阅读说明：本技术 碳纤维变截面中空梁及其制备方法、轨道车辆 (Carbon fiber variable cross-section hollow beam, preparation method thereof and railway vehicle ) 是由 张丽娇 于 2019-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及轨道交通领域,提供了一种碳纤维变截面中空梁及其制备方法、轨道车辆。该方法包括步骤：采用可溶材料制备变截面芯模；利用三维编织技术将碳纤维材料编织在变截面芯模表面,以获得预成型体；利用树脂传递模塑成型技术向预成型体外加注树脂材料并进行固化,以获得中间成型体；溶解去除中间成型体内的变截面芯模并进行干燥、以获得中空预成型体；利用缠绕成型技术将碳纤维材料缠绕于中空预成型体表面、以获得中空梁成型体；利用树脂传递模塑成型技术向中空梁成型体外加注树脂材料并进行固化,以获得碳纤维变截面中空梁。本发明通过利用三维编织技术、缠绕成型技术和两次树脂传递模塑成型技术就可制得强度高、质量轻的碳纤维变截面中空梁。(The invention relates to the field of rail transit, and provides a carbon fiber variable cross-section hollow beam, a preparation method thereof and a rail vehicle. The method comprises the following steps: preparing a variable cross-section core mould by adopting a soluble material; weaving a carbon fiber material on the surface of a variable cross-section core mold by using a three-dimensional weaving technology to obtain a preformed body; filling resin materials outside the preformed body by using a resin transfer molding technology and curing to obtain an intermediate formed body; dissolving and removing the variable cross-section core mold in the intermediate forming body, and drying to obtain a hollow pre-forming body; winding a carbon fiber material on the surface of the hollow preform by using a winding forming technology to obtain a hollow beam forming body; and injecting resin materials into the hollow beam forming body by utilizing a resin transfer molding technology and curing to obtain the carbon fiber variable cross-section hollow beam. The carbon fiber variable cross-section hollow beam with high strength and light weight can be prepared by utilizing a three-dimensional weaving technology, a winding forming technology and a two-time resin transfer molding forming technology.)

碳纤维变截面中空梁及其制备方法、轨道车辆

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种碳纤维变截面中空梁及其制备方法、轨道车辆。

背景技术

随着生活节奏的不断加快，人们对轨道交通工具的速度要求也越来越高。但是，目前轨道车辆的转向架、车体等主承力部件的中空梁通常由不锈钢或铝合金材料制成，而不锈钢和铝合金材料存在质量重、强度低等缺陷，进而导致主承力部件也存在质量重、强度较低的缺陷，从而影响轨道交通工具的运营速度。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

本发明的目的是提供一种质量轻、强度高的碳纤维变截面中空梁及其制备方法、轨道车辆。

为实现上述目的，本发明提供了一种碳纤维变截面中空梁的制备方法，该方法包括以下步骤：

采用可溶材料制备变截面芯模；

利用三维编织技术将碳纤维材料编织在所述变截面芯模的表面、以获得预成型体；

利用树脂传递模塑成型技术向所述预成型体外加注树脂材料并进行固化，以获得中间成型体；

溶解去除所述中间成型体内的所述变截面芯模并进行干燥，以获得中空预成型体；

利用缠绕成型技术将碳纤维材料缠绕于所述中空预成型体表面，以获得中空梁成型体；

利用树脂传递模塑成型技术向所述中空梁成型体外加注树脂材料并进行固化，以获得碳纤维变截面中空梁。

其中，所述利用树脂传递模塑成型技术向所述预成型体外加注树脂材料并进行固化，以获得中间成型体的步骤，包括：

将所述预成型体放入闭模的模腔内，并以第一注射压力将所述树脂材料注入所述模腔内；

将所述闭模放入烘箱，在第一固化温度下经过第一固化时长以获得中间成型体。

其中，所述第一注射压力为0.05MPa～0.15MPa。

其中，所述第一固化温度为75℃～85℃，所述第一固化时长为1.5小时～2.5小时。

其中，所述利用树脂传递模塑成型技术向所述中空梁成型体外加注树脂材料并进行固化，以获得碳纤维变截面中空梁的步骤，包括：

将所述中空梁成型体放入闭模的模腔内，并以第二注射压力将所述树脂材料注入所述模腔内；

将所述闭模放入烘箱，在第二固化温度下经过第二固化时长以获得所述碳纤维变截面中空梁。

其中，所述第二注射压力为0.05MPa～0.15MPa。

其中，所述第二固化温度为75℃～85℃，所述第二固化时长为1.5小时～2.5小时。

其中，所述可溶材料为由磷酸酯淀粉和刚性填料混合而成的水溶性材料或由改性淀粉、空心玻璃微珠和尿素混合而成的水溶性材料。

为实现上述目的，本发明还提供了一种碳纤维变截面中空梁，该中空梁包括构造成中空梁内壁的内碳纤维层以及由内至外依次覆盖在所述内碳纤维层外表面的内树脂层、外碳纤维层和外树脂层；所述内碳纤维层由碳纤维材料利用三维编织技术制得，所述外碳纤维层由碳纤维材料利用缠绕成型技术制得，所述内树脂层和所述外树脂层均由树脂材料利用树脂传递模塑成型技术制得。

为实现上述目的，本发明还提供了一种轨道车辆，该轨道车辆包括车体和转向架，所述车体和/或所述转向架包括上述所述的碳纤维变截面中空梁。

本发明通过利用三维编织技术在变截面芯模的表面编织形成中空梁的内壁不仅能够实现变截面中空封闭结构的一体成型，而且还能提高中空梁的纤维含量、增强中空梁的强度、提高界面剪切强度、显著增强其各个方向的耐受力。在此基础上，本发明再通过利用缠绕成型技术和两次树脂传递模塑成型技术就可制得强度高、质量轻的碳纤维变截面中空梁。相比不锈钢材质的中空梁，本发明的碳纤维变截面中空梁可减重50％，其强度相比缠绕一次成型的中空梁提高30％、相比原有的不锈钢梁或铝合金梁提高30％。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1中的一种碳纤维变截面中空梁的制备方法的流程示意图；

