CN108262981B - 一种具有c形截面的双稳态壳结构及其连续制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有C形截面的双稳态壳结构的连续制造方法，包括如下步骤：(1)套管编织步骤：将第一纤维通过套管编织机编织套管，并在编织的同时将由第二纤维制成的夹心层与所述第一纤维共同牵引，从而在所述套管的内壁上衬附夹心层，形成外层为套管，内层为夹心层的复合结构；(2)树脂复合步骤：将所述复合结构牵引至树脂浸润装置中，使所述复合结构与树脂复合，形成树脂复合结构；(3)成型步骤：将所述树脂复合结构固化成型为具有C形截面的双稳态壳结构。本发明提供的制造方法可提高套管的轴向性能，有助于防止牵引过程纤维编织角度的变化，并增强C形壳结构的性能，用此方法理论可以实现无限长度的C形壳结构的连续生产。

Description

一种具有C形截面的双稳态壳结构及其连续制造方法

技术领域

本发明涉及材料制造技术领域，尤其涉及一种具有C形截面的双稳态壳结构及其连续制造方法。

背景技术

双稳态壳结构是指沿壳结构表面的两个方向上，在不同时间沿两个方向可分别保持稳定弯曲形变的状态。双稳态壳结构最早是在上世纪50年代应用在卫星天线上，由F.P.J.Rimrott发明的一种金属壳的双稳态结构，可沿面的双方向实现卷曲，并保持稳定。Iqbal K、Daton-Lovett等人发表了采用复合材料制备的双稳态管的文章，并申请了相关专利，专利号为US6217975B1、US6256938B1、US6602574B1等。其中，US6217975B1专利介绍了一种采用增强纤维织物与树脂复合的可伸长的中空管结构，阐述了其发明利用了复合材料纤维铺层的特性赋予其发明双稳态的特性，既可以在双方向实现卷曲。US6256938B1专利介绍了一种具有卡口结构的，可以实现自闭合的双稳态管。其结构为，沿1方向的管壁边缘加工了很多锯齿形结构，当管C形截面管的轴向方向开口闭合时，两侧的锯齿会相互啮合，使管形成闭合的整体，提高其整体强度和刚度。US6602574B1专利介绍了一种具有内部支撑叶片结构的双稳态管。其结构具有双层结构，在沿管轴向方向展开的内壁连接了一些叶片，使内外壁相连接，当结构沿轴向方向展开时，内外壁之间的叶片会形成支撑，从而提高管的整体刚度。

Daton-Lovett的研究主要集中在双稳态壳结构的结构上，对于双稳态壳结构的制造方法研究甚少。目前公开的双稳态壳结构制造方法(也是最常用的制造方法)包括如下步骤：先分别形成预定尺寸的基材层和纤维层，然后将基材层和纤维层通过加热粘合在一起，形成一体结构，最后在形成的一体结构上施加压力，使其形成双稳态结构。

但是这种制造方法受到基材层和/或纤维层长度的影响，所能制造的双稳态壳结构的长度其实是已经预设好的，同基材层和/或纤维层长度一样，而不能连续制造出长度不限的双稳态壳结构。

而且，利用这种制造方法制得的双稳态壳结构的强度不佳，长度超过10米时，双稳态壳结构无法再作为C形管使用。

目前基于双稳态壳理论的专利主要是由Daton-Lovett所申请的复合材料开口管，但所有专利都未涉及到采用套管编织连续成型的制造技术，发明人也未查到可以连续成型的具有高性能的双稳态壳结构的相关文献资料。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：一、现有技术中没有连续成型的双稳态壳结构的制造方法。二、现有方法制得的双稳态壳结构的强度不佳。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

1、一种具有C形截面的双稳态壳结构的连续制造方法，所述制造方法包括如下步骤：

(1)套管编织步骤：将第一纤维通过套管编织机编织套管，并在编织的同时将由第二纤维制成的夹心层与所述第一纤维共同牵引，从而在所述套管的内壁上衬附夹心层，形成外层为套管，内层为夹心层的复合结构；

