碳纤维复合材料螺旋弹簧及其成型模具的制作方法

本实用新型涉及一种复合材料弹簧，尤其是涉及一种碳纤维复合材料螺旋弹簧及其成型模具。

背景技术：

近年来，世界能源危机和石油涨价及环境问题，迫切要求汽车朝向轻量化的方向发展，通常使用轻质材料(或新材料)替代传统材料以实现结构轻量化为目标，进一步提高燃油利用率已成为研究的热点之一。

轻质材料(或新材料)包括高强度钢、铝、镁和钛合金、塑料及复合材料等等；与金属材料相比，碳纤维复合材料(诸如碳纤维增强塑料(下文中，称为CFRP))是轻质、高刚度、高强度、高抗疲劳性、耐磨以及抗振吸振性好等优点，其比模量高于钢和铝合金的5倍，比强度高于钢和铝合金的3倍，但比重却很小，每单位体积的重量只有钢的20％。此外，碳纤维复合材料具有较高的耐腐蚀性和较低的热膨胀性，比钢更耐用而且不易生锈，汽车生产商已积极地进行了尝试将重量轻的复合材料应用于车辆内部材料、车身、板簧、车辆保险杠等。

然而，传统弹簧(即螺旋弹簧)大多数是由金属材料(钢材)卷绕而制成，制造工序极为复杂；而弹簧主要是借助金属材料的物理性能，通过一定的转换方式来实现其储存能量和释放能量，从而制成具有减震、缓冲功能的弹簧，并将其应用于各种机构和工业机械的零件上，如汽车、机车以及航空航天领域上(CN103573892A)。为适应行业发展的需求，金属材料制成的弹簧已难以满足使用需求，并且从设计、选材、制造以及检验金属弹簧已达到一个瓶颈期。因此，用碳纤维复合材料制备螺旋型弹簧替代金属螺旋弹簧将成为行业发展的趋势。

许多研究者已尝试利用CFRP来制造螺旋型弹簧。然而，因为CFRP易受压缩应力或剪应力的影响，通过单一的碳纤维丝束制造出螺旋型弹簧难以产生足够的张力给弹性体提供反弹力(CN 103388642 A)。另有，碳纤维复合材料制作的弹簧面临着一些挑战，如弹性差、易碎、各向异性高，这些特性本质上是不适合弹簧，从而已造出的碳纤维复合材料弹簧形变小，弹性系数低，承载负荷小。因此，利用碳纤维复合材料独特的高抗拉强度，设计一种特殊结构的复合材料弹簧才能达到大承载能力(WO 2014/014481 A1；WO 02/099307 A1；US 2852424 A；US 4773633 A；US 8857801 B2；US 7857294 B2；US 5685525 A；US 4260143 A；CN 104690984 A；CN 103221199 A)。因此，迫切需要开发一种能够实现减轻重量、具有优良耐久性并且取代普通金属材料螺旋弹簧的碳纤维复合材料螺旋弹簧结构至关重要。

当前提到的制作纤维增强复合材料螺旋型弹簧的制作方法不佳、操作难度大、耗费工时，要求设备资本投入大，材料浪费严重，生产的碳纤维复合材料部件成本高。(EP 0637700 B1；US 8490530 B2；CN 1480658 A；CN 1651795 A；CN 1232931 A；CN 101439580 A)。

此外，现有的制造纤维增强复合材料弹簧成型模具(EP 2647481 A1；US 4434121 A；US 5988612 A；US 4473217 A；US 6986203 B2；CN 102909870 A)，设计过程复杂，开模成本高，装模和脱模困难，生产效率低。并且模具闭合加热的过程中，由于碳纤维被树脂浸润不均匀而造成产品表面或内部存在气泡，造成表面凹凸不平。在生产过程中由于树脂反应产生内应力，在无外力帮助时，内应力无法抵消，会对产品的强度性能产生极大的影响，会直接影响产品的使用寿命。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种不仅具有质轻、强度高、刚度高、疲劳寿命高以及吸收弹簧自身震动能力强等优点，而且绝缘及防锈好的碳纤维复合材料螺旋弹簧。

