CN109678548A - 一种碳/碳复合材料弹簧生产方法及装置 - Google Patents

一种碳/碳复合材料弹簧生产方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种碳/碳复合材料弹簧生产方法及装置，属于碳/碳复合材料制造领域，其特征在于：采用石墨制成芯模；在芯模外表画制弹簧螺旋线范围，在画制范围内沿芯模径向打孔；在前述孔内插入碳纤维棒；采用碳纤维束沿前述碳纤维棒之间的间隙缠绕制成碳纤维弹簧预制体；将碳纤维弹簧预制体经过碳化制成碳/碳复合材料弹簧坯体；将碳/碳复合材料弹簧坯体按所需尺寸加工成螺旋状弹簧。通过对现有技术的改进，较好的实现发明目的，由于碳纤维棒代替针刺Z向碳纤维，最大程度保证了碳纤维束的连续性和完整性，提高弹簧性能，而且制作简单。所制备的碳/碳复合材料弹簧力学性能好。

Description

一种碳/碳复合材料弹簧生产方法及装置
技术领域
本发明属于碳/碳复合材料制造领域，尤其涉及一种碳/碳复合材料弹簧生产方法及装置。
背景技术
随着科技的发展，普通金属弹簧已经无法满足特殊行业的需求，即使是特种耐热弹簧钢所制造的弹簧使用温度也仅在500℃左右，而耐600℃以上高温合金弹簧不仅价格昂贵，而且会造成金属污染。为此，有采用陶瓷材料制备的弹簧，但陶瓷材料呈脆性、抗热冲击性差，虽然通过改性可提高其韧性，但是由于受到成形难度大和工艺的复杂性限制，性能有限，且价格不菲。
碳/碳复合材料具有比重轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好、摩擦性好等优异性能，是名副其实的多功能、可设计、结构与功能兼备的新材料。
专利EP0684216A2公开了一种碳/碳复合材料螺旋弹簧制备的方法。该方法是将碳纤维经预成型后整体缠绕于芯模，然后通过高温模压定型、碳化等制备而成。但是，由于预成型条在缠绕过程中，靠近中心轴线近的螺旋路径短，远离中轴线的螺旋路径长，因此，不同层间将沿着各自的路径铺排，必然会产生应力并导致分层，且缠绕时在垂直于弹簧的轴线方向没有Z向碳纤维，最终使得弹簧整体结构能力差、刚性偏低。
专利CN107285796A公开了一种碳基复合材料螺旋弹簧及生产方法。该方法是将碳纤维束或碳纤维布沿弹簧的螺旋线方向缠绕在芯模上，然后将碳纤维网胎卷绕在芯模上，沿芯模的径向进行针刺，引入Z向碳纤维，重复以上步骤制得螺旋弹簧碳纤维预制体，最终经过增密和机加工等步骤制成碳基复合材料螺旋弹簧。该方法采用针刺方式引入Z向碳纤维，针刺过程对纤维损伤较大，影响弹簧性能。
发明内容
本法旨在解决上述问题，提供一种碳/碳复合材料弹簧生产方法及装置。
本发明所述碳/碳复合材料弹簧生产方法，采用石墨制成芯模；在芯模外表画制弹簧螺旋线范围，在画制范围内沿芯模径向打孔；在前述孔内插入碳纤维棒；采用碳纤维束沿前述碳纤维棒之间的间隙缠绕制成碳纤维弹簧预制体；将碳纤维弹簧预制体经过碳化制成碳/碳复合材料弹簧坯体；将碳/碳复合材料弹簧坯体按所需尺寸加工成螺旋状弹簧。
