一種航空輕質(zhì)承載桿件及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及輕量化復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種航空輕質(zhì)承載桿件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對于航空、航天、汽車、軌道交通車輛等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)制造技術(shù)來說，承載結(jié)構(gòu)件在滿足承載條件下，適應(yīng)更為嚴酷的使用環(huán)境條件，如低溫與高溫的大溫差變化、振動、疲勞等，是當(dāng)今新技術(shù)發(fā)展的迫切需求，特別是輕量化可以使節(jié)能技術(shù)特點產(chǎn)生新的市場競爭力。
[0003]目前航空、航天、汽車、軌道交通領(lǐng)域中使用的結(jié)構(gòu)桿件大多為金屬材料，鋼材(利用鍛鋼件)尤為普遍，工程師們?yōu)榱吮３纸Y(jié)構(gòu)的功能和承載條件適當(dāng)更換為鈦合金與鋁合金材料，以減輕自重的設(shè)計理念已經(jīng)取得了顯著的效果。但是還是無法解決變形(包括彈性變形)、疲勞損壞、耐候性差(溫度影響顯著)、重量過重等缺陷。換言之，這些各向同性材料僅使用了部分特征，其余特征作用很小似乎是“浪費”，由此造成了部件的自重過大，影響到整機的節(jié)能效果。
[0004]近年來碳纖維復(fù)合材料作為輕量化各向異性材料廣泛應(yīng)用在所涉及的技術(shù)領(lǐng)域，已經(jīng)體現(xiàn)出具有非常高的比強度、比剛度、氣候適應(yīng)性強、耐疲勞、重量輕等特點。以相同直徑與結(jié)構(gòu)的桿件相比，碳纖維復(fù)合材料重量僅為鋼材的五分之一，而強度是鋼材的五倍，還具備鋼材無法滿足的剛度與耐候性能，疲勞性能也遠比鋼材好。雖然碳合金材料比鋼材輕，但綜合性能還是不如碳纖維復(fù)合材料，總是存在著“浪費”現(xiàn)象。人們總是有這樣的概念:碳纖維復(fù)合材料的造價高于金屬材料，但事實上人們僅對比了金屬材料的后期制造費用，沒有考慮金屬前期冶煉、機加工制造等費用，如果綜合考慮造價問題，因為碳纖維生產(chǎn)、樹脂生產(chǎn)、結(jié)構(gòu)件成型等工藝的耗能與制造費用低于金屬構(gòu)件，使得碳纖維結(jié)構(gòu)件的造價要低于金屬材料的結(jié)構(gòu)件。
[0005]選擇碳纖維復(fù)合材料制造航空、航天、汽車、軌道交通技術(shù)領(lǐng)域的承載構(gòu)件是一個近20年世界范圍內(nèi)的創(chuàng)新，也是未來新技術(shù)發(fā)展的趨勢。
[0006]目前在航空、航天、汽車、軌道交通車輛技術(shù)領(lǐng)域使用空心鋼材做結(jié)構(gòu)桿件；在較大承載結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)領(lǐng)域也有使用纖維復(fù)合材料(FKV)，采用傳統(tǒng)的纖維纏繞和熱塑性材料擠壓成型方法；還有采用金屬與纖維復(fù)合材料(FKV)鑲嵌結(jié)合技術(shù)；如DE19649133C1介紹了輕型復(fù)合材料制造液壓氣缸技術(shù)、DE102004038082A1介紹了如何控制輕型復(fù)合材料制造的成形技術(shù)、CH693102A3介紹了碳纖維復(fù)合線束制造的成型模具技術(shù)；EP0237046B1介紹的碳纖維復(fù)合材料制造的緊固裝置的纖維編織方法；DE3904644C1介紹了一種由模具成型的液壓缸部件的制造方法等。但這些技術(shù)存在著如下問題:
[0007]1)金屬結(jié)構(gòu)不能進行各向異性的優(yōu)化設(shè)計，以往的復(fù)合材料不能兼顧各向異性的碳纖維復(fù)合材料的特點，不能充分利用材料特性，構(gòu)件自身重量過重；
[0008]2)在承載關(guān)鍵部位金屬與碳纖維復(fù)合材料連接上存在薄弱環(huán)節(jié)，影響了構(gòu)件承載能力；
[0009]3)當(dāng)構(gòu)件幾何尺寸較小時，由于纖維的編制方式各異，所涉及的剛度往往達不到要求；
