一种破损能量可控的复合材料易碎杆及其制造方法与流程

文档序号：20706000发布日期：2020-05-12 16:26阅读：275来源：国知局

本发明属于机场附件技术领域，尤其涉及一种破损能量可控的复合材料易碎杆及其制造方法。

背景技术：

易碎杆(易折易碎杆)广泛应用于各大机场的灯光杆塔、仪表着陆设备杆塔、风向标杆塔的主承载结构。易碎杆的结构必须满足既能够在恶劣的环境(喷气气流、地震、长时间太阳辐射、自然风、盐雾腐蚀等)条件下正常工作，又要满足在遭受任意方向的意外撞击时易折易碎，从而以最大限度减轻对航空器的结构损伤。目前，国内尚无成熟且可靠的易碎杆产品，民用机场用的易碎杆都是从丹麦、挪威两个国家进口的金属铝制品。铝合金为各向同性材料，当受到一定的冲击载荷时，可以有效地将载荷从外结构层处均匀传递至内结构层。但这样的金属杆，对金属材料要求高，加工工艺复杂，比重大，价格昂贵且环境适应性较差。

目前，国际上尚未公开铝质金属易碎杆的制造工艺，一直垄断了铝质金属易碎杆的生产，使得国内机场需要大量的外汇来进口铝质金属易碎杆作为机场附件。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种破损能量可控的复合材料易碎杆及其制造方法。本发明中的易碎杆具有结构轻量化、环境适应性好以及成型工艺简单等优点。

为了实现上述目的，本发明在第一方面提供了一种破损能量可控的复合材料易碎杆，所述易碎杆由内至外依次包括内结构层、至少一层突变层和外结构层；所述内结构层、所述突变层和所述外结构层各自独立地由纤维增强复合材料制得，所述纤维增强复合材料包含由增强纤维制成的纤维增强体和复合在所述纤维增强体中的树脂基体；所述内结构层和所述外结构层中包含的增强纤维均沿所述易碎杆的轴向方向设置，所述突变层中包含的增强纤维沿所述易碎杆的周向方向设置。

优选地，所述内结构层和所述外结构层中包含的纤维增强体均由两层纤维毡层和夹在两层纤维毡层之间的至少一层纤维层组成；所述突变层中包含的纤维增强体由至少一层纤维层组成。

优选地，所述纤维毡层由无碱玻璃纤维制得；所述纤维层由碳纤维制得。

优选地，每层所述纤维毡层的厚度为0.09～0.11mm；和/或每层所述纤维层的厚度为0.11～0.13mm。

优选地，所述内结构层和所述外结构层中包含的纤维增强体均由两层纤维毡层和夹在两层纤维毡层之间的18层纤维层组成；所述突变层中包含的纤维增强体由一层纤维层组成。

优选地，每层所述纤维毡层的厚度为0.09～0.11mm，每层所述纤维层的厚度为0.11～0.13mm，所述易碎杆的总厚度为4.43～5.25mm。

优选地，每层所述纤维毡层的厚度为0.1mm，每层所述纤维层的厚度为0.125mm，所述易碎杆的总厚度为5.025mm。

优选地，所述树脂基体为不饱和聚酯树脂；优选的是，所述不饱和聚酯树脂选自由邻苯型不饱和聚酯树脂、间苯型不饱和聚酯树脂、二甲苯型不饱和聚酯树脂、双酚a型不饱和聚酯树脂、卤代不饱和聚酯树脂和乙烯基不饱和聚酯树脂组成的组。

