碳基複合材料螺旋彈簧及生產方法與流程
2023-04-27 05:59:36
本發明涉及一種碳基複合材料，具體地說是一種碳基複合材料螺旋彈簧及生產方法，特別是涉及一種在垂直於螺旋彈簧的軸線方向引入z向碳纖維的碳基複合材料螺旋彈簧及生產方法。
背景技術：
隨著科技的發展，眾多的高新技術領域對彈簧的使用性能要求日趨苛刻，普通的金屬彈簧已無法滿足新能源、國防、化工、航空航天、半導體等尖端或特殊領域的使用要求，很多設計中要求彈簧能夠在高溫環境、或腐蝕性環境中工作，並且不造成金屬汙染。如：高溫合金的焊接過程中，鎳基釺料的釺焊溫度通常在1200℃左右，為了固定焊件間的位置和抑制高溫變形問題，需要藉助夾具來實現。通常，該類夾具會配置彈簧件，其彈簧件不僅能夠承受高溫，而且需要具有良好的高溫彈性和耐鬆弛性能等。目前，普通金屬彈簧的使用溫度不超過200℃，特種耐熱彈簧鋼所製造的彈簧使用溫度也僅在500℃左右，而耐600℃以上高溫合金彈簧不僅價格昂貴，而且會造成金屬汙染。為此，有採用陶瓷材料製備的彈簧。如申請號為201310710651.5，發明名稱為一種陶瓷彈簧成型裝置與陶瓷彈簧的製備方法的專利申請即公開了一種陶瓷彈簧。但陶瓷材料呈脆性，抗熱衝擊性差。雖然通過改性可提高其韌性，但是由於受到成形難度大和工藝的複雜性限制，性能有限，價格不菲。
碳/碳複合材料具有比重輕、模量高、比強度大、熱膨脹係數低、耐高溫、耐熱衝擊、耐腐蝕、吸振性好、摩擦性好等優異性能，是名副其實的多功能、可設計、結構與功能兼備的新材料。
歐洲專利ep0684216a2公開了一種碳/碳複合材料螺旋彈簧製備的方法。該彈簧是將碳纖維經預成型後整體纏繞於芯模，然後通過高溫模壓定型、碳化等製備而成。但是，由於預成型條在纏繞過程中，靠近中心軸線近的螺旋路徑短，遠離中軸線的螺旋路徑長，因此，不同層間將沿著各自的路徑鋪排，必然會產生應力並導致分層，且纏繞時在垂直於彈簧的軸線方向沒有z向碳纖維，最終使得彈簧整體結構能力差、剛性偏低。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種在垂直於螺旋彈簧的軸線方向引入z向碳纖維的碳基複合材料螺旋彈簧及生產方法。
本發明是採用如下技術方案實現其發明目的的，一種碳基複合材料螺旋彈簧生產方法，它包括以下步驟：
⑴制坯：先將彈簧節距寬度的碳纖維束或碳纖維布沿彈簧的螺旋線方向纏繞在芯模上，所述碳纖維束或碳纖維布連續長纖維的走向與彈簧的螺旋線方向一致，然後，將碳纖維網胎卷繞在芯模上，沿芯模的徑向進行針刺，引入z向碳纖維；重複以上過程製成所需尺寸的碳纖維彈簧預製體；
本發明所述碳纖維網胎的面密度為10g/m2～100g/m2，針刺密度10次/cm2～40次/㎝2，針刺深度6㎜～25㎜，碳纖維彈簧預製體的體積密度為0.3g/㎝3～0.6g/㎝3。
⑵增密：將步驟⑴製備的碳纖維彈簧預製體經化學氣相沉積或/和液相浸漬碳化，製成碳/碳複合材料彈簧坯體，碳/碳複合材料彈簧坯體的體積密度為0.8g/㎝3～1.5g/㎝3；
