复合异型高强钢丝的碳纤维板及其制作方法与流程

本发明涉及一种碳纤维板及其制作方法，特别是一种复合异型高强钢丝的碳纤维板及其制作方法。

背景技术：

近年来，碳纤维材料作为一种轻质、高强、耐腐蚀的新型结构材料，在混凝土结构加固领域的应用越来越广泛，其效果得到设计单位、建设单位和施工单位的一致认可。

随着碳纤维材料在混凝土加固领域的应用规模的迅速膨胀，对碳纤维材料在混凝土结构中的加固效果的研究越来越多。我国在土木工程维修加固方面应用碳纤维材料虽然起步晚，但发展较快，并取得了大量科研成果。目前，我国应用碳纤维材料进行混凝土维修加固最常用的两种材料形式是碳纤维布和碳纤维板。随着对碳纤维材料认识的加深，人们意识到应用碳纤维板可以克服直接粘贴碳纤维布对碳纤维材料的利用率偏低、不易控制施工质量的缺点，同时具有均质性及整体性好、断截面面积大、弹性模量低的优点。

复合高强钢丝的碳纤维板用于混凝土加固领域是近年来出现的一种新型技术，通过预成型模具及钢丝定位装置在板材内部设置高强钢丝，在高强钢丝周边包裹碳纤维材料，达到耐腐蚀性及抗疲劳性好、比强度高、施工便捷的效果。如申请公布号为cn107956292a的《混合型碳纤维板及其制作方法》专利，该专利中公开了一种内嵌有圆断截面高强钢丝的碳纤维板（参见图19），虽然已经能满足工程需求，但仍存在以下问题：

1.多根圆断截面高强钢丝在碳纤维板中的分布不均匀，使碳纤维材料在混凝土结构中各处延伸率存在差别，锚固组装时将造成板材在施工过程中的突然断裂，导致碳纤维材料的加固效果达不到设计要求，为工程后续的施工和使用阶段埋下重大安全隐患。

2.碳纤维板内高强钢丝受力时，各根高强钢丝不能同时进入受力状态，结构的整体性、稳定性较差。

3.多根圆断截面高强钢丝在树脂浸渍槽中浸渍效果不一致，使碳纤维板各处抗剪性能存在差别，碳纤维板的层间剪切力不能得到有效提高，导致碳纤维板难以被有效夹持并施加预应力，碳纤维板的使用安全性不够理想。

4.多根圆断截面高强钢丝表面比较光滑，握裹力不足，高强钢丝容易滑脱，出现高强钢丝与碳纤维材料之间的剥离现象，造成碳纤维材料受力失效，不能发挥其作用。

5.多根圆断截面高强钢丝与碳纤维板形成的组合，高强钢丝容易暴露在碳纤维材料表面，碳纤维材料不能有效保护高强钢丝。

6.多根圆断截面高强钢丝与碳纤维板结合，高强钢丝的横断截面面积占总横断截面面积比例仍比较小，碳纤维板的含钢量较低，不能有效改善碳纤维材料成本高的弱点以大范围推广使用。

综合考虑，上述问题主要是由于无法有效控制高强钢丝在碳纤维板中的形状及排布方式导致的。而高强钢丝在碳纤维板中的形状及排布方式是拥有良好的加固效果的重要前提之一。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种复合异型高强钢丝的碳纤维板及其制作方法，以解决现有技术存在的容易造成板材突然断裂、整体性和稳定性较差、碳纤维板使用安全性不够理想、高强钢丝握裹力不足、碳纤维材料不能有效保护高强钢丝、不能改善碳纤维材料成本高的不足之处。

解决上述技术问题的技术方案是：一种复合异型高强钢丝的碳纤维板，包括碳纤维板本体，碳纤维板本体内嵌入有高强钢丝，所述的高强钢丝为由多根异型高强钢丝拼接结合在一起形成的高强钢丝带。

本发明的进一步技术方案是：所述的异型高强钢丝断截面形状为规则异型断截面形状或不规则异型断截面形状。

本发明的再进一步技术方案是：所述的规则异型断截面形状为矩形或三角形或梯形或正六边形或弧形或扇形；所述的不规则异型断截面形状为不规则矩形或e字型或大致花型。

本发明的再进一步技术方案是：所述的异型高强钢丝外表面分布有规则的凸起或凹陷。

本发明的进一步技术方案是：嵌入在碳纤维板本体内的高强钢丝带的排数为m，其中m为大于等于1小于等于100的整数。

本发明的再进一步技术方案是：所述的碳纤维板本体的厚度为1～5mm。

本发明的另一技术方案是：一种复合异型高强钢丝的碳纤维板的制备方法，该方法是先将异型高强钢丝拼接结合成高强钢丝带，再将高强钢丝带沿轴向与碳纤维材料一起通过预成型模具拉挤成型，形成复合异型高强钢丝的碳纤维板。