本发明所述碳/碳复合材料弹簧生产方法，包括如下步骤：（1）制模：用石墨加工成芯模，在芯模表面画制弹簧螺旋线范围，并在弹簧螺旋线范围内沿芯模径向打孔，将外径与前述孔的孔径相等的碳纤维棒插入孔内；
（2）绕制预制体:将与碳纤维棒间距宽度相等的碳纤维束沿弹簧螺旋线方向缠绕，使所述碳纤维束连续长纤维的走向与弹簧的螺旋线方向一致；再将碳纤维束沿与弹簧的螺旋线方向垂直的碳纤维棒之间缠绕；重复以上过程制成碳纤维弹簧预制体；
（3）增密：将步骤（2）制备的碳纤维弹簧预制体经化学气相沉积或/和液相浸渍碳化，制成碳/碳复合材料弹簧坯体；将碳/碳复合材料弹簧坯体放入高温炉内，在真空环境下进行石墨化处理，温度为2000℃-2500℃，保温时间为2h-4h；
（4）机加工:将步骤（3）经石墨化处理后的碳/碳复合材料弹簧坯体按所需尺寸加工成螺旋状弹簧，完成生产。
本发明在步骤（1）中沿芯模弹簧螺旋线方向打孔，在孔内插入碳纤维棒。在步骤（2）中沿弹簧螺旋线方向碳纤维棒间缠绕与碳纤维棒间距宽度的碳纤维束，再将碳纤维沿垂直于弹簧螺旋线方向的碳纤维棒间缠绕，重复以上过程制成所需尺寸的碳纤维弹簧预制体。碳纤维棒起到Z向碳纤维的作用，不用进行针刺，进而保证了碳纤维束的完整性。
进一步，本发明所述碳/碳复合材料弹簧生产方法，所述步骤（1）所述孔在弹簧螺旋线范围内的分布规律为：沿弹簧螺旋线方向呈阵列分布；孔的孔径为0.5-5mm，孔间距为孔径的1.5-3倍，孔深度为1-50mm。
进一步，本发明所述碳/碳复合材料弹簧生产方法，所述步骤（2）所述碳纤维弹簧预制体的密度为0.4g/cm3-0.6g/cm3。
进一步，本发明所述碳/碳复合材料弹簧生产方法，所述步骤（3）所述碳/碳复合材料弹簧坯体的体积密度为1.2g/cm3-1.8g/cm3。
进一步，本发明所述碳/碳复合材料弹簧生产方法，所述碳纤维棒采用碳纤维原丝经浸树脂高温固化拉挤或缠绕制成；所述碳纤维棒的密度为1.0g/cm3-1.5g/cm3，直径为0.5-5mm，长度为10-500mm。
本发明所述碳/碳复合材料弹簧生产方法，所述步骤（3）增密的过程为：将步骤（2）制备的碳纤维弹簧预制体经化学气相沉积或/和液相浸渍碳化，制成碳/碳复合材料弹簧坯体；将碳/碳复合材料弹簧坯体经含硅树脂浸渍一裂解或三氯甲基硅烷归化学气相沉积或反应熔渗硅制备碳/碳/碳化硅复合材料弹簧坯体；将碳/碳/碳化硅复合材料弹簧坯体放入高温炉内，在真空环境下进行石墨化处理，温度为2000℃-2500℃，保温时间为2h-4h；
(4)机加工:将步骤（3）经石墨化处理后的碳/碳/碳化硅复合材料弹簧坯体按所需尺寸加工成螺旋状弹簧，完成生产。碳/碳/碳化硅复合材料弹簧坯体进一步提高螺旋弹簧的弹性系数。
进一步，本发明所述碳/碳复合材料弹簧生产方法，所述碳/碳/碳化硅复合材料弹簧坯体的体积密度为1.8g/cm3-2.6g/cm3。
本发明所述碳/碳复合材料弹簧生产装置，包括石墨芯模、碳纤维棒和碳纤维束；所述石墨芯模的外表面上沿弹簧螺旋方向设置有若干孔；所述碳纤维棒设置于前述孔内；所述碳纤维束缠绕设置于前述碳纤维棒之间。
进一步，本发明所述碳/碳复合材料弹簧生产装置，所述孔沿弹簧螺旋线方向呈阵列分布；孔的孔径为0.5-5mm，孔间距为孔径的1.5-3倍，孔深度为1-50mm。
