当前位置：首页 > 纺织技术 > 编织制作> 碳/碳复合材料弹簧元件及其制造方法独创技术19549字

碳/碳复合材料弹簧元件及其制造方法

2021-02-07 16:17:53

碳/碳复合材料弹簧元件及其制造方法

　　技术领域

　　本发明涉及可以特别地在高温环境中发挥其性能的由碳/碳复合材料制成的弹簧元件。特别地，本发明涉及可以在高温环境中用作弹簧垫圈的弹簧元件及其制造方法。

　　背景技术

　　可以用于弹簧垫圈的弹簧元件作为机械构件用于各种机械、设备和机构。如今，弹簧元件成为家用产品、工业产品等领域中必需且重要的部件。

　　通常，弹簧垫圈一般由金属材料例如不锈钢、低合金钢、工具钢和钛合金制成。

　　然而，金属弹簧垫圈由于耐热性差，因此它们在高温环境中无法发挥足够的弹簧特性。因此，在高温环境中，金属弹簧垫圈无法使用或者无法长时间使用。

　　例如，即使弹簧垫圈由耐热合金制成，在超过400℃的高温环境中，弹簧垫圈的强度和形变也分别显著降低和增加，并且弹簧垫圈的耐沉降性也显著降低。因此，即使是由耐热合金制成的弹簧垫圈也无法在这样的高温环境中使用。

　　当在超过400℃的高温环境中使用弹簧垫圈时，可以使用由超耐热合金(例如铬镍铁合金(inconel alloy)和哈氏合金(hastelloy alloy)等)制成的弹簧垫圈。

　　然而，即使是由超耐热合金制成的弹簧垫圈，在超过700℃的高温环境中，它们的强度也会显著降低，它们的形变会显著增加，并且它们的耐沉降性也会显著降低。因此，在这样的高温环境中，它们不可以作为弹簧使用。

　　此外，弹簧垫圈可以由诸如氮化硅和氧化锆的陶瓷而不是铬镍铁合金和哈氏合金等制成。然而，由陶瓷制成的弹簧垫圈由于本来具有低韧性和低耐热冲击性，所以当它们在高温环境中重复使用时可能会破碎。此外，在超过500℃至1000℃的高温环境中，由于由陶瓷制成的弹簧垫圈的强度降低，因此它们可能会破碎。

　　为了解决以上段落中描述的问题，公开了由碳/碳复合材料(也称为“C/C复合材料”)制成的弹簧垫圈(参见专利文献1)。

　　碳/碳复合材料(“C/C复合材料”)是纤维增强的复合材料，其通过用石墨或碳基体使作为增强纤维的碳纤维硬化而形成。由于碳/碳复合材料的强度和模量是常规碳或石墨材料的数倍，并且其具有优异的耐热性、耐磨性和韧性，因此碳/碳复合材料用于许多部件，例如航天飞机的机头罩(nose cap)和机翼前缘；飞机、赛车、新干线车辆和大型重型卡车的制动系统；热处理炉的内部结构构件、托盘和加热器；用于处理用于生产半导体和太阳能电池的炉中使用的产品的叉；和用于金属加工的高温夹具。

　　专利文献1中公开的由碳/碳复合材料制成的弹簧垫圈通过以下制造方法生产：

　　(1)将强度大于200Kg/mm2(1.96GPa)并且拉伸模量大于24000Kg/mm2(235.2GPa)的碳纤维的股线状(strand)预浸料或套筒状编织线预浸料缠绕在形成在圆柱形夹具的外表面处的螺旋槽中，并通过加热处理进行半硬化；

　　(2)然后，将半硬化和线圈状的模制体从圆柱形夹具上移除，并通过进一步加热使其完全硬化。

　　(3)然后，通过进一步加热使线圈状模制体碳化，并且如果需要，用熔化的沥青浸渍线圈状模制体，然后通过热处理将其石墨化以产生具有线圈状模制体的碳/碳复合材料；以及

　　(4)进一步地，通过将线圈状模制体切割成单匝来完成由碳/碳复合材料制成的弹簧垫圈。

　　由于专利文献1中公开的由碳/碳复合材料制成的弹簧垫圈是通过上述制造方法生产的，因此，作为长的短纤维的碳纤维沿着卷曲线延伸或沿着卷曲线螺旋地延伸。因此，碳/碳复合材料弹簧垫圈具有使得它们可以用作弹簧垫圈的强度和模量。然而，对于作为弹簧垫圈支撑大负荷(弹簧垫圈需要高的扭转刚度特性)而言它们的扭转刚度太低。因此，专利文献1中公开的碳/碳复合材料弹簧垫圈无法发挥其足够的能力。

