一种碳基复合材料螺旋弹簧及生产方法与流程

本发明涉及一种碳基复合材料，具体地说是一种碳基复合材料螺旋弹簧及生产方法，特别是涉及一种在垂直于螺旋弹簧的轴线方向引入z向碳纤维的一种碳基复合材料螺旋弹簧及生产方法。

背景技术：

随着科技的发展，众多的高新技术领域对弹簧的使用性能要求日趋苛刻，普通的金属弹簧已无法满足新能源、国防、化工、航空航天、半导体等尖端或特殊领域的使用要求，很多设计中要求弹簧能够在高温环境、或腐蚀性环境中工作，并且不造成金属污染。如：高温合金的焊接过程中，镍基钎料的钎焊温度通常在1200℃左右，为了固定焊件间的位置和抑制高温变形问题，需要借助夹具来实现。通常，该类夹具会配置弹簧件，其弹簧件不仅能够承受高温，而且需要具有良好的高温弹性和耐松弛性能等。目前，普通金属弹簧的使用温度不超过200℃，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。如申请号为201310710651.5，发明名称为一种陶瓷弹簧成型装置与陶瓷弹簧的制备方法的专利申请即公开了一种陶瓷弹簧。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，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。

欧洲专利ep0684216a2公开了一种碳/碳复合材料螺旋弹簧制备的方法。该弹簧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。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种在垂直于螺旋弹簧的轴线方向引入z向碳纤维的一种碳基复合材料螺旋弹簧及生产方法。

本发明是采用如下技术方案实现其发明目的的，一种碳基复合材料螺旋弹簧生产方法，它包括以下步骤：

⑴制坯：先将螺旋线槽宽度的碳纤维束或碳纤维布缠绕在芯模的螺旋线槽上，所述螺旋线槽宽度与弹簧的螺旋线宽度相同，所述碳纤维束或碳纤维布连续长纤维的走向与弹簧的螺旋线方向一致，然后，将螺旋线槽宽度的碳纤维网胎缠绕在芯模的螺旋线槽上，沿芯模的径向进行针刺，引入z向碳纤维；重复以上过程制成所需尺寸的碳纤维弹簧预制体；

本发明所述碳纤维网胎的面密度为10g/m²～100g/m²，针刺密度10次/cm²～40次/㎝²，针刺深度6㎜～25㎜，碳纤维弹簧预制体的体积密度为0.3g/㎝³～0.6g/㎝³。

⑵增密：将步骤⑴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，碳/碳复合材料弹簧坯体的体积密度为0.8g/㎝³～1.5g/㎝³；

为适应高温使用和高纯度环境的需求，本发明在步骤⑶前，将步骤⑵制备的碳/碳复合材料弹簧坯体放入高温炉中，在真空条件下加热进行除杂和石墨化处理，温度为1800℃～2800℃，保温时间为2h～15h。

⑶机加工：将步骤⑵得到的碳/碳复合材料弹簧坯体按所需尺寸加工成螺旋弹簧。

为在螺旋弹簧的轴向上引入连续长纤维，提高螺旋弹簧在弹簧压缩方向上的轴向抗力，提高螺旋反向纤维的变形阻力，本发明在步骤⑴中，在螺旋线槽上缠绕螺旋线槽宽度的碳纤维束或碳纤维布后，再将螺旋线槽宽度的碳纤维网胎、碳纤维布、碳纤维网胎分别逐个缠绕在螺旋线槽上，缠绕时碳纤维布连续长纤维的走向与芯模的轴向一致，同时，每缠绕一次碳纤维网胎，沿芯模的径向进行针刺，引入z向纤维；重复以上过程制成所需尺寸的碳纤维弹簧预制体。

本发明所述碳纤维网胎的面密度为10g/m²～100g/m²，针刺密度10次/cm²～40次/㎝²，针刺深度6㎜～25㎜，碳纤维弹簧预制体的体积密度为0.3g/㎝³～0.6g/㎝³。

为进一步提高螺旋弹簧的弹性系数，本发明在步骤⑵后，将碳/碳复合材料弹簧坯体经含硅树脂浸渍-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/㎝³～2.6g/㎝³。

一种如上所述一种碳基复合材料螺旋弹簧生产方法生产的碳基复合材料螺旋弹簧，所述螺旋弹簧中沿弹簧的螺旋线方向的连续碳纤维数量与z向碳纤维数量的比值为1：0.01～0.4；所述螺旋弹簧的弹性常数为0.1㎏/㎜～5.0㎏/㎜。