本实用新型的另一个目的在于提出了一种制作碳纤维复合材料螺旋弹簧的成型模具，本实用新型所涉及的成型模具可设计性强、开模成本低、模具拆卸容易、模具污染小。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种碳纤维复合材料螺旋弹簧，包括呈螺旋状的弹簧丝，所述的弹簧丝由芯轴、包裹在芯轴外的中层及包裹在中层外的外层组成，所述的芯轴由若干根碳纤维增强体组成，并且该芯轴呈扭转状，所述的碳纤维增强体由浸渍有树脂的若干根碳纤维束及包裹在该若干根碳纤维束外的一层浸渍有树脂的碳纤维布组成，所述的中层为浸渍有树脂的若干层碳纤维布或浸渍有树脂的碳纤维束，所述的外层为由软管构成的保护套。

作为优选的技术方案，所述的芯轴的扭转圈数为15～60圈/米。

芯轴通过一定圈数的扭转起到支撑作用，并能够吸收弹簧运动过程中自身的震动作用。

作为优选的技术方案，构成中层的碳纤维布或碳纤维束与芯轴的中心轴呈25～75°的夹角。

25～75°的夹角可减小碳纤维复合材料螺旋弹簧受力过程中切应力作用，并增加其机械性能。

作为优选的技术方案，构成碳纤维增强体的碳纤维布与构成碳纤维层增强体的碳纤维束的中心轴呈5～30°的夹角。

构成碳纤维增强体的碳纤维布通过一定交联的网状结构组成过渡层，交联的网状结构能够克服复合材料界面的碳纤维咬合作用，该过渡层关系到整个螺旋弹簧分层的问题，尤其决定复合材料螺旋弹簧的疲劳寿命，通过设置在该层能够有效提高其疲劳寿命。

作为优选的技术方案，所述的碳纤维增强体含30～50根碳纤维束。该数量范围内的炭纤维束使得最终制得的螺旋瘫痪具有比较好的成型形状，太多或太少会影响其成型形状。

作为优选的技术方案，所述的软管包括塑料软管、橡胶软管或硅橡胶软管。

该保护套能够消除整个碳纤维复合材料弹簧的外表面缺陷，从而形成光滑且干燥的表面。

所述的碳纤维复合材料螺旋弹簧的制作方法，包括以下步骤：

(1)预浸料的准备：对碳纤维束和碳纤维布表面进行清洗，然后在50～120℃的温度下进行保温处理，使得后续的胶液的浸渍更加充分；

(2)胶液配置：将环氧树脂、消泡剂、增韧剂及阻燃剂按照质量比100:1.5～2.5:0.5～1.5:0.5～1.5的比例配置后在50～70℃下保温15～30分钟后，加入胺类固化剂，所述的胺类固化剂与环氧树脂的质量比为100:5～10，然后真空处理2～20分钟，即得到胶液；

(3)预浸料的浸渍：在保温处理后的碳纤维束和碳纤维布的表面喷涂硅烷偶联剂，然后喷涂步骤(2)得到的胶液；

(4)制备碳纤维复合材料预成型件：在经过步骤(3)处理的若干根碳纤维束外包裹一层经过步骤(3)处理的一层碳纤维布，形成碳纤维增强体，然后将若干根碳纤维增强体扭转，包裹若干层经过步骤(3)处理的碳纤维布或经过步骤(3)处理的碳纤维束，套设软管，对其施加多次压力，得到碳纤维复合材料预成型件；

