一种具有泡沫夹层的双层碳纤维管的制作工艺的制作方法

本申请是申请号为：201610333315.7，申请日：2016-05-19，专利名称“一种具有泡沫夹层的双层碳纤维管及其制作工艺”的发明专利的分案申请。

本发明涉及碳纤维领域，具体涉及一种具有泡沫夹层的双层碳纤维管的制作工艺。

背景技术：

碳纤维复合材料已经从航空航天等高端领域逐步向民用领域普及，碳纤维管具有比重小、刚度大、强度高、耐腐蚀等优点，广泛用于医疗器械、体育器材中。但是由于其自身特性使碳纤维管的机械连接极为困难，所以使用胶水粘接则成为了一种比较简单高效的连接方式。如今，汽车上的许多钢结构件正逐渐使用碳纤维制件代替来减轻重量。

桁架式汽车的车架是由多根管件连接而成，传统的桁架车架材料主要是钢管或铝合金管，现在新型的桁架车架采用碳纤维管，但是由于碳纤维管之间的连接以及碳纤维管和其他零件的连接无法使用焊接，只能采用粘接或螺栓连接，但是粘接的强度较小，而螺栓连接则会破坏碳纤维管的碳丝，使其受力时容易发生断裂，针对这些情况，现有技术中用于桁架车架的碳纤维管都是在碳纤维管体的两端粘接一个金属接头，再通过金属接头与其他碳纤维管或零件进行连接。

现有技术都是先制作好碳纤维管，然后在金属接头上涂覆胶水，再将碳纤维管和金属接头粘在一起，制作周期长。为了方便连接，碳纤维管和接头之间往往设置装配间隙，这样就导致碳纤维管和接头之间的同轴度偏大，且胶水厚度不均匀，如果涂覆胶水过多的话，多余的胶水还会流到接头用于连接的内螺纹处，以及接头和碳纤维管的端面，胶水固化后非常难以处理，导致后处理的工作量增大。碳纤维层与胶水粘接时，接头放置方式通常为水平放置或者竖直放置，由于重力的影响，胶水总会分布不均匀，导致碳纤维管与接头粘接后的质量下降。

现有的碳纤维管都是单层，由于碳纤维布的厚度较小，因此碳纤维管往往壁厚也较小，其对汽车的噪音和振动没有衰减作用，使得桁架式汽车的噪声和振动较大。碳纤维布与接头粘接的面积也较小，而为了提高粘接强度，往往需要将接头的凸台加长，以增大其与碳纤维布接触的面积，但这样又会导致碳纤维管的重量增加。

技术实现要素：

针对上述监测装置的不足，本发明具体涉及一种具有泡沫夹层的双层碳纤维管的制作工艺。目的是提供一种生产成本低、成型快、粘接质量好的双层碳纤维管的粘接工艺。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种具有泡沫夹层的双层碳纤维管的制作工艺，所述的双层碳纤维管由外侧向内侧依次设置外层碳纤维管、泡沫层、内层碳纤维管；所述双层碳纤维管的两端分别与一个金属接头连接；

所述的金属接头包括第一凸圆台，第一凸圆台上端面设置第二凸圆台，第二凸圆台上端面设置第三凸圆台；所述第一凸圆台的上端面、第二凸圆台的外侧面位置设置第一密封圈，所述第二凸圆台的上端面、第三凸圆台的外侧面位置设置第二密封圈，所述第三凸圆台的上端面设置第三密封圈；

所述外层碳纤维管的内侧面与第二凸圆台的外侧面连接，外层碳纤维管的端面与第一密封圈的上端面密封连接；所述内层碳纤维管的内侧面与第三凸圆台、第三密封圈的外侧面连接；所述内层碳纤维管的端面与第二密封圈的上端面密封连接；

所述的双层碳纤维管还包括用于其成型的内模、外模；所述的内模包括设置在最外侧的剥离层，从剥离层向内侧依次设置真空薄膜层、防水层、粘性层，粘性层的内侧设置海绵体；所述外模由两个半圆筒可拆卸的连接而成，所述外模由外侧面到内侧面依次设置外壳、第一外层、第二外层、第三外层，所述外壳、第一外层、第二外层、第三外层相互之间构成可拆卸式的连接；

