碳纤维箭杆及其连续缠绕方法

本发明属于碳纤维复合材料技术领域，涉及碳纤维箭杆的改进。

过去的箭杆有木箭杆、铝箭杆、玻璃钢箭杆和碳纤维箭杆。木制箭杆 质量重而且不均匀，影响使用效果；改用铝箭杆后质量减轻，但铝箭杆刚性 差，易发生永久变形；玻纤箭杆强度低容易损坏；碳纤维增强材料的出现，将先 进复合材料引入到运动器材，它具有优异的性能：质量更轻，强度更高，刚性 好。目前已经使用的碳纤维箭杆是先将碳纤维和树脂制备成预浸料，经裁剪， 然后搓卷到芯轴上，再热固化成型。此方法由于有预浸料的交叉搭接，易形成 背筋，影响箭杆的均匀性。箭杆壁厚薄厚不均会造成箭杆受力不均匀，从而使 箭杆弯曲，变形，直线度差。箭杆的壁厚不均匀将导致箭飞行轨迹的不稳定。 箭在射出后的一段时间内，除向前运动外，箭杆将发生径向的摆振，这种摆 振受箭杆因刚性产生的阻尼作用而越来越小，一段时间后趋近于零。如果箭 杆壁厚不均匀，则沿各半径方向的刚性不对称，使阻尼作用不平衡，必然影 响到箭的运动轨迹，使其发生不可预料的改变。此外，箭在飞行中受到空气 的阻力，箭杆壁厚不均匀时也会导致飞行轨迹的偏斜。所以，壁厚不均匀的 箭杆将加大箭的命中误差。

美国专利US 4324190“碳纤维增强塑料箭”公开了一种改进的碳纤维箭 杆，它具有两层结构。内层采用缠绕方式，缠绕角30～45度；外层搓卷0度 纤维预浸料。这种结构的箭杆性能比完全搓卷的箭杆有所提高。但由于其外 层仍需搓卷1～4层0度纤维来增加箭杆的强度，因此它仍然不能避免背筋的 出现，其壁厚仍不够均匀。而且该箭杆内层缠绕的碳纤维厚度小，箭杆抗扭 曲、剪切的强度差，当箭杆射出或射中目标或碰撞较硬物体而受力较大时， 其两端容易劈裂、损坏。“碳纤维增强塑料箭”在制造工艺上的缺点是需要 两个步骤完成碳纤维管的成型，其内层需要在缠绕机上加工，其外层需要在 搓卷机上加工，而且搓卷需要使用预浸料。这就导致工艺复杂，缠绕不连续； 成本高，生产效率低。

根据箭杆的使用特点，其两端对刚度的要求与中间部分的要求是不同 的。理想的箭杆，其中段要求刚度好，这样，箭杆在射出后的飞行中变形小， 飞行轨迹稳定，命中率高。而箭杆的头、尾部分在箭射出和射入目标时受力 很大，容易发生劈裂，因此两端更需要适度的弹性、韧性和足够的环向强度。

本发明的目的是提供一种结构合理、满足箭杆刚度分布要求、壁厚均匀 的碳纤维箭杆，克服已有碳纤维箭杆壁厚不均匀，刚度分布不合理，性能差 的缺点；本发明的另一个目的是提供一种碳纤维箭杆的直接连续缠绕方法， 保证箭杆的壁厚均匀和强度要求，提高生产效率，降低成本。

本发明的技术方案是：一种以碳纤维做增强材料、以热固性树脂做粘 接剂的碳纤维箭杆，呈空心管状，其长度为500～900mm，内径为2～10mm， 管壁厚度为0.3～2mm，其特征在于，箭杆由浸渍树脂的碳纤维直接连续缠绕 构成，碳纤维在箭杆头部L1段内的缠绕角由大变小、在箭杆中部L2段内的 缠绕角不变，在箭杆尾部L3段内的缠绕角由小变大，头部L1段的长度为25～ 250mm，在L1段起点的初始缠绕角为30～90度，在L1段内缠绕角逐步减小， 到L1段与中段L2的分界点处，缠绕角为2～30度，在L2段内缠绕角保持不 变，L3段的长度为25～250mm，从L2段与L3段的分界点起，缠绕角在L3段内 逐步增加，到L3段的末端处的缠绕角为30～90度，在L1段和L3段内碳纤维 的缠绕角至少是L2段内缠绕角的2倍。

