本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料彈簧，尤其是涉及一種碳纖維復(fù)合材料螺旋彈簧及其制作方法和成型模具。

背景技術(shù)：

近年來，世界能源危機(jī)和石油漲價及環(huán)境問題，迫切要求汽車朝向輕量化的方向發(fā)展，通常使用輕質(zhì)材料(或新材料)替代傳統(tǒng)材料以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化為目標(biāo)，進(jìn)一步提高燃油利用率已成為研究的熱點之一。

輕質(zhì)材料(或新材料)包括高強(qiáng)度鋼、鋁、鎂和鈦合金、塑料及復(fù)合材料等等；與金屬材料相比，碳纖維復(fù)合材料(諸如碳纖維增強(qiáng)塑料(下文中，稱為CFRP))是輕質(zhì)、高剛度、高強(qiáng)度、高抗疲勞性、耐磨以及抗振吸振性好等優(yōu)點，其比模量高于鋼和鋁合金的5倍，比強(qiáng)度高于鋼和鋁合金的3倍，但比重卻很小，每單位體積的重量只有鋼的20％。此外，碳纖維復(fù)合材料具有較高的耐腐蝕性和較低的熱膨脹性，比鋼更耐用而且不易生銹，汽車生產(chǎn)商已積極地進(jìn)行了嘗試將重量輕的復(fù)合材料應(yīng)用于車輛內(nèi)部材料、車身、板簧、車輛保險杠等。

然而，傳統(tǒng)彈簧(即螺旋彈簧)大多數(shù)是由金屬材料(鋼材)卷繞而制成，制造工序極為復(fù)雜；而彈簧主要是借助金屬材料的物理性能，通過一定的轉(zhuǎn)換方式來實現(xiàn)其儲存能量和釋放能量，從而制成具有減震、緩沖功能的彈簧，并將其應(yīng)用于各種機(jī)構(gòu)和工業(yè)機(jī)械的零件上，如汽車、機(jī)車以及航空航天領(lǐng)域上(CN103573892 A)。為適應(yīng)行業(yè)發(fā)展的需求，金屬材料制成的彈簧已難以滿足使用需求，并且從設(shè)計、選材、制造以及檢驗金屬彈簧已達(dá)到一個瓶頸期。因此，用碳纖維復(fù)合材料制備螺旋型彈簧替代金屬螺旋彈簧將成為行業(yè)發(fā)展的趨勢。

許多研究者已嘗試?yán)肅FRP來制造螺旋型彈簧。然而，因為CFRP易受壓縮應(yīng)力或剪應(yīng)力的影響，通過單一的碳纖維絲束制造出螺旋型彈簧難以產(chǎn)生足夠的張力給彈性體提供反彈力(CN 103388642 A)。另有，碳纖維復(fù)合材料制作的彈簧面臨著一些挑戰(zhàn)，如彈性差、易碎、各向異性高，這些特性本質(zhì)上是不適合彈簧，從而已造出的碳纖維復(fù)合材料彈簧形變小，彈性系數(shù)低，承載負(fù)荷小。因此，利用碳纖維復(fù)合材料獨特的高抗拉強(qiáng)度，設(shè)計一種特殊結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料彈簧才能達(dá)到大承載能力(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，迫切需要開發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)減輕重量、具有優(yōu)良耐久性并且取代普通金屬材料螺旋彈簧的碳纖維復(fù)合材料螺旋彈簧結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

當(dāng)前提到的制作纖維增強(qiáng)復(fù)合材料螺旋型彈簧的制作方法不佳、操作難度大、耗費工時，要求設(shè)備資本投入大，材料浪費嚴(yán)重，生產(chǎn)的碳纖維復(fù)合材料部件成本高。(EP 0637700B1；US 8490530B2；CN 1480658A；CN 1651795A；CN 1232931A；CN 101439580A)

此外，現(xiàn)有的制造纖維增強(qiáng)復(fù)合材料彈簧成型模具(EP 2647481 A1；US 4434121 A；US 5988612 A；US 4473217 A；US 6986203 B2；CN 102909870 A)，設(shè)計過程復(fù)雜，開模成本高，裝模和脫模困難，生產(chǎn)效率低。并且模具閉合加熱的過程中，由于碳纖維被樹脂浸潤不均勻而造成產(chǎn)品表面或內(nèi)部存在氣泡，造成表面凹凸不平。在生產(chǎn)過程中由于樹脂反應(yīng)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，在無外力幫助時，內(nèi)應(yīng)力無法抵消，會對產(chǎn)品的強(qiáng)度性能產(chǎn)生極大的影響，會直接影響產(chǎn)品的使用壽命。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種不僅具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、剛度高、疲勞壽命高以及吸收彈簧自身震動能力強(qiáng)等優(yōu)點，而且絕緣及防銹好的碳纖維復(fù)合材料螺旋彈簧。

