一種新型泡沫夾層的雙層碳纖維管的製作方法

2023-06-01 21:02:07 2

本申請是申請號為：201610333315.7，申請日：2016-05-19，專利名稱「一種具有泡沫夾層的雙層碳纖維管及其製作工藝」的發明專利的分案申請。

本發明涉及碳纖維領域，具體涉及一種新型泡沫夾層的雙層碳纖維管。

背景技術：

碳纖維複合材料已經從航空航天等高端領域逐步向民用領域普及，碳纖維管具有比重小、剛度大、強度高、耐腐蝕等優點，廣泛用於醫療器械、體育器材中。但是由於其自身特性使碳纖維管的機械連接極為困難，所以使用膠水粘接則成為了一種比較簡單高效的連接方式。如今，汽車上的許多鋼結構件正逐漸使用碳纖維製件代替來減輕重量。

桁架式汽車的車架是由多根管件連接而成，傳統的桁架車架材料主要是鋼管或鋁合金管，現在新型的桁架車架採用碳纖維管，但是由於碳纖維管之間的連接以及碳纖維管和其他零件的連接無法使用焊接，只能採用粘接或螺栓連接，但是粘接的強度較小，而螺栓連接則會破壞碳纖維管的碳絲，使其受力時容易發生斷裂，針對這些情況，現有技術中用於桁架車架的碳纖維管都是在碳纖維管體的兩端粘接一個金屬接頭，再通過金屬接頭與其他碳纖維管或零件進行連接。

現有技術都是先製作好碳纖維管，然後在金屬接頭上塗覆膠水，再將碳纖維管和金屬接頭粘在一起，製作周期長。為了方便連接，碳纖維管和接頭之間往往設置裝配間隙，這樣就導致碳纖維管和接頭之間的同軸度偏大，且膠水厚度不均勻，如果塗覆膠水過多的話，多餘的膠水還會流到接頭用於連接的內螺紋處，以及接頭和碳纖維管的端面，膠水固化後非常難以處理，導致後處理的工作量增大。碳纖維層與膠水粘接時，接頭放置方式通常為水平放置或者豎直放置，由於重力的影響，膠水總會分布不均勻，導致碳纖維管與接頭粘接後的質量下降。

現有的碳纖維管都是單層，由於碳纖維布的厚度較小，因此碳纖維管往往壁厚也較小，其對汽車的噪音和振動沒有衰減作用，使得桁架式汽車的噪聲和振動較大。碳纖維布與接頭粘接的面積也較小，而為了提高粘接強度，往往需要將接頭的凸臺加長，以增大其與碳纖維布接觸的面積，但這樣又會導致碳纖維管的重量增加。

技術實現要素：

針對上述監測裝置的不足，本發明具體涉及一種新型泡沫夾層的雙層碳纖維管。目的是提供一種生產成本低、成型快、粘接質量好、粘接強度大、具有吸聲、減震效果的雙層碳纖維管及其粘接工藝。

為實現上述發明目的，本發明所採用的技術方案是：一種新型泡沫夾層的雙層碳纖維管，所述的雙層碳纖維管由外側向內側依次設置外層碳纖維管、泡沫層、內層碳纖維管；所述雙層碳纖維管的兩端分別與一個金屬接頭連接；

所述的金屬接頭包括第一凸圓臺，第一凸圓臺上端面設置第二凸圓臺，第二凸圓臺上端面設置第三凸圓臺；所述第一凸圓臺的上端面、第二凸圓臺的外側面位置設置第一密封圈，所述第二凸圓臺的上端面、第三凸圓臺的外側面位置設置第二密封圈，所述第三凸圓臺的上端面設置第三密封圈；

所述外層碳纖維管的內側面與第二凸圓臺的外側面連接，外層碳纖維管的端面與第一密封圈的上端面密封連接；所述內層碳纖維管的內側面與第三凸圓臺、第三密封圈的外側面連接；所述內層碳纖維管的端面與第二密封圈的上端面密封連接；

所述的雙層碳纖維管還包括用於其成型的內模、外模；所述的內模包括設置在最外側的剝離層，從剝離層向內側依次設置真空薄膜層、防水層、粘性層，粘性層的內側設置海綿體；所述外模由兩個半圓筒可拆卸的連接而成，所述外模由外側面到內側面依次設置外殼、第一外層、第二外層、第三外層，所述外殼、第一外層、第二外層、第三外層相互之間構成可拆卸式的連接；