(2)树脂复合步骤：将所述复合结构牵引至树脂浸润装置中，使所述复合结构与树脂复合，形成树脂复合结构；

(3)成型步骤：将所述树脂复合结构固化成型为具有C形截面的双稳态壳结构。

2、根据技术方案1所述的制造方法，在步骤(1)中，所述夹心层选自编织物或单向纱，优选地，所述夹心层选自编织角度为0°或90°的所述编织物。

3、根据技术方案2所述的制造方法，在步骤(1)中，将所述第一纤维通过套管编织机编织成具有-60°～+60°编织角的所述套管，更优选地，将所述第一纤维通过套管编织机编织成具有-45°～+45°编织角的所述套管。

4、根据技术方案1所述的制造方法，在步骤(2)中，树脂复合的方式为直接浸渍或反应注射成型。

5、根据技术方案4所述的制造方法，所述直接浸渍按照如下方法进行：加热树脂胶液，再将所述复合结构浸入所述树脂胶液中；

优选地，所述树脂胶液包含树脂、固化剂和稀释剂；

所述树脂选自热固性树脂或热塑性树脂；

所述固化剂选自间苯二胺、甲基四氢苯二甲酸酐、过氧化苯甲酸叔丁酯中的一种或多种；和

所述稀释剂选自乙二醇、丙三醇、碳原子数小于12的一元醇中的一种或多种。

6、根据技术方案1所述的制造方法，所述成型步骤包括：

(a)模具成型：将所述树脂复合结构牵引至具有C形模芯的模具中，从所述模具的出口牵引得到模具成型结构；

(b)冷却：将所述模具成型结构进行冷却，得到具有C形截面的双稳态壳结构；

优选的是，所述方法还包括(c)收卷，所述收卷按照如下方式进行：

将经所述冷却后的所述模具成型结构利用收卷机进行收卷，得到成卷的所述双稳态壳结构。

7、根据技术方案6所述的制造方法，在步骤(a)中，所述模具包括具有第一温度的预备段和具有第二温度和C形模芯的成型段；并且在成型过程中，所述树脂复合结构首先进入所述预备段，对所述树脂复合结构进行加热或保温，再进入所述成型段，从所述成型段拉出后得到所述模具成型结构。

8、根据技术方案7所述的制造方法，所述第一温度为70-500℃，所述第二温度为0-70℃。

9、根据技术方案1至8任一项所述的制造方法，所述第一纤维选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、超高密度聚乙烯纤维、PPO纤维、聚酰亚胺纤维中的一种或多种；

所述第二纤维选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、超高密度聚乙烯纤维、PPO纤维、聚酰亚胺纤维中的一种或多种。

10、一种具有C形截面的双稳态壳结构，采用技术方案1至9任一项所述制造方法制造而成。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

(1)本发明采用套管编织连续成型，用此方法理论可以实现无限长度的C形壳结构的连续生产。

(2)本发明在制造过程中采用套管编织方法制成了外层为套管，内层为夹心层的复合结构，可以提高套管的轴向性能，有助于防止牵引过程纤维编织角度的变化，并增强C形壳结构的性能。

(3)本发明采用外层编织方法，可以实现边缘封闭，与通用的预浸料铺层方法相比，可以提高双稳态壳结构的综合力学性能，尤其是双稳态壳结构的重复卷曲无损伤寿命比采用铺层法制得的双稳态结构提高100％以上。

附图说明

图1是本发明提供的连续制造方法的流程示意图；

图2是本发明提供的连续制造方法所用的装置示意图；

图3是复合结构的横截面示意图；

图4是本发明制得的具有C形截面的双稳态壳结构的结构图。

图中：1：套管编织机；2：复合结构；21：夹心层；22：套管；3：树脂浸润装置；31：浸胶槽；32：左涂胶辊；33：右涂胶辊；34：底涂胶辊；4：成型模具。

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，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。