本發(fā)明的另一個目的在于提出了一種制作碳纖維復(fù)合材料螺旋彈簧的方法及其成型模具，該制作方法簡單、易行，可操作性強(qiáng)，而且節(jié)省成本，節(jié)約資源；另外，本發(fā)明所涉及的成型模具可設(shè)計性強(qiáng)、開模成本低、模具拆卸容易、模具污染小。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種碳纖維復(fù)合材料螺旋彈簧，包括呈螺旋狀的彈簧絲，所述的彈簧絲由芯軸、包裹在芯軸外的中層及包裹在中層外的外層組成，所述的芯軸由若干根碳纖維增強(qiáng)體組成，并且該芯軸呈扭轉(zhuǎn)狀，所述的碳纖維增強(qiáng)體由浸漬有樹脂的若干根碳纖維束及包裹在該若干根碳纖維束外的一層浸漬有樹脂的碳纖維布組成，所述的中層為浸漬有樹脂的若干層碳纖維布或浸漬有樹脂的碳纖維束，所述的外層為由軟管構(gòu)成的保護(hù)套。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的芯軸的扭轉(zhuǎn)圈數(shù)為15～60圈/米。

芯軸通過一定圈數(shù)的扭轉(zhuǎn)起到支撐作用，并能夠吸收彈簧運動過程中自身的震動作用。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，構(gòu)成中層的碳纖維布或碳纖維束與芯軸的中心軸呈25～75°的夾角。

25～75°的夾角可減小碳纖維復(fù)合材料螺旋彈簧受力過程中切應(yīng)力作用，并增加其機(jī)械性能。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，構(gòu)成碳纖維增強(qiáng)體的碳纖維布與構(gòu)成碳纖維層增強(qiáng)體的碳纖維束的中心軸呈5～30°的夾角。

構(gòu)成碳纖維增強(qiáng)體的碳纖維布通過一定交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組成過渡層，交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠克服復(fù)合材料界面的碳纖維咬合作用，該過渡層關(guān)系到整個螺旋彈簧分層的問題，尤其決定復(fù)合材料螺旋彈簧的疲勞壽命，通過設(shè)置在該層能夠有效提高其疲勞壽命。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的碳纖維增強(qiáng)體含30～50根碳纖維束。該數(shù)量范圍內(nèi)的炭纖維束使得最終制得的螺旋癱瘓具有比較好的成型形狀，太多或太少會影響其成型形狀。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的軟管包括塑料軟管、橡膠軟管或硅橡膠軟管。

該保護(hù)套能夠消除整個碳纖維復(fù)合材料彈簧的外表面缺陷，從而形成光滑且干燥的表面。

所述的碳纖維復(fù)合材料螺旋彈簧的制作方法，包括以下步驟：

(1)預(yù)浸料的準(zhǔn)備：對碳纖維束和碳纖維布表面進(jìn)行清洗，然后在50～120℃的溫度下進(jìn)行保溫處理，使得后續(xù)的膠液的浸漬更加充分；

(2)膠液配置：將環(huán)氧樹脂、消泡劑、增韌劑及阻燃劑按照質(zhì)量比100:1.5～2.5:0.5～1.5:0.5～1.5的比例配置后在50～70℃下保溫15～30分鐘后，加入胺類固化劑，所述的胺類固化劑與環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為100:5～10，然后真空處理2～20分鐘，即得到膠液；

(3)預(yù)浸料的浸漬：在保溫處理后的碳纖維束和碳纖維布的表面噴涂硅烷偶聯(lián)劑，然后噴涂步驟(2)得到的膠液；

(4)制備碳纖維復(fù)合材料預(yù)成型件：在經(jīng)過步驟(3)處理的若干根碳纖維束外包裹一層經(jīng)過步驟(3)處理的一層碳纖維布，形成碳纖維增強(qiáng)體，然后將若干根碳纖維增強(qiáng)體扭轉(zhuǎn)，包裹若干層經(jīng)過步驟(3)處理的碳纖維布或經(jīng)過步驟(3)處理的碳纖維束，套設(shè)軟管，對其施加多次壓力，得到碳纖維復(fù)合材料預(yù)成型件；

(5)成型：通過纏繞成型法將碳纖維復(fù)合材料預(yù)成型件裝入成型模具并合模，然后在真空烘箱中升溫固化，冷卻后拆除成型模具即得到碳纖維復(fù)合材料螺旋彈簧。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的步驟(5)中的升溫固化過程包括：

