CN112922947B - 一种碳纤维螺纹套及其应用 - Google Patents

Abstract

一种碳纤维螺纹套，沿其轴向分布有限位段以及啮合段，所述啮合段的内表面和外表面设置着螺纹，所述限位段固定在啮合段的一端，所述限位段外形与啮合段螺纹不相同，当碳纤维螺纹套的啮合段完全啮合，限位段阻碍碳纤维螺纹套进一步转动，本发明的碳纤维管件，其管壁的碳纤维与成型螺纹套的螺纹紧密嵌合，从而能充分发挥管壁的碳纤维的力学性能，由于碳纤维螺纹套、碳纤维管件均使用了相同的碳纤维材料，管件轴向的强度一致性好，重量增加少，材料热膨胀系数一致，本发明的碳纤维管件的连接方法，可以极大简化施工条件，减少施工周期，特别是对于几十米级的大型桁架结构的现场施工有重要意义。

Description

一种碳纤维螺纹套及其应用

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种碳纤维螺纹套及其应用。

背景技术

相对传统钢材，碳纤维复合材料具有比刚度和比强度高的优点。将碳纤维复合材料应用于大型天文望远镜中，有助于降低望远镜的重量与驱动功耗，提高望远镜的自振频率和指向速度。在大型天文望远镜的大型桁架结构中，碳纤维复合材料可以以管件的形式得到应用。

碳纤维复合材料的连接方法与工艺跟传统钢材的连接方法与工艺有很大差别。碳纤维复合材料管件与接头的常用连接方法有胶接法、钻孔连接法、预埋金属法，近年还发展了成型螺纹连接法。胶接法采用胶水将待连接的碳纤维复合材料件粘接并固化，胶水的强度一般远低于碳纤维复合材料的强度，胶接处容易成为整体碳纤维复合材料结构的薄弱环节。钻孔连接法是在待连接的碳纤维复合材料件上用机械加工方式开通孔或螺孔，从开孔处用紧固件将碳纤维复合材料件连接，钻孔连接法会切断部分碳纤维，开孔处容易成为整体碳纤维复合材料结构的薄弱环节。预埋金属法是在碳纤维复合材料成型时预埋金属件，在金属件上设置螺纹、法兰等连接结构，通过这些连接结构将碳纤维复合材料件连接，预埋金属法由于需要预埋金属结构，一方面会增加整体结构的重量，降低结构的比强度与比刚度，另一方面由于金属与碳、纤维复合材料热膨胀系数不同导致整体结构温度适应范围有限。所谓成型螺纹连接法指在成型时通过直接挤压碳纤维复合材料件形成螺纹并依靠该螺纹进行连接的方法，成型螺纹的加工质量依赖于螺纹结构与成型工艺，目前成型螺纹的加工难度较大，螺纹质量不高，影响了碳纤维复合材料管件的成品率。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种碳纤维螺纹套及其应用，充分发挥碳纤维复合材料的性能特点，提高碳纤维复合材料管件的成品率，确保整体结构的比强度与比刚度，有效实现碳纤维管件的稳定连接。

本发明为国家自然科学基金青年基金项目《各向异性和蠕变对碳纤维复合材料在大型望远镜中应用影响的研究》(批准号：11703057)的研究成果。

本发明的具体技术方案如下：

一种碳纤维螺纹套，沿其轴向分布有限位段以及啮合段，所述啮合段的内表面和外表面设置着螺纹，所述限位段固定在啮合段的一端，所述限位段外形与啮合段螺纹不相同，当碳纤维螺纹套的啮合段完全啮合，限位段阻碍碳纤维螺纹套进一步转动。

其中，所述限位段为斜圆筒，所述斜圆筒其轴线与碳纤维螺纹套的轴线形成夹角。

其中，啮合段的螺纹为圆弧螺纹，所述圆弧的最小半径大于碳纤维材料的允许最小弯折半径。

其中，所述啮合段的内表面和外表面的螺纹牙型相同，且外表面螺纹的牙根对应内表面螺纹的牙尖，外表面螺纹的相邻的牙尖对应内表面螺纹的相邻的牙根。

其中，还包括模具固定端，所述限位段连接在啮合段和模具固定端之间。

其中，碳纤维螺纹套啮合段的外表面螺纹的牙尖与内表面螺纹的牙根的距离等于碳纤维管件的壁厚。

一种碳纤维管件的连接方法，将套设在碳纤维管件端部的碳纤维螺纹套，与内接在另一个碳纤维管件端部的碳纤维螺纹套螺纹连接，并在螺纹连接面涂环氧树脂胶并冷固化。

一种制备碳纤维管件的模具，包括螺纹套支撑件、第一管件内模以及管件外模，所述第一管件内模与碳纤维管件的轮廓一致，所述第一管件内模的端部与所述碳纤维螺纹套连接固定，所述螺纹套支撑件贯穿所述碳纤维螺纹套为其提供支撑，合模时，管件外模与碳纤维螺纹套、第一管件内模配合构成型腔。

