一种综合性能优异的纤维复合材料是必要的。
发明内容
本发明为了解决现有金属、水泥或钢筋混凝土电线杆的结构重量过大和反射电磁波以及单一玻璃纤维复合材料的拉伸模量低，单一碳纤维复合材料的价格高的问题，而提供一种玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管及其制备方法。本发明的所述的玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管的管壁为三层复合结构，内层为第一玻璃纤维层，中层为碳纤维层，外层为第二玻璃纤维层，所述锥形管中部的通孔为圆柱形，通孔长度为7. O 15. Om,通孔直径为50 200mm,锥形管底端管壁厚度为19. O 32. Omm,顶端管壁厚度为9. O 17. 0mm。本发明的玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管的制备方法按以下步骤进行—、将玻璃纤维和碳纤维浸溃于树脂基体中，然后湿法缠绕在圆柱形模具的外表面，圆柱形模具的长度为7. O 15. Om,圆柱形模具的外径为50 200mm ;具体的缠绕步骤如下A、内层采用玻璃纤维变长度、变缠绕角的线型缠绕方法，缠绕角依次为15.0°、17.0°、19.0°、20.0°、19.0°、17.0°和15.0°，螺旋向缠绕长度依次为锥形管长度的100%、90%、80%、70%、60%、50%和100%，每个缠绕层的厚度为2. O 3. 0_，得到内层第一玻璃纤维层；B、中层采用碳纤维，以每层的缠绕角为14.5° 20.0°，每层螺旋向缠绕的长度锥形管长度的100%，缠绕2 4层，每个缠绕层的厚度为1. 5 2. 0mm，得到中层碳纤维层；C、外层采用玻璃纤维，以缠绕角为15. 0° 17. 0°，螺旋向缠绕的长度为锥形管长度的100%，缠绕I层，缠绕层的厚度为2. O 3. 0mm，得到外层第二玻璃纤维层，完成缠绕成型过程；二、将上述缠绕成型后的锥形管在温度为70 80°C的条件下，保温I 2h，然后升温至110 120°C，保温3 5h，完成固化，固化后自然冷却至室温，抽去模具，得到玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管。本发明的玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管的制备方法，根据锥形电线杆、灯杆的受力状态和玻璃纤维与碳纤维的力学特点，将具有高模量、低应变和良好结构刚度的碳纤维设计在杆体的内结构层，以赋予杆体结构刚性和形状尺寸稳定性，将具有优异拉伸性能和冲击韧性玻璃纤维设计在杆体的外结构层，以主要承载杆体所受的拉伸载荷和外部环境导致的冲击载荷，同时由于玻璃纤维具有良好的透磁性和光稳定性，而使锥形管结构层材料具有透电磁信号、防光老化的优点，这样既弥补了由单一碳纤维复合材料制作的电线杆、灯杆绝缘性能差和高价格的缺点，又弥补了由单一玻璃纤维的复合材料制作的电线杆、灯杆因材料较低的模量而导致产品的结构刚性低的缺点，因此，采用这两种纤维混杂复合材料制作的锥形电线杆、灯杆，使两种材料取长补短，充分发挥各自的性能优势，达到杆体结构性能、结构重量和价格优化的目的，本发明的玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管的拉伸模量为16. 5GPa 17. 5GPa，相比单一玻璃纤维复合材料拉伸模量提高32 % 40%，且本发明的玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管结构形式优化、成型工艺简便易操作，制备的电线杆、灯杆与水泥杆和金属钢材杆相比，在结构性能相同的情况下结构重量可分别减少70 80%和50 60%，是一种轻质、高强、高模的易于移动安装、性能优异的新型电线杆、灯杆，特别适用于有重量和电磁波要求的线路如高架桥(路)、出区以及特殊的或重要的通讯区线路架设用的电线杆、灯杆。
图1是实施例1的玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管的结构示意图，其中I为内层第一玻璃纤维层，2为中层碳纤维层，3为外层第二玻璃纤维层，4为通孔。
具体实施例方式本发明的技术方案不局限于以下具体实施方式
，还包括各具体实施方式
间的任意组合。具体实施方式