本发明的进一步技术方案是：该方法包括以下步骤：

s1.选择异型高强钢丝：

选择合适断截面形状及合适大小的异型高强钢丝；

s2.将异型高强钢丝拼接结合成高强钢丝带：

选择异型高强钢丝的拼接结合方式，将异型高强钢丝拼接结合成高强钢丝带，使各根异型高强钢丝之间形成相互保护；

s3.拉挤成型

将高强钢丝带与碳纤维材料一起通过预成型模具拉挤成型，形成复合有异型高强钢丝的碳纤维板。

本发明的再进一步技术方案是：在步骤s2中，所述的异型高强钢丝的拼接结合方式或是采用热熔技术，分段挤压拼接结合在一起形成高强钢丝带；或是采用编织绳，按照波浪的形式缠绕各根高强钢丝形成高强钢丝带；或是采用钢丝绳，直接缠绕整个高强钢条形成高强钢丝带。

本发明的再进一步技术方案是：在步骤s1中，所述的断截面形状为规则异型断截面形状或不规则异型断截面形状；所述的规则异型断截面形状为矩形或三角形或梯形或正六边形或弧形或扇形；所述的不规则异型断截面形状为不规则矩形或e字型或大致花型；所述的合适大小是指异型高强钢丝的最大外径为0.02mm～100mm之中的任一数值。

由于采用上述结构，本发明之复合异型高强钢丝的碳纤维板及其制作方法与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.可避免碳纤维板在预应力施工过程中的突然断裂

由于本发明在碳纤维板本体内嵌入的是由多根异型高强钢丝拼接结合在一起形成的高强钢丝带，该高强钢丝带均匀分布在碳纤维板本体中，使碳纤维板本体在混凝土结构中各处延伸率保持一致，可避免因延伸率不一致而造成的锚固组装时碳纤维板在预应力施工过程中的突然断裂，从而保证碳纤维材料的加固效果，避免了工程后续施工和使用阶段的重大安全隐患。

2.整体强度高、稳定性较好

由于本发明在碳纤维板本体内嵌入的是由多根异型高强钢丝拼接结合在一起形成的高强钢丝带，替换现有的多根各自独立分布的圆断截面高强钢丝，可使高强钢丝更好的集中在一起，在受力时，可使各根高强钢丝能同时进入受力状态，有效保证高强钢丝的整体强度，其稳定性较好。

此外，本发明采用高强钢丝带替换现有的多根各自独立分布的圆断截面高强钢丝，其横断截面的高强钢丝面积明显增大，单位横断截面积承载力也随之增大，整体强度得到大幅度提高。

3.可提高碳纤维板的使用安全性

由于本发明在碳纤维板本体内嵌入的是高强钢丝带，该高强钢丝带是将多根异型高强钢丝拼接结合在一起，其整体性较好，可保证多根异型高强钢丝在树脂浸渍槽中浸渍效果一致，使碳纤维板各处抗剪性能保持一致，碳纤维板的层间剪切力能得到有效提高，从而可使碳纤维板能被有效夹持并施加预应力，大大提高了碳纤维板的使用安全性。

4.可增加其对碳纤维板本体的握裹力

由于本发明在碳纤维板本体内嵌入的是由多根异型高强钢丝拼接结合在一起形成的高强钢丝带，所述的异型高强钢丝断截面形状为规则异型断截面形状或不规则异型断截面形状。其中，规则异型断截面形状是矩形或三角形或梯形或正六边形或弧形或扇形；不规则异型断截面形状是不规则矩形或e字型或大致花型。而且本发明还在异型高强钢丝外表面分布有规则的凸起或凹陷，有利于各根高强钢丝之间拼接时咬合。因此，本发明的各根异型高强钢丝表面握裹力较好，高强钢丝不容易滑脱，大大增加了其对碳纤维板本体的握裹力，避免出现高强钢丝与碳纤维材料之间的剥离现象，从而避免碳纤维板本体受力失效，不能发挥其作用的现象。

