混杂树脂基体三维编织碳纤维复合材料及其在机械臂中的应用
阅读说明：本技术 混杂树脂基体三维编织碳纤维复合材料及其在机械臂中的应用 (Three-dimensional woven carbon fiber composite material with hybrid resin matrix and application of three-dimensional woven carbon fiber composite material in mechanical arm ) 是由 朱波 曹伟伟 乔琨 王永伟 宋函默 赵大涌 于 2021-02-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了混杂树脂基体三维编织碳纤维复合材料及其在机械臂中的应用,复合材料为中空管状结构,管壁由内至外依次为内部缠绕刚性结构层、中间三维编织耐冲击功能层、表面叠层预埋复合层；所述内部缠绕刚性结构层由缠绕的高模量碳纤维与热固性树脂复合形成；所述中间三维编织耐冲击功能层由热塑性树脂与纤维立体织物复合形成,所述纤维立体织物是由高强度碳纤维和高模量碳纤维混杂编织形成的三维立体结构；所述表面叠层预埋复合层由平面织物结构的碳纤维织物预浸热固性树脂形成。该复合材料作为机械臂,不仅重量较轻,而且可以满足机械臂使用过程中的设备运行零震动的需求问题。(The invention discloses a three-dimensional woven carbon fiber composite material with a mixed resin matrix and application thereof in a mechanical arm, wherein the composite material is in a hollow tubular structure, and the tube wall sequentially comprises an internal winding rigid structure layer, a middle three-dimensional woven impact-resistant functional layer and a surface lamination pre-embedded composite layer from inside to outside; the internal winding rigid structure layer is formed by compounding wound high-modulus carbon fibers and thermosetting resin; the middle three-dimensional woven impact-resistant functional layer is formed by compounding thermoplastic resin and a fiber three-dimensional fabric, and the fiber three-dimensional fabric is a three-dimensional structure formed by weaving high-strength carbon fibers and high-modulus carbon fibers in a mixed manner; the surface lamination pre-embedded composite layer is formed by pre-impregnating carbon fiber fabric with a plane fabric structure with thermosetting resin. The composite material is used as the mechanical arm, so that the weight is light, and the requirement problem of zero vibration of equipment operation in the use process of the mechanical arm can be met.)
技术领域
本发明涉及一种自动化复合材料机械设备部件，特别涉及混杂树脂基体三维编织碳纤维复合材料及其在机械臂中的应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
