[发明专利]一种碳纤维缠绕耐外压管的铺层结构

说明书

本发明提供一种碳纤维耐外压管的铺层结构，所述铺层结构为[90°₂/±α/±2α/90°₂]_n，n为重复次数，90°环向缠绕采用高模量碳纤维、±α和±2α螺旋缠绕采用高强度碳纤维的混合缠绕而成，其中缠绕角α在25～32°之间。该碳纤维耐外压管铺层结构通过高模量碳纤维环向缠绕提高了外压管的环向稳定性，同时高强度碳纤维螺旋缠绕保证了环向和轴向的强度，可以使外压环向失稳和环向、轴向强度破坏同步，能有效降低壁厚减轻重量。

技术领域

本发明涉及碳纤维复合材料技术领域，尤其涉及一种碳纤维缠绕耐外压管的铺层结构。

背景技术

纤维缠绕复合材料管道具有耐腐蚀、比强度高、弹性模量高、质量轻、可设计性强等特点。对于薄壁圆筒而言，其环向应力与“轴向”应力之比约为2：1，若采用均质材料如金属管线在满足环向强度的条件下轴向强度富裕较大，而经过纤维缠绕增强的管道可以通过缠绕层和缠绕角的变化实现环向和轴向强度都没有剩余的强度储备而提高材料的利用率。

碳纤维薄壁管受到外压时破坏主要表现为环向失稳破坏，圆筒的失稳临界压力取决于筒身的长径比、径厚比及环向模量。对于复合材料来说，其筒身结构设计及环向模量大小关系到纤维的铺层方式设计。使用高模量碳纤维缠绕制备外压管，虽可以提高环向稳定性，但一方面高模碳纤维性脆，螺旋缠绕过程中碳纤维容易断裂，另一方面环向、轴向压缩强度较差；使用高强碳纤维，在保证环向失稳前提下，轴向、环向压缩强度安全系数太大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种碳纤维缠绕耐外压管的铺层结构，通过螺旋缠绕采用高强碳纤维、环向缠绕采用高模碳纤维，使碳纤维外压管在受到外压时环向失稳和环向、轴向强度破坏同步，有效降低壁厚减轻重量。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：

一种碳纤维缠绕耐外压管的铺层结构，所述铺层结构为[90°₂/±α/±2α/90°₂]_n，n为重复数，90°环向缠绕采用高模碳纤维、±α和±2α螺旋缠绕采用高强碳纤维的混合缠绕而成。

上述方案中，螺旋角α在25～32°。

上述方案中，90°环向缠绕使用的高模量碳纤维为M30J、M40J或M50J等级碳纤维，螺旋缠绕使用的高强度碳纤维为T300、T700或T800等级碳纤维。

上述方案中，铺层结构中单层的厚度为0.1-0.4mm。

上述方案中，重复次数n由根据外压计算的壁厚决定。

上述方案中，所述碳纤维缠绕耐外压管的碳纤维质量百分含量为55％-75％。

与现有技术相比，本发明取得的技术效果是：能够达到单铺层角度54.7度时候的环向应力与“轴向”应力之比约为2：1，同时在相应的铺层上采取优势性能的碳纤维类型，充分发挥高模量碳纤维和高强度碳纤维在不同铺层上的性能。螺旋缠绕采用高强碳纤维，一方面避免生产中高模碳纤维在小角度缠绕过程中易断裂，提高了工作效率，另一方面提高环向、轴向压缩强度。通过螺旋缠绕采用高强碳纤维、环向缠绕采用高模碳纤维的混合缠绕方式，使碳纤维外压管在受到外压时环向失稳和环向、轴向强度破坏同步，有效降低壁厚减轻重量。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，当然下述实施例不应理解为对本发明的限制。