本发明所述螺旋弹簧中沿弹簧的螺旋线方向的连续碳纤维数量与弹簧的轴线方向的连续碳纤维数量的比值为1：0～1。

本发明所述螺旋弹簧中沿弹簧的螺旋线方向的连续碳纤维数量与z向碳纤维数量的比值较优为1：0.05～0.2；所述螺旋弹簧中沿弹簧的螺旋线方向的连续碳纤维数量与弹簧的轴线方向的连续碳纤维数量的比值较优最优为1：0～1/2。

本发明所述螺旋弹簧中沿弹簧的螺旋线方向的连续碳纤维数量与z向碳纤维数量的比值最优为1：0.1；所述螺旋弹簧中沿弹簧的螺旋线方向的连续碳纤维数量与弹簧的轴线方向的连续碳纤维数量的比值最优为1：1/2。

由于采用上述技术方案，本发明较好的实现了发明目的，由于在缠绕时在垂直于弹簧的轴线方向引入z向碳纤维，在保证螺旋弹簧的螺旋方向上具有完整、连续长纤维的同时，层间结合好，制作简易、方便，所制备的碳基复合材料螺旋弹簧的弹性常数可达0.1㎏/㎜～5.0㎏/㎜，力学性能好。

附图说明

图1是本发明芯模的结构示意图；

图2是本发明圆形螺旋弹簧的结构示意图；

图3是本发明六边形螺旋弹簧的结构示意图；

图4是本发明喉形螺旋弹簧的结构示意图；

图5是本发明鼓形螺旋弹簧的结构示意图；

图6是本发明波形螺旋弹簧的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

由图1可知，一种碳基复合材料螺旋弹簧生产方法，它包括以下步骤：

⑴制坯：先将螺旋线槽宽度的碳纤维束或碳纤维布缠绕在芯模1的螺旋线槽2上，所述螺旋线槽2宽度与弹簧的螺旋线宽度相同，所述碳纤维束或碳纤维布连续长纤维的走向与弹簧的螺旋线方向一致，然后，将螺旋线槽宽度的碳纤维网胎缠绕在芯模的螺旋线槽2上，沿芯模1的径向进行针刺，引入z向碳纤维；重复以上过程制成所需尺寸的碳纤维弹簧预制体；

本发明所述碳纤维网胎的面密度为10g/m²～100g/m²，针刺密度10次/cm²～40次/㎝²，针刺深度6㎜～25㎜，碳纤维弹簧预制体的体积密度为0.3g/㎝³～0.6g/㎝³。

⑵增密：将步骤⑴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，碳/碳复合材料弹簧坯体的体积密度为0.8g/㎝³～1.5g/㎝³；

为适应高温使用和高纯度环境的需求，本发明在步骤⑶前，将步骤⑵制备的碳/碳复合材料弹簧坯体放入高温炉中，在真空条件下加热进行除杂和石墨化处理，温度为1800℃～2800℃，保温时间为2h～15h。

⑶机加工：将步骤⑵得到的碳/碳复合材料弹簧坯体按所需尺寸加工成螺旋弹簧。

一种如上所述一种碳基复合材料螺旋弹簧生产方法生产的碳基复合材料螺旋弹簧，所述螺旋弹簧中沿弹簧的螺旋线方向的连续碳纤维数量与z向碳纤维数量的比值为1：0.01～0.4；所述螺旋弹簧的弹性常数为0.1㎏/㎜～5.0㎏/㎜。

本发明所述螺旋弹簧中沿弹簧的螺旋线方向的连续碳纤维数量与z向碳纤维数量的比值较优为1：0.05～0.2；

本发明所述螺旋弹簧中沿弹簧的螺旋线方向的连续碳纤维数量与z向碳纤维数量的比值最优为1：0.1；

本实施例在为圆柱的芯模1上设有螺旋线槽2，螺旋线槽2的宽度与弹簧的螺旋线宽度相同，先将螺旋线槽2宽度的碳纤维布缠绕在芯模的螺旋线槽2上1周或1周的倍数（本实施例为1周），碳纤维布连续长纤维的走向与弹簧的螺旋线方向一致，碳纤维布为碳纤维平纹布，面密度为400g/m²；然后，将螺旋线槽宽度的碳纤维网胎缠绕在芯模1的螺旋线槽2上1周或1周的倍数（本实施例也为1周），碳纤维布的缠绕周数与碳纤维网胎的缠绕周数相同，所述碳纤维网胎的面密度为60g/m²；再沿芯模1的径向进行针刺，针刺密度30次/㎝²，针刺深度15㎜，在垂直于螺旋弹簧的轴线方向引入z向碳纤维；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体积密度为0.46g/㎝³。