本发明在第二方面提供了本发明在第一方面所述的易碎杆的制造方法，所述方法包括如下步骤：

(1)依次铺设所述内结构层、所述突变层和所述外结构层中包含的纤维增强体，得到铺层结构；

(2)将步骤(1)得到的铺层结构置于树脂基体料液中进行浸渍，得到预浸料；

(3)将步骤(2)得到的预浸料通过拉挤成型工艺进行固化成型，制得所述易碎杆。

优选地，步骤(3)包括如下子步骤：

(a)将步骤(2)得到的预浸料置于预成型装置内预成型成预制体；

(b)将步骤(a)得到的预制体置于成型模具中进行固化，得到易碎杆型材；

(c)将步骤(b)得到的易碎杆型材进行自然冷却，由此制得所述易碎杆。

本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：

(1)本发明首次采用纤维增强复合材料来制造易碎杆，所述易碎杆中的内结构层、突变层和外结构层均由纤维增强复合材料制得，其中，内结构层和外结构层中包含的纤维增强体沿所述易碎杆的轴向方向设置，突变层中包含的纤维增强体沿所述易碎杆的周向方向设置，使得易碎杆在具备一定强度和刚度的同时，又能在触发条件下按要求自行碎裂；本发明中的易碎杆相比传统金属材料具有结构轻量化、环境适应性好以及成型工艺简单等优点，本发明中的易碎杆能够打破国外的垄断，弥补国内的空白，能够节约大量的外汇。

(2)本发明中的易碎杆完全符合国际民航组织标准的要求，其暴露于速度最高至480km/h(260节)的风力或喷气气流中不会破损和变形，但在受到一架重3000kg、以140km/h(75节)速度飞行着地或以50km/h(27节)速度在地面滑行的航空器突然的碰撞力时能立即破碎、弯曲或屈服；本发明中的易碎杆破损能量可控，易碎杆与航空器碰撞接触瞬间施加给航空器的力不大于45kn，施加给航空器的最大能量不大于55kj。

(3)本发明中所述易碎杆的制造方法具有制造方法简单可控、可根据需要制造各种尺寸的易碎杆；本发明中的制造方法可以有效的节省原材料成本，可有效减少制造时间，进而可以大幅度降低生产成本。

附图说明

本发明附图仅仅为说明目的提供，图中各部件的比例与数量不一定与实际产品一致。

图1是本发明中所述易碎杆的一个具体实施方式的立体结构示意图。

图2是图1中所述易碎杆的横截面的放大示意图。

图中：1：内结构层；2：突变层；3：外结构层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出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。

本发明在第一方面提供了一种破损能量可控的复合材料易碎杆，图1是本发明中所述易碎杆的一个具体实施方式的立体结构示意图，图2是图1中所述易碎杆的横截面的放大示意图；在本发明中，易碎杆的横截面指的是垂直于易碎杆的轴线剖切开所得到的剖切面。

本发明所述的易碎杆由内至外依次包括内结构层1、至少一层突变层2和外结构层3，例如，如图2所示，所述易碎杆呈圆管形状；所述内结构层1、所述突变层2和所述外结构层3各自独立地由纤维增强复合材料制得，所述纤维增强复合材料包含由增强纤维制成的纤维增强体和复合在所述纤维增强体中的树脂基体；所述内结构层和所述外结构层中包含的增强纤维均沿所述易碎杆的轴向方向设置，所述突变层中包含的增强纤维沿所述易碎杆的周向方向设置。在本发明中，所述易碎杆的内部例如可以为空心结构或实心结构，优选为所述易碎杆的内部为空心结构，例如，如图2所示；在本发明中，所述内结构层1、所述突变层2和所述外结构层3各自独立地由纤维增强复合材料制得指的是，用于制成所述内结构层1、突变层2和外结构层3所采用的纤维增强复合材料的种类可以相同或者不相同，即各自采用的纤维增强复合材料包含的纤维增强体和复合在所述纤维增强体中的树脂基体的种类可以相同或者不相同；在本发明中，也将所述易碎杆的轴向方向记作0°方向，也将所述易碎杆的周向方向记作90°方向；在本发明中，也将易碎杆记作易折易碎杆。