一种制备碳纤维管件的模具，包括第二管件内模以及第三管件内模，所述第三管件内模与碳纤维管件的轮廓一致，所述第三管件内模的端部与碳纤维螺纹套连接固定，所述第二管件内模贯穿所述碳纤维螺纹套，所述第二管件内模可膨胀，合模时，第二管件内模与碳纤维螺纹套、第三管件内模配合形成型腔。

有益效果

本发明所述的碳纤维螺纹套的碳纤维连续、不切断，从而充分发挥碳纤维的力学性能。

本发明的碳纤维管件，其管壁的碳纤维与成型螺纹套的螺纹紧密嵌合，从而能充分发挥管壁的碳纤维的力学性能。

本发明的碳纤维管件，由于碳纤维螺纹套、碳纤维管件均使用了相同的碳纤维材料，管件轴向的强度一致性好，重量增加少，材料热膨胀系数一致。

本发明的碳纤维管件，其与碳纤维螺纹套采用了完全机械连接固定方式，可靠性高。

本发明的碳纤维管件的连接方法，可以极大简化施工条件，减少施工周期，特别是对于几十米级的大型桁架结构的现场施工有重要意义。

附图说明

图1为本发明的碳纤维螺纹套的示意图

图2为本发明的碳纤维管件的其中一个实施例的示意图

图3为本发明的碳纤维管件的另一个实施例的示意图

图4为本发明的碳纤维管件模具的其中一个实施例的示意图

图5为本发明的碳纤维管件模具的另一个实施例的示意图

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的碳纤维螺纹套A是由多层碳纤维材料环绕构成的中空的筒状结构，沿所述筒状结构的轴向分布有限位段2以及啮合段3，所述啮合段3的内表面和外表面设置着连续的螺纹，所述限位段2固定在啮合段3的一端，所述限位段2外形与啮合段3螺纹不相同，当碳纤维螺纹套的啮合段3完全啮合后，限位段2阻止碳纤维螺纹套A进一步转动。

举例来说，如图1、图2所示为碳纤维螺纹套A及其应用于碳纤维管件B的其中一个实施例的示意图，该实施例中，碳纤维管件B套设于碳纤维螺纹套A的外侧，碳纤维管件B的内表面与碳纤维螺纹套A外表面嵌合，再例如图3，该实施例中，碳纤维螺纹套A套设于碳纤维管件B的外侧，碳纤维螺纹套A的内表面与碳纤维管件B外表面嵌合，限位段2的存在使得碳纤维螺纹套A固定在碳纤维管件B上。以上两个实施例中，所述限位段2为斜圆筒，其轴线与啮合段3的轴线形成夹角，由于斜圆筒在啮合段3的轴线上并不存在旋转对称，因此碳纤维螺纹套A无法相对碳纤维管件B旋转，螺纹连接的存在使得碳纤维螺纹套A也无法相对碳纤维管件B轴向位移，从而提高了碳纤维螺纹套A和碳纤维管件B的连接稳定性。

本发明所述的碳纤维螺纹套A及碳纤维管件B的连接方式，避免了现有技术中胶粘法和钻孔连接法的强度降低的问题，避免了预埋金属法的金属材料带来的重量显著增加和热膨胀系数差异的问题，避免了成型螺纹连接法的加工难度大、螺纹精度低的问题。本发明的碳纤维螺纹套A和碳纤维管件B的连接方式，使得碳纤维螺纹套A与碳纤维管件B同轴性好，并且牢固固定，并且由于碳纤维螺纹套A、碳纤维管件B均使用了相同的碳纤维材料，管件轴向的强度一致性好，重量增加少，材料热膨胀系数一致。

值得说明的是，所述限位段2除了可以为斜圆筒，其也可以为任何与啮合段3螺纹不相同的形状，例如在限位段2上设置螺纹，但是该螺纹的螺纹间距与啮合段3的螺纹间距不同，此时若碳纤维螺纹套A欲发生旋转，由于螺纹间距不同，导致限位段2的位移距离和啮合段3的位移距离不一致，导致碳纤维螺纹套A仍然无法相对碳纤维管件B旋转或位移。

通过运用本发明的碳纤维螺纹套A及其应用于碳纤维管件B，当图3中碳纤维螺纹套A啮合段3的螺纹牙型和图1、图2中碳纤维螺纹套A啮合段3的螺纹牙型匹配时，图3的碳纤维管件B即可与图1、图2的碳纤维管件B螺纹连接。在该两个碳纤维螺纹套A的啮合段3的啮合面涂环氧树脂胶并冷固化，便可实现两段碳纤维管件B的固定连接。这种连接方式极大简化施工条件，减少施工周期，特别是对于几十米级的大型桁架结构的现场施工有重要意义。

其中优选的，所述碳纤维螺纹套A啮合段3的螺纹为圆弧螺纹，所述圆弧的最小半径大于碳纤维材料的允许最小弯折半径。如此设置，有效避免碳纤维材料在环绕铺层时折断。

其中优选的，如图1-5所示，所述啮合段3的内表面和外表面的螺纹牙型相同。进一步优选的，当碳纤维螺纹套A的内表面和外表面的螺纹牙型相同时，所述外表面螺纹的牙根对应内表面螺纹的牙尖，外表面螺纹的相邻的牙尖对应内表面螺纹的相邻的牙根。进一步优选的，外表面螺纹的牙尖与内表面螺纹的牙根的距离等于碳纤维管件B的壁厚。通过上述设置，可以保证碳纤维螺纹套A的强度，并且使得碳纤维螺纹套A和碳纤维管件B在轴向上强度一致。