图2是本发明实施例1中采用碳纤维变截面中空梁的制备方法制备的碳纤维变截面中空梁的结构示意图。

具体实施方式

为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

结合图1和图2所示，本实施例提供了一种碳纤维变截面中空梁的制备方法，该方法包括以下步骤：

S1、采用可溶材料制备变截面芯模，变截面芯模的形状可以根据实际需求设计。其中，可溶材料既可以为由磷酸酯淀粉和刚性填料混合而成的水溶性材料，也可以为由改性淀粉、空心玻璃微珠和尿素混合而成的水溶性材料，当然可溶材料也可以是其他水溶性材料。

S2、利用三维编织技术将碳纤维材料编织在变截面芯模的表面、以获得预成型体；需要说明的是，碳纤维材料在变截面芯模表面的编织厚度可根据实际需求而定。

S3、利用树脂传递模塑成型技术即RTM技术向预成型体外加注树脂材料并加压、加温进行固化、以获得中间成型体，具体地：首先将预成型体放入闭模的模腔内，并以第一注射压力将树脂材料例如环氧树脂注入模腔内；然后，再将闭模放入烘箱，在第一固化温度下经过第一固化时长后就可获得中间成型体。

S4、溶解去除中间成型体内的变截面芯模并进行干燥、以获得中空预成型体；

S5、利用缠绕成型技术将碳纤维材料缠绕于中空预成型体表面、以获得中空梁成型体。需要说明的是，碳纤维材料在中空预成型体表面的缠绕角度和缠绕厚度可根据碳纤维变截面中空梁的受力强度要求通过仿真计算获得。

S6、利用树脂传递模塑成型技术向中空梁成型体外加注树脂材料并进行固化、以获得碳纤维变截面中空梁，具体地：首先将中空梁成型体放入闭模的模腔内，并以第二注射压力将树脂材料例如环氧树脂注入模腔内；然后，再将闭模放入烘箱，在第二固化温度下经过第二固化时长后就可获得碳纤维变截面中空梁。

需要说明的是，步骤S3中第一注射压力、第一固化温度和第一固化时长和步骤S6中的第二注射压力、第二固化温度和第二固化时长可以相同也可以不同。其中，第一注射压力和/或第二注射压力为0.05MPa～0.15MPa，第一固化温度和/或第二固化温度为75℃～85℃，第一固化时长和/或第二固化时长为1.5小时～2.5小时。例如，在执行步骤S3和步骤S6时，第一注射压力和第二注射压力可均为0.1MPa，第一固化温度和第二固化温度均为80℃，第一固化时长和第二固化时长均为2小时。

可见，该方法通过利用三维编织技术在变截面芯模表面编织形成中空梁的内壁不仅能够实现变截面中空封闭结构的一体成型，而且还能提高中空梁的纤维含量、增强中空梁的强度、提高界面剪切强度、显著增强其各个方向的耐受力。在此基础上，该方法再通过利用缠绕成型技术和两次树脂传递模塑成型技术就可制得强度高、质量轻的碳纤维变截面中空梁。相比不锈钢材质的中空梁，采用本方法制备的碳纤维变截面中空梁可减重50％，其强度相比缠绕一次成型的中空梁提高30％、相比原有的不锈钢梁或铝合金梁提高30％。

实施例2

本实施例提供了一种碳纤维变截面中空梁，该中空梁包括构造成中空梁内壁的内碳纤维层以及由内至外依次覆盖在内碳纤维层外表面的内树脂层、外碳纤维层和外树脂层；内碳纤维层由碳纤维材料利用三维编织技术制得，外碳纤维层由碳纤维材料利用缠绕成型技术制得，内树脂层和外树脂层均由树脂材料利用树脂传递模塑成型技术制得。其中，树脂材料为环氧树脂。

进一步地，内碳纤维层由三维编织技术利用碳纤维材料编织在预制变截面芯模的表面，变截面芯模的材质为可溶材料。其中，可溶材料既可以为由磷酸酯淀粉和刚性填料混合而成的水溶性材料，也可以为由改性淀粉、空心玻璃微珠和尿素混合而成的水溶性材料，当然可溶材料也可以是其他水溶性材料。

进一步地，树脂传递模塑成型技术采用的注射压力为0.05MPa～0.15Mpa、固化温度为75℃～85℃、固化时长为1.5小时～2.5小时。例如，树脂传递模塑成型技术采用的注射压力为0.1Mpa、固化温度为80℃、固化时长为2小时。

本实施例的碳纤维变截面中空梁简单易制，通过采用由三维编织技术编织而成的内碳纤维层作为中空梁的内壁可提高中空梁的纤维含量，同时还可增强中空梁的强度、提高界面剪切强度、显著增强其各个方向的耐受力。在此基础上，在内碳纤维层的外表面依次覆盖形成内树脂层、外碳纤维层和外树脂层就可得强度高、质量轻的碳纤维变截面中空梁。相比不锈钢材质的中空梁，本实施例中的碳纤维变截面中空梁可减重50％，其强度相比缠绕一次成型的中空梁提高30％、相比原有的不锈钢梁或铝合金梁提高30％。

此外，本实施例还提供了一种轨道车辆，该轨道车辆包括车体和转向架，车体和/或转向架包括上述所述的碳纤维变截面中空梁。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对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发明各实施例技术方案的精神和范围。