第一、本发明提供了一种具有C形截面的双稳态壳结构的连续制造方法，如图1所示，所述制造方法包括如下步骤：

(1)套管编织步骤：将第一纤维作为编织材料用来编织套管，所述第一纤维优选为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、超高密度聚乙烯纤维、PPO纤维、聚酰亚胺纤维中的一种或多种。编织所用的设备为套管编织机，套管编织机的类型可选择144锭套管编织机、288锭套管编织机等。在编织的同时，将由第二纤维制成的夹心层置于穿过所述套管的位置，与所述套管共同牵引，从而在所述套管的内壁上衬附夹心层，形成外层为套管，内层为夹心层的复合结构。所述第二纤维选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、超高密度聚乙烯纤维、PPO纤维、聚酰亚胺纤维中的一种或多种，可以于第一纤维相同，也可不同。所述夹心层选自编织物或单向纱，为了提高夹心层的强度，使用前可将编织物或单向纱进行树脂浸润处理，将所述编织物或单向纱完全浸入树脂胶液中，冷却后再使用。所述夹心层的厚度不超过所述套管的厚度；所述夹心层的宽度不超过所述套管的内径的周长。在一些实施例中，所述套管的编织角为-60°～+60°，优选为-45°～+45°，这一编织角能抗较大的拉伸和压缩载荷；和所述编织物的编织角为0°或90°。

(2)树脂复合步骤：将所述复合结构与树脂复合，形成树脂复合结构。所述树脂复合的方式为直接浸渍或反应注射成型。当采用直接浸渍的方式进行所述树脂复合时，将所述复合结构通过牵引进入到树脂浸润槽中，在树脂浸润槽中有多个辊组成浸润机构，树脂浸润槽具有加热功能，可以根据树脂类型进行加热，保证树脂胶液具有较低的浸润粘度。浸润树脂可以采用热塑性和热固性树脂，也可以采用反应注塑形成。所述树脂胶液包含树脂、固化剂和稀释剂。所述树脂选自热固性树脂或热塑性树脂，其中，所述热固性树脂选自环氧树脂、双马来酰亚胺、丙烯基树脂、酚醛树脂、氰酸脂、苯并噁嗪中的任一种，所述热塑性树脂选自聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚氨酯、ABS、PEEK、PEAK、PEKK中的任一种。所述固化剂选自间苯二胺、甲基四氢苯二甲酸酐、过氧化苯甲酸叔丁酯中的一种或多种。所述稀释剂选自乙二醇、丙三醇、碳原子数小于12的一元醇中的一种或多种。所述反应注射成型为常规的工业成型加工工艺，例如，利用聚氨酯反应注射成型工艺将夹心结构与聚氨酯复合。

(3)成型步骤：所述树脂复合结构经过具有C形模芯的模具的塑形，使所述树脂复合结构固化成型，得到具有C形截面的双稳态壳结构，如图4所示。

在一些实施例中，成型步骤按照如下方式进行：

(a)模具成型：将所述树脂复合结构牵引至具有C形模芯的模具中，得到模具成型结构。所述模具包括具有第一温度的预备段和具有第二温度和C形模芯的成型段，所述树脂复合结构首先进入所述预备段，进行加热或保温，一是可以彻底去除树脂复合结构中的溶剂，避免因为溶剂的存在导致产品的强度下降，二是可以对树脂复合结构中的树脂进行预强化，使树脂与复合结构结合更为紧密。同时，所述树脂复合结构受到预备段的挤压，变为片材。再进入所述成型段，从所述成型段拉出后得到所述模具成型结构。所述第一温度为70-500℃，所述第二温度为0-70℃。此时的模具成型结构已经是具有C形截面的双稳态壳结构。

(b)冷却：将从所述模具的出口牵引出的所述模具成型结构进行冷却。冷却的方式可选择自然冷却、通风降温等多种方式。例如，冷却过程可以采用风扇降温，还可以适当地延长降温的距离，以保证在收卷之前达到小于60℃的温度。

(c)收卷：将经所述冷却后的所述模具成型结构利用牵引收卷机进行收卷，得到具有C形截面的双稳态壳结构。通过牵引收卷机的收卷，使所述双稳态壳结构处于收卷状态，从而方便包装和运输。另外，牵引收卷机可以提供一定的牵引张力，保证双稳态壳结构的力学强度。