所述的第一外層、第二外層、第三外層的形狀分別與外層碳纖維管、泡沫層、內層碳纖維管的形狀相適應。

優選的，所述金屬接頭沿其軸線方向的軸心位置設置連接通孔，連接通孔內設置內螺紋；所述第一凸圓臺的底端面沿其軸向方向設置多個周向布置的第一滲透孔、第二滲透孔、第三滲透孔；所述的第一滲透孔與第二凸圓臺的外側壁沿其徑向方向的開孔連接，所述的第二滲透孔依次穿過第一凸圓臺、第二凸圓臺、第一密封圈，所述的第三滲透孔與第三凸圓臺的外側壁沿徑向方向的開孔連接。

優選的，所述第三密封圈的截面為碗形，其上端的內徑大於下端的內徑。

根據上述任意一種新型泡沫夾層的雙層碳纖維管的製作工藝，其特徵在於：所述的雙層碳纖維管的製作工藝包括以下步驟：內模成型、碳纖維管成型、碳纖維管後處理；所述的碳纖維管成型步驟包括內層碳纖維管成型、泡沫層成型、外層碳纖維管成型；

所述的內模成型步驟為：將外模的兩端分別與一個金屬接頭連接，使第三外層的內側面與第三凸圓臺的外側面接觸，第三外層的端面與第二密封圈的上端面貼緊，然後將內模穿入兩個金屬接頭與外模的內腔區域中；向內模的海綿體中依次灌入無黏結劑幹砂粉末、膠水，然後烘乾內模，使海綿體膨脹，一定時間後當膠水與幹砂粘接凝固且海綿體硬化，拆下外模，並將第三外層從外模上拆除；

優選的，所述的內層碳纖維管成型步驟為：將碳纖維布依次纏繞在內模、第三凸圓臺的外側面上；然後將拆除了第三外層的外模安裝在碳纖維布的外側，第二外層的端面與第二密封圈的上端面緊貼，同時第二外層的內側面與碳纖維布的外側面緊貼；向一端的金屬接頭上的第三滲透孔中灌入環氧樹脂，另一端的金屬接頭上的第三滲透孔通過真空管依次與分離罐、真空泵連接；對第二外層、內模、第二密封圈圍成的區域抽真空並保壓一段時間，使纏繞在內模、第三凸圓臺外側壁上的碳纖維布固化為內層碳纖維管，然後拆下外模，並將第二外層從外模上拆除。

優選的，所述的泡沫層成型步驟為：將拆除了第二外層的外模重新與金屬接頭連接，使第一外層的內側壁與第二凸圓臺的外側壁緊貼，同時第一外層的端面與第二密封圈的外側面貼緊，然後向一端的金屬接頭上的第二滲透孔中灌入泡沫及凝固劑，將另一端的金屬接頭上的第二滲透孔關閉，使泡沫填充並固化在第一外層、內層碳纖維管、第二密封圈圍成的區域；然後拆下外模，並將第一外層從外模上拆除。

優選的，所述的外層碳纖維管成型步驟為：將拆除了第一外層的外模重新與金屬接頭連接，在泡沫層、第二凸圓臺的外側面上纏繞碳纖維布，向一端的金屬接頭上的第一滲透孔中灌入環氧樹脂，另一端的金屬接頭上的第一滲透孔通過真空管依次與分離罐、真空泵連接；對外殼、內模、第一密封圈圍成的區域抽真空並保壓一段時間，使纏繞在泡沫層和第一凸圓臺外側面上的碳纖維布固化為外層碳纖維管。

優選的，所述的碳纖維管成型步驟中，向一端的金屬接頭上的第三滲透孔中灌入環氧樹脂以及內層碳纖維管的固化過程中，所述的內層碳纖維管始終繞其軸線勻速旋轉；向一端的金屬接頭上的第二滲透孔中灌入泡沫、凝固劑以及泡沫層的固化過程中，所述的泡沫層始終繞其軸線勻速旋轉；向一端的金屬接頭上的第一滲透孔中灌入環氧樹脂以及外層碳纖維管的固化過程中，所述的外層碳纖維管始終繞其軸線勻速旋轉。

本發明具有以下有益效果：碳纖維管由外層碳纖維管、泡沫層、內層碳纖維管構成，結構強度好，且內、外碳纖維管分別與金屬接頭粘接，使粘接強度增大；內、外碳纖維管分別與泡沫層進行一定程度的粘接，使雙層碳纖維管結構強度更好；泡沫層可以有效吸收車輪與車身之間的振動以及車輪與地面之間的噪聲；各層成型的同時完成其與金屬接頭的粘接，避免了碳纖維管和接頭粘接後的不同軸問題；粘接過程中膠水不會流入接頭內孔處，也不會流到碳纖維管和接頭的端面部位，減少後序工作；各層粘接及成型時始終處於旋轉狀態，粘接部位的膠水分布更均勻，粘接質量好。