纤维增强复合材料，例如碳纤维增强树脂基复合材料，其比刚度可以达到铝合金材料的5倍以上，比强度可以达到铝合金材料的10倍以上，一般常用作承重结构材料。而本发明首次采用纤维增强复合材料来制造易碎杆，所述易碎杆中的内结构层、突变层和外结构层均由纤维增强复合材料制得；本发明首次利用了纤维增强复合材料存在沿纤维方向抗拉强度高，而在垂直纤维方向易被撕裂的特点，合理地设计了所述易碎杆的结构，使内结构层和外结构层中包含的纤维增强体沿所述易碎杆的轴向方向设置，突变层中包含的纤维增强体沿所述易碎杆的周向方向设置，使得易碎杆在具备一定强度和刚度的同时，又能在触发条件下按要求自行碎裂；具体来说，本发明中的所述易碎杆采用刚度较大的内、外结构层实现静态承载功能，内外结构层之间预埋刚度较小的突变层(刚度突变层)，实现动态承载功能，这样，当易碎杆承受静态加载时应力主要集中在易碎杆外表面，当易碎杆受到一定的冲击载荷后应力主要集中在刚度突变层，使其能够迅速分层形成大尺寸界面裂纹，从而失去承载能力发生结构灾变，达到易折易碎的目的。

本发明中的易碎杆相比传统金属材料具有结构轻量化、环境适应性好、成型工艺简单以及成本低等优点，本发明中的易碎杆能够打破国外的垄断，弥补国内的空白，能够节约大量的外汇。

根据一些优选的实施方式，所述易碎杆包括的突变层的数量为1～10层(例如1、2、3、4、5、6、7、8、9或10层)。

根据一些优选的实施方式，所述内结构层和所述外结构层中包含的纤维增强体均由两层纤维毡层和夹在两层纤维毡层之间的至少一层纤维层组成；所述突变层中包含的纤维增强体由至少一层纤维层组成；即在本实施例中，所述内结构层和所述外结构层均包括两层纤维毡层、夹在两层纤维毡层之间的至少一层纤维层和复合在所述纤维毡层与所述纤维层中的树脂基体；所述突变层包括至少一层纤维层和复合在所述纤维层中的树脂基体。在本发明中，所述纤维毡层和所述纤维层均由增强纤维制成；所述纤维毡层和所述纤维层中包含的增强纤维各自独立地选自由玻璃纤维、碳纤维和硼纤维组成的组。

根据一些优选的实施方式，所述纤维毡层由玻璃纤维(例如无碱玻璃纤维、耐化学玻璃纤维、高碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维等)制得。在本发明中，当所述纤维毡层由玻璃纤维制得时，所述纤维毡层也记作玻璃纤维毡层或玻璃毡层。

根据一些优选的实施方式，所述纤维毡层由无碱玻璃纤维(例如e-6-2400-386t玻璃纤维)制得；所述纤维层由碳纤维制得。在本发明中，所述纤维毡层中包含的玻璃纤维的方向与夹在两层所述纤维毡层中的纤维层包含的碳纤维的设置方向设置相同。

根据一些优选的实施方式，每层所述纤维毡层的厚度为0.09～0.11mm(例如0.09、0.095、0.1、0.105或0.11mm)；和/或每层所述纤维层的厚度为0.11～0.13mm(例如0.11、0.115、0.12、0.125或0.13mm)。在本发明中，优选为每层所述纤维毡层的厚度为0.09～0.11mm，且优选为每层所述纤维层的厚度为0.11～0.13mm，本发明人发现，这一厚度的纤维毡层和这一厚度的纤维层之间的匹配性最好，能将所述易碎杆的静态承载功能和动态承载功能的综合优势发挥至最大。

根据一些优选的实施方式，所述内结构层和所述外结构层中包含的纤维增强体均由两层纤维毡层和夹在两层纤维毡层之间的1～30层优选为10～20层(例如10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20层)纤维层组成；所述突变层中包含的纤维增强体由1～5层(例如1、2、3、4或5层)纤维层组成。在本发明中，可以根据不同的需要通过在内结构层、突变层和外结构层中设置不同层数的纤维层，可以得到不同厚度的易碎杆。

根据一些优选的实数方式，所述内结构层和所述外结构层中包含的纤维增强体均由两层纤维毡层和夹在两层纤维毡层之间的18层纤维层组成；所述突变层中包含的纤维增强体由一层纤维层组成。