5.可有效保护高强钢丝

本发明提出在碳纤维材料中复合异型高强钢丝，使高强钢丝带均匀地分布在碳纤维板中部，形成碳纤维材料和异型高强钢丝的有效组合，碳纤维板本体对异型高强钢丝形成有效保护，使二者在混凝土加固工程中优势互补，充分发挥其作用。

另外，本发明通过对碳纤维板本体中异型高强钢丝断截面排布方案的设计，使各根异型高强钢丝根据表面凸起和凹陷紧密咬合、拼接结合在一起，从而使紧挨在一起的各根高强钢丝结构更紧密，形成相互保护，同时进入受力状态。

还有，本发明是先将异型高强钢丝拼接结合成高强钢丝带，再将高强钢丝带沿轴向与碳纤维材料一起通过预成型模具拉挤成型，形成复合异型高强钢丝的碳纤维板，使高强钢丝免于暴露在碳纤维材料表面，从而可有效保护高强钢丝。

6.成本低，易于大范围推广使用

本发明在碳纤维板本体中复合异型高强钢丝，使高强钢丝带均匀地分布在碳纤维板本体的中部，其横断截面的钢丝面积明显增大，有效提高了碳纤维板的含钢量，可有效改善碳纤维材料成本高的弱点，成本低，易于大范围推广使用。

综上所述，相对于已有的碳纤维板，本发明通过复合并调整高强钢丝在碳纤维板本体中的形状及排布形式，将异型高强钢丝嵌入碳纤维板中，使异型高强钢丝的断截面面积最大化，同时减少局部应力集中，提高碳纤维板及异型高强钢丝的综合性能，实现碳纤维材料的充分利用，达到了提高加固效率的预期效果。

下面，结合附图和实施方式对本发明之复合异型高强钢丝的碳纤维板及其制作方法的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1：实施例一所述复合异型高强钢丝的碳纤维板的断截面示意图，

图2：实施例一所述单根异型高强钢丝的断截面示意图；

图3：实施例二所述复合异型高强钢丝的碳纤维板的断截面示意图，

图4：实施例二所述单根异型高强钢丝的断截面示意图；

图5：实施例三所述复合异型高强钢丝的碳纤维板的断截面示意图，

图6：实施例三所述单根异型高强钢丝的断截面示意图；

图7：实施例四所述复合异型高强钢丝的碳纤维板的断截面示意图，

图8：实施例四所述单根异型高强钢丝的断截面示意图；

图9：实施例五所述复合异型高强钢丝的碳纤维板的断截面示意图，

图10：实施例五所述单根异型高强钢丝的断截面示意图；

图11：实施例六所述复合异型高强钢丝的碳纤维板的断截面示意图，

图12：实施例六所述单根异型高强钢丝的断截面示意图；

图13：实施例七所述复合异型高强钢丝的碳纤维板的断截面示意图，

图14：实施例七所述单根异型高强钢丝的断截面示意图；

图15：实施例八所述复合异型高强钢丝的碳纤维板的断截面示意图，

图16：实施例八所述单根异型高强钢丝的断截面示意图；

图17：实施例九所述复合异型高强钢丝的碳纤维板的断截面示意图，

图18：实施例九所述单根异型高强钢丝的断截面示意图；

图19：现有混合型碳纤维板的结构示意图；

图20：实施例十所述异型高强钢丝的拼接结合示意图，

图21：实施例十一所述异型高强钢丝的拼接结合示意图，

图22：实施例十一所述编织绳的示意图

图23：实施例十二所述异型高强钢丝的拼接结合示意图。

在上述附图中，各附图标记说明如下：

1-碳纤维板本体，2-高强钢丝带，201-异型高强钢丝，

3-编织绳，301-编织绳ⅰ，302-编织绳ⅱ，4-钢丝绳。

具体实施方式

实施例一

一种复合异型高强钢丝的碳纤维板（参见图1），包括碳纤维板本体，碳纤维板本体1的厚度为1mm；碳纤维板本体内嵌入有高强钢丝，该高强钢丝为由多根异型高强钢丝201拼接结合在一起形成的高强钢丝带2，所述的异型高强钢丝201断截面形状为规则异型断截面形状——矩形（参见图2），嵌入在碳纤维板本体内的高强钢丝带2的排数为m=1。

实施例二

一种复合异型高强钢丝的碳纤维板（参见图3），包括碳纤维板本体，碳纤维板本体1的厚度为2mm；碳纤维板本体内嵌入有高强钢丝，该高强钢丝为由多根异型高强钢丝201拼接结合在一起形成的高强钢丝带2，所述的异型高强钢丝201断截面形状为规则异型断截面形状——三角形（参见图4），嵌入在碳纤维板本体内的高强钢丝带2的排数为m=4。