(a)室溫環(huán)境下放置10～30min后，以2～10℃/min的升溫速率升溫至70～80℃，并保持20～35min；

(b)以3～10℃/min的升溫速率升溫至95～105℃，并保持10～25min；

(c)以4～10℃/min的升溫速率升溫至120～135℃，并保持10～25min。

制作所述的碳纖維復(fù)合材料螺旋彈簧的成型模具，包括芯模以及套設(shè)在芯模外的外模以及鎖緊機(jī)構(gòu)，所述的芯模呈圓柱狀，外側(cè)面設(shè)有螺旋狀凹槽，所述的外模呈圓筒狀，由可拆卸連接的第一分外模和第二分外模組成，所述的第一分外模和第二分外模的橫截面均呈半圓弧狀，外模的內(nèi)側(cè)面上設(shè)有螺旋狀凹槽，并且外模內(nèi)側(cè)面上的螺旋狀凹槽和芯模外側(cè)面上的螺旋狀凹槽相匹配，構(gòu)成完整的螺旋形圓槽。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的鎖緊機(jī)構(gòu)包括帶有螺母的圓形條帶和螺釘構(gòu)成，所述的圓形條帶套設(shè)在外模外；所述的芯模的兩端的中心軸處還分別設(shè)有螺紋凹槽，所述的螺紋凹槽中通過螺紋連接有固定軸。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明的碳纖維(增強(qiáng)樹脂基)復(fù)合材料螺旋彈簧，不僅能夠滿足力學(xué)性能(強(qiáng)度和剛度)上的要求，而且具有很強(qiáng)的抗腐蝕能力。此外，碳纖維復(fù)合材料螺旋彈簧能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化的目標(biāo)，使其在某些所需減震的構(gòu)件上被廣泛地應(yīng)用；另外，該制作復(fù)合材料螺旋彈簧的方法及其成型模具，該制作方法簡單、易行，可操作性強(qiáng)，而且節(jié)省成本，節(jié)約資源；另外，本發(fā)明的所涉及的成型模具可設(shè)計性強(qiáng)，開模成本低、模具拆卸容易，模具污染少。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)示意圖及彈簧絲的橫截面示意圖；

圖2為本發(fā)明的彈簧絲的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的螺旋彈簧的芯軸與中層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的芯軸(不含構(gòu)成碳纖維增強(qiáng)體的碳纖維布)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為實施例1中芯軸外碳纖維布包裹的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為實施例1中外層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為實施例1中碳纖維復(fù)合材料螺旋彈簧的制作方法的流程圖；

圖8為實施例1中碳纖維復(fù)合材料螺旋彈簧的制作方法中升溫固化過程的示意圖；

圖9為本發(fā)明的成型模具的芯模與第一分外模的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1為芯軸，11為碳纖維增強(qiáng)體，111為構(gòu)成碳纖維增強(qiáng)體的碳纖維束，112為構(gòu)成碳纖維增強(qiáng)體的碳纖維布，2為中層，21為構(gòu)成中層的碳纖維布，3為外層，4為芯軸的中心軸，5為彈簧絲，61為芯模，62為外模，63為螺旋狀凹槽，64為固定軸。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實施例1

一種碳纖維復(fù)合材料螺旋彈簧，如圖1～6所示，包括呈螺旋狀的彈簧絲5，所述的彈簧絲5由芯軸1、包裹在芯軸1外的中層2及包裹在中層2外的外層3組成，芯軸1由若干根碳纖維增強(qiáng)體11組成，并且該芯軸1呈扭轉(zhuǎn)狀，所述的碳纖維增強(qiáng)體11由浸漬有樹脂的若干根碳纖維束及包裹在該若干根碳纖維束外的一層浸漬有樹脂的碳纖維布組成，通常選擇構(gòu)成碳纖維增強(qiáng)體的炭纖維束為30～50根，本實施例選擇30根(圖1僅作為示意)，所述的中層2為浸漬有樹脂的若干層碳纖維布或浸漬有樹脂的碳纖維束，本實施例選擇中層2為浸漬有樹脂的若干層碳纖維布，所述的外層3為由軟管構(gòu)成的保護(hù)套。

本實施例的樹脂選擇環(huán)氧樹脂，通過浸漬環(huán)氧樹脂，使得碳纖維束之間、炭纖維束與碳纖維布之間及碳纖維布與碳纖維布之間不僅通過物理結(jié)合，而且通過化學(xué)作用很好的結(jié)合在一起。