為適應高溫使用和高純度環境的需求，本發明在步驟⑶前，將步驟⑵製備的碳/碳複合材料彈簧坯體放入高溫爐中，在真空條件下加熱進行除雜和石墨化處理，溫度為1800℃～2800℃，保溫時間為2h～15h。
⑶機加工：將步驟⑵得到的碳/碳複合材料彈簧坯體按所需尺寸加工成螺旋彈簧。
為在螺旋彈簧的軸向上引入連續長纖維，提高螺旋彈簧在彈簧壓縮方向上的軸向抗力，提高螺旋反向纖維的變形阻力，本發明在步驟⑴中，在芯模上沿彈簧的螺旋線方向纏繞彈簧節距寬度的碳纖維束或碳纖維布後，再將碳纖維網胎、碳纖維布、碳纖維網胎分別逐個卷繞在芯模上，卷繞時碳纖維布連續長纖維的走向與芯模的軸向一致，同時，每卷繞一次碳纖維網胎，沿芯模的徑向進行針刺，引入z向碳纖維；重複以上過程製成所需尺寸的碳纖維彈簧預製體。
本發明所述碳纖維網胎的面密度為10g/m2～100g/m2，針刺密度10次/cm2～40次/㎝2，針刺深度6㎜～25㎜，碳纖維彈簧預製體的體積密度為0.3g/㎝3～0.6g/㎝3。
為進一步提高螺旋彈簧的彈性係數，本發明在步驟⑵後，將碳/碳複合材料彈簧坯體經含矽樹脂浸漬-裂解或三氯甲基矽烷化學氣相沉積或反應熔滲矽製備碳/碳/碳化矽複合材料彈簧坯體，碳/碳/碳化矽複合材料彈簧坯體的體積密度為1.6g/㎝3～2.6g/㎝3。
一種如上所述碳基複合材料螺旋彈簧生產方法生產的碳基複合材料螺旋彈簧，所述螺旋彈簧中沿彈簧的螺旋線方向的連續碳纖維數量與z向碳纖維數量的比值為1：0.01～0.4；所述螺旋彈簧的彈性常數為0.5㎏/㎜～10㎏/㎜。
本發明所述螺旋彈簧中沿彈簧的螺旋線方向的連續碳纖維數量與彈簧的軸線方向的連續碳纖維數量的比值為1：0～3。
本發明所述螺旋彈簧中沿彈簧的螺旋線方向的連續碳纖維數量與z向碳纖維數量的比值較優為1：0.05～0.2；所述螺旋彈簧中沿彈簧的螺旋線方向的連續碳纖維數量與彈簧的軸線方向的連續碳纖維數量的比值較優為1：1/2～2。
本發明所述螺旋彈簧中沿彈簧的螺旋線方向的連續碳纖維數量與z向碳纖維數量的比值最優為1：0.1；所述螺旋彈簧中沿彈簧的螺旋線方向的連續碳纖維數量與彈簧的軸線方向的連續碳纖維數量的比值最優為1：1。
由於採用上述技術方案，本發明較好的實現了發明目的，由於制坯時在垂直於彈簧的軸線方向引入z向碳纖維，在保證螺旋彈簧的螺旋方向上具有完整、連續長纖維的同時，層間結合好，製作簡易、方便，所製備的碳基複合材料螺旋彈簧的彈性常數可達0.5㎏/㎜～10㎏/㎜，力學性能好。
附圖說明
圖1是本發明螺旋彈簧的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。
實施例1：
一種碳基複合材料螺旋彈簧生產方法，它包括以下步驟：
⑴制坯：先將彈簧節距寬度的碳纖維束或碳纖維布沿彈簧的螺旋線方向纏繞在芯模上，所述碳纖維束或碳纖維布連續長纖維的走向與彈簧的螺旋線方向一致，然後，將碳纖維網胎卷繞在芯模上，沿芯模的徑向進行針刺，引入z向碳纖維；重複以上過程製成所需尺寸的碳纖維彈簧預製體；
本發明所述碳纖維網胎的面密度為10g/m2～100g/m2，針刺密度10次/cm2～40次/㎝2，針刺深度6㎜～25㎜，碳纖維彈簧預製體的體積密度為0.3g/㎝3～0.6g/㎝3。