将上步制备的碳纤维弹簧预制体经化学气相沉积，沉积后的碳/碳复合材料弹簧坯体的体积密度为1.2g/㎝³；然后，将碳/碳复合材料弹簧坯体放入高温炉中，在真空条件下加热进行除杂和石墨化处理，温度为2200℃，保温时间为5h；最后，机加工成所需尺寸的圆形螺旋弹簧，如图2所示。

为确定螺旋弹簧中沿弹簧的螺旋线方向的连续碳纤维数量与z向碳纤维数量的合适比值范围，本实施例在制备外径48㎜、内径26㎜、自由高度70㎜、节距20㎜和间距10㎜的圆柱状螺旋弹簧时，对不同比值条件下加工的螺旋弹簧进行了测试（设备：万能电子力学试验机；测试条件：加压速率5㎜/min），z向碳纤维的数量可通过碳纤维网胎的面密度、针刺密度及针刺深度进行调节，测试结果如表1所示。

表1：

从表1可知，序号为1、2的试件虽然引入了z向碳纤维，但由于针刺密度高，连续纤维损伤严重，测试时螺旋弹簧的受力曲线为非线性，且易破损。序号为11的试件没有引入z向碳纤维，测试时螺旋弹簧的层间结合差，易出现分层现象。而序号为3到10的试件在测试时螺旋弹簧的受力曲线为线性，具有较好的性能。同时，从表1可知，螺旋弹簧中沿弹簧的螺旋线方向的连续碳纤维数量与z向碳纤维数量的比值在1：0.01～0.4时为好；较优的比值为1：0.05～0.2；结合其他性能，最优的比值为1：0.1。

本实施例由于在垂直于弹簧的轴线方向引入z向碳纤维，在保证螺旋弹簧的螺旋方向上具有完整、连续长纤维的同时，层间结合好，制备的碳基复合材料螺旋弹簧的力学性能好，弹性常数可达0.1㎏/㎜～2.0㎏/㎜。

本发明可根据不同形状的芯模1制备不同形状的螺旋弹簧。如图3所示的六边形螺旋弹簧，图4所示的喉形螺旋弹簧，图5所示的鼓形螺旋弹簧和图6所示的波形螺旋弹簧等等。

实施例2：

为进一步提高螺旋弹簧的弹性系数，本发明在步骤⑵后，将碳/碳复合材料弹簧坯体经含硅树脂浸渍-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/㎝³～2.6g/㎝³。

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/㎝³。

本实施例制备的碳基复合材料螺旋弹簧弹性常数可达1.0㎏/㎜～5.0㎏/㎜。

余同实施例1。

实施例3：

为在螺旋弹簧的轴向上引入连续长纤维，提高螺旋弹簧在弹簧压缩方向上的轴向抗力，提高螺旋反向纤维的变形阻力，本发明在步骤⑴中，在螺旋线槽2上缠绕螺旋线槽宽度的碳纤维束或碳纤维布后，再将螺旋线槽宽度的碳纤维网胎、碳纤维布、碳纤维网胎分别逐个缠绕在螺旋线槽2上，缠绕时碳纤维布连续长纤维的走向与芯模1的轴向一致，同时，每缠绕一次碳纤维网胎，沿芯模1的径向进行针刺，引入z向纤维；重复以上过程制成所需尺寸的碳纤维弹簧预制体。

本发明所述碳纤维网胎的面密度为10g/m²～100g/m²，针刺密度10次/cm²～40次/㎝²，针刺深度6㎜～25㎜，碳纤维弹簧预制体的体积密度为0.3g/㎝³～0.6g/㎝³。

本发明所述螺旋弹簧中沿弹簧的螺旋线方向的连续碳纤维数量与弹簧的轴线方向的连续碳纤维数量的比值为1：0～1。

本发明所述螺旋弹簧中沿弹簧的螺旋线方向的连续碳纤维数量与弹簧的轴线方向的连续碳纤维数量的比值较优为1：0～1/2。

本发明所述螺旋弹簧中沿弹簧的螺旋线方向的连续碳纤维数量与弹簧的轴线方向的连续碳纤维数量的比值最优为1：1/2。

本实施例在为圆柱的芯模1上设有螺旋线槽2，螺旋线槽的宽度与弹簧的螺旋线宽度相同，先将螺旋线槽宽度的碳纤维布缠绕在芯模1的螺旋线槽2上1周或1周的倍数（本实施例为1周），碳纤维布连续长纤维的走向与弹簧的螺旋线方向一致，碳纤维布为碳纤维平纹布，面密度为400g/m²；然后，将螺旋线槽宽度的碳纤维网胎、碳纤维布、碳纤维网胎分别逐个缠绕在芯模1的螺旋线槽2上，也各为1周或1周的倍数（本实施例各为1周），缠绕碳纤维布时其连续长纤维的走向与芯模1的轴向一致，同时，每缠绕一次碳纤维网胎，沿芯模1的径向进行针刺，引入z向碳纤维，所述碳纤维网胎的面密度为40g/m²，针刺密度30次/㎝²，针刺深度15㎜；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体积密度为0.46g/㎝³。