具體地，如圖4所示，芯軸的扭轉(zhuǎn)圈數(shù)可以為15～60圈/米，本實施例選擇扭轉(zhuǎn)圈數(shù)為30圈/米，構(gòu)成碳纖維增強(qiáng)體的碳纖維布112與構(gòu)成碳纖維層增強(qiáng)體的碳纖維束111的中心軸可以呈5～30°的夾角，本實施例選擇該夾角為25°。構(gòu)成中層的每層碳纖維布包裹芯軸時需要與軸芯的中心軸可以呈25～75°的角度，本實施例選擇該角度為45°，如圖3和圖5所示。

構(gòu)成外層的軟管包括塑料軟管、橡膠軟管或硅橡膠軟管，本實施例選擇塑料軟管，包裹在芯軸和中層構(gòu)成的預(yù)浸料上，并在中層與外層之間涂有脫模劑，通過涂脫模劑，使得制備的碳纖維復(fù)合材料螺旋彈簧表面更加光滑無缺陷。

該碳纖維復(fù)合材料螺旋彈簧的制作方法包括以下步驟：

(1)預(yù)浸料的準(zhǔn)備：對碳纖維束和碳纖維布表面進(jìn)行清洗，然后在50～120℃的溫度下進(jìn)行保溫處理，本實施例選擇100℃的保溫溫度。

其中碳纖維束和碳纖維布由碳纖維絲形成，具體的清洗步驟采用清洗劑對其清洗10～15分鐘。

(2)膠液配置：將環(huán)氧樹脂、消泡劑、增韌劑及阻燃劑按照質(zhì)量比100:1.5～2.5:0.5～1.5:0.5～1.5的比例配置后在50～70℃的水浴下保溫15～30分鐘后，呈現(xiàn)出一定的流動態(tài)，拿出去放置10～15分鐘，加入胺類固化劑，所述的胺類固化劑與環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為100:5～10，，然后將其放入三口燒瓶中真空處理2～20分鐘，即得到膠液。

本實施例選擇環(huán)氧樹脂、消泡劑、增韌劑、阻燃劑和胺類固化劑的質(zhì)量比為100:2:1:1:8。

(3)預(yù)浸料的浸漬：將保溫處理后的碳纖維束和碳纖維布鋪于試驗臺上，在其表面噴涂硅烷偶聯(lián)劑，然后噴涂步驟(2)得到的膠液。

(4)制備碳纖維復(fù)合材料預(yù)成型件(工藝手段于浸漬的預(yù)浸料)：在經(jīng)過步驟(3)處理的若干根碳纖維束外包裹一層經(jīng)過步驟(3)處理的一層碳纖維布，形成碳纖維增強(qiáng)體，然后將若干根碳纖維增強(qiáng)體扭轉(zhuǎn)，包裹若干層經(jīng)過步驟(3)處理的碳纖維布或經(jīng)過步驟(3)處理的碳纖維束，套設(shè)軟管，利用加壓設(shè)備對其施加多次壓力，得到碳纖維復(fù)合材料預(yù)成型件。

(5)成型：通過纏繞成型法將碳纖維復(fù)合材料預(yù)成型件裝入成型模具并合模，然后在真空烘箱中升溫固化，隨爐冷卻后拆除成型模具即得到碳纖維復(fù)合材料螺旋彈簧。

其中步驟(5)中的升溫固化過程包括以下步驟：

(a)室溫環(huán)境下放置10～30min后，以2～10℃/min的升溫速率升溫至70～80℃，并保持20～35min；

(b)以3～10℃/min的升溫速率升溫至95～105℃，并保持10～25min；

(c)以4～10℃/min的升溫速率升溫至120～135℃，并保持10～25min。

本實施例中的升溫固化過程如圖8所示。

(6)后加工處理：進(jìn)行修飾(修剪)，得到如圖1所示的碳纖維復(fù)合材料螺旋型彈簧。

制作本實施例的碳纖維復(fù)合材料螺旋彈簧的成型模具如圖9所示，包括芯模61以及套設(shè)在芯模61外的外模以及鎖緊機(jī)構(gòu)，所述的芯模61呈圓柱狀，外側(cè)面設(shè)有螺旋狀凹槽63，所述的芯模61的兩端的中心軸處還分別設(shè)有螺紋凹槽，所述的螺紋凹槽中通過螺紋連接有固定軸64。所述的外模呈圓筒狀，由可拆卸連接的第一分外模和第二分外模組成，所述的第一分外模62和第二分外模的橫截面均呈半圓弧狀，外模的內(nèi)側(cè)面上設(shè)有螺旋狀凹槽63，并且外模內(nèi)側(cè)面上的螺旋狀凹槽63和芯模61外側(cè)面上的螺旋狀凹槽63相匹配，構(gòu)成完整的螺旋形圓槽。鎖緊機(jī)構(gòu)包括帶有螺母的圓形條帶和螺釘，所述的圓形條帶套設(shè)在外模外。