所述的第一外层、第二外层、第三外层的形状分别与外层碳纤维管、泡沫层、内层碳纤维管的形状相适应；

所述的双层碳纤维管的制作工艺包括以下步骤：内模成型、碳纤维管成型、碳纤维管后处理；所述的碳纤维管成型步骤包括内层碳纤维管成型、泡沫层成型、外层碳纤维管成型；

所述的内模成型步骤为：将外模的两端分别与一个金属接头连接，使第三外层的内侧面与第三凸圆台的外侧面接触，第三外层的端面与第二密封圈的上端面贴紧，然后将内模穿入两个金属接头与外模的内腔区域中；向内模的海绵体中依次灌入无黏结剂干砂粉末、胶水，然后烘干内模，使海绵体膨胀，一定时间后当胶水与干砂粘接凝固且海绵体硬化，拆下外模，并将第三外层从外模上拆除；

所述的内层碳纤维管成型步骤为：将碳纤维布依次缠绕在内模、第三凸圆台的外侧面上；然后将拆除了第三外层的外模安装在碳纤维布的外侧，使第二外层的端面与第二密封圈的上端面紧贴，同时第二外层的内侧面与碳纤维布的外侧面紧贴；向一端的金属接头上的第三渗透孔中灌入环氧树脂，另一端的金属接头上的第三渗透孔通过真空管依次与分离罐、真空泵连接；对第二外层、内模、第二密封圈围成的区域抽真空并保压一段时间，使缠绕在内模、第三凸圆台外侧壁上的碳纤维布固化为内层碳纤维管，然后拆下外模，并将第二外层从外模上拆除；

所述的泡沫层成型步骤为：将拆除了第二外层的外模重新与金属接头连接，使第一外层的内侧壁与第二凸圆台的外侧壁紧贴，同时第一外层的端面与第二密封圈的外侧面贴紧，然后向一端的金属接头上的第二渗透孔中灌入泡沫及凝固剂，将另一端的金属接头上的第二渗透孔关闭，使泡沫填充并固化在第一外层、内层碳纤维管、第二密封圈围成的区域；然后拆下外模，并将第一外层从外模上拆除；

所述的外层碳纤维管成型步骤为：将拆除了第一外层的外模重新与金属接头连接，在泡沫层、第二凸圆台的外侧面上缠绕碳纤维布，向一端的金属接头上的第一渗透孔中灌入环氧树脂，另一端的金属接头上的第一渗透孔通过真空管依次与分离罐、真空泵连接；对外壳、内模、第一密封圈围成的区域抽真空并保压一段时间，使缠绕在泡沫层和第一凸圆台外侧面上的碳纤维布固化为外层碳纤维管。

优选的，所述的碳纤维管成型步骤中，向一端的金属接头上的第三渗透孔中灌入环氧树脂以及内层碳纤维管的固化过程中，所述的内层碳纤维管始终绕其轴线匀速旋转；向一端的金属接头上的第二渗透孔中灌入泡沫、凝固剂以及泡沫层的固化过程中，所述的泡沫层始终绕其轴线匀速旋转；向一端的金属接头上的第一渗透孔中灌入环氧树脂以及外层碳纤维管的固化过程中，所述的外层碳纤维管始终绕其轴线匀速旋转。

本发明具有以下有益效果：碳纤维管由外层碳纤维管、泡沫层、内层碳纤维管构成，结构强度好，且内、外碳纤维管分别与金属接头粘接，使粘接强度增大；内、外碳纤维管分别与泡沫层进行一定程度的粘接，使双层碳纤维管结构强度更好；泡沫层可以有效吸收车轮与车身之间的振动以及车轮与地面之间的噪声；各层成型的同时完成其与金属接头的粘接，避免了碳纤维管和接头粘接后的不同轴问题；粘接过程中胶水不会流入接头内孔处，也不会流到碳纤维管和接头的端面部位，减少后序工作；各层粘接及成型时始终处于旋转状态，粘接部位的胶水分布更均匀，粘接质量好。

