专利名称：复合材料低温力矩管及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种复合材料低温力矩管及其制备方法。
背景技术：
由于先进树脂基复合材料具有高比强度、高比模量、优良的断裂韧性、独特的低温热物理性能和灵活的设计性而广泛应用在低温工程中。美国NASA第二完全可重复使用运载器的研究过程中，X-33演示试验机中关键技术就是用碳/环氧树脂制备的大型复合材料液氢储罐。国际低温热核反应试验堆(Inernational Thermonuclear Experimental Reactor，ITER)采用了S玻璃纤维增强环氧树脂复合材料超导磁体绝缘和支撑材料。我国中科院合肥等离子体所的国家重点项目-Tokamak热核反应堆也采用了类似的绝缘结构。同时低温复合材料还大量应用在其它低温高压容器和一般低温杜瓦中绝缘和支撑构件上。日本也有多项专利公开了低温复合材料的制备方法，其目的是解决部件在低温条件下大收缩的问题。由此看出，目前低温复合材料主要用于低温工程中的绝缘和支撑上，关于低温复合材料在低温工程中的动态力矩传递应用的开发未见有公开报道。
在某些低温工程中，传动输出装置需要和外界连接，装置内外温差非常大。这种传动装置应该满足隔热和承受大力矩的特殊要求，传统的金属传动轴隔热性能很差，而其它材料，如陶瓷或塑料等，低温力学性能不能满足要求。
综上所述，树脂基复合材料兼有低温热物理和力学性能优良的特点，适合制备低温工程中的传动构件。复合材料低温力矩管由于形状复杂，受力条件苛刻，因此传统的复合材料铺层设计和成型工艺不能满足其性能要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种性能优异的复合材料低温力矩管，以满足大力矩输出传动装置的连接轴在低温隔热环境(液氦或液氮环境，内外温差大于270K)中应用的要求。并且，该复合材料低温力矩管的制备方法简单，易于实施。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案本发明提供的复合材料低温力矩管，其结构是具有中空的圆筒和与其两端相连的两个法兰，每个法兰上分布有连接孔。
上述的复合材料低温力矩管，其制备方法包括正交三维纤维的力矩管预制体11的制备和真空注射成型步骤，具体是将增强纤维编成具有正交三维织物结构的力矩管预制体，以高性能耐低温树脂为基体，采用真空注射整体成型工艺或预浸料加袋压法制成复合材料低温力矩管，其纤维体积含量为40～70％。
本发明与现有技术相比，具有以下的主要优点其一.利用树脂基复合材料优良的隔热性能和较好的力学性能，可提高本力矩管在低温环境中的隔热和力矩输出的能力。
其二.通过正交三维织物厚度方向有限纤维的锁式缝织，大大提高了复合材料的层间剪切强度和抗扭能力。利用具有良好的流动性和浸润能力的低粘度高性能耐低温树脂注射或袋压成型工艺，可提高复合材料纤维含量和降低复合材料的层间和层内空隙率，同时可提高本力矩管的低温热物理力学性能。
其三.本力矩管纤维体积含量可高达40～70％而不降低材料的隔热性能。
其四.本力矩管具有优良的低温热物理性能，液氮环境中热传导率≤0.5W.m-1.K-1；能承载大转矩；冷热循环条件下强度保留值高，在液氦中浸泡30小时，并在液氮与大气中经过50次冻融循环后，试样弯曲强度、剪切强度保有率≥90％。
其五.本力矩管的制备工艺简单，易于实施。
图1是复合材料低温力矩管的结构图。
图2是力矩管预制体11的结构示意图，图中剖面部分表示三维织物的纤维布及其排布、缝合线及其缝合方向。
图3是复合材料低温力矩管的模具图。该模具装有力矩管预制体11。
具体实施例方式
本发明提供的复合材料低温力矩管，其结构如图1所示具有圆筒5和与其两端相连的两个法兰1，法兰1和圆筒5的连接过渡部分为弧形增强体4。每个法兰1上分布有若干个连接孔2，其通过螺栓与低温装置内外传动件连接。圆筒5中空，具有空腔3。
本发明提供的复合材料低温力矩管，其制备方法包括正交三维纤维的力矩管预制体11的制备和真空注射成型步骤，具体是将增强纤维编成具有正交三维织物结构的力矩管预制体11(见图2和图3)，以高性能耐低温树脂为基体，采用真空注射整体成型工艺或预浸料加袋压法制成复合材料低温力矩管，其纤维体积含量为40～70％，固化条件为加热固化或常温固化。本力矩管的应用温度为4K到450K。其结构见图1。
所述的纤维正交三维织物是指玻璃纤维、碳纤维、凯芙拉(Kevlar)纤维、石英纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维中的一种或几种纤维的三维织物，其由机加工或手工缝制方式制成。
所述的高性能耐低温树脂是指环氧树脂、氰酸酯树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂、呋喃树脂及其改性体系中的一种或几种。并包括这些树脂经亚微米或纳米级超细填料改性的体系。
力矩管预制体11的缝合结构图如图2所示。手工缝制方法是将纤维布7(高强玻璃纤维布或碳纤维布)叠合，并在垂直纤维布(厚度)方向用缝线6进行锁式有限正交编织，在不降低纤维布强度的基础上，提高增强材料的层间剪切强度。
