本发明属于碳纤维复合材料汽车零部件的生产领域，具体涉及一种低孔隙率缠绕成型碳纤维复合材料传动轴的制备方法。
背景技术：
碳纤维复合材料(cfrp)是新材料的典型代表，是新材料产业的最重要内容之一，在重大科技专项、汽车、轨道交通、航空运输、海洋运输工具轻量化、新能源开发、海洋开发等领域发挥不可替代的重要作用。
汽车轻量化cfrp有望成为推动我国碳纤维产业发展的碳纤维应用领域。我国已经初步建立碳纤维生产企业，处于cfrp的幼苗期，因此培育国产碳纤维的应用领域是cfrp产业的当务之急。cfrp是汽车轻量化的有效途径之一，有巨大的潜在用量，是真正能推动碳纤维产业化发展的重要市场。2018年我国汽车生产约2500万辆，如果平均车重1.5吨，千分之五取代金属，需要19万吨碳纤维，这将是一个巨大市场，对推动我国碳纤维作为战略新兴产业具有重要作用。
碳纤维传动轴是第一个在量产车型大规模应用的cfrp零部件，全球年产180万件，中国还没有掌握制造技术。碳纤维复合材料传动轴主要有以下优点：
1)明显地减轻了传动轴的重量。传动轴是典型的簧下部件，减重1公斤相当于车身减重10-13公斤。汽车减重10％，油耗就会下降6-8％，碳排放随之下降5-6％，制动距离减少5％，加速时间缩短8％，转向力减少6％。根据cfrp的特点可以将两段或三段金属传动轴优化为一段，减重50％以上。
2)优异的耐疲劳性能。当金属结构传动轴发生疲劳裂纹时，裂纹会迅速扩展，产生脆断。复合材料在疲劳发生纤维断裂时，载荷会由其他纤维分担，破坏不会迅速扩展。测试结果表明，在其他性能满足要求的前提下，碳纤维复合材料传动轴的耐疲劳性能比金属传动轴高4-5倍。
3)扭转强度和临界速度高，更好的安全性和舒适性。cfrp因为具有轻质高强、高比模量、可设计性强等特点，应用于传动轴时，可以通过优化铺层使传动轴具有更高的扭转强度和临界转速，从而提高汽车安全和舒适性。
4)抗阻尼性好。所有的驱动轴在施加了扭矩以后都会有一定程度的扭曲，阻抗弹性扭曲由弹性扭曲率表示。碳纤维振动的减弱比金属快2-10倍。在突然起动和加速引起快速振动在减弱时转化为后跳和另一端车轮的振动，碳纤维独特的振动阻尼特性也有利于功率的输出。
5)极大地提高安全性。除了性能的优点外，碳纤维传动轴还提供额外的安全保证。虽然有像轴箍和轴盖的安全硬件，被破坏的金属传动轴仍会变成连枷大头棒击中任何在它轨迹内的东西，彻底地破坏汽车进而进入车内、使驾驶员严重受伤。而碳纤维复合材料传动轴的断裂呈现出松散的纤维状，不会伤害驾驶员和撕裂底盘。
6)碳纤维复合材料传动轴还有使用寿命长、耐腐蚀、耐磨、免维护等优点。
鉴于碳纤维复合材料传动轴具有以上优势，其运用于市场也势在必行，传动轴的质量控制成为其技术关键，其中复合材料孔隙率是影响传动轴性能稳定的重要性能指标，因此，如何降低碳纤维复合材料传动轴的孔隙率成为本领域亟需克服的一项难题。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种缠绕工艺一体成型的碳纤维复合材料传动轴的制备方法，该方法简单高效，达到降低碳纤维复合材料传动轴孔隙率的目的。
本发明提供的技术方案具体如下：
一种低孔隙率缠绕成型碳纤维复合材料传动轴的制备方法，包括以下步骤：
(1)将碳纤维束在黏度为250～500mpa·s的胶液中充分浸胶；
(2)将浸胶后的碳纤维束缠绕在传动轴上；
(3)将传动轴置于真空旋转烘箱中，启动磁力旋转；先抽真空，在t1-30～t1-60℃下烘干30～45min，再在t1条件下烘干至胶液固化，然后升温至t1+10～t1+20℃烘干30～60min，即得到低孔隙率缠绕成型碳纤维复合材料传动轴，其中，t1代表胶液的固化温度。
t1-30～t1-60℃属于胶液流动温度区间，该温度下胶液黏度最低，烘干30～45min使气泡从胶液中脱出，t1为胶液固化温度，该温度下胶液凝胶固化，固化时间视胶液种类而定，t1+10～t1+20℃属于后固化区，该温度下胶液进一步固化，最终获得缠绕工艺一体成型的低孔隙率碳纤维复合材料传动轴。
在上述技术方案的基础上，胶液为环氧树脂。