将上步制备的碳纤维弹簧预制体经化学气相沉积，沉积后的碳/碳复合材料弹簧坯体的体积密度为1.2g/㎝³；然后，将碳/碳复合材料弹簧坯体放入高温炉中，在真空条件下加热进行除杂和石墨化处理，温度为2200℃，保温时间为5h；最后，机加工成所需尺寸的螺旋弹簧。

为确定螺旋弹簧中沿弹簧的螺旋线方向的连续碳纤维数量与弹簧的轴线方向的连续碳纤维数量的合适比值范围，本实施例在制备外径48㎜、内径26㎜、自由高度70㎜、节距20㎜和间距10㎜的圆柱状螺旋弹簧时，对不同比值条件下加工的螺旋弹簧进行了测试（设备：万能电子力学试验机；测试条件：加压速率5㎜/min），弹簧的轴线方向的连续碳纤维数量可通过碳纤维布的面密度进行调节，测试结果如表2所示。

表2：

从表2可知，序号为1、2、3的试件虽然引入了z向碳纤维，但螺旋方向连续长纤维比例低，变形能力变差，测试时螺旋弹簧的受力曲线为非线性，且易破损。而序号为4到9的试件在测试时螺旋弹簧的受力曲线为线性，具有较好的性能。同时，从表2可知，螺旋弹簧中沿弹簧的螺旋线方向的连续碳纤维数量与弹簧的轴线方向的连续碳纤维数量的比值在1：0～1时为好；较优的比值为1：0～1/2；结合其他性能，最优的比值为1：1/2。

本实施例在垂直于弹簧的轴线方向引入z向碳纤维的同时，也在弹簧的轴线方向引入连续碳纤维，在保证螺旋弹簧的螺旋方向上具有完整、连续长纤维的同时，层间结合好，制备的碳基复合材料螺旋弹簧的力学性能好，弹性常数可达0.1㎏/㎜～2㎏/㎜。

余同实施例1。

实施例4：

本发明在步骤⑵后，将碳/碳复合材料弹簧坯体经含硅树脂浸渍-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/㎝³～2.6g/㎝³。

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/㎝³。

本实施例制备的碳基复合材料螺旋弹簧弹性常数可达1.0㎏/㎜～5.0㎏/㎜。

余同实施例1。

实施例5：

本实施例在为圆柱的芯模上，先将螺旋线槽2宽度的多束并排碳纤维束缠绕在芯模1的螺旋线槽2上1周或1周的倍数（本实施例为1周），碳纤维束连续长纤维的走向与弹簧的螺旋线方向一致，然后，将螺旋线槽宽度的碳纤维网胎缠绕在芯模1的螺旋线槽2上1周或1周的倍数（本实施例也为1周），碳纤维束的缠绕周数与碳纤维网胎的缠绕周数相同，所述碳纤维网胎的面密度为60g/m²；再沿芯模1的径向进行针刺，针刺密度30次/㎝²，针刺深度15㎜，在垂直于螺旋弹簧的轴线方向引入z向碳纤维；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体积密度为0.46g/㎝³。

余同实施例1。

实施例6：

本实施例在为圆柱的芯模上，先将螺旋线槽宽度的多束并排碳纤维束缠绕在芯模1的螺旋线槽2上1周或1周的倍数（本实施例为1周），碳纤维束连续长纤维的走向与弹簧的螺旋线方向一致；然后，将螺旋线槽宽度的碳纤维网胎、碳纤维布、碳纤维网胎分别逐个缠绕在芯模的螺旋线槽上，也各为1周或1周的倍数（本实施例各为1周），缠绕碳纤维布时其连续长纤维的走向与芯模1的轴向一致，碳纤维布为碳纤维平纹布，面密度为400g/m²；同时，每缠绕一次碳纤维网胎，沿芯模1的径向进行针刺，引入z向碳纤维，所述碳纤维网胎的面密度为40g/m²，针刺密度30次/㎝²，针刺深度15㎜；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体积密度为0.50g/㎝³。

余同实施例3。