实施例三

一种复合异型高强钢丝的碳纤维板（参见图5），包括碳纤维板本体，碳纤维板本体1的厚度为3mm；碳纤维板本体内嵌入有高强钢丝，该高强钢丝为由多根异型高强钢丝201拼接结合在一起形成的高强钢丝带2，所述的异型高强钢丝201断截面形状为规则异型断截面形状——梯形（参见图6），嵌入在碳纤维板本体内的高强钢丝带2的排数为m=10。

实施例四

一种复合异型高强钢丝的碳纤维板（参见图7），包括碳纤维板本体，碳纤维板本体1的厚度为4mm；碳纤维板本体内嵌入有高强钢丝，该高强钢丝为由多根异型高强钢丝201拼接结合在一起形成的高强钢丝带2，所述的异型高强钢丝201断截面形状为规则异型断截面形状——正六边形（参见图8），嵌入在碳纤维板本体内的高强钢丝带2的排数为m=20。

实施例五

一种复合异型高强钢丝的碳纤维板（参见图9），包括碳纤维板本体，碳纤维板本体1的厚度为5mm；碳纤维板本体内嵌入有高强钢丝，该高强钢丝为由多根异型高强钢丝201拼接结合在一起形成的高强钢丝带2，所述的异型高强钢丝201断截面形状为规则异型断截面形状——弧形（参见图10），嵌入在碳纤维板本体内的高强钢丝带2的排数为m=30。

实施例六

一种复合异型高强钢丝的碳纤维板（参见图11），包括碳纤维板本体，碳纤维板本体1的厚度为5mm；碳纤维板本体内嵌入有高强钢丝，该高强钢丝为由多根异型高强钢丝201拼接结合在一起形成的高强钢丝带2，所述的异型高强钢丝201断截面形状为规则异型断截面形状——扇形（参见图12），嵌入在碳纤维板本体内的高强钢丝带2的排数为m=40。

实施例七

一种复合异型高强钢丝的碳纤维板（参见图13），包括碳纤维板本体，碳纤维板本体1的厚度为5mm；碳纤维板本体内嵌入有高强钢丝，该高强钢丝为由多根异型高强钢丝201拼接结合在一起形成的高强钢丝带2，所述的异型高强钢丝201断截面形状为不规则异型断截面形状——不规则矩形（参见图14），嵌入在碳纤维板本体内的高强钢丝带2的排数为m=50。

实施例八

一种复合异型高强钢丝的碳纤维板（参见图15），包括碳纤维板本体，碳纤维板本体1的厚度为5mm；碳纤维板本体内嵌入有高强钢丝，该高强钢丝为由多根异型高强钢丝201拼接结合在一起形成的高强钢丝带2，所述的异型高强钢丝201断截面形状为不规则异型断截面形状——e字型（参见图16），异型高强钢丝201外表面还分布有规则的凸起和凹陷，嵌入在碳纤维板本体内的高强钢丝带2的排数为m=80。

实施例九

一种复合异型高强钢丝的碳纤维板（参见图17），包括碳纤维板本体，碳纤维板本体1的厚度为5mm；碳纤维板本体内嵌入有高强钢丝，该高强钢丝为由多根异型高强钢丝201拼接结合在一起形成的高强钢丝带2，所述的异型高强钢丝201断截面形状为不规则异型断截面形状——大致花型（参见图18），异型高强钢丝201外表面分布有规则的凸起和凹陷，嵌入在碳纤维板本体内的高强钢丝带2的排数为m=100。

在上述实施例一至实施例九中，异型高强钢丝的大小可根据实际需要而定，一般其最大外径为0.02mm～100mm之中的任一数值。

实施例十

一种复合异型高强钢丝的碳纤维板的制备方法，该方法是先将异型高强钢丝拼接结合成高强钢丝带，再将高强钢丝带沿轴向与碳纤维材料一起通过预成型模具拉挤成型，形成复合异型高强钢丝的碳纤维板。

