一种复合材料与金属管连接结构的缠绕成型工艺的制作方法

1.本发明属于复合材料成型技术领域，具体涉及一种复合材料与金属管连接结构的缠绕成型工艺。


背景技术：

2.纤维增强树脂基复合材料具有比重小、刚度大、强度高、耐腐蚀等优点，广泛用于航空航天、医疗器械、体育器材中，复合材料为目前应用较广泛的一种形式。随着复合材料制件使用范围越来越广，面临着复合材料与金属管的连接问题，二者的连接强度决定了整个产品的结构强度，但由于复合材料与金属管的性能差别较大，这二者之间的连接成为难题。
3.常见的缠绕成型法中复合材料与金属管的连接重点在于金属管的连接结构设计，一般常见的有两种，一种是连接段为平面结构，连接的金属界面压花或者拉毛处理，以增加微观的不平整度，形成微观的销钉效应，提高二者的界面粘接强度；另一种是连接的金属面做成凹槽结构，形成宏观的卡槽效应，提高二者的界面粘接强度。但这两者的连接强度有限，通常不能满足某些特殊条件下产品的短界面高连接强度的技术要求。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种复合材料与金属管连接结构的缠绕成型工艺。该工艺通过将金属管的连接段的外表面设计为外螺纹结构，使得单纤维缠绕进入外螺纹中，从而在复合材料与金属管的连接处形成了锯齿状的镶嵌结构，增大了两者的有效粘结面积，且保证了复合材料与金属管的协同受力，大大提高了复合材料与金属管的连接强度，保证了复合材料与金属管连接结构的完整性。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种复合材料与金属管连接结构的缠绕成型工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：
6.步骤一、对金属管的连接段依次进行清洁和酸洗处理；所述连接段的表面具有外螺纹；
7.步骤二、将步骤一中经酸洗处理后的金属管环套并固定在芯模上，然后采用湿法缠绕法将单纤维沿着金属管的连接段的环向方向进行缠绕，使得单纤维缠绕进入外螺纹中，形成第一环向纤维层，再将单纤维沿着金属管的连接段的长度方向进行缠绕，在第一环向纤维层上形成第一纵向纤维层；
8.步骤三、依次重复步骤二中的第一环向纤维层和第一纵向纤维层缠绕工艺，直至达到设计厚度，形成纤维与金属管连接结构；
9.步骤四、将步骤三中形成的纤维与金属管连接结构进行高温固化成型，使得纤维转化为复合材料管，然后脱除芯模，得到复合材料与金属管连接结构。
10.本发明将金属管清洁、酸洗后固定在芯模上，然后采用湿法缠绕法将单纤维依次沿着金属管的连接段的环向方向和长度方向依次进行缠绕，形成依次交替的环向纤维层和
纵向纤维层直至设计厚度，形成纤维与金属管连接结构，经高温固化成型后得到复合材料与金属管连接结构。本发明通过将金属管的连接段的外表面设计为外螺纹结构，并采用湿法缠绕法进行环向和长度方向的交替缠绕，使得单纤维缠绕进入外螺纹中，从而在复合材料与金属管的连接处形成了锯齿状的镶嵌结构，增大了两者的有效粘结面积，同时，该外螺纹处的锯齿状的镶嵌结构保证了复合材料与金属管的协同受力，大大提高了复合材料与金属管的连接强度，通常较直接粘接法提高了两倍甚至更多，保证了复合材料与金属管连接结构的完整性。
11.上述的一种复合材料与金属管连接结构的缠绕成型工艺，其特征在于，步骤一中所述金属管的连接段的壁厚大于2.5mm。
12.上述的一种复合材料与金属管连接结构的缠绕成型工艺，其特征在于，步骤一中所述连接段的长度为40mm～1000mm，所述外螺纹的直径为30mm～1000mm，螺距为3mm～5mm，牙深为1.5mm～3mm。
13.上述的一种复合材料与金属管连接结构的缠绕成型工艺，其特征在于，步骤二中所述缠绕的过程中均施加60n～100n的张力。本发明通过在缠绕的过程中均施加上述张力，保证了单纤维缠绕进入外螺纹的结构中，并根据外螺纹的螺牙分布，形成锯齿状的镶嵌结构，同时提高了单纤维的缠绕紧密性，进而得到结构密实的复合材料结构，进一步提高了复合材料与金属管连接结构的连接强度以及整体力学性能。
14.上述的一种复合材料与金属管连接结构的缠绕成型工艺，其特征在于，步骤四中所述高温固化成型的过程为：先在90℃保温1h，然后在130℃高温固化2h。
15.上述的一种复合材料与金属管连接结构的缠绕成型工艺，其特征在于，步骤四中所述复合材料与金属管连接结构中复合材料与金属管的连接强度提高了125％～155％。
16.本发明与现有技术相比具有以下优点：
17.1、本发明通过将金属管的连接段的外表面设计为外螺纹结构，使得单纤维缠绕进入外螺纹中，从而在复合材料与金属管的连接处形成了锯齿状的镶嵌结构，增大了两者的有效粘结面积，且保证了复合材料与金属管的协同受力，大大提高了复合材料与金属管的连接强度，保证了复合材料与金属管连接结构的完整性。
18.2、在相同连接长度和连接半径的条件下，本发明复合材料与金属管连接结构的连接强度较目前常规的连接方法提高了80％～100％，满足了特定条件下二者间高连接强度的要求，同时在连接强度一定的条件下，有效减少金属连接段的长度，从而减轻整个连接结构的重量。
19.3、本发明的工艺设计简单、流程较短，加工成本低廉，适宜工业化应用。
20.下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
21.图1为本发明金属管的结构示意图。
22.图2为本发明第一环向纤维层与第一纵向纤维层的缠绕示意图。