其中优选的，所述碳纤维螺纹套A还包括模具固定端1，所述限位段2连接在啮合段3和模具固定端1之间。所述模具固定端1显然具有多种形式，如图1所示的实施例中，所述模具固定端1为与啮合段3同轴的直圆筒。所述模具固定端1除了可以用于模具固定以外，由于碳纤维螺纹套A与碳纤维管件B嵌合，模具固定端1同样可以实现限制碳纤维螺纹套A相对碳纤维管件B位移的功能。

本发明的所述碳纤维螺纹套，通过如下步骤制备：

1、按照碳纤维螺纹套的尺寸形状设计模具，包括螺纹套内模和螺纹套外模，

2、将浸渍树脂的双向碳纤维布在螺纹套内模上缠绕形成成型螺纹套的坯件，然后用螺纹套外模挤紧，并按照碳纤维复合材料标准固化流程进行固化，

3、拆除模具，将端面切断，即得所述碳纤维螺纹套。

以下介绍一种制备碳纤维管件B的模具，用于应对该碳纤维管件B套设在碳纤维螺纹套A上的情形，如图4所示，包括螺纹套支撑件51、第一管件内模52以及管件外模4，所述第一管件内模52为长条形，其与目标碳纤维管件B的轮廓相同，所述第一管件内模52的端部连接固定所述碳纤维螺纹套A，所述螺纹套支撑件51贯穿所述碳纤维螺纹套A并为碳纤维螺纹套A提供支撑，所述螺纹套支撑件51、第一管件内模52在合模时连接固定，所述螺纹套支撑件51、第一管件内模52以及管件外模4配合构成型腔，挤压制备碳纤维管件B。

通过使用该模具，将碳纤维螺纹套A固定在第一管件内模52上，并使用螺纹套支撑件51为碳纤维螺纹套A提供支撑，将浸渍树脂的碳纤维布在碳纤维螺纹套A、第一管件内模52上缠绕，形成碳纤维管件B的坯件，然后用管件外模4挤紧，按该碳纤维复合材料标准固化流程进行固化得到目标碳纤维管件B。

以下介绍另一种制备碳纤维管件B的模具，用于应对碳纤维螺纹套A套设在该碳纤维管件B上的情形，如图5所示，该模具包括第二管件内模6以及第三管件内模7，所述第三管件内模7与目标碳纤维管件B的轮廓一致，其端部与碳纤维螺纹套A连接固定，所述第二管件内模6贯穿所述碳纤维螺纹套A，所述第二管件内模6可膨胀。使用时，首先使第二管件内模6膨胀至碳纤维螺纹套A相近尺寸，将浸渍树脂的碳纤维布缠绕在第二管件内模6上形成碳纤维管件B的管壁坯件，随后将第二管件内模6收缩，管壁坯件缩小，并伸进已经被第三管件内模7固定的碳纤维螺纹套A中，随后让第二管件内模6向外膨胀并与碳纤维螺纹套A挤紧，使得管壁坯件与碳纤维螺纹套A贴紧嵌合，之后拆除模具，将端面切断，即可得到目标碳纤维管件B。

Claims (6)

1.一种碳纤维螺纹套，其特征在于，沿其轴向分布有限位段(2)以及啮合段(3)，所述啮合段(3)的内表面和外表面设置着螺纹，所述限位段(2)固定在啮合段(3)的一端，所述限位段(2)外形与啮合段(3)螺纹不相同，当碳纤维螺纹套的啮合段(3)完全啮合，限位段(2)阻碍碳纤维螺纹套进一步转动；碳纤维螺纹套的碳纤维连续、不切断，啮合段(3)的螺纹为圆弧螺纹，所述圆弧的最小半径大于碳纤维材料的允许最小弯折半径。

2.根据权利要求1所述的碳纤维螺纹套，其特征在于，所述限位段(2)为斜圆筒，所述斜圆筒其轴线与碳纤维螺纹套的轴线形成夹角。

3.根据权利要求1所述的碳纤维螺纹套，其特征在于，所述啮合段(3)的内表面和外表面的螺纹牙型相同，且外表面螺纹的牙根对应内表面螺纹的牙尖，外表面螺纹的相邻的牙尖对应内表面螺纹的相邻的牙根。

4.根据权利要求1所述的碳纤维螺纹套，其特征在于，还包括模具固定端(1)，所述限位段(2)连接在啮合段(3)和模具固定端(1)之间。

5.一种碳纤维管件，其特征在于，权利要求1-4任一所述的碳纤维螺纹套套设或者内接在其端部。

6.根据权利要求5所述的碳纤维管件，其特征在于，碳纤维螺纹套啮合段(3)的外表面螺纹的牙尖与内表面螺纹的牙根的距离等于碳纤维管件的壁厚。

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