(5)成型：通过缠绕成型法将碳纤维复合材料预成型件装入成型模具并合模，然后在真空烘箱中升温固化，冷却后拆除成型模具即得到碳纤维复合材料螺旋弹簧。

作为优选的技术方案，所述的步骤(5)中的升温固化过程包括：

(a)室温环境下放置10～30min后，以2～10℃/min的升温速率升温至70～80℃，并保持20～35min；

(b)以3～10℃/min的升温速率升温至95～105℃，并保持10～25min；

(c)以4～10℃/min的升温速率升温至120～135℃，并保持10～25min。

制作所述的碳纤维复合材料螺旋弹簧的成型模具，包括芯模以及套设在芯模外的外模以及锁紧机构，所述的芯模呈圆柱状，外侧面设有螺旋状凹槽，所述的外模呈圆筒状，由可拆卸连接的第一分外模和第二分外模组成，所述的第一分外模和第二分外模的横截面均呈半圆弧状，外模的内侧面上设有螺旋状凹槽，并且外模内侧面上的螺旋状凹槽和芯模外侧面上的螺旋状凹槽相匹配，构成完整的螺旋形圆槽。

作为优选的技术方案，所述的锁紧机构包括带有螺母的圆形条带和螺钉构成，所述的圆形条带套设在外模外；所述的芯模的两端的中心轴处还分别设有螺纹凹槽，所述的螺纹凹槽中通过螺纹连接有固定轴。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型的碳纤维(增强树脂基)复合材料螺旋弹簧，不仅能够满足力学性能(强度和刚度)上的要求，而且具有很强的抗腐蚀能力。此外，碳纤维复合材料螺旋弹簧能够实现轻量化的目标，使其在某些所需减震的构件上被广泛地应用；另外，该制作复合材料螺旋弹簧的方法及其成型模具，该制作方法简单、易行，可操作性强，而且节省成本，节约资源；另外，本实用新型的所涉及的成型模具可设计性强，开模成本低、模具拆卸容易，模具污染少。

附图说明

图1为本实用新型的螺旋弹簧的结构示意图及弹簧丝的横截面示意图；

图2为本实用新型的弹簧丝的结构示意图；

图3为本实用新型的螺旋弹簧的芯轴与中层的结构示意图；

图4为本实用新型的芯轴(不含构成碳纤维增强体的碳纤维布)的结构示意图；

图5为实施例1中芯轴外碳纤维布包裹的结构示意图；

图6为实施例1中外层的结构示意图；

图7为实施例1中碳纤维复合材料螺旋弹簧的制作方法的流程图；

图8为实施例1中碳纤维复合材料螺旋弹簧的制作方法中升温固化过程的示意图；

图9为本实用新型的成型模具的芯模与第一分外模的结构示意图。

图中，1为芯轴，11为碳纤维增强体，111为构成碳纤维增强体的碳纤维束，112为构成碳纤维增强体的碳纤维布，2为中层，21为构成中层的碳纤维布，3为外层，4为芯轴的中心轴，5为弹簧丝，61为芯模，62为外模，63为螺旋状凹槽，64为固定轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例1

一种碳纤维复合材料螺旋弹簧，如图1～6所示，包括呈螺旋状的弹簧丝5，所述的弹簧丝5由芯轴1、包裹在芯轴1外的中层2及包裹在中层2外的外层3组成，芯轴1由若干根碳纤维增强体11组成，并且该芯轴1呈扭转状，所述的碳纤维增强体11由浸渍有树脂的若干根碳纤维束及包裹在该若干根碳纤维束外的一层浸渍有树脂的碳纤维布组成，通常选择构成碳纤维增强体的炭纤维束为30～50根，本实施例选择30根(图1仅作为示意)，所述的中层2为浸渍有树脂的若干层碳纤维布或浸渍有树脂的碳纤维束，本实施例选择中层2为浸渍有树脂的若干层碳纤维布，所述的外层3为由软管构成的保护套。

本实施例的树脂选择环氧树脂，通过浸渍环氧树脂，使得碳纤维束之间、炭纤维束与碳纤维布之间及碳纤维布与碳纤维布之间不仅通过物理结合，而且通过化学作用很好的结合在一起。