附圖說明

圖1為雙層碳纖維管剖視圖；

圖2為內模成型步驟中外模與接頭連接示意圖；

圖3為內模成型步驟中海綿體膨脹示意圖；

圖4為內層碳纖維管成型步驟中向第三滲透孔灌入環氧樹脂示意圖；

圖5為泡沫層成型步驟中向第二滲透孔灌入泡沫和凝固劑示意圖；

圖6為外層碳纖維管成型步驟中向第一滲透孔灌入環氧樹脂示意圖；

圖7為拆除內膜後金屬接頭下端面安裝堵蓋示意圖；

圖8為圖3中a-a剖視圖。

具體實施方式

本文中使用的「上」、「下」、「底」是為了方便闡述本發明的結構而使用的詞彙，不對本發明的權利要求內容構成任何形式的限制。

如圖1-圖8所示的一種新型泡沫夾層的雙層碳纖維管，所述的雙層碳纖維管由外側向內側依次設置外層碳纖維管1、泡沫層2、內層碳纖維管3；所述雙層碳纖維管的兩端分別與一個金屬接頭4連接。

如圖7所示的，所述的金屬接頭4包括第一凸圓臺51，第一凸圓臺51上端面設置第二凸圓臺61，第二凸圓臺61上端面設置第三凸圓臺71；所述第一凸圓臺51的上端面、第二凸圓臺61的外側面位置設置第一密封圈52，所述第二凸圓臺61的上端面、第三凸圓臺71的外側面位置設置第二密封圈62，所述第三凸圓臺71的上端面設置第三密封圈72；所述第三密封圈72的截面為碗形，其上端的內徑大於下端的內徑，這樣可以讓內模8與內層碳纖維管3的內側面更好的貼合。第一圓凸臺51的底面與堵蓋14連接，當雙層碳纖維管成型後，使用堵蓋14可以將相關的滲透孔進行密封。

所述外層碳纖維管1的內側面與第二凸圓臺61的外側面連接，外層碳纖維管1的端面與第一密封圈52的上端面密封連接；所述內層碳纖維管3的內側面與第三凸圓臺71、第三密封圈72的外側面連接；所述內層碳纖維管3的端面與第二密封圈62的上端面密封連接。

如圖1、圖7所示的，所述金屬接頭4沿其軸線方向的軸心位置設置連接通孔41，連接通孔41內設置內螺紋；兩個金屬接頭4的連接通孔41各與一個水平放置的旋轉軸11連接，旋轉軸11與驅動電機12連接。這樣可以讓雙層碳纖維管成型及其與金屬接頭4粘接的過程中始終處於旋轉狀態，讓環氧樹脂分布的更均勻，提高粘接質量。

為了方便的在各個步驟中添加適量的環氧樹脂、泡沫、凝固劑，同時為了防止多餘的環氧樹脂流入連接通孔41內，或流至金屬接頭4的外側面和底端面，所述第一凸圓臺51的底端面沿其軸向方向設置多個周向布置的第一滲透孔53、第二滲透孔63、第三滲透孔73；所述的第一滲透孔53與第二凸圓臺61的外側壁沿其徑向方向的開孔連接，所述的第二滲透孔63依次穿過第一凸圓臺51、第二凸圓臺61、第一密封圈62，所述的第三滲透孔73與第三凸圓臺71的外側壁沿徑向方向的開孔連接。

所述的雙層碳纖維管還包括用於其成型的內模8、外模9；如圖8所示的，內模8包括設置在最外側的剝離層82，從剝離層82向內側依次設置真空薄膜層83、防水層84、粘性層85，粘性層85的內側設置海綿體81，內模8的各層均為彈性軟質塑料或彈性軟質複合材料構成，因而內模8的外側面形狀可以根據其內側海綿體1的形狀變化而變化，將內模8放入水中一定時間後海綿體1變軟時，內模8的形狀可以發生變化，海綿體1也可以被壓縮。

所述的外模9由兩個半圓筒可拆卸的連接而成，可以是在兩個半圓筒的側面分別設置法蘭然後通過螺栓連接，也可以是使用卡環將兩個半圓筒捆緊。所述外模9由外側面到內側面依次設置外殼90、第一外層91、第二外層92、第三外層93，所述外殼90、第一外層91、第二外層92、第三外層93相互之間構成可拆卸式的連接，可以是內層結構與外層結構之間通過過盈配合的方式連接，也可以是內層結構與外層結構沿徑向方向設置銷孔和銷的方式連接。

所述的外殼90、第一外層91、第二外層92、第三外層93的內側面上分別塗覆防粘塗層；所述的第一外層91、第二外層92、第三外層93的形狀分別與外層碳纖維管1、泡沫層2、內層碳纖維管3的形狀相適應。

