一种纤维增强复合材料螺母及其制备方法与流程
本发明属于螺母制造加工领域，尤其涉及一种纤维增强复合材料螺母及其制备方法。
背景技术：
螺母就是螺帽，通过内侧的螺纹，将同等规格的螺栓或螺杆拧在一起用来起紧固作用的零件。目前，市场上的螺母多由碳钢、不锈钢、有色金属(如铜)等金属复合材料制成，具有优异的力学性能。随着螺母的应用领域越来越广泛，要求螺母具有一定的绝缘、绝热、高耐候、耐腐蚀、轻质等性能，常规的金属复合材料螺母很难实现这些性能。纤维增强复合材料由纤维-织物与浸渍树脂经过浸渍、固化后得到，其本身的绝缘性能、绝热性能、耐候性能、耐腐蚀性能优异，是制备轻质螺母的优选材料。当螺母厚度较小时，可以采用层压的方式，压制到螺母的厚度进行加工后制得，但随着使用要求的提高，更多尺寸的螺母也有更多的需求，特别是螺母高度越来越大，当螺母高度大于50mm时，采用层压的方式就很难经济的实现。原有的纤维增强复合材料螺母通过以下方式制备：先采用纤维-织物预浸料层压的方式制成坯料，通过机械加工的方式制成螺母；或者采用纤维-织物缠绕成型的方法制成坯料，再采用机械加工的方式制成螺母。这种两种方式由于纤维-织物方向单一，层压、缠绕材料层与层之间为结合力最薄弱的部位，螺母受到螺杆扭转外力时螺母容易出现沿层间方向开裂的情况，导致螺母整体破坏，丧失工作能力。
因此，研发一种整体力学性能优异的纤维增强复合材料螺母，对本技术领域而言具有十分重要的意义。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种整体力学性能优异的纤维增强复合材料螺母及其制备方法，该纤维增强复合材料螺母相比金属复合材料制成的螺母具有绝缘、绝热、高耐候、耐腐蚀、轻质等特性。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种纤维增强复合材料螺母，包括内部芯材和缠绕在所述内部芯材外部的复合缠绕层，所述内部芯材由一层或多层重叠的纤维-织物预浸渍材料压制成型，所述复合缠绕层由一层或多层重叠的连续纤维预浸渍材料或纤维-织物预浸渍材料经过固化后得到。
上述的纤维增强复合材料螺母，优选的，所述纤维-织物预浸渍材料由纤维-织物与浸渍胶黏剂经过浸渍、烘焙，使所述浸渍胶黏剂在纤维-织物上形成半固化物后得到；所述连续纤维预浸渍材料由连续纤维与浸渍胶黏剂经过浸渍、烘焙，使所述浸渍胶黏剂在连续纤维上形成半固化物后得到。
更优选的，所述浸渍胶黏剂包括不饱和聚酯、酚醛胶黏剂、二苯醚胶黏剂、聚酰亚胺胶黏剂、聚胺酰亚胺胶黏剂、氨基树脂胶黏剂或环氧树脂胶黏剂。
更优选的，所述纤维-织物预浸渍材料中，所含半固化物的重量百分比为30％～50％，所含纤维-织物的重量百分比为50％～70％；所述连续纤维预浸渍材料中，所含半固化物的重量百分比为30％～50％，所含连续纤维的重量百分比为50％～70％。
更优选的，所述纤维-织物包括纤维丝、纤维短切毡、纤维缝编毡、纤维表面毡、纤维连续毡和纤维复合毡中的一种或两种以上的混合物，所述连续纤维和/或纤维-织物所采用的纤维包括玻璃纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维、芳纶纤维和碳纤维中的一种或两种以上的纤维混合物。
上述的纤维增强复合材料螺母，优选的，所述纤维增强复合材料螺母的内径壁上设有螺纹，所述内部芯材的层压方向与螺纹方向垂直，所述复合缠绕层沿着螺纹的方向缠绕在内部芯材的外部侧壁上。
基于一个总的发明构思，本发明还提供一种上述纤维增强复合材料螺母的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备纤维-织物预浸渍材料和/或连续纤维预浸渍材料；
(2)将所述纤维-织物预浸渍材料剪裁后放入模具进行热压成型，然后出模制得平板型毛坯件，切割平板型毛坯件得到内部芯材，
(3)将所述步骤(1)后得到的连续纤维预浸渍材或纤维-织物预浸渍材料缠绕到所述步骤(2)后得到的内部芯材外部，经过加热固化，机械加工，即得到所述的纤维增强复合材料螺母。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，所述纤维-织物预浸渍材料由以下方法制备得到：将纤维-织物浸渍于浸渍胶黏剂中，待其充分浸渍后加热烘焙，使所述浸渍胶黏剂在纤维-织物上形成半固化物；所述连续纤维预浸渍材料由以下方法制备得到：将连续纤维浸渍于浸渍胶黏剂中，待其充分浸渍后加热烘焙，使所述浸渍胶黏剂在连续纤维上形成半固化物。