随着工业设备自动化程度的提升，工业机器人和智能化工业机械装备的应用要求不断提高。工业机器人和机械智能部件是汇集机械、材料、电子、控制自动化和计算机智能技术的综合学科集成的产品，已经广发你要用与机械制造、桥梁施工、化工生产，矿物开采、国防军用甚至航空航天等各种领域。工业智能机械装备代替人类进行繁重、单一和各种精密的工作，在减轻人类劳动强度、提高生产效率和自动化水平方面具有前所未有的重大意义。近年来，工业智能机械装备由于应用精密要求度的不断提升，对自身的重量减轻等要求也不断提高，传统的金属材质已经限制了目前工业智能装备的能力提升，而对于轻量化的要求也已经在国际上受到了越来越多的光柱。在满足工业智能装备告诉高精度基本性能要求的前提下，进行金属材质的复合材料替代，是降低能耗，提升设备功能性的必然途径。
机械手臂是工业智能机器人的主要功能执行部件之一，也是机器人和智能装备的主要承力构件，对于机器人能否快速高效的完成动作指令并且高精度的完成智能动作具有重要作用。据本发明的发明人了解，目前国内的机械手臂基本为金属和铝合金材质，而金属自重带来了较大的装配和设备动作的不稳定问题，为了进行极大程度的减重，同时控制机械臂在高精度设备动作过程中的近乎零震动等要求，采用碳纤维复合材料作为金属材料的主要替代原料成为目前该领域研究的重点。然而，发明人研究发现，由于存在对于碳纤维的材质和纤维单丝结构设计等问题，导致碳纤维复合材料作为机械臂材料时，也难以满足机械臂使用过程中的设备运行零震动的需求问题。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供混杂树脂基体三维编织碳纤维复合材料及其在机械臂中的应用，该复合材料作为机械臂，不仅重量较轻，而且可以满足机械臂使用过程中的设备运行零震动的需求问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一方面，一种混杂树脂基体三维编织碳纤维复合材料，为中空管状结构，管壁由内至外依次为内部缠绕刚性结构层、中间三维编织耐冲击功能层、表面叠层预埋复合层；
所述内部缠绕刚性结构层由缠绕的高模量碳纤维与热固性树脂复合形成；
所述中间三维编织耐冲击功能层由热塑性树脂与纤维立体织物复合形成，所述纤维立体织物是由高强度碳纤维和高模量碳纤维混杂编织形成的三维立体结构；
所述表面叠层预埋复合层由平面织物结构的碳纤维织物预浸热固性树脂形成。
本发明设置内部缠绕刚性结构层位于复合材料管壁内层，能够提供机械臂整体的刚性支撑结构以抵抗应用过程中的变形。本发明设置中间三维编织耐冲击功能层位于复合材料管壁中间层，能够使机械臂整体具有叠层复合材料不具备的高刚度特性和耐冲击特性。本发明设置表面叠层预埋复合层位于复合材料管壁外层，能够在的特定部位预埋金属零部件装配所用的结构体，便于之后机械臂部件与其它金属结构件装配所用。
另一方面，一种上述混杂树脂基体三维编织碳纤维复合材料在机械臂中的应用。
第三方面，一种机械臂，由上述混杂树脂基体三维编织碳纤维复合材料制备获得。
第四方面，一种上述机械臂在工业机器人中的应用。
本发明的有益效果为：
本发明提供了一种用于工业机器人机械臂的中空管状结构的混杂树脂基体三维编织碳纤维复合材料。该复合材料内层为内部缠绕刚性结构层，通过缠绕的高模量碳纤维与热固性树脂复合能够抵抗应用过程中的变形，从而避免该复合材料在运动过程震动。该复合材料中间层为中间三维编织耐冲击功能层，采用高强度和高模量碳纤维进行混杂编织，形成三维立体结构层，同时配合热塑性树脂与纤维立体织物复合，从而使机械臂整体具有叠层复合材料不具备的高刚度特性和耐冲击特性。该复合材料外层为表面叠层预埋复合层，能够在的特定部位预埋金属零部件装配所用的结构体，便于之后机械臂部件与其它金属结构件装配所用。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例2的混杂树脂基体三维编织碳纤维复合材料机械臂的截面结构示意图；
其中，1、内部缠绕刚性结构层，2、中间三维编织耐冲击功能层，3、表面叠层预埋复合层。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
高模量碳纤维指模量不低于290GPa的碳纤维。
高强度碳纤维指拉伸强度不低于3530MPa的碳纤维。
鉴于现有机械臂在使用过程中存在震动的缺陷，本发明提出了混杂树脂基体三维编织碳纤维复合材料及其在机械臂中的应用。
本发明的一种典型实施方式，提供了一种混杂树脂基体三维编织碳纤维复合材料，为中空管状结构，管壁由内至外依次为内部缠绕刚性结构层、中间三维编织耐冲击功能层、表面叠层预埋复合层；