本发明所述碳/碳复合材料弹簧生产方法及装置，通过对现有技术的改进，较好的实现发明目的，由于碳纤维棒代替针刺Z向碳纤维，最大程度保证了碳纤维束的连续性和完整性，提高弹簧性能，而且制作简单。所制备的碳/碳复合材料弹簧力学性能好，弹性常数可达5kg/mm-13kg/mm。
附图说明
图1为本发明所述碳/碳复合材料弹簧生产装置结构图。
其中1-芯模、2-碳纤维棒、3-碳纤维束。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明所述碳/碳复合材料弹簧生产方法及装置进行详细说明。
实施例一。
本发明所述碳/碳复合材料弹簧生产装置，如图1所示，包括石墨芯模1、碳纤维棒2和碳纤维束3；所述石墨芯模1的外表面上沿弹簧螺旋方向设置有若干孔；所述碳纤维棒2设置于前述孔内；所述碳纤维束3缠绕设置于前述碳纤维棒2之间。
所述碳/碳复合材料弹簧生产方法，包括以下步骤:
（1）制模：将高强石墨材料加工成直径F50mm，长度200mm的芯模1，在芯模1表面画出弹簧螺旋线范围，并在弹簧螺旋线范围内沿芯模1径向打孔，孔在弹簧螺旋线范围内的分布规律是沿弹簧螺旋线方向呈阵列分布，孔的特征是：孔径F1mm，孔间距5mm，孔深度10mm，；将直径F1mm，长度50mm的碳纤维棒2插入每个芯模1上的孔内；
（2）绕制预制体:将宽度为4mm的碳纤维束3沿弹簧螺旋线方向缠绕，保证所述碳纤维束3连续长纤维的走向与弹簧的螺旋线方向一致，再将宽度为4mm的碳纤维束3沿与弹簧的螺旋线方向垂直的碳纤维棒2之间缠绕。重复以上过程制成所需尺寸的碳纤维弹簧预制体。碳纤维弹簧预制体的密度为0.45g/cm3；
（3）增密：将步骤（2）制备的碳纤维弹簧预制体经化学气相沉积，制成碳/碳复合材料弹簧坯体，碳/碳复合材料弹簧坯体的体积密度为1.5g/cm3。为适应高温和高纯度环境的需求，将制备的碳/碳复合材料弹簧坯体放入高温炉内，在真空条件下进行石墨化处理，温度度为2200℃，保温时间为4h；
（4）机加工:将步骤（3）得到的碳/碳复合材料弹簧坯体按所需尺寸加工成螺旋状弹簧。
本实施例由于采用碳纤维棒2代替针刺Z向碳纤维，最大程度保证了碳纤维束3的连续性和完整性，提高弹簧性能，制备的碳/碳复合材料弹簧的力学性能好，弹性常数可达6-8kg/mm。
实施例二。
一种碳/碳复合材料弹簧生产方法，它包括以下步骤:
（1）制模：如图1所示，将高强石墨材料加工成直径F50mm，长度200mm的芯模1，在芯模1表面画出弹簧螺旋线范围，并在弹簧螺旋线范围内沿芯模1径向打孔，孔在弹簧螺旋线范围内的分布规律是沿弹簧螺旋线方向呈阵列分布，孔的特征是：孔径F2mm，孔间距4mm，孔深度10mm，；将直径F2mm，长度50mm的碳纤维棒2插入每个芯模1上的孔内；
（2）绕制预制体:将宽度为4mm的碳纤维束3沿弹簧螺旋线方向缠绕，保证所述碳纤维束3连续长纤维的走向与弹簧的螺旋线方向一致，再将宽度为4mm的碳纤维束3沿与弹簧的螺旋线方向垂直的碳纤维棒2之间缠绕。重复以上过程制成所需尺寸的碳纤维弹簧预制体。碳纤维弹簧预制体的密度为0.45g/cm3；