在上述技术方案的基础上，步骤(1)具体为：将胶液置于胶槽中，控制胶槽温度使胶液的黏度控制在250～500mpa·s之间，使碳纤维束从胶槽一端浸入胶液中并缓慢向胶槽另一端移动至槽外，保证碳纤维束完全浸润。本发明将步骤中树脂黏度控制在250～500mpa·s之间，能够保证碳纤维的完全浸润，避免出现因浸润不好而导致的孔隙。
在上述技术方案的基础上，胶槽温度为25～70℃。
在上述技术方案的基础上，步骤(2)中，碳纤维束对传动轴进行缠绕时，最外层的缠绕角度为90°。
在上述技术方案的基础上，步骤(2)中，缠绕时控制碳纤维束每束丝缠绕张力为10～60n；碳纤维复合材料传动轴的铺层原则为：小角度铺层置于内层，大角度铺层置于外层。
在上述技术方案的基础上，金属模具在碳纤维复合材料缠绕之前用丙酮和脱模剂进行表面处理。
在上述技术方案的基础上，碳纤维束的缠绕速度为36m/min。
在上述技术方案的基础上，步骤(3)中，t1为100～140℃。
在上述技术方案的基础上，步骤(3)中，在t1条件下烘干时间为60～240min。
本发明提供的低孔隙率缠绕成型碳纤维复合材料传动轴的制备方法在整个工艺过程中控制孔隙率，先将胶液黏度控制在250～500mpa·s之间，能够保证碳纤维束完全被浸润，避免出现因浸润不好而导致的孔隙；本发明碳纤维复合材料传动轴固化环境为旋转固化，防止cfrp轴管内部滴出而导致制品缺胶产生孔隙；本发明在树脂流动温度下进行真空固化，利于气泡从胶液中脱出，从而减少孔隙。
本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明提供的低孔隙率缠绕成型碳纤维复合材料传动轴的制备方法使金属与cfrp缠绕一体成型，无需再通过胶接或铆接完成连接。
(2)本发明提供的碳纤维复合材料传动轴(cfrp)缠绕工艺一体成型孔隙率控制方法，为整个流程过程的孔隙的控制，方法简单，经济易实现，生产效率高，可用于碳纤维复合材料传动轴的批量生产中的产品质量控制。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明的技术方案。应理解的是，这些实施例仅用于说明本发明的技术方案而不用于限制本发明的保护范围。此外应理解的是，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
原材料：torayt70012k碳纤维；华渔hy277环氧树脂；
碳纤维复合材料传动轴铺层：[±25°]4/[90°]2；
传动轴尺寸：轴管长度1258mm；内径70mm，外径不受限制。
(1)先用丙酮和脱模剂对外径为70mm的金属芯轴进行表面处理，然后将传金属连接法兰固定在金属芯轴上，再将金属芯轴固定在缠绕机上；将环氧树脂加入胶槽中，将胶槽加热至70℃，此时，环氧树脂的黏度为320mpa·s，将碳纤维集束后从胶槽一端浸入环氧树脂中并缓慢向胶槽另一端移动至槽外，控制碳纤维束的移动速度为36m/min，使碳纤维束完全浸润。
(2)将2束浸胶后的碳纤维束缠绕在金属芯轴上，缠绕过程中，先控制缠绕角度为25°、纤维张力为20n；再控制缠绕角度为90°、纤维张力为30n进行缠绕，缠绕角度为90°时进行刮胶，除去表面多余树脂；
(3)将传动轴置于真空烘箱中，真空度为-0.09～0.1mpa。启动磁力旋转，转速为20r/min。温度程序设置为70℃/30min；100℃/60min；120℃/30min。
最终得到的传动轴轴管孔隙率为0.05％～0.1％，普通产品孔隙为0.2％左右。
实施例2
原材料：中复神鹰syt49s12k碳纤维；华渔hy230环氧树脂；
碳纤维复合材料传动轴铺层：[±16°]6/[±45°]6/[90°]2；
传动轴尺寸：轴管长度688mm；内径80mm，外径92.2mm。
(1)先用丙酮和脱模剂对外径为80mm的金属芯轴进行表面处理，然后将传金属连接法兰固定在金属芯轴上，再将金属芯轴固定在缠绕机上；将环氧树脂加入胶槽中，将胶槽加热至25℃，此时，环氧树脂的黏度为350mpa·s，将碳纤维集束后从胶槽一端浸入环氧树脂中并缓慢向胶槽另一端移动至槽外，控制碳纤维束的移动速度为36米/分钟，使碳纤维束完全浸润。