所述的雙層碳纖維管的製作工藝包括以下步驟：內模成型、碳纖維管成型、碳纖維管後處理。

如圖2至圖7所示的，所述的內模成型步驟為：將外模9的兩端分別與一個金屬接頭4連接，使第三外層93的內側面與第三凸圓臺71的外側面接觸，第三外層93的端面與第二密封圈62的上端面貼緊，將內模8浸入水中一段時間，使海綿體81變軟，然後將內模8穿入兩個金屬接頭4與外模9的內腔區域中；向內模8的海綿體81中依次灌入無黏結劑幹砂粉末、膠水，然後烘乾內模8，使海綿體81膨脹，一定時間後當膠水與幹砂粘接凝固且海綿體81硬化，拆下外模9，並將第三外層93從外模9上拆除。

所述的碳纖維管成型步驟包括內層碳纖維管成型、泡沫層成型、外層碳纖維管成型；

所述的內層碳纖維管成型步驟為：將碳纖維布依次纏繞在內模8、第三凸圓臺71的外側面上；然後將拆除了第三外層93的外模9安裝在碳纖維布的外側，第二外層92的端面與第二密封圈62的上端面緊貼，同時第二外層92的內側面與碳纖維布的外側面緊貼；然後向一端的金屬接頭4上的第三滲透孔73中灌入環氧樹脂，另一端的金屬接頭4上的第三滲透孔73通過真空管依次與分離罐、真空泵連接；啟動真空泵、驅動電機12，對第二外層92、內模8、第二密封圈62圍成的區域抽真空並保壓一段時間，使環氧樹脂均布在內模8、第三凸圓臺71外側壁上的碳纖維布上，同時碳纖維布始終處於旋轉狀態，使環氧樹脂的分布更均勻。由於設置了第二密封圈62、第三密封圈72，使得環氧樹脂只在第三外層93內側面與內模8的外側面之間的區域流動，而無法流到連接通孔41內，也無法流到第一圓凸臺51的外側面上。當碳纖維布固化為內層碳纖維管3後，關閉真空泵、驅動電機12，拆下外模9，並將第二外層92從外模9上拆除。

所述的泡沫層成型步驟為：將拆除了第二外層92的外模9重新與金屬接頭4連接，使第一外層91的內側壁與第二凸圓臺61的外側壁緊貼，同時第一外層91的端面與第二密封圈62的外側面貼緊，然後向一端的金屬接頭4上的第二滲透孔63中灌入泡沫及凝固劑，將另一端的金屬接頭4上的第二滲透孔63關閉，同時啟動驅動電機，使泡沫填充並固化在第一外層91、內層碳纖維管3、第二密封圈62圍成的區域，由於設置了第二密封圈62、第三密封圈72，使得泡沫和凝固劑只在第二外層92內側面與內模8的外側面之間的區域填充，而無法流到連接通孔41內，也無法流到第一圓凸臺51的外側面上。當泡沫固化後拆下外模9，並將第一外層91從外模9上拆除。

所述的外層碳纖維管成型步驟為：將拆除了第一外層91的外模9重新與金屬接頭4連接，在泡沫層2、第二凸圓臺61的外側面上纏繞碳纖維布，向一端的金屬接頭4上的第一滲透孔53中灌入環氧樹脂，另一端的金屬接頭4上的第一滲透孔53通過真空管依次與分離罐、真空泵連接；啟動真空泵、驅動電機12，對外殼90、內模8、第一密封圈53圍成的區域抽真空並保壓一段時間，使纏繞在泡沫層2和第一凸圓臺51外側面上的碳纖維布旋轉並固化為外層碳纖維管1。

所述的碳纖維管後處理步驟為：向海綿體81中灌入破膠液，待海綿體81變軟後，將內模8取出，然後將堵蓋14安裝在第一凸圓臺51的底端面上。

所述的碳纖維管成型步驟中，向一端的金屬接頭4上的第三滲透孔73中灌入環氧樹脂以及內層碳纖維管3的固化過程中，所述的內層碳纖維管3始終繞其軸線勻速旋轉；向一端的金屬接頭4上的第二滲透孔63中灌入泡沫、凝固劑以及泡沫層2的固化過程中，所述的泡沫層2始終繞其軸線勻速旋轉；向一端的金屬接頭4上的第一滲透孔53中灌入環氧樹脂以及外層碳纖維管1的固化過程中，所述的外層碳纖維管1始終繞其軸線勻速旋轉。這樣可以讓環氧樹脂、泡沫、凝固劑在固化的過程中均勻周部，克服了重力的影響，使粘接的效果更好。