根据一些优选的实施方式，每层所述纤维毡层的厚度为0.09～0.11mm，每层所述纤维层的厚度为0.11～0.13mm，所述易碎杆的总厚度为4.43～5.25mm。在本发明中，优选为夹在两层纤维毡层之间的纤维层为18层，突变层中包含的纤维增强体由一层纤维层组成，并且，每层所述纤维毡层的厚度为0.09～0.11mm，每层所述纤维层的厚度为0.11～0.13mm，使得所述易碎杆的总厚度(总壁厚)为4.43～5.25mm；本发明发现，这一参数下的易碎杆的静态承载功能和动态承载功能最好，且其破损时能量更可控。特别说明的是，本发明中所述易碎杆的总厚度指的是内结构层、突变层和外结构层中包含的纤维增强体的总厚度，树脂基体对所述易碎杆厚度的影响忽略不计。

根据一些优选的实施方式，每层所述纤维毡层的厚度为0.1mm，每层所述纤维层的厚度为0.125mm，所述易碎杆的总厚度为5.025mm。

根据一些优选的实施方式，所述树脂基体为不饱和聚酯树脂；优选的是，所述不饱和聚酯树脂选自由邻苯型不饱和聚酯树脂(例如191不饱和聚酯树脂)、间苯型不饱和聚酯树脂、二甲苯型不饱和聚酯树脂、双酚a型不饱和聚酯树脂、卤代不饱和聚酯树脂和乙烯基不饱和聚酯树脂组成的组；更优选的是，所述不饱和聚酯树脂为邻苯型不饱和聚酯树脂或乙烯基不饱和聚酯树脂。在本发明中，当所述易碎杆中的树脂基体为邻苯型不饱和聚酯树脂或乙烯基不饱和聚酯树脂，能更有效地降低易碎杆与航空器碰撞接触瞬间施加给航空器的力以及能更有效地降低施加给航空器的最大能量，使得本发明所述易碎杆的破损能量更加可控。

根据一些优选的实施方式，所述易碎杆与航空器碰撞接触瞬间施加给航空器的力不大于45kn，施加给航空器的最大能量不大于55kj。

本发明中的所述易碎杆完全符合国际民航组织标准的要求，其暴露于速度最高至480km/h(260节)的风力或喷气气流中不会破损和变形，但在受到一架重3000kg、以140km/h(75节)速度飞行着地或以50km/h(27节)速度在地面滑行的航空器突然的碰撞力时能立即破碎、弯曲或屈服；本发明中的易碎杆破损能量可控，易碎杆与航空器碰撞接触瞬间施加给航空器的力不大于45kn，施加给航空器的最大能量不大于55kj。

本发明在第二方面提供了本发明在第一方面所述的易碎杆的制造方法，所述方法包括如下步骤：

(1)依次铺设所述内结构层、所述突变层和所述外结构层中包含的纤维增强体，得到铺层结构；

(2)将步骤(1)得到的铺层结构置于树脂基体料液(例如不饱和聚酯树脂料液)中进行浸渍，得到预浸料；其中，所述树脂基体料液可以为树脂或包含树脂的溶液；

(3)将步骤(2)得到的预浸料通过拉挤成型工艺进行固化成型，制得所述易碎杆。

根据一个具体的实施方式，在步骤(1)中：以0°方向为易碎杆轴向方向，90°方向为易碎杆周向方向，采用的铺设方案为：玻璃毡层/0°方向的碳纤维(18层)/玻璃毡层/90°方向的碳纤维(1层)/玻璃毡层/0°方向的碳纤维(18层)/玻璃层毡；每层纤维层厚度0.125mm，每层玻璃毡层厚度0.1mm，易碎杆总厚度5.025mm。

根据一些优选的实施方式，步骤(3)包括如下子步骤：

(a)将步骤(2)得到的预浸料置于预成型装置内预成型成预制体；例如，所述预成型装置包括一组或多组预成型模具，整个预成型过程连续运转，所述预浸料首先通过拉挤模具拉挤形成内结构层，然后在内结构层外表面缠绕成型90°方向的突变层，最后以内结构层为拉挤芯模，拉挤形成所述外结构层，经过该拉挤-缠绕相结合的工艺逐步过渡成为预制体；

(b)将步骤(a)得到的预制体置于成型模具中进行固化(例如按照树脂体系的固化条件进行固化)，得到易碎杆型材；

(c)将步骤(b)得到的易碎杆型材进行自然冷却，例如通过自然风(风冷的方式)使得所述易碎杆型材自然冷却，由此制得所述易碎杆。在本发明中，当所述易碎杆型材完全冷却(例如冷却至室温)后定型。