[0010]4)制造技術(shù)均有針對性，成本上相對較高，需要進一步優(yōu)化設(shè)計降低制造成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種制造方法簡便、承載能力強的航空輕質(zhì)承載桿件及其制造方法。
[0012]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0013]—種航空輕質(zhì)承載桿件，包括兩片承載構(gòu)件、兩片內(nèi)襯墊、金屬軸套和管型覆蓋層，所述的承載構(gòu)件的兩側(cè)面分別嵌入到兩片相對設(shè)置的內(nèi)襯墊中，形成圓形管狀拉桿結(jié)構(gòu)，所述的管型覆蓋層包裹在承載構(gòu)件和內(nèi)襯墊的外部，所述的承載構(gòu)件的兩端分別設(shè)有耳片部，耳片部上設(shè)有水滴狀的通孔，所述的金屬軸套設(shè)置在通孔中，所述的金屬軸套外表面縱向設(shè)有多條環(huán)形縱向槽，并且還橫向設(shè)有多個沿圓形通孔圓周等距分布的橫向槽。
[0014]所述的金屬軸套形狀與通孔配合，包括尖頭部和圓頭部，所述的圓頭部上設(shè)有圓形通孔。
[0015]所述的縱向槽內(nèi)設(shè)有多層高模碳纖維，所述的橫向槽內(nèi)設(shè)有低模碳纖維。
[0016]所述的管型覆蓋層由低模碳纖維與PEEK纖維混紡纖維斜編織制成。
[0017]所述的低模碳纖維與PEEK纖維混紡纖維斜編織之間的取向夾角α為30-60度。
[0018]所述的承載構(gòu)件與內(nèi)襯墊通過鉚釘固定，并通過粘結(jié)膠粘結(jié)。
[0019]—種航空輕質(zhì)承載桿件的制造方法，包括以下步驟:
[0020]1)將兩片承載構(gòu)件并排緊鄰置于成型模具中，將機加工成型的金屬軸套固定在承載構(gòu)件耳片部上的通孔中；
[0021]2)采用高模碳纖維縱向纏繞固定承載構(gòu)件與金屬軸套，形成高模碳纖維層，每層之間橫向穿插低模碳纖維，以固定纏繞高模碳纖維，并在編制的每一層上涂有熱固性樹月旨;
[0022]3)在最外層按彈性變形控制要求斜編織低模碳纖維與PEEK纖維的混紡纖維形成管型覆蓋層，低模碳纖維與PEEK纖維之間取向夾角α為30-60度；
[0023]4)經(jīng)25分鐘、烘干溫度80°C預(yù)定型，以及3小時、烘焙溫度350±5°C成型，脫模后取出成型產(chǎn)品。
[0024]5)成型產(chǎn)品冷卻后，經(jīng)清洗，采用鉻酸鉀10-100g/l溶液浸泡承載桿件的耳片部，然后進行滲碳化硅處理并磨光，最后對磨光的耳片部表面進行鍍鎳處理。
[0025]所述的步驟2)具體包括以下步驟:
[0026]21)縱向連續(xù)用高模碳纖維纏繞以連接兩個尖端相對設(shè)置的金屬軸套，并在環(huán)形縱向槽中形成高模碳纖維層；
[0027]22)在所有高模碳纖維層成型后，在橫向槽中纏繞低模碳纖維，用以限制高模碳纖維層在的縱向槽中空間；
[0028]23)在金屬軸套兩個尖端之間橫向穿刺、捆扎低模碳纖維，形成承載體。
[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0030]本發(fā)明提出的承載桿件利用碳纖維縱向抗拉強度高，橫向剪切應(yīng)力低的特點，由特殊設(shè)計的纖維編制方式:承載方向縱向布置高模碳纖維，非承載方向橫向補強低模碳纖維，利用襯墊形成內(nèi)部無金屬管材支撐的圓形管狀拉桿。
[0031]本發(fā)明提出的承載桿件采用了具有尖頭部和包含圓形通孔的圓頭部的金屬軸套鑲嵌在碳纖維復(fù)合材料中，利用金屬與碳纖維連接技術(shù)將縱向連續(xù)高模碳纖維纏繞(每層件編織橫向穿插低模碳纖維)，然后橫向穿刺與捆扎，充分利用碳纖維之間的連接和其他不同方向的鋪層來保護敏感的單一方向高強度碳纖維束，并吸附壓力載荷和可能在承載桿件上產(chǎn)生的橫向力，所形成承載體，其強度超出相同截面鋼材的3倍，能滿足拉桿的承載與剛度技術(shù)要求。
[0032]本發(fā)明的制造方法簡便，提供的桿件具備耐高空低溫_55°C、地面高溫45°C、承受超過100噸的巨大拉/壓力、耐振動與抗較大扭矩不變形、超強剛度與強度、以及自重輕等特性，可用在航空飛行器上作為關(guān)鍵承載部件。