[发明专利]碳基复合材料螺旋弹簧及生产方法

说明书

本发明公开了一种在垂直于螺旋弹簧的轴线方向引入Z向碳纤维的碳基复合材料螺旋弹簧生产方法，其特征是它包括⑴制坯：先将碳纤维束或碳纤维布沿弹簧的螺旋线方向缠绕在芯模上，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，将碳纤维网胎卷绕在芯模上，沿芯模的径向进行针刺；重复以上过程制成碳纤维弹簧预制体；⑵增密：⑶机加工步骤；制备的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；螺旋弹簧的弹性常数为0.5㎏/㎜～10㎏/㎜；本发明由于制坯时在垂直于弹簧的轴线方向引入Z向碳纤维，层间结合好，制备的碳基复合材料螺旋弹簧的力学性能好。

技术领域

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。

发明内容

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：先将弹簧节距宽度的碳纤维束或碳纤维布沿弹簧的螺旋线方向缠绕在芯模上，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，将碳纤维网胎卷绕在芯模上，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；