上面所述的碳纤维箭杆的连续缠绕方法，其特征在于，(1)采用3K～24K 的碳纤维作为增强材料，采用热固性环氧树脂为粘接剂缠绕箭杆；(2)按下 述方法设定缠绕机的缠绕程序：将箭杆全长分划为头部L1段、中部L2段和 尾部L3段三部分，L1段的长度为25～250mm,L3段的长度为25～250mm，在L1 段内将缠绕角设定为由30～90度的初始角度逐步减小到2～30度，在L2段 内缠绕角保持不变，设定缠绕角在L3段内从2～30度逐步增加到30～90度， 在L1段和L3段内碳纤维的缠绕角至少是L2段内缠绕角的2倍；(3)启动缠 绕机依预先设定的缠绕程序在箭杆芯轴上直接连续缠绕形成碳纤维箭杆毛 坯；(4)从缠绕机上卸下箭杆毛坯，经固化、抽芯、切割、打磨各工序的处 理后，成为成品箭杆。

本发明碳纤维箭杆有以下主要优点：

1、重量轻，每厘米长箭杆重量仅为0.22g±0.1g；

2、直线度好，全直线度(T.I.R)可达到0.025mm(1‰in)。壁厚均匀， 不弯曲变形，射箭时稳而准；

3、刚度分布合理，箭杆中段刚性强，受力后变形很小；箭杆两端抗扭曲、 剪切强度好，有足够的环向强度，箭受较大的力时不劈裂，适应箭杆各部位 对韧性和刚度的不同要求；

4、材质均匀，壁厚均匀，无背筋。

本发明的碳纤维箭杆连续缠绕方法与现有的方法相比有以下优点：

第一、保证箭杆的质量要求，能生产高性能碳纤维箭杆；

第二、箭杆的软硬程度可根据用户需要在生产过程中进行控制，通过调 整缠绕角度来调整箭杆的软硬程度，以适合不同拉力的弓，适应不同箭手的使 用；

第三、连续缠绕，制造工艺简便，节省设备，简化原料，生产效率高；

第四、产品成本低。

附图说明。

图1是美国专利US 4324190“碳纤维增强塑料箭”公开的箭杆结构示意 图。图2是本发明箭杆碳纤维缠绕结构示意图。

下面对本发明做进一步详细说明。参见图1，这是美国专利US 4324190 公开的碳纤维箭，其箭杆用碳纤维增强塑料制造，分为内部层和外部层。内 部层是由二个相反方向缠绕的碳纤维缠绕层组成，缠绕角为30～45度。外部 层是使用预浸料搓卷的1～4层0度碳纤维。由于外部层是搓卷而成，不可避 免地存在搭接，必然会出现背筋，造成箭杆壁厚不均匀，甚至导致杆的弯曲变 形，必然影响箭杆以及箭的性能。在其制造方法上，采用缠绕和搓卷两种工 艺步骤，需要碳丝和预浸料两种碳纤维原料，还要使用缠绕机和搓卷机两种 设备，工艺复杂，效率低，成本高。

参见图2，这是本发明碳纤维箭杆缠绕结构图。本发明碳纤维箭杆使用 浸渍树脂的碳纤维束连续缠绕成型，整个管壁内外材质均匀，形成单层结构， 无搭接现象，不会产生背筋，箭杆壁厚非常均匀。在箭杆两端碳纤维缠绕角度 大，使其局部的抗扭曲、剪切的强度增大，抵抗劈裂的能力增强；箭杆中间 部分碳纤维的缠绕角度小，最小可达2度，已经很接近0度角，使中部的刚 度比两端大得多，满足了箭杆中段的刚度和弹性要求。调整碳纤维的缠绕角， 可以方便地调节箭杆的软硬度。缠绕角度越小，箭杆的刚度越好，越不容易变 形；相反，缠绕角度大，箭杆的韧性好，而刚性下降。虽然本发明箭杆两端的 刚性比中间要低，但是箭杆头部有箭头，尾部有尾羽，它们具有局部加强的 作用，使箭杆两端的刚度完全满足设计和使用要求。而两端提高了抗劈裂能 力，能防止或者减少箭受力后的损坏，延长了箭杆的使用寿命。所以，本发 明箭杆比现有的碳纤维箭杆有更合理的强度分布。