一本实施方式的所述的玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管的管壁为三层复合结构，内层为第一玻璃纤维层1，中层为碳纤维层2，外层为第二玻璃纤维层3，所述锥形管中部的通孔4为圆柱形，通孔4长度为7. O 15. Om,通孔4直径为50 200mm,锥形管底端管壁厚度为19. O 32. Omm,顶端管壁厚度为9. O 17. 0mm。具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是锥形管底端内层第一玻璃纤维层I厚度为14.0 21. 0mm，锥形管顶端内层第一玻璃纤维层I厚度为4. O
6.Omm,锥形管中层碳纤维层2上下均厚，厚度为3. O 8. Omm,锥形管外层第二玻璃纤维层3上下均厚，厚度为2. O 3. 0mm，其它步骤与参数与具体实施方式
一相同。具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是锥形管底端内层第一玻璃纤维层I厚度为16. O 19. Omm,锥形管顶端内层第一玻璃纤维层I厚度为5. Omm,锥形管中层碳纤维层2上下均厚，厚度为4. O 7. 0mm，锥形管外层第二玻璃纤维层3上下均厚，厚度为2. 5mm，其它步骤与参数与具体实施方式
一或二相同。具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同的是锥形管底端内层第一玻璃纤维层I厚度为17. O 18. Omm,锥形管中层碳纤维层2上下均厚，厚度为
5.O 6. 0mm，其它步骤与参数与具体实施方式
一至三之一相同。具体实施方式
五本实施方式的玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管的制备方法按以下步骤进行一、将玻璃纤维和碳纤维浸溃于树脂基体中，然后湿法缠绕在圆柱形模具的外表面，圆柱形模具的长度为7. O 15. Om,圆柱形模具的外径为50 200mm ;具体的缠绕步骤如下A、内层采用玻璃纤维变长度、变缠绕角的线型缠绕方法，缠绕角依次为15.0°、17.0°、19.0°、20.0°、19.0°、17.0°和15.0°，螺旋向缠绕长度依次为锥形管长度的100%、90%、80%、70%、60%、50%和100%，每个缠绕层的厚度为2. O 3. 0_，得到内层
第一玻璃纤维层I ;B、中层采用碳纤维，以每层的缠绕角为14.5° 20.0°，每层螺旋向缠绕的长度锥形管长度的100%，缠绕2 4层，每个缠绕层的厚度为1. 5 2. 0mm，得到中层碳纤维层2 ；C、外层采用玻璃纤维，以缠绕角为15. 0° 17. 0°，螺旋向缠绕的长度为锥形管长度的100 %，缠绕I层，缠绕层的厚度为2. O 3. Omm,得到外层第二玻璃纤维层3，完成缠绕成型过程；二、将上述缠绕成型后的锥形管在温度为70 80°C的条件下，保温I 2h，然后升温至110 120°C，保温3 5h，完成固化，固化后自然冷却至室温，抽去模具，得到玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管。本实施方式的玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管的制备方法，根据锥形电线杆、灯杆的受力状态和玻璃纤维与碳纤维的力学特点，将具有高模量、低应变和良好结构刚度的碳纤维设计在杆体的内结构层，以赋予杆体结构刚性和形状尺寸稳定性，将具有优异拉伸性能和冲击韧性玻璃纤维设计在杆体的外结构层，以主要承载杆体所受的拉伸载荷和外部环境导致的冲击载荷，同时由于玻璃纤维具有良好的透磁性和光稳定性，而使锥形管结构层材料具有透电磁信号、防光老化的优点，这样既弥补了由单一碳纤维复合材料制作的电线杆、灯杆绝缘性能差和高价格的缺点，又弥补了由单一玻璃纤维的复合材料制作的电线杆、灯杆因材料较低的模量而导致产品的结构刚性低的缺点，因此，采用这两种纤维混杂复合材料制作的锥形电线杆、灯杆，使两种材料取长补短，充分发挥各自的性能优势，达到杆体结构性能、结构重量和价格优化的目的，本实施方式的玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管的拉伸模量为16. 5GPa 17. 5GPa，相比单一玻璃纤维复合材料拉伸模量提高32% 40%，且本实施方式的玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管结构形式优化、成型工艺简便易操作，制备的电线杆、灯杆与水泥杆和金属钢材杆相比，在结构性能相同的情况下结构重量可分别减少70 80%和50 60%，是一种轻质、高强、高模的易于移动安装、性能优异的新型电线杆、灯杆，特别适用于有重量和电磁波要求的线路如高架桥(路)、出区以及特殊的或重要的通讯区线路架设用的电线杆、灯杆。具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