⑵增密：將步驟⑴製備的碳纖維彈簧預製體經化學氣相沉積或/和液相浸漬碳化，製成碳/碳複合材料彈簧坯體，碳/碳複合材料彈簧坯體的體積密度為0.8g/㎝3～1.5g/㎝3；
為適應高溫使用和高純度環境的需求，本發明在步驟⑶前，將步驟⑵製備的碳/碳複合材料彈簧坯體放入高溫爐中，在真空條件下加熱進行除雜和石墨化處理，溫度為1800℃～2800℃，保溫時間為2h～15h。
⑶機加工：將步驟⑵得到的碳/碳複合材料彈簧坯體按所需尺寸加工成螺旋彈簧。
一種如上所述碳基複合材料螺旋彈簧生產方法生產的碳基複合材料螺旋彈簧，所述螺旋彈簧中沿彈簧的螺旋線方向的連續碳纖維數量與z向碳纖維數量的比值為1：0.01～0.4；所述螺旋彈簧的彈性常數為0.5㎏/㎜～10㎏/㎜。
本發明所述螺旋彈簧中沿彈簧的螺旋線方向的連續碳纖維數量與z向碳纖維數量的比值較優為1：0.05～0.2；
本發明所述螺旋彈簧中沿彈簧的螺旋線方向的連續碳纖維數量與z向碳纖維數量的比值最優為1：0.1；
本實施例在為圓柱的芯模上，先將彈簧節距寬度的碳纖維布沿彈簧的螺旋線方向纏繞1周或1周的倍數（本實施例為1周），碳纖維布連續長纖維的走向與彈簧的螺旋線方向一致，碳纖維布為碳纖維單向布，面密度為200g/m2；然後，將碳纖維網胎卷繞在芯模上1周或1周的倍數（本實施例也為1周），碳纖維布的纏繞周數與碳纖維網胎的卷繞周數相同，所述碳纖維網胎的面密度為60g/m2；再沿芯模的徑向進行針刺，針刺密度30次/㎝2，針刺深度15㎜，在垂直於螺旋彈簧的軸線方向引入z向碳纖維；重複以上過程製成所需尺寸的碳纖維彈簧預製體，碳纖維彈簧預製體為圓筒形狀，其體積密度為0.46g/㎝3。
將上步製備的碳纖維彈簧預製體經化學氣相沉積，沉積後的碳/碳複合材料彈簧坯體的體積密度為1.2g/㎝3；然後，將碳/碳複合材料彈簧坯體放入高溫爐中，在真空條件下加熱進行除雜和石墨化處理，溫度為2200℃，保溫時間為5h；最後，機加工成所需尺寸的圓形螺旋彈簧，如圖1所示。
為確定螺旋彈簧中沿彈簧的螺旋線方向的連續碳纖維數量與z向碳纖維數量的合適比值範圍，本實施例在製備外徑48㎜、內徑26㎜、自由高度70㎜、節距20㎜和間距10㎜的圓柱狀螺旋彈簧時，對不同比值條件下加工的螺旋彈簧進行了測試（設備：萬能電子力學試驗機；測試條件：加壓速率5㎜/min），z向碳纖維的數量可通過碳纖維網胎的面密度、針刺密度及針刺深度進行調節，測試結果如表1所示。
表1：
從表1可知，序號為1、2、3的試件雖然引入了z向碳纖維，但由於針刺密度高，連續纖維損傷嚴重，測試時螺旋彈簧的受力曲線為非線性，且易破損。序號為15的試件沒有引入z向碳纖維，測試時螺旋彈簧的層間結合差，易出現分層現象。而序號為4到14的試件在測試時螺旋彈簧的受力曲線為線性，具有較好的性能。同時，從表1可知，螺旋彈簧中沿彈簧的螺旋線方向的連續碳纖維數量與z向碳纖維數量的比值在1：0.01～0.4時為好；較優的比值為1：0.05～0.2；結合其他性能，最優的比值為1：0.1。