具体地说，碳纤维在本发明箭杆全长上的缠绕角呈现由大到小、又由小 到大的变化。根据碳纤维缠绕角的不同，箭杆可以分成L1、L2、L3三段，在 箭杆头部L1段内的缠绕角由大变小，在箭杆中部L2段内的缠绕角保持不变， 在箭杆尾部L3段内的缠绕角由小变大。头部L1段的长度范围为25～250mm， 在L1段起点的初始缠绕角为30～90度，在L1段内缠绕角逐步减小，到L1段 与中段L2的分界点处，缠绕角减小为2～30度。此点也是L2段的起始点， 在L2段内碳纤维的缠绕角保持不变。L3段的长度范围也是25～250mm，从L2 段与L3段的分界点起，缠绕角在L3段内由原来的2～30度起逐步增加，到L3 段的末端处，缠绕角达到30～90度。在L1段和L3段内碳纤维的缠绕角至少 是L2段内缠绕角的2倍。

L2段的长度以及段内的缠绕角度的选择取决于弓的拉力和射箭手对箭硬 度的不同要求。若弓的拉力大或者射箭手要求箭硬，即要求箭杆刚度好，则 L2段的长度应适度加长，缠绕角越小越好；反之，若减少L2段的长度，加大 缠绕角，则箭杆刚度下降，箭的硬度就小，这种箭适应拉力小的弓或者喜爱 较软的箭的射手。L2段的长度和缠绕角确定后，L1段和L3段的长度和缠绕角 即可以确定下来。一般地说，L1段和L3段可以保持相同的长度。其缠绕角应 大于或等于L2段的2倍。在L1段和L3段内，缠绕角越大，该局部箭杆的环 向强度越高，而局部刚性变小。

推荐采用下面的范围：头部L1段的长度范围为100～200mm，在L1段起 点的初始缠绕角为40～60度，在L1段内缠绕角逐步减小，到L1段与中段L2 的分界点处，缠绕角为5～10度，在L2段内缠绕角保持不变，L3段的长度范 围为100～200mm，从L2段与L3段的分界点起，缠绕角在L3段内逐步增加， 到L3段的末端处的缠绕角为40～60度。

事实上，L1段和L3段的长度以及两段内碳纤维的缠绕角有可能相同，也 有可能不同。

本发明碳纤维箭杆的一种直接连续缠绕方法包括如下步骤： (1)采用3K～24K的碳纤维丝束作为增强材料，采用热固性环氧树脂为粘 接剂缠绕箭杆。碳纤维在缠绕到芯轴之前，先经过一个装有环氧树脂液体的 浸胶槽浸渍树脂，然后送进缠绕机。缠绕机选用市售的各种型号，例如美国 生产的WG5-20缠绕机，该机器可以通过编程分段控制缠绕角度。所用碳纤 维可以采用日本生产的T-300～T-700，也可以采用相同质量的其他产地和牌 号的碳纤维。碳纤维束越细，缠绕的精度越高，结构越致密，箭杆的性能越 好。但是，碳纤维束越细，价格越贵，生产效率越低，箭杆的成本越高。通 常选用6K～12K的碳纤维。所用树脂为热固性双组份环氧树脂，例如美国生 产的DER 826环氧树脂及Lindride固化剂。配制后，控制树脂在25℃时的 黏度为65～95泊。

