CN103737942A - 碳纤维复合材料厚壁管的成型工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种以碳纤维预浸料制作厚壁管的成型工艺，属于复合材料的成型工艺领域。本发明采用碳纤维预浸料进行剪裁，铺叠，卷管，缠带，固化，制成碳纤维复合材料厚壁管。本发明提供的成型工艺，使管件铺层设计不受限制，纤维在不同方向上的分布量可以精确控制，纤维角度可以设计。制备过程中不造成环境污染，成型后无需后期加工处理。制备的厚壁管质量轻、孔隙率低、纤维含量高、承载能力强。本工艺方法使用T700级碳纤维环氧型预浸料生产内经φ37mm外径φ49mm长1200mm规格的厚壁管能够耐外压达到80MPa以上。

Description

碳纤维复合材料厚壁管的成型工艺

技术领域

    本发明属于复合材料成型工艺领域，具体涉及一种以碳纤维预浸料为材料制作厚壁管的成型工艺。

背景技术

传统的厚壁管用钢板卷制而成，厚壁卷管可分为冷卷厚壁卷管和热卷厚壁卷管两种。一般冷卷厚壁卷管的壁厚在20mm以下，外径范围450-3000mm，是由钢板直接卷制、焊接、成型、对接、去筋而成。冷卷厚壁卷管具有加工时间短、交货迅速、造价低等特点。热卷厚壁卷管的壁厚一般超过20mm，外径范围450-3000mm，是在钢板加热的状态下卷制、焊接、成型、去筋、探伤、出厂，有时壁厚较为特殊的还需要二次加热。热卷厚壁卷管特点在于外径公差小、壁厚均匀等，最主要的是不会伤害到原材料的性能。

但是，钢板卷制而成的厚壁管质量太大，并不适合用于一些要求质量轻的场合使用。例如，自浮式测井仪的载体需要质量小、浮力大、耐压强度高的厚壁管，而钢板卷制成的厚壁管过重，上浮速度过慢，会影响测量的准确性。普通金属材料的力学性能无法满足耐高压的要求。

用碳纤维预浸料制成的厚壁管具有质量小、耐压强度高的特点，目前常用的是碳纤维湿法缠绕成型工艺：将碳纤维浸渍树脂后，进行缠绕成型和后固化处理，即得成品。此工艺的缺点是：树脂含量不易控制；纤维体积含量一般较低；容易产生空隙，产品质量难以控制；制品力学性能相对较低；树脂浪费严重，操作环境差；由于受到缠绕角度影响，纤维铺层设计受到限制，不能发挥纤维最大承载能力。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种碳纤维复合材料厚壁管成型工艺，制备过程中不造成环境污染、成型后无需后期机械加工处理；制备的厚壁管孔隙率低、纤维含量高、承载能力强，管件的铺层设计不受限制，不同方向纤维分布量可以精确控制，铺叠角度可以设计，能进一步发挥纤维承载能力。本发明使用T700级碳纤维环氧树脂预浸料生产的内经φ37mm外径φ49mm长1200mm规格的厚壁管能耐外压80MPa以上。