在本发明中，所述易碎杆采用拉挤工艺整体成型，在拉挤系统内按照预先设定好的铺层制度制备预制体，最后在成型模具中共固化成型。本发明中所述易碎杆的制造方法具有制造方法简单可控、可根据需要制造各种尺寸的易碎杆；本发明中的制造方法可以有效的节省原材料成本，可有效的减少制造时间，进而可以大幅度降低生产成本。

根据一些优选的实施方式，所述方法还包括在进行步骤(b)之前，先去除步骤(a)得到的预制体中多余的树脂的步骤。

根据一些优选的实施方式，所述方法还包括对制得的所述易碎杆进行剪裁而形成所需长度尺寸的易碎杆的步骤。

根据一些优选的实施方式，所述方法还包括对制得的所述易碎杆进行打磨修整后喷涂三防漆(例如特种三防漆)的步骤。

根据一些优选的实施方式，在步骤(b)中，所述固化的温度为120～150℃(例如120℃、125℃、130℃、135℃、140℃、145℃或150℃)，所述固化的压力为0.1～2mpa(例如0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9或2mpa)，所述固化的时间为1～4h(例如1、1.5、2、2.5、3、3.5、或4h)。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。这些实施例只是就本发明的优选实施方式进行举例说明，本发明的保护范围不应解释为仅限于这些实施例。

实施例1

制造一种破损能量可控的复合材料易碎杆，其制造方法为:

①将玻璃纤维从纱筒上引出，按照玻璃毡层/0°方向的碳纤维(18层)/玻璃毡层/90°方向的碳纤维(1层)/玻璃毡层/0°方向的碳纤维(18层)/玻璃毡层的铺设顺序排布均匀整齐，得到铺层结构；其中，所述玻璃毡层由无碱玻璃纤维制得；每层纤维层厚度0.125mm，每层玻璃毡层厚度0.1mm，易碎杆总厚度5.025mm。

②将铺层结构(排列整齐的纤维和玻璃毡)匀速通过装有乙烯基不饱和聚酯树脂基体料液的浸胶槽中，确保其均匀浸渍，得到预浸料。

③将所述预浸料穿过预成型装置，连续运转，确保它们的相应位置；所述预浸料在预成型装置内逐步过渡成为预制体，同时挤出多余的树脂。

④将预制体置于成型模具中进行固化，固化温度为140℃，固化压力为0.8mpa，固化时间为1.5h，得到易碎杆型材，固化完成后将得到的所述易碎杆型材进行冷却定型。

⑤冷却后，在牵引装置的牵引下将固化好的型材从模具中拉出，然后根据需要的型材尺寸进行切割，获得由复合材料制得的所述易碎杆。

⑥最后，将所述易碎杆进行打磨修整后喷涂特种三防漆。

将本实施例制得的所述易碎杆暴露于速度最高至480km/h(260节)的风力和喷气气流中，本实施例中的所述易碎杆未出现破损且未变形；本实施例中的所述易碎杆在受到一架重3000kg、以140km/h(75节)速度飞行着地或以50km/h(27节)速度在地面滑行的航空器突然的碰撞力时立即破碎；通过地面模拟撞击试验，测得本实施例中的易碎杆与航空器模拟件碰撞接触瞬间施加给模拟件的力为29kn(小于35kn)，施加给模拟件的最大能量为38kj(小于45kj)；本实施例中所述易碎杆的比重为2.05×10^-3kg/m³，所述比重指的是所述易碎杆的重量与体积的比值。

实施例2

实施例2与实施例1基本相同，不同之处在于：

在①中，每层纤维层厚度0.135mm，每层玻璃毡层厚度0.115mm，易碎杆总厚度5.455mm。

采用与实施例1相同的测试方法对本实施例制造的易碎杆进行性能测试，其性能测试结果如表1所示。

实施例3

实施例3与实施例1基本相同，不同之处在于：

在①中，每层纤维层厚度0.105mm，每层玻璃毡层厚度0.085mm，易碎杆总厚度4.225mm。