　　此外，对于专利文献1中公开的由碳/碳复合材料制成的弹簧垫圈，由于采用上述制造方法，因此对于具有不同直径的每种弹簧垫圈，需要不同的具有螺旋槽的夹具。此外，由于将弹簧垫圈从线圈状模制体切割成单匝，所以难以大规模生产由碳/碳复合材料制成的弹簧垫圈，并因此，它们的生产成本变得较高。

　　现有技术

　　专利文献

　　专利文献1：日本专利特许公开H9-079248号

　　发明内容

　　本发明要解决的问题

　　基于上述技术背景构思出本发明。本发明要解决的问题是提供即使在超过1000℃的高温环境中也可以重复使用、具有高的扭转刚度以能够支撑大负荷、并且可以用作弹簧垫圈的弹簧元件。

　　解决问题的方法

　　为了解决上述问题，在本发明的第一方面中，本发明包括如下：

　　具有螺旋和环形形状的弹簧元件，

　　其中弹簧元件由具有层结构的二维碳/碳复合材料制成，所述层结构具有与弹簧元件的朝向弹簧元件的中心轴线的方向的表面平行地层合的层。

　　在本发明的第二方面中，本发明包括如下：

　　本发明的第一方面的具有螺旋和环形形状的弹簧元件，

　　其中二维碳/碳复合材料具有层结构，所述层结构具有与弹簧元件的朝向弹簧元件的中心轴线的方向的表面平行地层合的碳纤维非织造织物的层。

　　在本发明的第三方面中，本发明包括如下：

　　用于制造具有螺旋和环形形状的弹簧元件的方法，其包括：

　　用于形成碳/碳复合材料的板或碳/碳复合材料的预制板的步骤，其中碳/碳复合材料的板或预制板具有通过使单向碳纤维片、碳纤维织造布或碳纤维非织造织物层合而构造的层结构，

　　用于由碳/碳复合材料的板或预制板切割出具有环形形状的元件的步骤，其中具有环形形状的元件的中心角小于360度，

　　用于使具有环形形状的元件形成螺旋形状的步骤，以及

　　用于对具有螺旋和环形形状的元件进行热处理的步骤。

　　在本发明的第四方面中，本发明包括如下：

　　本发明的第三方面的用于制造具有螺旋和环形形状的弹簧元件的方法，

　　其中热处理的温度的范围为1000℃至3000℃。

　　在本发明的第五方面中，本发明包括如下：

　　本发明的第三方面或第四方面的用于制造具有螺旋和环形形状的弹簧元件的方法，

　　其中将用于对具有螺旋和环形形状的元件进行热处理的步骤替换为在保持元件的形状的同时对具有螺旋和环形形状的元件进行热处理的步骤。

　　发明效果

　　在本发明中，由于由具有上述技术特征的碳/碳复合材料制造弹簧元件，因此可以提供可以在超过1000℃的高温环境中重复使用的弹簧元件。

　　此外，对于如下弹簧元件，弹簧元件的扭转刚度可以显著改善：所示弹簧元件具有螺旋和环形形状，具有含有与弹簧元件的朝向弹簧元件的中心轴线的方向的表面平行地层合的碳纤维非织造织物的层的层结构。因此，可以提供可以支撑大负荷的具有高扭转刚度的弹簧元件。

　　此外，通过使用本发明的用于制造具有螺旋和环形形状的弹簧元件的方法，由于不需要使用昂贵的夹具来制造弹簧元件，并且其切割操作容易，因此弹簧元件的大规模生产和成本的降低成为可能。

　　附图说明

　　[图1]图1示出了本发明的由碳/碳复合材料制成的弹簧元件的典型实例。

　　[图2]图2示出了本发明的由碳/碳复合材料制成的弹簧元件的制造方法的典型实例。

　　具体实施方式

　　下面，说明本发明的由碳/碳复合材料制成的弹簧元件。

　　碳/碳复合材料(“C/C复合材料”)是纤维增强的复合材料，其通过用石墨或碳基体将作为增强纤维的碳纤维硬化而形成。

　　与常规的碳或石墨材料相比，碳/碳复合材料的强度和模量是常规材料的数倍，并且其还具有优异的耐热性、耐磨性和韧性。

　　此外，由于碳/碳复合材料具有低密度、高强度和高刚度(弹性模量)，因此其作为具有高比强度和高比刚度的材料也是被熟知的。

　　通常，已经生产了具有多种取向的碳纤维的碳/碳复合材料，使得碳纤维在二维中单向取向、双向取向或多向取向，以及在三维中三向取向，并且进一步使得碳纤维(短长度纤维)在二维或三维中以无规方式取向，以及使得碳纤维以各种图案取向。