附图说明

图1为双层碳纤维管剖视图；

图2为内模成型步骤中外模与接头连接示意图；

图3为内模成型步骤中海绵体膨胀示意图；

图4为内层碳纤维管成型步骤中向第三渗透孔灌入环氧树脂示意图；

图5为泡沫层成型步骤中向第二渗透孔灌入泡沫和凝固剂示意图；

图6为外层碳纤维管成型步骤中向第一渗透孔灌入环氧树脂示意图；

图7为拆除内膜后金属接头下端面安装堵盖示意图；

图8为图3中a-a剖视图。

具体实施方式

本文中使用的“上”、“下”、“底”是为了方便阐述本发明的结构而使用的词汇，不对本发明的权利要求内容构成任何形式的限制。

如图1-图8所示的一种具有泡沫夹层的双层碳纤维管的制作工艺，所述的双层碳纤维管由外侧向内侧依次设置外层碳纤维管1、泡沫层2、内层碳纤维管3；所述双层碳纤维管的两端分别与一个金属接头4连接。

如图7所示的，所述的金属接头4包括第一凸圆台51，第一凸圆台51上端面设置第二凸圆台61，第二凸圆台61上端面设置第三凸圆台71；所述第一凸圆台51的上端面、第二凸圆台61的外侧面位置设置第一密封圈52，所述第二凸圆台61的上端面、第三凸圆台71的外侧面位置设置第二密封圈62，所述第三凸圆台71的上端面设置第三密封圈72；所述第三密封圈72的截面为碗形，其上端的内径大于下端的内径，这样可以让内模8与内层碳纤维管3的内侧面更好的贴合。第一圆凸台51的底面与堵盖14连接，当双层碳纤维管成型后，使用堵盖14可以将相关的渗透孔进行密封。

所述外层碳纤维管1的内侧面与第二凸圆台61的外侧面连接，外层碳纤维管1的端面与第一密封圈52的上端面密封连接；所述内层碳纤维管3的内侧面与第三凸圆台71、第三密封圈72的外侧面连接；所述内层碳纤维管3的端面与第二密封圈62的上端面密封连接。

如图1、图7所示的，所述金属接头4沿其轴线方向的轴心位置设置连接通孔41，连接通孔41内设置内螺纹；两个金属接头4的连接通孔41各与一个水平放置的旋转轴11连接，旋转轴11与驱动电机12连接。这样可以让双层碳纤维管成型及其与金属接头4粘接的过程中始终处于旋转状态，让环氧树脂分布的更均匀，提高粘接质量。

为了方便的在各个步骤中添加适量的环氧树脂、泡沫、凝固剂，同时为了防止多余的环氧树脂流入连接通孔41内，或流至金属接头4的外侧面和底端面，所述第一凸圆台51的底端面沿其轴向方向设置多个周向布置的第一渗透孔53、第二渗透孔63、第三渗透孔73；所述的第一渗透孔53与第二凸圆台61的外侧壁沿其径向方向的开孔连接，所述的第二渗透孔63依次穿过第一凸圆台51、第二凸圆台61、第一密封圈62，所述的第三渗透孔73与第三凸圆台71的外侧壁沿径向方向的开孔连接。

所述的双层碳纤维管还包括用于其成型的内模8、外模9；如图8所示的，内模8包括设置在最外侧的剥离层82，从剥离层82向内侧依次设置真空薄膜层83、防水层84、粘性层85，粘性层85的内侧设置海绵体81，内模8的各层均为弹性软质塑料或弹性软质复合材料构成，因而内模8的外侧面形状可以根据其内侧海绵体1的形状变化而变化，将内模8放入水中一定时间后海绵体1变软时，内模8的形状可以发生变化，海绵体1也可以被压缩。

所述的外模9由两个半圆筒可拆卸的连接而成，可以是在两个半圆筒的侧面分别设置法兰然后通过螺栓连接，也可以是使用卡环将两个半圆筒捆紧。所述外模9由外侧面到内侧面依次设置外壳90、第一外层91、第二外层92、第三外层93，所述外壳90、第一外层91、第二外层92、第三外层93相互之间构成可拆卸式的连接，可以是内层结构与外层结构之间通过过盈配合的方式连接，也可以是内层结构与外层结构沿径向方向设置销孔和销的方式连接。

所述的外壳90、第一外层91、第二外层92、第三外层93的内侧面上分别涂覆防粘涂层；所述的第一外层91、第二外层92、第三外层93的形状分别与外层碳纤维管1、泡沫层2、内层碳纤维管3的形状相适应。