本发明技术方案：

 一种碳纤维复合材料厚壁管的成型工艺，其特征包括以下步骤：

a. 制备单向碳纤维预浸料，根据管件的长度和厚度对预浸料进行裁剪；

b. 铺叠：将步骤a中裁剪好的预浸料进行铺叠；

c. 卷管：将步骤b中铺叠好的预浸料熨烫在涂有脱模剂的芯模上进行卷管；

d. 固化：对步骤c中得到的制件进行固化处理；

e. 脱模：经过步骤e固化处理后，进行脱模处理，即得所述的碳纤维复合材料厚壁管。

优选地，步骤b中所述的铺叠包括以下内容：将裁剪好的预浸料依次铺叠，根据实际需要，采用不同面密度的预浸料通过铺叠工序调整纤维在0°、90°方向上的分布比例。

优选地，步骤c中所述的卷管包括以下内容：用卷管机进行卷管，卷管采用的温度为15~40℃，压力为0.2~0.6MPa。

优选地，步骤c和d之间增加缠绕热收缩膜工序：在步骤c中得到的制件外表面用热收缩膜进行缠绕。

优选地，所述热收缩膜为BOPP收缩膜或者PET收缩膜。

一种根据上面所述成型工艺制成的碳纤维复合材料厚壁管。

一种上面所述碳纤维复合材料厚壁管在自浮式测井仪载体方面应用。

本发明效益如下：

1. 传统的厚壁管都采用钢材料卷制成，但此类厚壁管为了达到一定的耐压强度（比如80MPa），必须增加质量，因此应用范围受到限制。本发明中采用碳纤维预浸料作为原材料生产的厚壁管，比同等抗压强度的钢材料卷管质量小，扩大了其应用范围。

2. 目前复合材料厚壁管，通常采用碳纤维湿法缠绕成型工艺，将碳纤维浸渍树脂后，进行缠绕成型，再加热固化即得成品。此工艺的缺点是：树脂含量不易控制；纤维体积含量一般较低；容易产生空隙，产品质量难以控制；制品力学性能相对较低；树脂浪费严重，操作环境差。而本发明以预浸料为原材料，通过剪裁，铺层，卷管，缠带，固化而成，此工艺可以对树脂的含量进行严格控制，纤维含量高，力学性能好，没有树脂因溶剂挥发而造成的危害性气体，作业环境得到改善；碳纤维预浸料的挥发分含量低，一般小于0.5%，产品的孔隙率相对降低。

3. 传统碳纤维湿法缠绕成型工艺，由于受到缠绕角度的影响，纤维铺层设计受到限制，不能发挥纤维的最大承载能力；而本发明提供的成型工艺具有铺叠操作工序，纤维铺层设计不受生产工艺限制，可以根据实际需要，采用不同面密度预浸料通过铺叠工序调整预浸料的纤维在0°、90°方向上的分布比例，即本发明提供的工艺生产的厚壁管纤维呈0°、90°正交铺层结构，能进一步提高成品的承载能力。

4. 与传统碳纤维湿法缠绕成型工艺相比，本发明提供的工艺中，采用卷管机进行卷管操作，卷管速度快，效率高；卷管对象为碳纤维预浸料，可以有效控制树脂含量，提高纤维体积含量，提高同等厚度下产品的力学性能；卷管温度优选为15~40℃，压力优选为0.2~0.6MPa，该条件下预浸料有一定的粘性，通过施加一定压力，有利于空气排出，进一步降低孔隙率，提高力学性能。

5. 与传统的碳纤维湿法缠绕成型工艺相比，本发明提供的工艺中，在固化处理前增加缠绕热收缩膜工序，有以下好处：在固化时缠绕在制件外表面的热收缩膜产生一定的收缩，同时制件内部的芯模受热后产生一定的膨胀，使得制件受到内部和外部的压力，有利于卷管过程中带入的空气和固化过程中所产生的挥发份排出，进一步降低孔隙率，提高力学性能。

6. 与传统的碳纤维湿法缠绕成型工艺相比，本发明提供的成型工艺制成的厚壁管在经过铺叠、卷管、缠带、固化、脱模后，即可得到表面光滑、平整的厚壁管，无需后期表面加工处理，减少工艺流程，缩短生产周期，降低生产成本。

    7. 比强度和比模量是作为衡量材料轻质高强度、高刚度的重要指标，本发明提供的制备工艺，采用碳纤维预浸料制作的厚壁管，其刚度高、重量轻，表面光滑平整、孔隙率低、纤维含量高、承载能力强，能耐压80MPa以上。复合材料的比强度是中碳钢的20倍以上，比模量是中碳钢的3倍，密度是中碳钢的0.2倍。本发明可以在同等程度上提高厚壁管的性能。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