23.图3为本发明复合材料与金属管连接结构的示意图。
24.图4为本发明复合材料与金属管连接结构的剖视图。
25.附图标记说明:
26.1—芯模；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
2—金属管；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
3—复合材料管；
27.4—连接段；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
5—外螺纹；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
6—第一环向纤维层；
28.7—第一纵向纤维层。
具体实施方式
29.实施例1
30.本实施例包括以下步骤：
31.步骤一、对金属管2的连接段4依次进行清洁和酸洗处理；所述连接段4的表面具有外螺纹5，如图1所示；所述连接段4的长度为40mm，壁厚为2.5mm，所述外螺纹5的直径为30mm，螺距为3mm，牙深为1.5mm；
32.步骤二、将步骤一中经酸洗处理后的金属管2环套固定在芯模1上，然后采用湿法缠绕法将12k单束碳纤维沿着金属管2的连接段4的环向方向进行缠绕，使得12k单束碳纤维缠绕进入外螺纹5中，形成第一环向纤维层6，再将12k单束碳纤维沿着金属管2的连接段4的长度方向进行缠绕，在第一环向纤维层6上形成第一纵向纤维层7，如图2所示；所述缠绕过程中均施加60n的张力；
33.步骤三、依次重复步骤二中的第一环向纤维层6和第一纵向纤维层7缠绕工艺，直至达到设计厚度，形成纤维与金属管连接结构；
34.步骤四、将步骤三中形成的纤维与金属管连接结构进行高温固化成型，使得纤维转化为复合材料管3，然后脱除芯模1，得到复合材料与金属管连接结构，如图3和图4所示；所述高温固化成型的过程为：先在90℃保温1h，然后在130℃高温固化2h。
35.经检测，本实施例复合材料与金属管连接结构中复合材料与金属管的连接强度约为18mpa，而将复合材料与无螺纹的金属管连接段直接粘接制备的复合材料与金属管连接结构中，复合材料与金属管的连接强度仅约为8mpa，说明本发明工艺使得复合材料与金属管的连接强度大大提高，且提高幅度高达125％。
36.实施例2
37.本实施例包括以下步骤：
38.步骤一、对金属管2的连接段4依次进行清洁和酸洗处理；所述连接段4的表面具有外螺纹5，如图1所示；所述连接段4的长度为1000mm，壁厚为3.5mm，所述外螺纹5的直径为1000mm，螺距为5mm，牙深为3mm；
39.步骤二、将步骤一中经酸洗处理后的金属管2环套固定在芯模1上，然后采用湿法缠绕法将12k单束碳纤维沿着金属管2的连接段4的环向方向进行缠绕，使得12k单束碳纤维缠绕进入外螺纹5中，形成第一环向纤维层6，再将12k单束碳纤维沿着金属管2的连接段4的长度方向进行缠绕，在第一环向纤维层6上形成第一纵向纤维层7，如图2所示；所述缠绕过程中均施加100n的张力；
40.步骤三、依次重复步骤二中的第一环向纤维层6和第一纵向纤维层7缠绕工艺，直至达到设计厚度，形成纤维与金属管连接结构；
41.步骤四、将步骤三中形成的纤维与金属管连接结构进行高温固化成型，使得纤维转化为复合材料管3，然后脱除芯模1，得到复合材料与金属管连接结构，如图3和图4所示；所述高温固化成型的过程为：先在90℃保温1h，然后在130℃高温固化2h。
42.经检测，本实施例复合材料与金属管连接结构中复合材料与金属管的连接强度约为14mpa，而将复合材料与无螺纹的金属管连接段直接粘接制备的复合材料与金属管连接结构中，复合材料与金属管的连接强度仅约为5.5mpa，说明本发明工艺使得复合材料与金属管的连接强度大大提高，且提高幅度高达155％。
43.实施例3
44.本实施例包括以下步骤：
45.步骤一、对金属管2的连接段4依次进行清洁和酸洗处理；所述连接段4的表面具有外螺纹5，如图1所示；所述连接段4的长度为400mm，壁厚为3mm，所述外螺纹5的直径为300mm，螺距为4mm，牙深为2mm；
46.步骤二、将步骤一中经酸洗处理后的金属管2环套固定在芯模1上，然后采用湿法缠绕法将12k单束碳纤维沿着金属管2的连接段4的环向方向进行缠绕，使得12k单束碳纤维缠绕进入外螺纹5中，形成第一环向纤维层6，再将12k单束碳纤维沿着金属管2的连接段4的长度方向进行缠绕，在第一环向纤维层6上形成第一纵向纤维层7，如图2所示；所述缠绕过程中均施加80n的张力；
47.步骤三、依次重复步骤二中的第一环向纤维层6和第一纵向纤维层7缠绕工艺，直至达到设计厚度，形成纤维与金属管连接结构；
48.步骤四、将步骤三中形成的纤维与金属管连接结构进行高温固化成型，使得纤维转化为复合材料管3，然后脱除芯模1，得到复合材料与金属管连接结构，如图3和图4所示；所述高温固化成型的过程为：先在90℃保温1h，然后在130℃高温固化2h。
49.经检测，本实施例复合材料与金属管连接结构中复合材料与金属管的连接强度约为14.8mpa，而将复合材料与无螺纹的金属管连接段直接粘接制备的复合材料与金属管连接结构中，复合材料与金属管的连接强度仅约为6.3mpa，说明本发明工艺使得复合材料与金属管的连接强度大大提高，且提高幅度高达133％。
50.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。