本发明属于复合材料制造技术，涉及一种利用植物纤维与碳纤维或玻璃纤维混杂的植物纤维混杂复合材料车架结构。
背景技术：
碳纤维增强复合材料自行车已成为轻质车辆技术的一个代表，其设计和制造技术已经模块化、标准化，近年来，这种复合材料技术更是推广应用于其他人力车、儿童车，甚至电动自行车等领域。但是碳纤维复合材料车的一个潜在的缺点是它在使用后成为不可回收利用的固体废弃物垃圾，危害环境，因此，天然材料的自行车结构正在成为一种新的代步车选项。
参考国际PCT发明专利申请“一种含有植物纤维织物的复合材料及其制备方法”(申请号PCT/CN2013/072087)及其欧洲以及美洲发明专利申请“Composite material containing plant fiber fabrics and preparation method thereof”(欧洲专利申请号EP 2 821 226 A1，美国申请专利公开号US-2015-0044924-A1)公布了一种植物纤维的表面处理方法用以制备高力学特性的植物纤维增强复合材料。参考国际PCT发明专利申请“一种结构性和装饰性复合材料，其制备技术，和包含其的制品”(申请号PCT/CN2015/098063)提出了一种多尺度、多层次处理的方法进一步提升植物纤维增强复合材料的力学性能，同时赋予复合材料制品美观的外装饰效果。这些专利都可以看作是本专利申请的基础。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种采用植物纤维混杂复合材料设计、制造自行车车架的技术，特别是植物纤维与其他增强纤维的混杂设计与制造技术。
本发明的技术解决方案是，复合材料车架结构的主体部分的截面上的密度、刚度或强度呈现由表及里的梯度分布，由表及里分布的依次为碳纤维或玻璃纤维和植物纤维的复合材料，植物纤维是空心或多孔材料，每个主体部分的连接件的增强材料是短切碳纤维或玻璃纤维和植物纤维组合的复合材料。
所述的植物纤维选自以下材料：苎麻、黄麻、剑麻、红麻或洋麻。
所述复合材料中的树脂选自：环氧树脂、乙烯基树脂、不饱和聚酯或聚氨酯。
制备植物纤维混杂复合材料车架结构的方法，其方法包括：成型复合材料车架结构的主体部分和连接件，
(一)成型主体一部分的方法为如下之一
4.1层状化复合：将纯碳纤维或玻璃纤维预浸料铺设在复合材料车架的外层，再将纯植物纤维预浸料铺设在复合材料车架的内层，按照卷管工艺技术成型或拉挤成型；
4.2层内混杂复合：将碳纤维或玻璃纤维或植物纤维中的混编织物进行铺层，将高体分的碳纤维或玻璃纤维预浸料铺设在复合材料车架的外层，再将织物中高体分植物纤维的预浸料铺设在复合材料车架的内层，按照卷管工艺技术成型或拉挤成型；
(二)成型连接件的方法
将短切碳纤维或玻璃纤维和植物纤维组合，其中，纤维组分中碳纤维或玻璃纤维的体积比为50％，植物纤维的体积比50％，纤维在粒料中的体积分数在10-35％之间，树脂在粒料中的体积分数在65-90％，将纤维增强的树脂进行造粒，然后将粒料注塑成型；
(三)组装复合材料车架
将主体部分与连接件装配成车架进行胶接，完成植物纤维混杂复合材料车架。
将装饰性植物纤维布铺设在复合材料车架纯碳纤维或玻璃纤维预浸料的最外层，按照卷管工艺技术成型，得到一种表面具有装饰性的复合材料车架结构。
所述的连接件的短切纤维是：苎麻、黄麻、剑麻、红麻或洋麻纤维及碳纤维或玻璃纤维。
所述的连接件的树脂选自：尼龙、PET或PP注塑料。
本发明所述植物纤维具有以下特征中的至少之一：对于植物纤维及其织物的类别与类型没有限制，可以是现有技术中任何已知的植物纤维及其织物，只要由其制备的复合材料的性能能够满足应用的要求即可。
本发明所述的麻纤维织物选自以下天然材料：苎麻、黄麻、亚麻、汉麻(大麻)、洋麻、红麻或剑麻。
本发明对于植物纤维及其混杂复合材料所用的树脂没有特别限制，只要使用该树脂制备的复合材料能够满足应用性能要求即可。在一些实施方式中，所述树脂选自：环氧树脂、乙烯基树脂、不饱和聚酯、聚氨酯。
本发明中使用的混杂的增强纤维没有特别的限制，只要能满足应用性能或功能要求即可。在一些实施方式中，所述与植物纤维混杂使用的增强纤维选自以下材料：各种碳纤维和玻璃纤维，但优选碳纤维；包括碳纤维、玻璃纤维与各种不同植物纤维的混杂混编使用。