本實施例由於在垂直於彈簧的軸線方向引入z向碳纖維，在保證螺旋彈簧的螺旋方向上具有完整、連續長纖維的同時，層間結合好，製備的碳基複合材料螺旋彈簧的力學性能好，彈性常數可達0.5㎏/㎜～5㎏/㎜。
本發明可根據不同形狀的芯模製備不同形狀的螺旋彈簧。
實施例2：
為進一步提高螺旋彈簧的彈性係數，本發明在步驟⑵後，將碳/碳複合材料彈簧坯體經含矽樹脂浸漬-裂解或三氯甲基矽烷化學氣相沉積或反應熔滲矽製備碳/碳/碳化矽複合材料彈簧坯體，碳/碳/碳化矽複合材料彈簧坯體的體積密度為1.6g/㎝3～2.6g/㎝3。
本實施例在對碳纖維彈簧預製體經化學氣相沉積後，再進行三氯甲基矽烷化學氣相沉積製備得碳/碳/碳化矽複合材料彈簧坯體，碳/碳/碳化矽複合材料彈簧坯體的體積密度為2.0g/㎝3。
本實施例製備的碳基複合材料螺旋彈簧彈性常數可達3.0㎏/㎜～10㎏/㎜。
餘同實施例1。
實施例3：
為在螺旋彈簧的軸向上引入連續長纖維，提高螺旋彈簧在彈簧壓縮方向上的軸向抗力，提高螺旋反向纖維的變形阻力，本發明在步驟⑴中，在芯模上沿彈簧的螺旋線方向纏繞彈簧節距寬度的碳纖維束或碳纖維布後，再將碳纖維網胎、碳纖維布、碳纖維網胎分別逐個卷繞在芯模上，卷繞時碳纖維布連續長纖維的走向與芯模的軸向一致，同時，每卷繞一次碳纖維網胎，沿芯模的徑向進行針刺，引入z向碳纖維；重複以上過程製成所需尺寸的碳纖維彈簧預製體。
本發明所述碳纖維網胎的面密度為10g/m2～100g/m2，針刺密度10次/cm2～40次/㎝2，針刺深度6㎜～25㎜，碳纖維彈簧預製體的體積密度為0.3g/㎝3～0.6g/㎝3。
本發明所述螺旋彈簧中沿彈簧的螺旋線方向的連續碳纖維數量與彈簧的軸線方向的連續碳纖維數量的比值為1：0～3。
本發明所述螺旋彈簧中沿彈簧的螺旋線方向的連續碳纖維數量與彈簧的軸線方向的連續碳纖維數量的比值較優為1：1/2～2。
本發明所述螺旋彈簧中沿彈簧的螺旋線方向的連續碳纖維數量與彈簧的軸線方向的連續碳纖維數量的比值最優為1：1。
本實施例在為圓柱的芯模上，先將彈簧節距寬度的碳纖維布沿彈簧的螺旋線方向纏繞1周或1周的倍數（本實施例為1周），碳纖維布連續長纖維的走向與彈簧的螺旋線方向一致，碳纖維布為碳纖維單向布，面密度為200g/m2；然後，將碳纖維網胎、碳纖維布、碳纖維網胎分別逐個卷繞在芯模上，也各為1周或1周的倍數（本實施例各為1周），卷繞碳纖維布時其連續長纖維的走向與芯模的軸向一致，同時，每卷繞一次碳纖維網胎，沿芯模的徑向進行針刺，引入z向碳纖維，所述碳纖維網胎的面密度為40g/m2，針刺密度30次/㎝2，針刺深度15㎜；重複以上過程製成所需尺寸的碳纖維彈簧預製體，碳纖維彈簧預製體為圓筒形狀，其體積密度為0.50g/㎝3。
將上步製備的碳纖維彈簧預製體經化學氣相沉積，沉積後的碳/碳複合材料彈簧坯體的體積密度為1.2g/㎝3；然後，將碳/碳複合材料彈簧坯體放入高溫爐中，在真空條件下加熱進行除雜和石墨化處理，溫度為2200℃，保溫時間為8h；最後，機加工成所需尺寸的螺旋彈簧。