采用真空注射整体成型工艺制备复合材料低温力矩管，其中所使用的力矩管成型模具如图3所示包括上模板8、模体9、下模板10。模体一分为二，合拢时，其外形和结构如图1所示的复合材料低温力矩管相同。
下面举出具体制备方法实施例对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
复合材料低温力矩管由耐低温环氧树脂浸渍纤维三维织物制备而成。制备方法为1.力矩管预制体11的制备按低温力矩管的受力条件和低温热物理性能设计三维织物的铺层方式和数量，在一定成型支架上，碳纤维布沿力矩管内壁铺放，玻璃纤维布沿力矩管外壁铺放，并将纤维布压实。
按设计要求，用高强玻璃纤维无捻粗纱将铺放的纤维布缝合，缝合距离间隔为10mm，缝合方式为锁式(LOCK方式)正交缝合。得到图2所示的力矩管预制体11。
2.真空注射成型将力矩管预制体11放入力矩管成型模具(图3)中，合模；模具内壁与力矩管预制体11的外壁接触，力矩管预制体11的内壁与充气气囊接触，将上模板8和下模板10盖严，密封；充气，使气囊与力矩管预制体11紧贴，并排除多余空气；用配好的低粘度高性能耐低温环氧树脂进行真空注射；在80℃固化5小时，去掉上下模板，取出气囊；然后，使工件继续在120℃下固化4小时，160℃下固化6小时。冷却后脱模，进行少量机加工，去掉法兰部分的边料，得到图1所示的复合材料低温力矩管。其常温典型性能如表1所示。
本发明制备的复合材料低温力矩管，其树脂和纤维织物的体积含量分别为55％和45％，其中纤维三维织物的体积组成为碳纤维(T-300)15％、高强玻璃纤维85％；树脂体系为含有4.5％(重量百分率)纳米Al2O3的低粘度耐低温韧性环氧树脂，其室温下粘度低于70mPa.s，浇铸体冲击韧性大于17KJ.cm-2。在液氮环境中热传导率低于0.5W.m-1.K-1；在液氦(4K)浸泡30小时，并在液氮(77K)与大气中经过50次冻融循环后，试样弯曲强度、剪切强度保有率≥90％。适用于液氦、液氮等低温环境以及常温环境力矩输出装置的传动件。
表1 低温力矩管复合材料常温性能
权利要求
1.一种复合材料低温力矩管，其特征是具有中空的圆筒(5)和与其两端相连的两个法兰(1)，每个法兰(1)上分布有连接孔(2)。
2.根据权利要求1所述的复合材料低温力矩管，其特征在于法兰(1)与圆筒(5)的连接过渡部分为弧形增强体(4)。
3.一种力矩管的制备方法，其特征是包括正交三维纤维的力矩管预制体(11)的制备和真空注射成型步骤，具体是将增强纤维编成具有正交三维织物结构的力矩管预制体(11)，以高性能耐低温树脂为基体，采用真空注射整体成型工艺或预浸料加袋压法制成复合材料低温力矩管；该力矩管的纤维体积含量为40～70％，并且具有中空的圆筒(5)和与其两端相连的两个法兰(1)，每个法兰(1)上分布有连接孔(2)。
4.根据权利要求3所述力矩管的制备方法，其特征在于法兰(1)与圆筒(5)的连接过渡部分为弧形增强体(4)。
5.根据权利要求3所述力矩管的制备方法，其特征在于所述的纤维正交三维织物是指玻璃纤维、碳纤维、Kevlar纤维、石英纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维中的一种或几种纤维的三维织物。
6.根据权利要求5所述力矩管的制备方法，其特征在于所述的纤维正交三维织物是指机加工编制物，或手工缝制物。
7.根据权利要求3所述力矩管的制备方法，其特征在于所述的高性能耐低温树脂是指高性能耐低温树脂体系，包括环氧树脂、氰酸酯树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂、呋喃树脂中的一种或几种。
8.根据权利要求7所述力矩管的制备方法，其特征在于所述的高性能耐低温树脂还包括权利要求7中所述树脂经亚微米或纳米级超细填料改性的体系。
9.根据权利要求3所述力矩管的制备方法，其特征在于在制成复合材料低温力矩管的过程中，复合材料低温力矩管的固化条件为加热固化或常温固化。
10.根据权利要求3所述力矩管的制备方法，其特征在于所述的复合材料低温力矩管，其应用温度为4K到450K。
全文摘要
本发明公开了一种复合材料低温力矩管及其制备方法。本力矩管具有中空的圆筒(5)和与其两端相连的两个法兰(1)，每个法兰(1)上分布有连接孔(2)。本力矩管的制备包括正交三维纤维的力矩管预制体(11)的制备和真空注射成型步骤，具体是将增强纤维编成具有正交三维织物结构的力矩管预制体，以高性能耐低温树脂为基体，采用真空注射整体成型工艺或预浸料加袋压法制成复合材料低温力矩管；该力矩管的纤维体积含量为40～70％。本力矩管的制备工艺简单，易于实施，并且具有优良的隔热性能和低温热物理性能，其纤维体积含量可高达40～70％而不降低材料的隔热性能，适用于低温条件下使用，能承载大转矩。
文档编号F16C3/00GK1916477SQ20061012450
公开日2007年2月21日 申请日期2006年9月12日 优先权日2006年9月12日
发明者王钧, 蔡浩鹏, 张联盟, 段华军, 徐任信, 王翔, 杨小利, 宋仁义 申请人:武汉理工大学