所述内部缠绕刚性结构层由缠绕的高模量碳纤维与热固性树脂复合形成；
所述中间三维编织耐冲击功能层由热塑性树脂与纤维立体织物复合形成，所述纤维立体织物是由高强度碳纤维和高模量碳纤维混杂编织形成的三维立体结构；
所述表面叠层预埋复合层由平面织物结构的碳纤维织物预浸热固性树脂形成。
本发明设置内部缠绕刚性结构层位于复合材料管壁内层，能够提供机械臂整体的刚性支撑结构以抵抗应用过程中的变形。本发明设置中间三维编织耐冲击功能层位于复合材料管壁中间层，能够使机械臂整体具有叠层复合材料不具备的高刚度特性和耐冲击特性。本发明设置表面叠层预埋复合层位于复合材料管壁外层，能够在的特定部位预埋金属零部件装配所用的结构体，便于之后机械臂部件与其它金属结构件装配所用。
该实施方式的一些实施例中，内部缠绕刚性结构层中的高模量碳纤维为M40、M40J、M55、M55J、M60或M60J等。
该实施方式的一些实施例中，内部缠绕刚性结构层中，高模量碳纤维与陶瓷纤维混杂缠绕，再与热固性树脂复合。
该实施方式的一些实施例中，缠绕的方式为环向缠绕、螺旋缠绕或纵向缠绕。其中环向缠绕的缠绕角控制在85～90°范围内，螺旋缠绕的缠绕角控制在45～70°，纵向缠绕的缠绕角不超过25°。
该实施方式的一些实施例中，热固性树脂为环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、有机硅树脂、热固性聚氨酯树脂等其中的任意一种且不局限于以上几种。
该实施方式的一些实施例中，制备方法为，先利用模具制备内部缠绕刚性结构层，再以内部缠绕刚性结构层作为芯模，依次制备中间三维编织耐冲击功能层、表面叠层预埋复合层。
该实施方式的一些实施例中，内部缠绕刚性结构层在制备过程中，采用径向截面为方形、圆形或多角形模具进行缠绕。缠绕层的厚度可根据设计要求灵活确定，在缠绕过程中浸渍含胶量40-60％的热固性树脂，最终通过可设计的具体工艺进行固化成型。
该实施方式的一些实施例中，纤维立体织物通过三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的任意一种或多种立体编织结构进行过渡编织。
该实施方式的一些实施例中，中间三维编织耐冲击功能层中的高模量碳纤维为M40、M40J、M55、M55J、M60或M60J等。
该实施方式的一些实施例中，中间三维编织耐冲击功能层中的高强度碳纤维为T300、T700、T800或T1000等。
中间三维编织耐冲击功能层中，高模量碳纤维和高强度碳纤维两种类型碳纤维的混杂比例根据设计要求灵活调整。
该实施方式的一些实施例中，热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、热塑性聚酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酮、聚酰胺或聚酰亚胺等。
该实施方式的一些实施例中，中间三维编织耐冲击功能层中热塑性树脂的含量为40～60％，质量百分数。
该实施方式的一些实施例中，将预浸渍热固性树脂的碳纤维编织成平面织物后进行叠层铺层形成表面叠层预埋复合层。
该实施方式的一些实施例中，表面叠层预埋复合层的碳纤维织物采用平纹、斜纹或缎纹编织成型。
该实施方式的一些实施例中，表面叠层预埋复合层的碳纤维为高强度碳纤维。
该实施方式的一些实施例中，表面叠层预埋复合层中热固性树脂的含量为40～60％，质量百分数。
本发明的另一种实施方式，提供了一种上述混杂树脂基体三维编织碳纤维复合材料在机械臂中的应用。
本发明的第三种实施方式，提供了一种机械臂，由上述混杂树脂基体三维编织碳纤维复合材料制备获得。
本发明的第四种实施方式，提供了一种上述机械臂在工业机器人中的应用。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
一种混杂树脂基体的三维立体结构碳纤维复合材料机械臂具体由以下几个部分组成：内部缠绕刚性结构层、中间三维编织耐冲击功能层、表面叠层预埋复合层。其中内部缠绕刚性结构层采用比例为1:1的M40碳纤维和碳化硅陶瓷纤维混杂缠绕，在缠绕过程中将混杂纤维浸渍树脂含量为40％的环氧树脂，刚性结构层采用环向缠绕方式制备，其中环向缠绕的缠绕角为87°，之后通过120℃的温度固化2小时后成型，最终刚性结构层缠绕成厚度为5mm的方管形截面。在内部缠绕刚性结构层制备完毕之后，以此为芯模在外部进行中间三维编织耐冲击功能层的加工，采用比例2:1的T300碳纤维和M40J碳纤维混杂以三维四向立体结构进行编织，将立体织物成型后采用聚乙烯树脂进行复合，最终制备树脂含量为60％的厚度5mm的中间三维编织耐冲击功能层，在其完成之后，在其外部加工预浸环氧树脂的平纹织物结构的T300碳纤维叠层，叠层数目为10层，最终树脂含量控制在40％，表面叠层预埋复合层的厚度控制在4mm。