一种碳纤维厚壁管的成型工艺，包括以下步骤：

a. 制备单向碳纤维预浸料，根据管件的长度和厚度对预浸料进行裁剪；

b. 铺叠：将上面裁剪好的坯料进行铺叠，可以根据实际需要，采用不同面密度的预浸料通过铺叠工序调整纤维在0°、90°方向上的分布比例，使得用本发明提供的成型工艺生产的厚壁管纤维呈0°、90°正交铺层结构；

c. 卷管：将上面铺叠好的坯料熨烫在涂有脱模剂的芯模上，然后用卷管机进行卷管，卷管平台温度15~40℃，卷管压力0.2~0.6MPa，根据坯料长度和设备的有效卷管行程，同一根管件可以进行多次重复卷制完成；

d. 缠绕热收缩膜：选择缠带材料的依据是产品固化温度，在120℃左右固化的原材料，选择PP材质热收缩膜即BOPP热收缩膜；在180℃左右固化的原材料，选择PET材质热收缩膜。缠绕热收缩膜的目的是利用热收缩膜受热产生收缩力为制件提供外压，有利于排除卷管过程中带入的空气和固化过程中所产生的挥发份，降低孔隙率；

e. 固化：将上面缠绕好的制件放入固化炉中进行固化处理；

f. 脱模：将固化处理后的制件进行脱模处理，即得所述的碳纤维复合材料厚壁管，根据实际需要再将管件切割至规定尺寸。

    根据上述方法制得的碳纤维厚壁卷管，质量轻、表面光滑平整、孔隙率低、纤维含量高、承载能力强，能耐压80MPa以上。由表1数据可以看出，复合材料的比强度是中碳钢的20倍以上，比模量是中碳钢的3倍，密度是中碳钢的0.2倍。本发明可以在同等程度上提高厚壁管的性能。

材料性能对比表（表1）

实施例2

将实施例1中制备得到的碳纤维复合材料厚壁管，用于自浮式测井仪载体。将制得的碳纤维复合材料厚壁管作为测井仪的载器（此处只为说明厚壁管可以作为测井仪的载体使用即可，不用进行具体的描述），送入井中，检测相关数据。实施例1中提供的碳纤维复合材料厚壁管质量轻，能在井中迅速浮起，可提高测井数据的及时性、准确性。本发明使用T700级碳纤维环氧树脂预浸料生产的厚壁管，其内径φ37mm、外径φ49mm、长度1200mm，耐外压80MPa以上，采用本发明提供的成型工艺生产的碳纤维复合材料厚壁管应用于自浮式测井仪载体时，可在1000~6000米的深海使用。 

Claims (6)

1. 一种碳纤维复合材料厚壁管的成型工艺，其特征包括以下步骤：

a. 制备单向碳纤维预浸料，根据管件长度和厚度对预浸料进行裁剪；

b. 铺叠：将步骤a中裁剪好的预浸料进行铺叠；

c. 卷管：将步骤b中铺叠好的预浸料熨烫在涂有脱模剂的芯模上进行卷管；

d. 固化：对步骤c中得到的制件进行固化处理；

e. 脱模：经过步骤e的固化处理后进行脱模处理，即得所述的碳纤维厚壁管。

2. 根据权利要求1所述碳纤维复合材料厚壁管的成型工艺，其特征在于，步骤b中所述的铺叠包括以下内容：将已裁剪的预浸料依次铺叠，根据实际需要，通过铺叠工序调整预浸料的纤维在0°和90°方向上的分布比例。

3. 根据权利要求1所述碳纤维复合材料厚壁管的成型工艺，其特征在于，步骤c中所述的卷管包括以下内容：用卷管机进行卷管，卷管采用温度为15~40℃、压力为0.2~0.6MPa。

4.根据权利要求1所述碳纤维复合材料厚壁管的成型工艺，其特征在于，步骤c和d之间增加缠绕热收缩膜的操作：在步骤c中得到的制件外表面用热收缩膜进行缠绕。

5. 根据权利要求4所述碳纤维复合材料厚壁管的成型工艺，其特征在于所述热收缩膜为BOPP收缩膜或PET收缩膜。

6. 一种根据权利要求1-5任意一项所述成型工艺制成的碳纤维复合材料厚壁管。

    7. 一种权利要求6所述碳纤维复合材料厚壁管在自浮式测井仪载体方面的应用。