所述的双层碳纤维管的制作工艺包括以下步骤：内模成型、碳纤维管成型、碳纤维管后处理。

如图2至图7所示的，所述的内模成型步骤为：将外模9的两端分别与一个金属接头4连接，使第三外层93的内侧面与第三凸圆台71的外侧面接触，第三外层93的端面与第二密封圈62的上端面贴紧，将内模8浸入水中一段时间，使海绵体81变软，然后将内模8穿入两个金属接头4与外模9的内腔区域中；向内模8的海绵体81中依次灌入无黏结剂干砂粉末、胶水，然后烘干内模8，使海绵体81膨胀，一定时间后当胶水与干砂粘接凝固且海绵体81硬化，拆下外模9，并将第三外层93从外模9上拆除。

所述的碳纤维管成型步骤包括内层碳纤维管成型、泡沫层成型、外层碳纤维管成型；

所述的内层碳纤维管成型步骤为：将碳纤维布依次缠绕在内模8、第三凸圆台71的外侧面上；然后将拆除了第三外层93的外模9安装在碳纤维布的外侧，第二外层92的端面与第二密封圈62的上端面紧贴，同时第二外层92的内侧面与碳纤维布的外侧面紧贴；然后向一端的金属接头4上的第三渗透孔73中灌入环氧树脂，另一端的金属接头4上的第三渗透孔73通过真空管依次与分离罐、真空泵连接；启动真空泵、驱动电机12，对第二外层92、内模8、第二密封圈62围成的区域抽真空并保压一段时间，使环氧树脂均布在内模8、第三凸圆台71外侧壁上的碳纤维布上，同时碳纤维布始终处于旋转状态，使环氧树脂的分布更均匀。由于设置了第二密封圈62、第三密封圈72，使得环氧树脂只在第三外层93内侧面与内模8的外侧面之间的区域流动，而无法流到连接通孔41内，也无法流到第一圆凸台51的外侧面上。当碳纤维布固化为内层碳纤维管3后，关闭真空泵、驱动电机12，拆下外模9，并将第二外层92从外模9上拆除。

所述的泡沫层成型步骤为：将拆除了第二外层92的外模9重新与金属接头4连接，使第一外层91的内侧壁与第二凸圆台61的外侧壁紧贴，同时第一外层91的端面与第二密封圈62的外侧面贴紧，然后向一端的金属接头4上的第二渗透孔63中灌入泡沫及凝固剂，将另一端的金属接头4上的第二渗透孔63关闭，同时启动驱动电机，使泡沫填充并固化在第一外层91、内层碳纤维管3、第二密封圈62围成的区域，由于设置了第二密封圈62、第三密封圈72，使得泡沫和凝固剂只在第二外层92内侧面与内模8的外侧面之间的区域填充，而无法流到连接通孔41内，也无法流到第一圆凸台51的外侧面上。当泡沫固化后拆下外模9，并将第一外层91从外模9上拆除。

所述的外层碳纤维管成型步骤为：将拆除了第一外层91的外模9重新与金属接头4连接，在泡沫层2、第二凸圆台61的外侧面上缠绕碳纤维布，向一端的金属接头4上的第一渗透孔53中灌入环氧树脂，另一端的金属接头4上的第一渗透孔53通过真空管依次与分离罐、真空泵连接；启动真空泵、驱动电机12，对外壳90、内模8、第一密封圈53围成的区域抽真空并保压一段时间，使缠绕在泡沫层2和第一凸圆台51外侧面上的碳纤维布旋转并固化为外层碳纤维管1。

所述的碳纤维管后处理步骤为：向海绵体81中灌入破胶液，待海绵体81变软后，将内模8取出，然后将堵盖14安装在第一凸圆台51的底端面上。

所述的碳纤维管成型步骤中，向一端的金属接头4上的第三渗透孔73中灌入环氧树脂以及内层碳纤维管3的固化过程中，所述的内层碳纤维管3始终绕其轴线匀速旋转；向一端的金属接头4上的第二渗透孔63中灌入泡沫、凝固剂以及泡沫层2的固化过程中，所述的泡沫层2始终绕其轴线匀速旋转；向一端的金属接头4上的第一渗透孔53中灌入环氧树脂以及外层碳纤维管1的固化过程中，所述的外层碳纤维管1始终绕其轴线匀速旋转。这样可以让环氧树脂、泡沫、凝固剂在固化的过程中均匀周部，克服了重力的影响，使粘接的效果更好。