本实施例的机械臂使用过程中，设备未产生震动。
本实施例机械臂使用过程中的最大应力及位移数据如表1所示。
表1碳纤维三维编织复合材料机械臂最大应力、最大位移
参数
碳纤维三维编织复合材料机械臂
最大应力/MPa
15.9
最大位移/mm
7.5
实施例2
一种混杂树脂基体的三维立体结构碳纤维复合材料机械臂，如图1所示，具体由以下几个部分组成：内部缠绕刚性结构层1、中间三维编织耐冲击功能层2、表面叠层预埋复合层3。其中内部缠绕刚性结构层采用比例为3:1的M60J碳纤维和氧化铝陶瓷纤维混杂缠绕，在缠绕过程中将混杂纤维浸渍树脂含量为55％的不饱和聚酯树脂，刚性结构层采用螺旋缠绕制备，其中螺旋缠绕的缠绕角为60°，之后通过129℃的温度固化6小时后成型，最终刚性结构层缠绕成厚度为4mm的圆管形截面。在内部缠绕刚性结构层制备完毕之后，以此为芯模在外部进行中间三维编织耐冲击功能层的加工，采用比例4:1的T1000碳纤维和M55碳纤维混杂以三维五向立体结构进行编织，将立体织物成型后采用聚丙烯树脂进行复合，最终制备树脂含量为50％的厚度6mm的中间三维编织耐冲击功能层，在其完成之后，在其外部加工预浸热固性聚氨酯树脂的斜纹织物结构的T800碳纤维叠层，叠层数目为6层，最终树脂含量控制在63％，表面叠层预埋复合层的厚度控制在7mm。
本实施例的机械臂使用过程中，设备未产生震动。
本实施例机械臂使用过程中的最大应力及位移数据如表2所示。
表2碳纤维三维编织复合材料机械臂最大应力、最大位移
参数
碳纤维三维编织复合材料机械臂
最大应力/MPa
22.5
最大位移/mm
4.5
实施例3
一种混杂树脂基体的三维立体结构碳纤维复合材料机械臂具体由以下几个部分组成：内部缠绕刚性结构层、中间三维编织耐冲击功能层、表面叠层预埋复合层。其中内部缠绕刚性结构层采用比例为5:1的M55J碳纤维和氮化硅陶瓷纤维混杂缠绕，在缠绕过程中将混杂纤维浸渍树脂含量为50％的酚醛树脂，刚性结构层采用纵向缠绕方式制备，其中纵向缠绕的缠绕角为20°，之后通过250℃的温度固化2小时后成型，最终刚性结构层缠绕成厚度为3mm的六角形截面。在内部缠绕刚性结构层制备完毕之后，以此为芯模在外部进行中间三维编织耐冲击功能层的加工，采用比例1.5:1的T700碳纤维和M60碳纤维混杂以三维六向立体结构进行编织，将立体织物成型后采用热塑性聚酯树脂进行复合，最终制备树脂含量为50％的厚度3mm的中间三维编织耐冲击功能层，在其完成之后，在其外部加工预浸脲醛树脂的缎纹织物结构的T800碳纤维叠层，叠层数目为16层，最终树脂含量控制在60％，表面叠层预埋复合层的厚度控制在4mm。
本实施例的机械臂使用过程中，设备未产生震动。
本实施例机械臂使用过程中的最大应力及位移数据如表3所示。
表3碳纤维三维编织复合材料机械臂最大应力、最大位移
参数
碳纤维三维编织复合材料机械臂
最大应力/MPa
16.7
最大位移/mm
6.6
实施例4
一种混杂树脂基体的三维立体结构碳纤维复合材料机械臂具体由以下几个部分组成：内部缠绕刚性结构层、中间三维编织耐冲击功能层、表面叠层预埋复合层。其中内部缠绕刚性结构层采用比例为1.2:1的M60碳纤维和碳化硅陶瓷纤维混杂缠绕，在缠绕过程中将混杂纤维浸渍树脂含量为45％的有机硅树脂，刚性结构层采用环向缠绕方式制备，其中环向缠绕的缠绕角为86°，之后通过150℃的温度固化2小时后成型，最终刚性结构层缠绕成厚度为5mm的方管形截面。在内部缠绕刚性结构层制备完毕之后，以此为芯模在外部进行中间三维编织耐冲击功能层的加工，采用比例1:1的T1000碳纤维和M60J碳纤维混杂以三维七向立体结构进行编织，将立体织物成型后采用聚酰胺树脂进行复合，最终制备树脂含量为55％的厚度5mm的中间三维编织耐冲击功能层，在其完成之后，在其外部加工预浸热固性聚氨酯树脂的缎纹织物结构的T1000碳纤维叠层，叠层数目为15层，最终树脂含量控制在60％，表面叠层预埋复合层的厚度控制在3mm。
本实施例的机械臂使用过程中，设备未产生震动。
本实施例机械臂使用过程中的最大应力及位移数据如表4所示。
表4碳纤维三维编织复合材料机械臂最大应力、最大位移
参数
碳纤维三维编织复合材料机械臂
最大应力/MPa
14.2
最大位移/mm
8.1
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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