第二、本发明还提供了一种具有C形截面的双稳态壳结构，该双稳态壳结构采用技术方案1至9任一项所述制造方法制造而成。

第三，本发明还提供了一种连续制造C形截面双稳态壳结构的装置，如图2和图3所示，所述装置包括：

套管编织机1：用以将纤维编织成套管22，并同时在套管22内壁上衬覆夹心层21；所述套管编织机1可以为144锭套管编织机或288锭套管编织机。

树脂浸润装置3：位于所述套管编织机1的出料端，用以接收所述套管编织机1传送的由套管22和夹心层21组成的复合结构2，并将复合结构2与树脂进行复合；和

成型模具4：位于所述树脂浸润装置3的出料端，用以接收所述树脂浸润装置3传送的复合有树脂的复合结构2，并将复合结构2固化成型为具有C形截面的双稳态壳结构。

所述成型模具3包括两部分：一是预备段：用以接收所述树脂浸润装置传送的复合有树脂的复合结构，并对复合结构进行加热或保温；二是成型段：具有C形模芯，用以对加热或保温后的复合结构进行固化成型。

所述装置还包括冷却装置，所述冷却装置位于所述成型模具3的出料端，用以对所述双稳态壳结构进行冷却。所述冷却装置可以选用风扇。

所述装置还包括牵引收卷装置，所述牵引收卷装置用以接收冷却后的双稳态壳结构，并将双稳态壳结构收卷。所述牵引收卷装置可以是牵引收卷机。

另外，还可以对树脂浸润装置3进行如下优化：

所述树脂浸润装置3包括浸胶槽31和用以控制所述浸胶槽31内的树脂温度的控温加热装置。在所述浸胶槽31内靠近浸胶槽31顶部的位置分别设置有左涂胶辊32和右涂胶辊33，所述左涂胶辊32靠近所述浸胶槽31的左侧壁，所述右涂胶辊33靠近所述浸胶槽31的右侧壁；在所述述浸胶槽31内靠近浸胶槽31底部的中央位置设置有底涂胶辊34。所述控温加热装置置于所述浸胶槽31下。

以下是本发明提供的几个实施例。

实施例1

实施例1的制备方法包括如下步骤：

(1)套管编织

套管编织采用144锭套管编织机1进行，编织用的玻璃纤维采用单束纱33TEX玻纤8束纱合股为一束，最终形成的纱束为264TEX。编织角度通过调节纱锭转速和牵引速度的方式控制，编织角设定为+50°，套管22的直径为39mm，直径通过模心尺寸控制。夹心层21采用180克重的双层玻璃纤维平纹布，宽度为120mm，长度同套管22的长度，为2.5m，将打成卷的夹心层21置于编织机的下方。编织前将夹心层穿过套管22的中心(此时套管22还未形式，实际操作中是将夹心层预先穿过套管22的编织线。故，在套管编织的过程中，随着套管22的形成，夹心层也处于穿过套管22中心的状态)，并与套管22共同牵引，形成外层为套管22，内层为夹心层21的复合结构2(见图3所示)。

(2)树脂复合

将复合结构2通过树脂浸润装置3。树脂胶液为环氧E51，固化剂为间苯二胺，稀释剂为乙醇，三者的体积比为100：18：1。将树脂浸润装置3中的浸胶槽的温度控制在25℃。浸胶槽内设置有辊结构，通过牵引张力的作用，使复合结构2与树脂完全浸渍，形成树脂复合结构。

(3)模具成型

树脂复合结构进入具有C形模芯的模具的成型模具4中，所述成型模具4包括预备段和具有C形模芯的成型段，通过预备段使溶剂充分挥发，然后，进入成型段，成型段温度控制在160℃，在牵引经过成型模具后，出口部位形成模具成型结构。

此时的模具成型结构已经是具有C形截面的双稳态壳结构，但为了方便包装和运输，可以再将模具成型结构进行冷却和收卷。通过冷却装置(例如风扇)的冷却将模具成型结构的温度降至60℃以下。经过降温的模具成型结构，通过牵引收卷装置(例如牵引收卷机)的收卷，使所述双稳态壳结构处于收卷状态，得到收卷的产品5，从而方便包装和运输。而且，牵引收卷装置可以提供牵引张力，通过张力使纤维处于完全伸直状态，保证了复合材料结构的强度，从而进一步保证双稳态壳结构的力学强度。