為確定螺旋彈簧中沿彈簧的螺旋線方向的連續碳纖維數量與彈簧的軸線方向的連續碳纖維數量的合適比值範圍，本實施例在製備外徑48㎜、內徑26㎜、自由高度70㎜、節距20㎜和間距10㎜的圓柱狀螺旋彈簧時，對不同比值條件下加工的螺旋彈簧進行了測試（設備：萬能電子力學試驗機；測試條件：加壓速率5㎜/min），彈簧的軸線方向的連續碳纖維數量可通過碳纖維布的面密度進行調節，測試結果如表2所示。
表2：
從表2可知，序號為1、2、3的試件雖然引入了軸向碳纖維，但螺旋方向連續長纖維比例低，變形能力變差，測試時螺旋彈簧的受力曲線為非線性，壓縮位移量小，且易破損。而序號為4到11的試件在測試時螺旋彈簧的受力曲線為線性變形，壓縮位移可實現，具有較好的性能。同時，從表2可知，螺旋彈簧中沿彈簧的螺旋線方向的連續碳纖維數量與彈簧的軸線方向的連續碳纖維數量的比值在1：0～3時為好；較優的比值為1：1/2～2；結合其他性能，最優的比值為1：1。
本實施例在垂直於彈簧的軸線方向引入z向碳纖維的同時，也在彈簧的軸線方向引入連續碳纖維，在保證螺旋彈簧的螺旋方向上具有完整、連續長纖維的同時，層間結合好，製備的碳基複合材料螺旋彈簧的力學性能好，彈性常數可達0.5㎏/㎜～5㎏/㎜。
餘同實施例1。
實施例4：
本發明在步驟⑵後，將碳/碳複合材料彈簧坯體經含矽樹脂浸漬-裂解或三氯甲基矽烷化學氣相沉積或反應熔滲矽製備碳/碳/碳化矽複合材料彈簧坯體，碳/碳/碳化矽複合材料彈簧坯體的體積密度為1.6g/㎝3～2.6g/㎝3。
本實施例在對碳纖維彈簧預製體經化學氣相沉積後，再進行三氯甲基矽烷化學氣相沉積製備得碳/碳/碳化矽複合材料彈簧坯體，碳/碳/碳化矽複合材料彈簧坯體的體積密度為2.0g/㎝3。
本實施例製備的碳基複合材料螺旋彈簧彈性常數可達3.0㎏/㎜～10㎏/㎜。
餘同實施例1。
實施例5：
本實施例在為圓柱的芯模上，先將彈簧節距寬度的多束並排碳纖維束沿彈簧的螺旋線方向纏繞1周或1周的倍數（本實施例為1周），碳纖維束連續長纖維的走向與彈簧的螺旋線方向一致，然後，將碳纖維網胎卷繞在芯模上1周或1周的倍數（本實施例也為1周），碳纖維束的纏繞周數與碳纖維網胎的卷繞周數相同，所述碳纖維網胎的面密度為60g/m2；再沿芯模的徑向進行針刺，針刺密度30次/㎝2，針刺深度15㎜，在垂直於螺旋彈簧的軸線方向引入z向碳纖維；重複以上過程製成所需尺寸的碳纖維彈簧預製體，碳纖維彈簧預製體為圓筒形狀，其體積密度為0.46g/㎝3。
餘同實施例1。
實施例6：
本實施例在為圓柱的芯模上，先將彈簧節距寬度的多束並排碳纖維束沿彈簧的螺旋線方向纏繞1周或1周的倍數（本實施例為1周），碳纖維束連續長纖維的走向與彈簧的螺旋線方向一致；然後，將碳纖維網胎、碳纖維布、碳纖維網胎分別逐個卷繞在芯模上，也各為1周或1周的倍數（本實施例各為1周），卷繞碳纖維布時其連續長纖維的走向與芯模的軸向一致，碳纖維布為碳纖維單向布，面密度為200g/m2；同時，每卷繞一次碳纖維網胎，沿芯模的徑向進行針刺，引入z向碳纖維，所述碳纖維網胎的面密度為40g/m2，針刺密度30次/㎝2，針刺深度15㎜；重複以上過程製成所需尺寸的碳纖維彈簧預製體，碳纖維彈簧預製體為圓筒形狀，其體積密度為0.50g/㎝3。
餘同實施例3。