(2)设定缠绕机的缠绕程序。

首先要确定缠绕角度的变化规律，将箭杆全长分划为头部L1段、中部L2 段和尾部L3段三部分，L1段的长度为25～250mm,L3段的长度为25～250mm， 在L1段内将缠绕角设定为由30～90度的初始角度逐步减小到2～30度，在 L2段内缠绕角保持不变，设定缠绕角在L3段内从2～30度逐步增加到30～90 度，在L1段和L3段内碳纤维的缠绕角至少是L2段内缠绕角的2倍。推荐采 用下面的范围：头部L1段的长度范围为100～200mm，在L1段起点的初始缠 绕角为40～60度，在L1段内缠绕角逐步减小，到L1段与中段L2的分界点处， 缠绕角为5～10度，在L2段内缠绕角保持不变，L3段的长度范围为100～ 200mm，从L2段与L3段的分界点起，缠绕角在L3段内逐步增加，到L3段的末 端处的缠绕角为40～60度。

然后确定需要缠绕的厚度，根据箭杆的直径和碳纤维束的粗细，可以计 算出每一个缠绕层所需要的缠绕趟数，根据成品箭杆的壁厚和每个缠绕层的 厚度可以计算出所需的缠绕层数，于是得出总的缠绕趟数。当然还要加上打 磨工序所需的厚度余量。不同规格的箭杆缠绕碳纤维的趟数也不同，一般需 要缠绕25～50趟碳纤维。

将上述数据编程输入缠绕机。

(3)启动缠绕机依预先设定的缠绕程序在箭杆芯轴上连续缠绕形成碳 纤维箭杆毛坯。在设定缠绕程序后，启动缠绕机，机器自动按设定程序进行 缠绕，直到达到预定的缠绕趟数为止。在缠绕时，缠绕角度的变化率是由缠 绕机确定的，基本上是均匀的。

(4)从缠绕机上卸下箭杆毛坯，经固化、抽芯、切割、打磨各工序的 处理后，成为成品箭杆。由于缠绕之后的各道工序，是已经公知公用的知识， 在此不再赘述。

需要进一步说明的是，由于箭杆由毛坯到成品需要进行切割，而成品箭 杆在使用者使用时还有可能做少量的截短，以适应自己手臂的长度，因此， 实际使用中的箭杆，其两端的碳纤维缠绕角可能已经无法准确确定其数值， 但它肯定仍然在预定的范围内，并远大于箭杆中段的缠绕角，因此，并不影 响箭杆抗劈裂的性能。为了确保成品箭杆两端保存有大缠绕角度段，在缠绕 箭杆毛坯时，可以在保持L2段长度足够的前提下，适当加长L1段和L3段， 留出足够的切割余量。

下面给出本发明箭杆和缠绕方法的实施例。缠绕方法的基本步骤上面已 经描述清楚，下面以列表的形式给出各实施例的主要参数。

表1本发明箭杆结构参数和性能表 序号 长度mm 内径mm 壁厚mm 刚性 直线度mm 例1  889  7.6  0.98  400  0.025 例2  864  7.5  0.95  300  0.050 例3  850  7.5  0.68  428  0.025 例4  838  6.3  0.63  286  0.025 例5  815  6.8  0.69  234  0.075 例6  800  6.2  0.66  183  0.050 例7  787  6.3  0.60  221  0.025 例8  735  6.2  0.58  232  0.050 例9  710  6.2  0.90  204  0.075 例10  686  6.0  0.60  79  0.050 例11  660  5.8  0.68  108  0.025 例12  635  5.0  0.63  128  0.050 例13  600  4.5  0.60  136  0.050 例14  550  3.5  1.00  117  0.025 例15  508  3.4  0.68  149  0.050

刚性的测量方法是：箭杆中心加载荷4.5公斤，两端支点间跨距为 235mm，支点半径12.7mm，中心挠度为0.5～3.8mm，折合刚度系数为500～67。

表2本发明箭杆缠绕参数表 序号       L1       L3   L2 缠绕角 缠绕 趟数 长度 起始角 长度 终了角 例1  188  50  187  49  8  35 例2  199  55  199  55  10  35 例3  199  34  199  34  5  32 例4  218  60  218  60  5  32 例5  192  49  177  40  10  30 例6  187  45  167  34  10  30 例7  130  53  127  50  14  29 例8  109  45  124  58  15  28 例9  103  41  105  42  15  30 例10  40  51  40  51  29  24 例11  80  53  80  53  20  26 例12  188  50  173  37  8  30 例13  145  45  145  45  3  34 例14  99  34  99  34  5  33 例15  143  40  143  40  10  30