（3）增密：将步骤（2）制备的碳纤维弹簧预制体经化学气相沉积，制成碳/碳复合材料弹簧坯体，碳/碳复合材料弹簧坯体的体积密度为1.6g/cm3。为适应高温使用和高纯度环境的需求，将制备的碳/碳复合材料弹簧坯体放入高温炉内，在真空条件下进行石墨化处理，温度度为2200℃，保温时间为4h；
（4）机加工:将步骤（3）得到的碳/碳复合材料弹簧坯体按所需尺寸加工成螺旋状弹簧。
本实施例由于采用碳纤维棒2代替针刺Z向碳纤维，最大程度保证了碳纤维束3的连续性和完整性，提高弹簧性能，制备的碳/碳复合材料弹簧的力学性能好，弹性常数可达7-10kg/mm。
实施例三。
一种碳/碳复合材料弹簧生产方法，它包括以下步骤:
（1）制模：如图1所示，将高强石墨材料加工成直径F50mm，长度200mm的芯模1，在芯模1表面画出弹簧螺旋线范围，并在弹簧螺旋线范围内沿芯模1径向打孔，孔在弹簧螺旋线范围内的分布规律是沿弹簧螺旋线方向呈阵列分布，孔的特征是：孔径F1mm，孔间距=3mm，孔深度10mm，；将直径F1mm，长度50mm的碳纤维棒2插入每个芯模1上的孔内；
（2）绕制预制体:将宽度为2mm的碳纤维束3沿弹簧螺旋线方向缠绕，保证所述碳纤维束3连续长纤维的走向与弹簧的螺旋线方向一致，再将宽度为2mm的碳纤维束3沿与弹簧的螺旋线方向垂直的碳纤维棒2之间缠绕。重复以上过程制成所需尺寸的碳纤维弹簧预制体。碳纤维弹簧预制体的密度为0.45g/cm3；
（3）增密：将步骤（2）制备的碳纤维弹簧预制体经化学气相沉积至密度为1.0g/cm3，然后再经树脂浸渍-炭化至密度为1.8g/cm3，制成碳/碳复合材料弹簧坯体。为适应高温使用和高纯度环境的需求，将制备的碳/碳复合材料弹簧坯体放入高温炉内，在真空条件下进行石墨化处理，温度度为2200℃，保温时间为4h；
（4）机加工:将步骤（3）得到的碳/碳复合材料弹簧坯体按所需尺寸加工成螺旋状弹簧。
本实施例由于采用碳纤维棒2代替针刺Z向碳纤维，最大程度保证了碳纤维束3的连续性和完整性，提高弹簧性能，制备的碳/碳复合材料弹簧的力学性能好，弹性常数可达9-13kg/mm。
实施例四。
为进一步提高螺旋弹簧的弹性系数，本发明在步骤（3）中，将碳/碳复合材料弹簧坯体经含硅树脂浸渍一裂解或三氯甲基硅烷化学气相沉积或反应熔渗硅制备碳/碳/碳化硅复合材料弹簧坯体，碳/碳/碳化硅复合材料弹簧坯体的体积密度为 1.6g/cm3-2.6g/cm3。
本实施例在对碳纤维弹簧预制体经化学气相沉积后，再进行三氯甲基硅烷化学气相沉积制备得碳/碳/碳化硅复合材料弹簧坯体，碳/碳/碳化硅复合材料弹簧坯体的体积密度为 2.0g/cm3。制备的碳/碳复合材料弹簧的弹性常数最高可达15kg/mm。

Claims (10)

1.一种碳/碳复合材料弹簧生产方法，其特征在于：采用石墨制成芯模；在芯模外表画制弹簧螺旋线范围，在画制范围内沿芯模径向打孔；在前述孔内插入碳纤维棒；采用碳纤维束沿前述碳纤维棒之间的间隙缠绕制成碳纤维弹簧预制体；将碳纤维弹簧预制体经过碳化制成碳/碳复合材料弹簧坯体；将碳/碳复合材料弹簧坯体按所需尺寸加工成螺旋状弹簧。