(4)将4束浸胶后的碳纤维束缠绕在金属芯轴上，缠绕过程中，先控制缠绕角度为16°、纤维张力为40n；再控制缠绕角度为45°、纤维张力为60n进行缠绕；最后控制缠绕角度为90°、纤维张力为60n进行缠绕，缠绕角度为90°时进行刮胶，除去表面多余树脂；
(3)将传动轴置于真空烘箱中，真空度为-0.09～0.1mpa。启动磁力旋转，转速为20r/min。温度程序设置为80℃/30min；140℃/240min；150℃/30min。
最终得到的传动轴轴管孔隙率为0.05％～0.1％，普通产品孔隙为0.2％左右。
实施例3
原材料：torayt70012k碳纤维；华渔hy230环氧树脂；
碳纤维复合材料传动轴铺层：[±16°]4/[±45°]6/[90°]2；
传动轴尺寸：轴管长度508mm；内径80mm，外径91.6mm。
(1)先用丙酮和脱模剂对外径为80mm的金属芯轴进行表面处理，然后将传金属连接法兰固定在金属芯轴上，再将金属芯轴固定在缠绕机上；将环氧树脂加入胶槽中，将胶槽加热至25℃，此时，环氧树脂的黏度为350mpa·s，将碳纤维集束后从胶槽一端浸入环氧树脂中并缓慢向胶槽另一端移动至槽外，控制碳纤维束的移动速度为36m/min，使碳纤维束完全浸润。
(2)将2束浸胶后的碳纤维束缠绕在金属芯轴上，缠绕过程中，先控制缠绕角度为16°、纤维张力为20n；再控制缠绕角度为45°、纤维张力为30n进行缠绕；最后控制缠绕角度为90°、纤维张力为30n进行缠绕，缠绕角度为90°时进行刮胶，除去表面多余树脂；
(3)将传动轴置于真空烘箱中，真空度为-0.09～0.1mpa启动磁力旋转，转速为20r/min。温度程序设置为80℃/30min；140℃/240min；150℃/30min。
最终得到的传动轴轴管孔隙率为0.05％～0.1％，普通产品孔隙为0.2％左右。
实施例4
原材料：ect550e12k玻璃纤维；华渔hy277环氧树脂；
碳纤维复合材料传动轴铺层：[±45°]10；
轴管尺寸：轴管长度1340mm；内径40mm，外径50mm。
(1)先用丙酮和脱模剂对外径为40mm的金属芯轴进行表面处理，然后将传金属连接法兰固定在金属芯轴上，再将金属芯轴固定在缠绕机上；将环氧树脂加入胶槽中，将胶槽加热至70℃，此时，环氧树脂的黏度为320mpa·s，将碳纤维集束后从胶槽一端浸入环氧树脂中并缓慢向胶槽另一端移动至槽外，控制碳纤维束的移动速度为36m/min，使碳纤维束完全浸润。
(2)将2束浸胶后的碳纤维束缠绕在金属芯轴上，缠绕过程中，先控制缠绕角度为45°、纤维张力为30n；
(3)将传动轴置于真空烘箱中，真空度为-0.09～0.1mpa启动磁力旋转，转速为20r/min。温度程序设置为70℃/30min；100℃/60min；120℃/30min。
最终得到的传动轴轴管孔隙率为0.05％～0.1％，普通产品孔隙为0.2％左右。
实施例5
原材料：torayt70012k碳纤维；华渔hy3226环氧树脂；
碳纤维复合材料传动轴铺层：[±25°]2；
轴管尺寸：轴管长度1500mm；内径80mm，外径82mm。
(1)先用丙酮和脱模剂对外径为80mm的金属芯轴进行表面处理，然后将传金属连接法兰固定在金属芯轴上，再将金属芯轴固定在缠绕机上；将环氧树脂加入胶槽中，将胶槽加热至25℃，此时，环氧树脂的黏度为400mpa·s，将碳纤维集束后从胶槽一端浸入环氧树脂中并缓慢向胶槽另一端移动至槽外，控制碳纤维束的移动速度为36m/min，使碳纤维束完全浸润。
(2)将4束浸胶后的碳纤维束缠绕在金属芯轴上，缠绕过程中，控制缠绕角度为25°、纤维张力为25n；
(3)将传动轴置于真空烘箱中，真空度为-0.09～0.1mpa。启动磁力旋转，转速为20r/min。温度程序设置为70℃/30min；120℃/120min；140℃/60min。
最终得到的传动轴轴管孔隙率为0.05％～0.1％，普通产品孔隙为0.2％左右。
上述实施例仅是为了清楚地说明所做的实施例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。