本发明中的不同管材或型材结构优先采用封闭截面上纤维材料密度、刚度和强度由表及里递减的铺层混杂原则，即由表及里的梯度结构。在一些实施方式中，所述的铺层混杂是将单一的碳纤维、玻璃纤维放置于外层，而将单一的植物纤维等放置于内层，这样，外层纤维不仅提供了优化的抗弯性能，而且可以保护内层的植物纤维。而在另一些实施方式中，所述的由表及里的铺层混杂不是单一材料的铺层，而是不同纤维的混编织物铺层，例如外层是高体分的碳纤维或玻璃纤维与低体分的植物纤维混编织物铺层，而内层则反之，其中，混编织物的织造方式没有特别限制，但不限于此，只要能满足应用性能或功能要求即可。
为了提高制造效率，降低产品成本，本发明并在一些实施方式中，由表及里梯度结构还体现在混杂纤维管材或型材的设计和制造上。在一些实施方式中，所述的混杂管材或型材制备可以采用滚管技术实现，而在另一些实施方式中，也可以采用拉挤技术实现，但不限于此，只要能满足应用性能或功能要求即可。
本发明的混杂纤维管材或型材配套的车架设计和制造技术还必须包括管件以及多通接头的制造技术。本申请并在一些实施方式中，管件与多通接头的制造采用混杂纤维注塑技术，与传统增强塑料注塑技术不同的是，本发明采用植物纤维混杂增强粒料的注塑技术，其中，植物纤维及其混杂纤维的材料组分选择原则同上，但不限于此，只要能满足应用性能或功能要求即可，例如苎麻短切混杂碳纤维短切，或黄麻短切混杂玻璃纤维短切。显然，采用管材、型材与管件、多通接头的组合装配技术，将大大提高复合材料车架结构的生产效率及其互换性，从而大大降低制造与自行车结构产品的综合成本。
本发明在做为自行车车架结构非均匀铺放的一个特例是将外观美观、特别是印染有图案、具有天然或印染的色泽的植物纤维铺层放置在复合材料制品的外表面，使得这种复合材料制品具有所需的图案或者色泽，赋予复合材料制品装饰功能，从而省略这种复合材料制品表面装饰等步骤，节省了工序，也节约了制造成本。
作为现有碳纤维自行车结构件的“资源、环境友好型”转型升级技术方案，本发明的重要特点之一是它可以立足现有的碳纤维自行车结构的全部工装、夹具、成型制造装备及其工艺技术体系，仅仅是用天然的植物纤维材料部分替代了原有的碳纤维材料，因此，为自行车及其类似产业提供了一种经济便利的转型升级新选项。
本发明更侧重于植物纤维与传统增强纤维的混杂技术，主要应用于自行车、以及以自行车为代表的人力车、甚至电动自行车的车架结构等。
值得特别一提的是，对于管截面结构弯曲载荷条件，表面层的载荷最大而内部载荷条件很小，据此，本发明根据天然竹子等的结构特征，设计制造一种仿生梯度结构，通过由表到里的纤维材料混杂，把不同力学特性的纤维材料由表及里地设置在管截面上，从而得到最经济的纤维材料使用效果。而且，由于大多数植物纤维呈现多孔或空心结构，使得这种纤维及其复合材料具有一个的减振吸能特性，用这样的纤维混杂设计和制造自行车结构，将赋予相比纯碳纤维复合材料自行车结构更加舒适的骑行感受；再者，由于这种多孔和空心结构，也使得这种纤维及其复合材料的密度低于碳纤维，因此，这种梯度结构混杂纤维复合材料自行车结构的重量，相对而言，要低于纯碳纤维增强复合材料自行车结构，并且在价格上也有一定的竞争优势。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的一方面涉及一种植物纤维复合材料，特别是纯植物纤维与其他纤维的混杂纤维复合材料。由于纤维织物为天然形成的中空结构或者多孔结构，这种结构使得复合材料具有减振、阻尼、抗冲击等特性。
在一些实施方式中，所述纤维为连续纤维增强制品，如管材或型材；而在另一些实施方式中，所述纤维为非连续纤维增强制品，如短切纤维增强的注塑管件或接头。
在一些实施方式中，本发明的实施例提供一种上述植物纤维混杂复合材料管材或型材的设计和制造技术，主要是自行车车架结构。本申请对于所述自行车车架结构的类型、形状、样式、特征结构尺寸没有具体限制，所述制件可以是自行车车架、前叉、把手、支撑等结构件，或者其他人力车、儿童车的车架结构，包括电动自行车的车架结构。
在一些实施方式中，本发明实施例提供一种植物纤维混杂复合材料结构的设计和制造技术，其包括：碳纤维预浸料铺层位于该制件的最外层，植物纤维预浸料位于该碳纤维预浸料铺层下(内)。由于碳纤维的密度、刚度和强度远远高于任何一种植物纤维，因此按照这个铺层排序的复合材料就是一种密度、刚度和强度由表及里递减的梯度复合材料结构，即本专利的特征结构。这种混杂设计和制备方法，在本专利里称之为层状化混杂方法。