实施例2

同实施例1基本上相同，不同之处在于：

在步骤(1)中，套管的编织角度设定为+60°，夹心层选用单向纱。

在步骤(2)中，树脂胶液包含酚醛树脂、甲基四氢苯二甲酸酐和丙三醇，三者的体积比为100:20:1，浸胶槽温度控制在30℃。

在步骤(3)中，定型段温度控制在180℃。

实施例3

同实施例1基本上相同，不同之处在于：

在步骤(1)中，套管的编织角度设定为+45°，夹心层选用编织角度为0°的编织物。

在步骤(2)中，树脂胶液包含氰酸脂、过氧化苯甲酸叔丁酯和异丙醇，三者的体积比为100:16:2，浸胶槽温度控制在25℃。

在步骤(3)中，定型段温度控制在170℃。

实施例4

同实施例1基本上相同，不同之处在于：

在步骤(1)中，套管的编织角度设定为-60°，夹心层选用编织角度为90°的编织物。

在步骤(2)中，树脂胶液包含聚丙烯、间苯二胺和正丁醇，三者的体积比为100:18:2，浸胶槽温度控制在30℃。

在步骤(3)中，定型段温度控制在170℃。

对比例1

基材树脂层由环氧树脂E51(同实施例1)构成，宽度为120mm，长度为2.5m纤维层为180克重的双层玻璃纤维平纹布，宽度同为120mm，长度也为2.5m。

将基材层和纤维层通过加热粘合在一起(加热温度为160℃)，形成一体结构，然后，在形成的一体结构上施加压力，使其形成双稳态结构。

对比例2

对比例2同实施例1基本上相同，不同之处在于：

在步骤(1)中，套管的编织角度设定为+90°。

将实施例1、对比例1和对比例2制得的双稳态壳机构的重复卷曲无损伤寿命进行对比。对比结果为：实施例1制得的双稳态壳结构的重复卷曲无损伤寿命比对比例1和对比例2制得的双稳态壳机构的重复卷曲无损伤寿命分别提高180％和120％。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种具有C形截面的双稳态壳结构的连续制造方法，其特征在于，所述制造方法包括如下步骤：

（1）套管编织步骤：将第一纤维通过套管编织机编织成具有-60°~ +60°编织角的所述套管，并在编织的同时将由第二纤维制成的夹心层与所述第一纤维共同牵引，从而在所述套管的内壁上衬附夹心层，形成外层为套管，内层为夹心层的复合结构；

（2） 树脂复合步骤：将所述复合结构牵引至树脂浸润装置中，使所述复合结构与树脂复合，形成树脂复合结构；

（3）成型步骤：将所述树脂复合结构固化成型为具有C形截面的双稳态壳结构；

所述成型步骤包括：

模具成型：将所述树脂复合结构牵引至具有C形模芯的模具中，从所述模具的出口牵引得到模具成型结构；

所述模具包括具有第一温度的预备段和具有第二温度和C形模芯的成型段；并且在成型过程中，所述树脂复合结构首先进入所述预备段，对所述树脂复合结构进行加热或保温，再进入所述成型段，从所述成型段拉出后得到所述模具成型结构；

所述第一温度为70-500℃，所述第二温度为0-70℃。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在步骤（1）中，所述夹心层选自编织物或单向纱。

3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述夹心层选自编织角度为0°或90°的所述编织物。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在步骤（1）中，将所述第一纤维通过套管编织机编织成具有-45°~ +45°编织角的所述套管。

5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在步骤（2）中，树脂复合的方式为直接浸渍或反应注射成型。

6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述直接浸渍按照如下方法进行：加热树脂胶液，再将所述复合结构浸入所述树脂胶液中。

7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述树脂胶液包含树脂、固化剂和稀释剂；

所述树脂选自热固性树脂或热塑性树脂；

所述固化剂选自间苯二胺、甲基四氢苯二甲酸酐、过氧化苯甲酸叔丁酯中的一种或多种；和

所述稀释剂选自乙二醇、丙三醇、碳原子数小于12的一元醇中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述成型步骤包括：

冷却：将所述模具成型结构进行冷却，得到具有C形截面的双稳态壳结构。

9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述方法还包括收卷，所述收卷按照如下方式进行：

将经所述冷却后的所述模具成型结构利用收卷机进行收卷，得到成卷的所述双稳态壳结构。

10.根据权利要求1至9任一项所述的制造方法，其特征在于，所述第一纤维选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、超高密度聚乙烯纤维、PPO纤维、聚酰亚胺纤维中的一种或多种；

所述第二纤维选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、超高密度聚乙烯纤维、PPO纤维、聚酰亚胺纤维中的一种或多种。