具体地，如图4所示，芯轴的扭转圈数可以为15～60圈/米，本实施例选择扭转圈数为30圈/米，构成碳纤维增强体的碳纤维布112与构成碳纤维层增强体的碳纤维束111的中心轴可以呈5～30°的夹角，本实施例选择该夹角为25°。构成中层的每层碳纤维布包裹芯轴时需要与轴芯的中心轴可以呈25～75°的角度，本实施例选择该角度为45°，如图3和图5所示。

构成外层的软管包括塑料软管、橡胶软管或硅橡胶软管，本实施例选择塑料软管，包裹在芯轴和中层构成的预浸料上，并在中层与外层之间涂有脱模剂，通过涂脱模剂，使得制备的碳纤维复合材料螺旋弹簧表面更加光滑无缺陷。

该碳纤维复合材料螺旋弹簧的制作方法包括以下步骤：

(1)预浸料的准备：对碳纤维束和碳纤维布表面进行清洗，然后在50～120℃的温度下进行保温处理，本实施例选择100℃的保温温度。

其中碳纤维束和碳纤维布由碳纤维丝形成，具体的清洗步骤采用清洗剂对其清洗10～15分钟。

(2)胶液配置：将环氧树脂、消泡剂、增韧剂及阻燃剂按照质量比100:1.5～2.5:0.5～1.5:0.5～1.5的比例配置后在50～70℃的水浴下保温15～30分钟后，呈现出一定的流动态，拿出去放置10～15分钟，加入胺类固化剂，所述的胺类固化剂与环氧树脂的质量比为100:5～10，然后将其放入三口烧瓶中真空处理2～20分钟，即得到胶液。

本实施例选择环氧树脂、消泡剂、增韧剂、阻燃剂和胺类固化剂的质量比为100:2:1:1:8。

(3)预浸料的浸渍：将保温处理后的碳纤维束和碳纤维布铺于试验台上，在其表面喷涂硅烷偶联剂，然后喷涂步骤(2)得到的胶液。

(4)制备碳纤维复合材料预成型件(工艺手段于浸渍的预浸料)：在经过步骤(3)处理的若干根碳纤维束外包裹一层经过步骤(3)处理的一层碳纤维布，形成碳纤维增强体，然后将若干根碳纤维增强体扭转，包裹若干层经过步骤(3)处理的碳纤维布或经过步骤(3)处理的碳纤维束，套设软管，利用加压设备对其施加多次压力，得到碳纤维复合材料预成型件。

(5)成型：通过缠绕成型法将碳纤维复合材料预成型件装入成型模具并合模，然后在真空烘箱中升温固化，随炉冷却后拆除成型模具即得到碳纤维复合材料螺旋弹簧。

其中步骤(5)中的升温固化过程包括以下步骤：

(a)室温环境下放置10～30min后，以2～10℃/min的升温速率升温至70～80℃，并保持20～35min；

(b)以3～10℃/min的升温速率升温至95～105℃，并保持10～25min；

(c)以4～10℃/min的升温速率升温至120～135℃，并保持10～25min。

本实施例中的升温固化过程如图8所示。

(6)后加工处理：进行修饰(修剪)，得到如图1所示的碳纤维复合材料螺旋型弹簧。

制作本实施例的碳纤维复合材料螺旋弹簧的成型模具如图9所示，包括芯模61以及套设在芯模61外的外模以及锁紧机构，所述的芯模61呈圆柱状，外侧面设有螺旋状凹槽63，所述的芯模61的两端的中心轴处还分别设有螺纹凹槽，所述的螺纹凹槽中通过螺纹连接有固定轴64。所述的外模呈圆筒状，由可拆卸连接的第一分外模和第二分外模组成，所述的第一分外模62和第二分外模的横截面均呈半圆弧状，外模的内侧面上设有螺旋状凹槽63，并且外模内侧面上的螺旋状凹槽63和芯模61外侧面上的螺旋状凹槽63相匹配，构成完整的螺旋形圆槽。锁紧机构包括带有螺母的圆形条带和螺钉，所述的圆形条带套设在外模外。