上述方法包括以下步骤：

s1.选择异型高强钢丝：

选择合适断截面形状及合适大小的异型高强钢丝；并在棱角处根据需要进行圆角处理使之变得圆滑，以减少局部应力集中；

s2.将异型高强钢丝拼接结合成高强钢丝带：

选择异型高强钢丝的拼接结合方式，将异型高强钢丝拼接结合成高强钢丝带，使各根异型高强钢丝之间形成相互保护；

s3.拉挤成型

将高强钢丝带与碳纤维材料一起通过预成型模具拉挤成型，形成复合有异型高强钢丝的碳纤维板。所述的碳纤维材料由碳纤维原纱及基体树脂组成，所述的基体树脂是环氧树脂或乙烯基酯树脂。

在步骤s2中，所述的异型高强钢丝的拼接结合方式是采用热熔技术，分段挤压拼接结合在一起形成高强钢丝带（参见图20）。采用热熔技术进行分段挤压时，间距可根据需要确定可以是0.01mm～1.0m。

在步骤s1中，所述的断截面形状为规则异型断截面形状或不规则异型断截面形状；所述的规则异型断截面形状为矩形或三角形或梯形或正六边形或弧形或扇形；所述的不规则异型断截面形状为不规则矩形或e字型或大致花型；所述的合适大小是指异型高强钢丝的最大外径为0.02mm～100mm之中的任一数值。

实施例十一

一种复合异型高强钢丝的碳纤维板的制备方法，该方法是先将异型高强钢丝拼接结合成高强钢丝带，再将高强钢丝带沿轴向与碳纤维材料一起通过预成型模具拉挤成型，形成复合异型高强钢丝的碳纤维板。

上述方法包括以下步骤：

s1.选择异型高强钢丝：

选择合适断截面形状及合适大小的异型高强钢丝；并在棱角处根据需要进行圆角处理使之变得圆滑，以减少局部应力集中；

s2.将异型高强钢丝拼接结合成高强钢丝带：

选择异型高强钢丝的拼接结合方式，将异型高强钢丝拼接结合成高强钢丝带，使各根异型高强钢丝之间形成相互保护；

s3.拉挤成型

将高强钢丝带与碳纤维材料一起通过预成型模具拉挤成型，形成复合有异型高强钢丝的碳纤维板。所述的碳纤维材料由碳纤维原纱及基体树脂组成，所述的基体树脂是环氧树脂或乙烯基酯树脂。

在步骤s2中，所述的异型高强钢丝的拼接结合方式是采用编织绳3，按照波浪的形式缠绕各根高强钢丝形成高强钢丝带（参见图21-图22）。编织绳3的直径可根据需要，可以是0.001mm～50.0mm之中的任一数值；

在步骤s1中，所述的断截面形状为规则异型断截面形状或不规则异型断截面形状；所述的规则异型断截面形状为矩形或三角形或梯形或正六边形或弧形或扇形；所述的不规则异型断截面形状为不规则矩形或e字型或大致花型；所述的合适大小是指异型高强钢丝的最大外径为0.02mm～100mm之中的任一数值。

实施例十二

一种复合异型高强钢丝的碳纤维板的制备方法，该方法是先将异型高强钢丝拼接结合成高强钢丝带，再将高强钢丝带沿轴向与碳纤维材料一起通过预成型模具拉挤成型，形成复合异型高强钢丝的碳纤维板。

上述方法包括以下步骤：

s1.选择异型高强钢丝：

选择合适断截面形状及合适大小的异型高强钢丝；并在棱角处根据需要进行圆角处理使之变得圆滑，以减少局部应力集中；

s2.将异型高强钢丝拼接结合成高强钢丝带：

选择异型高强钢丝的拼接结合方式，将异型高强钢丝拼接结合成高强钢丝带，使各根异型高强钢丝之间形成相互保护；

s3.拉挤成型

将高强钢丝带与碳纤维材料一起通过预成型模具拉挤成型，形成复合有异型高强钢丝的碳纤维板。所述的碳纤维材料由碳纤维原纱及基体树脂组成，所述的基体树脂是环氧树脂或乙烯基酯树脂。

在步骤s2中，所述的异型高强钢丝的拼接结合方式是采用钢丝绳4，直接缠绕整个高强钢条形成高强钢丝带（参见图23），钢丝绳4的直径可根据需要，可以是0.001mm～50.0mm之中的任一数值。

在步骤s1中，所述的断截面形状为规则异型断截面形状或不规则异型断截面形状；所述的规则异型断截面形状为矩形或三角形或梯形或正六边形或弧形或扇形；所述的不规则异型断截面形状为不规则矩形或e字型或大致花型；所述的合适大小是指异型高强钢丝的最大外径为0.02mm～100mm之中的任一数值。