2.根据权利要求1所述碳/碳复合材料弹簧生产方法，其特征在于包括如下步骤：(1)制模：用石墨加工成芯模，在芯模表面画制弹簧螺旋线范围，并在弹簧螺旋线范围内沿芯模径向打孔，将外径与前述孔的孔径相等的碳纤维棒插入孔内；
（2）绕制预制体:将与碳纤维棒间距宽度相等的碳纤维束沿弹簧螺旋线方向缠绕，使所述碳纤维束连续长纤维的走向与弹簧的螺旋线方向一致；再将碳纤维束沿与弹簧的螺旋线方向垂直的碳纤维棒之间缠绕；重复以上过程制成碳纤维弹簧预制体；
(3)增密：将步骤(2)制备的碳纤维弹簧预制体经化学气相沉积或/和液相浸渍碳化，制成碳/碳复合材料弹簧坯体；将碳/碳复合材料弹簧坯体放入高温炉内，在真空环境下进行石墨化处理，温度为2000℃-2500℃，保温时间为2h-4h;
(4)机加工:将步骤(3)经石墨化处理后的碳/碳复合材料弹簧坯体按所需尺寸加工成螺旋状弹簧，完成生产。
3.根据权利要求2所述碳/碳复合材料弹簧生产方法，其特征在于：所述步骤（1）所述孔在弹簧螺旋线范围内的分布规律为：沿弹簧螺旋线方向呈阵列分布；孔的孔径为0.5-5mm，孔间距为孔径的1.5-3倍，孔深度为1-50mm。
4.根据权利要求3所述碳/碳复合材料弹簧生产方法，其特征在于：所述步骤（2）所述碳纤维弹簧预制体的密度为0.4g/cm3-0.6g/cm3。
5.根据权利要求4所述碳/碳复合材料弹簧生产方法，其特征在于：所述步骤（3）所述碳/碳复合材料弹簧坯体的体积密度为1.2g/cm3-1.8g/cm3。
6.根据权利要求5所述碳/碳复合材料弹簧生产方法，其特征在于：所述碳纤维棒采用碳纤维原丝经浸树脂高温固化拉挤或缠绕制成；所述碳纤维棒的密度为1.0g/cm3-1.5g/cm3，直径为0.5-5mm，长度为10-500mm。
7.根据权利要求2或6所述碳/碳复合材料弹簧生产方法，其特征在于：所述步骤(3)增密的过程为：将步骤(2)制备的碳纤维弹簧预制体经化学气相沉积或/和液相浸渍碳化，制成碳/碳复合材料弹簧坯体；将碳/碳复合材料弹簧坯体经含硅树脂浸渍一裂解或三氯甲基硅烷归化学气相沉积或反应熔渗硅制备碳/碳/碳化硅复合材料弹簧坯体；将碳/碳/碳化硅复合材料弹簧坯体放入高温炉内，在真空环境下进行石墨化处理，温度为2000℃-2500℃，保温时间为2h-4h；
(4)机加工:将步骤(3)经石墨化处理后的碳/碳/碳化硅复合材料弹簧坯体按所需尺寸加工成螺旋状弹簧，完成生产。
8.根据权利要求7所述碳/碳复合材料弹簧生产方法，其特征在于：所述碳/碳/碳化硅复合材料弹簧坯体的体积密度为1.8g/cm3-2.6g/cm3。
9.一种碳/碳复合材料弹簧生产装置，其特征在于：包括石墨芯模、碳纤维棒和碳纤维束；所述石墨芯模的外表面上沿弹簧螺旋方向设置有若干孔；所述碳纤维棒设置于前述孔内；所述碳纤维束缠绕设置于前述碳纤维棒之间。
10.根据权利要求9所述碳/碳复合材料弹簧生产装置，其特征在于：所述孔沿弹簧螺旋线方向呈阵列分布；孔的孔径为0.5-5mm，孔间距为孔径的1.5-3倍，孔深度为1-50mm。
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