五不同的是步骤一中所述的碳纤维和玻璃纤维的树脂基体均为环氧树脂，其它步骤与参数与具体实施方式
五相同。具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
五或六不同的是步骤一中的中层碳纤维层2采用两个缠绕角，每个缠绕角缠绕I 2层，其它步骤与参数与具体实施方式
五或六相同。具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
五至七之一之一不同的是步骤二中先在温度为75°C的条件下保温1. 5h，其它步骤与参数与具体实施方式
五至七之一相同。具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
五至八之一不同的是步骤二中然后升温至115°C，保温4h，其它步骤与参数与具体实施方式
五至八之一相同。用以下试验验证本发明的有益效果实施例1、玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管及其制备方法按以下步骤进行一、将玻璃纤维和碳纤维浸溃于E51环氧树脂/酸酐体系中，然后湿法缠绕在圆柱形金属模具的外表面，圆柱形模具的长度为10m，圆柱形模具的直径为120mm;具体的缠绕步骤如下A、内层采用玻璃纤维变长度、变缠绕角的线型缠绕方法，缠绕角依次为15.0°、17.0。、19.0。、20.0°、19.0。、17.0。和 15.0°，螺旋向缠绕长度依次为 10m、9m、8m、7m、6m、5m和10m，每个缠绕层的厚度为3. 0mm，得到内层第一玻璃纤维层I ;B、中层采用碳纤维，先以缠绕角为14.5°，螺旋向缠绕长度为IOm缠绕2层，再以螺旋角为16. 5°，螺旋向缠绕产度为IOm缠绕2层，每个缠绕层的厚度为2. 0mm，得到中层碳纤维层2 ；C、外层采用玻璃纤维，以缠绕角为16.0°，螺旋向缠绕的长度为10m，缠绕I层，缠绕层的厚度为3. 0mm，得到外层第二玻璃纤维层3，完成缠绕成型过程；二、将上述缠绕成型后的杆体先在温度为75°C的条件下，保温1. 5h，然后升温至115°C，保温4h，完成固化，固化后自然冷却至室温，抽去模具，得到玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管。试验一、对实施例1的玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管进行拉伸模量检测根据GB/T1447-2005纤维增强塑料拉伸性能试验方法，采用INSTR0N材料试验机，对实施例1的玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管进行拉伸模量检测，得出实施例1的玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管的拉伸模量为16. 5GPa 17. 5GPa，而玻璃纤维/环氧树脂复合材料的拉伸模量仅为12. 5GPa，实施例1的玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管相比单一玻璃纤维复合材料拉伸模量提高32 % 40%。
权利要求
1.玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管，其特征在于所述的玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管的管壁为三层复合结构，内层为第一玻璃纤维层(I)，中层为碳纤维层(2)，外层为第二玻璃纤维层(3)，所述锥形管中部的通孔(4)为圆柱形，通孔(4)长度为7.O 15. Om,通孔(4)直径为50 200mm,锥形管底端管壁厚度为19. O 32. Omm,顶端管壁厚度为9. O 17. 0_。
2.根据权利要求1所述的玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管，其特征在于锥形管底端内层第一玻璃纤维层(I)厚度为14. O 21. 0mm，锥形管顶端内层第一玻璃纤维层(I)厚度为4. O 6. Omm,锥形管中层碳纤维层(2)上下均厚，厚度为3. O 8. Omm,锥形管外层第二玻璃纤维层(3)上下均厚，厚度为2. O 3. 0mm。