优选的，所述步骤(2)中，所述热压成型的温度控制在所述纤维-织物预浸渍材料中所含半固化物的固化温度的±30％，所述热压成型的压力控制在4mpa～50mpa；所述内部芯材的层压方向与螺纹方向垂直，所述内部芯材的直径大于所要加工螺母的内部螺纹直径。
优选的，所述步骤(3)中，所述缠绕时控制缠绕张力不大于所采用的纤维、纤维-织物的断裂强力的80％，所述缠绕的速度不大于200m/min；所述缠绕的方法为干法缠绕或湿法缠绕，采用干法缠绕时控制缠绕温度在所述纤维-织物预浸渍材料、连续纤维预浸渍材料中所含半固化物的固化温度的±30％，采用湿法缠绕时控制缠绕温度为常温；所述加热固化的具体操作包括如下步骤：升温至所述纤维-织物预浸渍材料和/或连续纤维预浸渍材料中所含半固化物的固化温度的±30％，保温2～5h后降温至室温。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明的纤维增强复合材料螺母，由内部芯材和缠绕在内部芯材外部的复合缠绕层组成，内部芯材为层压方式成型，整体力学性能优异，相比金属复合材料制成的螺母具有绝缘、绝热、高耐候、耐腐蚀、轻质等特性。
2、本发明的制备方法，先采用层压的方式制得内部芯材，可以提升纵向拉力，然后通过缠绕成型的方式将复合缠绕层缠绕在内部芯材外部制成螺母毛坯件，可以提升横向力学性能，从而达到横纵向同时补强，最后采用机械加工的方式制得螺母，制备方法简单容易操作，成本低廉，制备得到的纤维增强复合材料螺母横纵向力学性能均能得到增强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的纤维增强复合材料螺母的主视图；
图2是本发明的纤维增强复合材料螺母的侧视图；
图例说明：1、内部芯材；2、复合缠绕层。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本发明提及的层压成型法，是指在加热、加压下把多层相同或不同材料结合整体的成型加工方法。把浸有热固性树脂的增强材料如纸张、织物、玻璃布、特种纤维等层叠起来，加热、加压而得到各种层压制品。
本发明提及的缠绕成型工艺，是将浸过树脂胶液的连续纤维(或布带、预浸纱)按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模、机械加工，获得制品。
实施例1：
一种本发明的纤维增强复合材料螺母，其规格为外径
其中，玻璃平纹布预浸渍材料中所含半固化物(环氧树脂半固化物)的重量百分比为33％，所含玻璃平纹布的重量百分比为67％；连续玻璃平纹布预浸渍材料中，所含半固化物(环氧树脂半固化物)的重量百分比为35％，所含连续玻璃平纹布的重量百分比为65％。
本实施例的纤维增强复合材料螺母的制备方法，包括如下步骤：
(1)将玻璃平纹布浸渍于环氧树脂胶黏剂中，待其充分浸渍后加热烘焙，使环氧树脂胶黏剂在玻璃平纹布上形成半固化物，得到玻璃平纹布预浸渍材料；
将连续玻璃平纹布浸渍于环氧树脂胶黏剂中，待其充分浸渍后加热烘焙，使环氧树脂胶黏剂在连续玻璃平纹布上形成半固化物，得到连续玻璃平纹布预浸渍材料；
(2)将玻璃平纹布预浸渍材料剪裁254层后放入模具，在160℃、15mpa下进行热压成型，层压方向与螺纹方向垂直，然后出模制得34mm厚度的平板型毛坯件，切割平板型毛坯件得到直径为33mm的内部芯材，内部芯材的直径要大于所要加工螺母的内部螺纹直径；
(3)采用干法缠绕的方式，将连续玻璃平纹布预浸渍材料加热至140℃，重叠265层缠绕到内部芯材上，缠绕张力为40kg/inch，缠绕速度100m/min，升温至165℃后保温2h进行固化，经过机械加工后，即得到本实施例的纤维增强复合材料螺母。
通过上述方法制备得到的纤维增强复合材料螺母，经过性能测试后，其性能数据如表1所示。
表1：实施例1的纤维增强复合材料螺母的性能测试结果
实施例2：
一种本发明的纤维增强复合材料螺母，其规格为外径
其中，玻璃平纹布预浸渍材料中所含半固化物(环氧树脂半固化物)的重量百分比为33％，所含玻璃平纹布的重量百分比为67％；连续玻璃纤维纱浸渍环氧树脂固化后，所含环氧树脂的重量百分比为37％，所含连续玻璃纤维纱的重量百分比为63％。