在一些实施方式中，本发明实施例提供另外一种层内混杂方法的设计和制造技术，其包括：将植物纤维与其他增强纤维混杂编织，例如混杂机织(梭织)、混杂编织或混杂针织、包括混杂经编和纬编，设计和制备不同面密度、从而力学结构性能不同的织物与预浸料，然后，按照本专利的核心原则，即密度、刚度和强度由表及里递减的原则进行铺层放置，也得到一种梯度结构。
在一些实施方式中，本发明实施例还提供一种连续纤维混杂的拉挤复合材料管材或型材的设计和制造技术，在这种情况里，管材或型材的最外层一般都是碳纤维，内层一般都是植物纤维，从而获得由表及里递减的梯度复合材料特征结构。
最后，在一些实施方式中，本发明实施例还提供一种与上述管材或型材配套的管件或多通接头的设计和制造技术，这主要是混杂纤维短切粒料的注塑技术。
下面通过具体的实施例对本发明专利做进一步详细说明。
实施例
在实施例中所用的原料来源如下表所示。
本申请的实施例中使用以下原料，其它的原料都是常规的，或者可以从市场上购得：
表1原料和来源
实施例1(预浸料，层状化混杂)
(1)选择一种现成碳纤维复合材料车架结构及其全部工装、夹具、车型制造装备及其工艺技术体系作为原型，该原型的预浸料全部为中温环氧树脂碳纤维预浸料。
(2)按照原碳纤维结构的制造流程，选择相应的黄麻预浸料包裹在该结构模具最内层、第2层、第3层；再选择该车型原用的碳纤维预浸料包裹其上，共4层，卷管成型为由表及里密度、刚度为梯度结构的管型制件，即“层状化梯度结构”，其中，所有预浸料基体树脂均为同一种中温环氧树脂。
(3)将上述制件按照该车架结构原有的成型固化工艺、即该中温环氧树脂的成型固化工艺进行成型固化，得到外表碳纤维、内部层状梯度分布的植物纤维的混杂复合材料新型车架结构。
本实施例发现，上述车架结构制造的技术方案不仅简便易行，而且得到的混杂复合材料新型结构还具有质量更轻和结构-阻尼效果。
实施例2(预浸料，层内混杂)
(1)参照上述实施例1，选择一种苎麻纤维与碳纤维混杂机织的平纹、斜纹或缎纹织物预浸料，以及一种碳纤维预浸料作为基础材料，将苎麻/碳纤维混杂预浸料作为车架管型材的内层，共3层，纯碳纤维预浸料外层，共4层，卷管成型为由表及里梯度结构的管型件。
(2)由于所选用的两种预浸料均使用同一种中温环氧树脂浸渍，将上述制件按照该环氧树脂的固化工艺成型固化，即得到一种“层内混杂”与“层状化梯度混杂”混合运用的所谓“双混杂”的新型车架结构。
本实施例发现，该“双混杂”新型车架结构比实施例1具有更高的碳纤维体积分数，或者说更高的结构刚度和强度。
实施例3(拉挤，层状化混杂)
(1)选择一种现行(传统)的拉挤设备，包括其相应的模具(口模)、工装、夹具等及其拉挤工艺技术作为原型，选择一种现行的中温固化乙烯基环氧树脂作为拉挤制品的基体树脂。
(2)选择剑麻纤维纱线与碳纤维或玻璃纤维束丝，将剑麻纱线置于拉挤型材的内壁，而将碳纤维或玻璃纤维束丝置于拉挤型材的外壁，即碳纤维或玻璃纤维束丝包覆剑麻纱线的双层结构,然后按照该型材的总纤维体积分数(50-80％，包括碳纤维或玻璃纤维及剑麻纤维)以及树脂粘度，进行传统的拉挤和固化，得到由表及里密度、刚度梯度结构的型材制件。
本实施例发现，该拉挤型材的纤维体积分数高，刚度和强度较高，而且拉挤技术机械化程度高，制造效率高，从而降低了制造成本。
实施例4(混杂粒料注射管件和接头)
(1)选择传统短切碳纤维或玻璃纤维，选择短切植物纤维如短切黄麻、红麻、剑麻纤维，特别选择落麻和废麻料短切以降低原材料成本，再选择常用工程塑料如尼龙、PET或PP等，按照合适的配比，其中短切纤维比分一般在10-35％之间，在常用造粒机上造粒，得到植物纤维混杂的短切纤维增强粒料。
(2)根据管件和多头接头件的设计制造注塑模具，在常规注塑机上，用上述植物纤维混杂短切纤维增强粒料进行常规注塑，得到相应的管件或接头件。
(3)上述管件与上述实施例1-3的管材或型材的连接主要采用胶接技术，其胶黏剂选用、表面处理技术和连接接头设计应相互配合而无特殊限制，以连接接头满足连接件的强度设计要求为准。
本实施例发现，注射混杂纤维接头相比于原碳纤维或玻璃纤维增强的接头，不仅本身的刚度、强度依然很高，而且具有显著的阻尼减震效果，这对于复合材料车架结构具有明显的优点。其次，这种接头与管材、型材的连接设计具有广泛的通用性，容易形成标准化产品，从而可以降低成本，提高效率，扩大复合材料车架结构的设计空间，适于创意和“众创”的需要。