3.根据权利要求1或2所述的玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管，其特征在于锥形管底端内层第一玻璃纤维层(I)厚度为16.0 19. 0mm，锥形管顶端内层第一玻璃纤维层(I)厚度为5. 0mm，锥形管中层碳纤维层(2)上下均厚，厚度为4. O 7. 0mm，锥形管外层第二玻璃纤维层(3)上下均厚，厚度为2. 5mm。
4.根据权利要求3所述的玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管，其特征在于锥形管底端内层第一玻璃纤维层(I)厚度为17. O 18. 0mm，锥形管中层碳纤维层(2)上下均厚，厚度为5. O 6. 0mm。
5.制备如权利要求1所述的玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管的方法，其特征在于，该制备方法按以下步骤进行 一、将玻璃纤维和碳纤维浸溃于树脂基体中，然后湿法缠绕在圆柱形模具的外表面，圆柱形模具的长度为7. O 15. Om,圆柱形模具的外径为50 200mm ;具体的缠绕步骤如下 A、内层采用玻璃纤维变长度、变缠绕角的线型缠绕方法，缠绕角依次为15.O °、17.0°、19.0°、20.0°、19.0°、17.0°和15.0°，螺旋向缠绕长度依次为锥形管长度的100%、90%、80%、70%、60%、50%和100%，每个缠绕层的厚度为2. O 3. 0_，得到内层第一玻璃纤维层(I); B、中层采用碳纤维，以每层的缠绕角为14.5° 20.0°，每层螺旋向缠绕的长度锥形管长度的100%，缠绕2 4层，每个缠绕层的厚度为1. 5 2. Omm,得到中层碳纤维层(2); C、外层采用玻璃纤维，以缠绕角为15.0° 17.0°，螺旋向缠绕的长度为锥形管长度的100%，缠绕I层，缠绕层的厚度为2. O 3. 0mm，得到外层第二玻璃纤维层(3)，完成缠绕成型过程； 二、将上述缠绕成型后的锥形管在温度为70 80°C的条件下，保温I 2h，然后升温至110 120°C，保温3 5h，完成固化，固化后自然冷却至室温，抽去模具，得到玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管。
6.根据权利要求5所述的玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管的制备方法，其特征在于步骤一中所述的碳纤维和玻璃纤维的树脂基体均为环氧树脂。
7.根据权利要求5或6所述的玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管的制备方法，其特征在于步骤一中的中层碳纤维层采用两个缠绕角，每个缠绕角缠绕I 2层。
8.根据权利要求7所述的玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管的制备方法，其特征在于步骤二中先在温度为75°C的条件下保温1. 5h。
9.根据权利要求7所述的玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管的制备方法，其特征在于步 骤二中然后升温至115°C，保温4h。
全文摘要
玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管及其制备方法，它涉及玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管及其制备方法，它为了解决现有金属、水泥或钢筋混凝土电线杆的结构重量过大和反射电磁波以及单一玻璃纤维复合材料的拉伸模量低，单一碳纤维复合材料价格高的问题，本发明的锥形管为内部通孔为圆柱形的三层复合结构锥形管，内层和外层为玻璃纤维层，中层为碳纤维层，内层采用变长度、变缠绕角的线型缠绕，中层和外层采用全长度、单一缠绕角的线型缠绕，所得玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管的拉伸模量为16.5GPa～17.5GPa，相比单一玻璃纤维复合材料拉伸模量提高32％～40％，且成型工艺简便易操作，用于电线杆、灯杆领域。
文档编号B32B1/08GK103061565SQ201310029979
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月25日 优先权日2013年1月25日
发明者张春华, 傅鑫, 张文生, 黄玉东 申请人:哈尔滨工业大学