本实施例的纤维增强复合材料螺母的制备方法，包括如下步骤：
(1)将玻璃平纹布浸渍于环氧树脂胶黏剂中，待其充分浸渍后加热烘焙，使环氧树脂胶黏剂在玻璃平纹布上形成半固化物，得到玻璃平纹布预浸渍材料；
将连续玻璃纤维纱浸渍于环氧树脂胶黏剂中，待其充分浸渍后加热烘焙，使环氧树脂胶黏剂在连续玻璃纤维纱上形成半固化物，得到连续玻璃纤维纱预浸渍材料；
(2)将玻璃平纹布预浸渍材料剪裁385层后放入模具，在160℃、15mpa下进行热压成型，层压方向与螺纹方向垂直，然后出模制得55mm厚度的平板型毛坯件，切割平板型毛坯件得到直径为53mm的内部芯材，内部芯材的直径要大于所要加工螺母的内部螺纹直径；
(3)采用湿法缠绕的方式，将连续玻璃纤维纱重叠45°缠绕到内部芯材上，缠绕张力为20n，缠绕速度50m/min，缠绕直径至73mm后，升温至100℃后保温4h进行固化，经过机械加工后，即得到本实施例的纤维增强复合材料螺母。
通过上述方法制备得到的纤维增强复合材料螺母，经过性能测试后，其性能数据如表2所示。
表2：实施例2的纤维增强复合材料螺母的性能测试结果
实施例3：
一种本发明的纤维增强复合材料螺母，其规格为外径
其中，玻璃平纹布预浸渍材料中所含半固化物(二苯醚半固化物)的重量百分比为33％，所含玻璃平纹布的重量百分比为67％；连续玻璃纤维纱浸渍环氧树脂固化后，所含环氧树脂的重量百分比为37％，所含连续玻璃纤维纱的重量百分比为63％。
本实施例的纤维增强复合材料螺母的制备方法，包括如下步骤：
(1)将玻璃平纹布浸渍于二苯醚胶黏剂中，待其充分浸渍后加热烘焙，使二苯醚胶黏剂在玻璃平纹布上形成半固化物，得到玻璃平纹布预浸渍材料；
将连续玻璃纤维纱浸渍于环氧树脂胶黏剂中，待其充分浸渍后加热烘焙，使环氧树脂胶黏剂在连续玻璃纤维纱上形成半固化物，得到连续玻璃纤维纱预浸渍材料；
(2)将玻璃平纹布预浸渍材料剪裁230层后放入模具，在185℃、7mpa下进行热压成型，层压方向与螺纹方向垂直，然后出模制得55mm厚度的平板型毛坯件，切割平板型毛坯件得到直径为53mm的内部芯材，内部芯材的直径要大于所要加工螺母的内部螺纹直径；
(3)采用湿法缠绕的方式，将连续玻璃纤维纱重叠45°缠绕到内部芯材上，缠绕张力为20n，缠绕速度50m/min，缠绕直径至73mm后，升温至100℃后保温4h进行固化，经过机械加工后，即得到本实施例的纤维增强复合材料螺母。
通过上述方法制备得到的纤维增强复合材料螺母，经过性能测试后，其性能数据如表3所示。
表3：实施例3的纤维增强复合材料螺母的性能测试结果
对比例1：
一种纤维增强复合材料螺母，其规格为外径
(1)将玻璃平纹布单位面质量203g/m2，厚度0.18mm，拉伸断裂强力经向69kg/inch，拉伸断裂强力纬向43kg/inch；浸渍于环氧树脂胶黏剂中，待其充分浸渍后加热烘焙，使环氧树脂胶黏剂在玻璃平纹布上形成半固化物，得到玻璃平纹布预浸渍材料；
(2)将玻璃平纹布预浸渍材料剪裁370层后放入模具，在160℃、15mpa下进行热压成型，层压方向与螺纹方向垂直，然后出模制得平板型毛坯件，经过机械加工后，即得到本对比例的纤维增强复合材料螺母。
经过性能测试后，其性能数据如表4所示：
表4：对比例1的纤维增强复合材料螺母的性能测试结果
对比例2：
一种纤维增强复合材料螺母，其规格为外径
(1)将玻璃平纹布单位面质量100g/m2，厚度0.1mm，拉伸断裂强力经向49kg/inch，拉伸断裂强力纬向46kg/inch，浸渍于环氧树脂胶黏剂中，待其充分浸渍后加热烘焙，使环氧树脂胶黏剂在玻璃平纹布上形成半固化物，得到玻璃平纹布预浸渍材料；
(2)将玻璃平纹布预浸渍材料重叠缠绕成型，缠绕张力为40kg/inch，缠绕速度100m/min，缠绕后直径为72mm，升温至110℃后保温4h进行固化，经过机械加工后，即得到本对比例的纤维增强复合材料螺母。
经过性能测试后，其性能数据如表5所示：
表5：对比例2的纤维增强复合材料螺母的性能测试结果
整体来说，本发明制备得到的纤维增强复合材料螺母，由内部芯材和缠绕在内部芯材外部的复合缠绕层组成，内部芯材为层压方式成型，成本低廉，制备得到的纤维增强复合材料螺母横纵向力学性能均能得到增强，具有绝缘、绝热、高耐候、耐腐蚀、轻质等特性。
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