　　此外，已经开发了碳/碳复合材料的多种制造方法，例如树脂碳化(resin-char)法，CVD法，使用预制纱的方法，以及使用由短长度碳纤维、粘合剂沥青的粉末、焦炭的粉末和粘合剂构成的预制片(预浸料状片)的方法。

　　图1示出了本发明的由碳/碳复合材料制成的弹簧元件1的典型实例。

　　弹簧元件由具有螺旋和环形形状的主体11、主体11的一端12和主体11的另一端13构成，其中螺旋和环形形状限定为主体11从一端12螺旋地延伸至另一端13。

　　此外，从弹簧元件1的一端12到另一端13的中心角小于360度，并且弹簧元件1的一端12和另一端13之间的空间形成狭缝14。

　　弹簧元件1的主体11的截面中的尺寸(w、b)、直径(D)和高度(H)(符号示于图1中)基于作用在弹簧元件1上的负荷条件和弹簧元件1的偏移来确定。

　　在图1中，尽管示出弹簧元件1的主体11的截面的形状为矩形，但是主体11的截面的形状不限于矩形。

　　本发明的弹簧元件1由二维(作为增强纤维的碳纤维在二维中取向)碳/碳复合材料构成，并且具有含与弹簧元件1的朝向弹簧元件1的中心轴线的方向的表面平行地层合的层的层结构。

　　在以上段落中，“含与弹簧元件1的朝向弹簧元件1的中心轴线的方向的表面平行地层合的层的层结构”意指层结构由与表面“a1”(图1中正视图中的上表面)和表面“a2”(图1中正视图中的下表面)平行地层合的层形成，表面“a1”和表面“a2”是朝向图1中的弹簧元件1的中心轴线的方向(图1中的X方向)的表面。

　　在本发明的二维碳/碳复合材料的层中，可以使用各种碳纤维。例如，对于所述层而言可以使用以下材料：通过在改变取向的同时使单向取向的碳纤维片层合而形成的角度层层合片(angle-ply-laminated sheets)，通过使用碳股线织造的织物，或通过使短长度碳纤维以类似于纸的无规方式取向而形成的碳纤维非织造织物。

　　接下来，作为实例，说明本发明的用于制造由碳/碳复合材料制成的弹簧元件1的方法的实施方案。

　　在此说明的制造方法是使用碳纤维非织造织物的方法。即，该制造方法使用由短长度碳纤维、粘合剂沥青的粉末、焦炭的粉末和粘合剂构成的预制片(预浸料状片)。然而，本发明的用于制造由碳/碳复合材料制成的弹簧元件1的方法不限于这样的方法。

　　在用于制造由碳/碳复合材料制成的弹簧元件1的方法中使用的预制片(预浸料状片)由短长度碳纤维、粘合剂沥青的粉末、焦炭的粉末和粘合剂构成。

　　在该实施方案中，可以使用聚丙烯腈系列碳纤维、人造丝系列碳纤维或沥青系列碳纤维作为碳纤维。此外，可以使用为了阻燃性而经热处理的、经碳化或经石墨化的所有类型的碳纤维。

　　在该实施方案中使用的碳纤维是短长度纤维，1mm至50mm长度的碳纤维是优选的，1mm至25mm长度的碳纤维是进一步优选的。

　　在该实施方案中使用的粘合剂沥青的粉末源自石油和/或煤，具有热软化特性。它们的软化温度为60℃至320℃，喹啉不溶物为0重量％至80重量％，以及挥发物为10重量％至60重量％。此外，它们可以由石油和/或煤制成，具有各向同性、潜在的各向异性或各向异性特性。

　　粘合剂沥青的粉末用于粘合增强纤维(碳纤维)，以及焦炭的粉末充当集料(下面解释)。粘合剂沥青的粉末的优选平均颗粒直径为0.5微米至60微米，进一步优选平均颗粒直径为3微米至20微米。

　　在该实施方案中使用的焦炭的粉末源自石油和/或煤，没有热软化特性。它们充当集料并且没有软化温度。其挥发物优选小于10重量％，并且进一步优选挥发物小于2重量％。

　　在该实施方案中可以使用任何类型的源自石油或煤的焦炭的粉末。焦炭的粉末的平均颗粒直径优选为0.5微米至30微米，并且进一步优选平均颗粒直径为1微米至20微米。

　　尽管源自石油和/或煤且具有热软化特性的粘合剂沥青的粉末与源自石油和/或煤且不具有热软化特性的焦炭的粉末的复合比率不限于特定值，但是[粘合剂沥青的粉末]/[焦炭的粉末]的复合重量比率优选为90/10至10/90，进一步优选该比率为70/30至30/70。

　　在该实施方案中使用的粘合剂用于使粘合剂沥青的粉末与焦炭的粉末粘合，并且进一步使碳纤维与由粘合剂沥青的粉末、焦炭的粉末和粘合剂构成的复合物粘合。

　　作为粘合剂，可以使用工业上使用的增稠稳定剂(淀粉粘合剂组合物)，例如甲基纤维素。此外，可以使用天然来源和化学合成的增稠稳定剂作为粘合剂。

　　作为添加至由粘合剂沥青的粉末、焦炭的粉末和粘合剂构成的复合物中的分散液，可以使用有机溶剂例如醇，或水。

　　此外，全部体积的预制片的体积碳纤维含量为5体积％至70体积％，优选为20体积％至60体积％。

　　该实施方案的预制片(预浸料状片)通过以下方法生产：

　　(1)通过以预定的混合比将粘合剂沥青的粉末、焦炭的粉末、粘合剂和分散液混合来制备混合溶液的方法；

　　(2)通过将预定量的混合溶液和短长度碳纤维放入混合罐中并将其混合来使短长度碳纤维均匀地分散在混合溶液中的方法；和

　　(3)通过将其中混合并分散有短长度碳纤维的混合溶液从混合罐加压供给到造纸机的造纸工艺，这属于公知的技术。

　　在通过上述方法生产的预制片(预浸料状片)中，短长度碳纤维以无规方式在预制片的平面中取向，彼此缠结，并以非织造织物的状态布置。此外，由短长度碳纤维和粘合剂沥青的粉末、焦炭的粉末以及围绕短长度碳纤维布置的粘合剂构成的非织造织物的连续片通过混合溶液中混合的粘合剂而具有预定的粘性。

　　接下来，说明通过使用上述预制片(预浸料状片)的弹簧元件1的制造方法。

　　图2示出了由碳/碳复合材料制成的弹簧元件1的制造方法的流程图。

　　在通过使用预制片(预浸料状片)形成碳/碳复合材料的板或碳/碳复合材料的预制板的步骤101中，将通过上述工艺生产的复数个预制片(预浸料状片)层合，并且通过使用热压机等进行加压和加热。当对层合片加压和加热时，期望将它们加热至高至大于使得粘合剂沥青的粉末变软的温度，并且然后升高至大于粘合剂沥青的焦化温度。

　　确定用于对层合片加压的压力使得粘合剂沥青的粉末在软化时不会从预制片流走，预制片(预浸料状片)以其中间层紧密地粘附，并且可以形成致密的模制体。

　　此外，在用于形成碳/碳复合材料的板或碳/碳复合材料的预制板的步骤101中，在将层合片热处理至大于使粘合剂沥青的粉末变软的温度之后，然后加热至大于粘合剂沥青的焦化温度，通过热处理生产的板可以被碳化，以及进一步被石墨化。

　　此外，可以在上述处理的每一者之间添加沥青浸渍过程，并且碳化和石墨化过程可以重复数次。

　　在用于形成碳/碳复合材料的板或碳/碳复合材料的预制板的步骤101中，预制板意指例如包括前体(的板)的模制体，使得作为基体材料的树脂固化，该前体用于通过树脂碳化法制造碳/碳复合材料的板的过程中。

　　接下来，在用于切割具有环形形状的模制体的步骤102中，通过加工过程从通过步骤101生产的碳/碳复合材料的板或碳/碳复合材料的预制板切割出如图1所示的具有环形形状和狭缝的模制体。

　　由于经切割的模制体具有狭缝14，因此可以形成中心角小于360度且具有环形形状的模制体。

　　虽然具有环形形状的模制体的截面的形状为矩形，但并不限于该形状。可以使用具有经倒角的或经圆化的角的截面形状。

　　接下来，在用于螺旋地形成具有环形形状的模制体的步骤103中，在步骤102中生产的具有环形形状的模制体被夹具保持，同时通过外力使模制体变形，使得在保持模制体的变形的同时，一端12和另一端13的端表面沿弹簧元件1的中心轴线方向(图1中的X方向)彼此分离。

　　通过步骤103中的方法，螺旋形地形成如图1所示的具有环形形状的模制体。

　　接着，在用于对具有螺旋和环形形状的经成形的模制体进行热处理的步骤104中，对步骤103中螺旋地形成的具有环形形状的模制体进行热处理。用于对模制体进行热处理的优选温度是高于弹簧元件1被使用的环境温度的温度。特别期望在1000℃至3000℃的温度下对模制体进行热处理。

　　在用于对具有螺旋和环形形状的经成形的模制体进行热处理的步骤104中，为了形成模制体的螺旋和环形形状，期望在通过夹具保持模制体的同时对模制体进行热处理。

　　通过使用上述非织造织物的预制片(预浸料状片)的制造方法生产的弹簧元件1的扭转刚度和剪切强度如下：