一种金属包树脂基连续纤维复合材料弹簧，及其制备方法、用途与流程
1.本发明属于纤维增强复合材料零件制造技术领域，尤其涉及一种金属包树脂基连续纤维复合材料弹簧，及其制备方法、用途。
背景技术：
2.树脂基复合材料（resin matrix composite）是用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体，俗称玻璃钢。因其优良的弹性性能，树脂基复合材料被广泛应用于制备弹簧等相关零部件，例如基于碳纤维的树脂基复合材料制备螺旋弹簧。
3.目前用于制备弹簧的树脂基纤维增强复合材料，使用连续长纤维作为增强相，工艺要求高，生产效率较低。通常的树脂基纤维增强材料弹簧，都必须经过树脂浸渍、预成型、固化、保温和冷却阶段，例如公开号为cn111396484a的中国发明专利公开了一种树脂基纤维复合材料板簧本体及其制造方法，具体为将欲成形的玻璃纤维进行干燥，然后将玻璃纤维按照预设路径排布，进行玻璃纤维的预成型，接着将玻璃纤维预制件放置在与之形状相匹配的模具中，最后向模具中高压注入树脂然后脱模。然而这种常规方法存在脱模困难、胶料浪费、且绕制过程中胶料下滴导致基体胶量不足而影响产品性能、且脏污设备与环境等问题。
技术实现要素：
4.本发明目的是提供一种金属包树脂基连续纤维复合材料弹簧，及其制备方法、用途。利用了金属包连续长纤维预浸料处于未固化状态时，是可以进行变形加工的特点，在此基础上先将金属包树脂基连续纤维通过模具轴缠绕成型，然后利用金属外覆层本身的导电特性对树脂基进行均匀加热快速固化，以制备性能优良的复合材料弹簧。
5.本发明解决上述问题采用的技术方案是：一种金属包树脂基连续纤维复合材料弹簧，弹簧由复合弹簧线缠绕成螺旋状构成，所述复合弹簧线由内向外依次包括：纤维内芯，所述纤维内芯由多个纤维丝束集束或缠绕构成，结构连续且能够弯曲；树脂基，所述树脂基在室温下为液态，且加热后固化；金属外覆层，所述金属外覆层用于将树脂基包覆在纤维内芯外环面上。
6.其中纤维内芯为一种以上的连续纤维丝束，当纤维内芯采用集束方式构成时，纤维丝束之间基本处于平行状态，而当纤维内芯采用缠绕方式构成时，纤维丝束之间存在加捻和/或绞合。纤维丝束经过在具备一定压力的容器中进行树脂基浸渍后，根据所需不同金属加工特性选择金属外覆层进行包覆工艺得到复合弹簧线，复合弹簧线经过模具变形后制成所需截面形状，然后装盘待用。将复合弹簧线单丝一端固定在中心轴上，单丝线盘围绕中心轴公转并放线，且同时单丝盘沿着中心轴轴向方向水平匀速移动，即可绕制成螺旋形弹簧，在绕制过程中，同步绕成螺旋线的弹簧段加热固化，固化完成后即得到一种金属包树脂基连续纤维增强复合材料弹簧。
7.进一步优选的技术方案在于：所述树脂基包括热固性树脂或热塑性树脂。
8.热固性树脂在加热下进行化学反应，交联固化成为不溶不熔物质；热塑性树脂具有受热软化、冷却硬化的性能，而且不起化学反应，无论加热和冷却重复进行多少次，均能保持这种性能。当树脂基选用热塑性树脂时，可跳过最后对弹簧段加热固化的步骤，在室温下冷却固化即可。
9.进一步优选的技术方案在于：所述热固性树脂包括环氧树脂或酚醛树脂中的一种或两种混合物。
10.环氧树脂(c
11h12
o3)n具有优良的物理机械和电绝缘性能、与各种材料的粘接性能、以及其使用工艺的灵活性是其他热固性塑料所不具备的。酚醛树脂由苯酚醛或其衍生物缩聚而得，其性能与环氧树脂相似，可作为环氧树脂的替代品。
11.进一步优选的技术方案在于：所述热固性热塑性环氧树脂包括双酚a型环氧树脂、双酚f型环氧树脂一种或两种混合物。
12.双酚a型环氧树脂是由双酚a、环氧氯丙烷在碱性条件下缩合，经水洗，脱溶剂精制而成的环氧树脂，是环氧树脂中产量最大、使用最广的一种品种。双酚f型环氧树脂是由苯酚与甲醛在酸性催化下反应生成双酚f，再与环氧氯丙烷在氢氧化钠存在下进行缩聚反应制得。双酚f型和双酚a型共混的环氧树脂具有良好的耐热性、耐水性和电学性能。
13.进一步优选的技术方案在于：所述热固性树脂固化温度为150-200℃。
14.固化温度范围通过在热固性树脂中添加多种助剂以调控，便于后续的固化生产过程，以及维持热固性树脂固化后的机械性能。
15.进一步优选的技术方案在于：所述纤维内芯包括碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维、聚乙烯纤维、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维中的任意一种或多种纤维缠绕组合。
16.碳纤维指的是含碳量在90%以上的高强度高模量纤维，单丝直径为5-10μm，同等直径的碳纤维力学强度在铝合金4倍以上，碳纤维的前驱体一般为聚丙烯腈，也可以用部分粘胶纤维替代。玻璃纤维以叶腊石、石英砂、石灰石、白云石、硼钙石、硼镁石六种矿石为原料经高温熔制成的，单丝直径为5-20μm，每束纤维原丝包括500-1000根单丝，其特点是抗拉强度大，且耐热性好，可作为碳纤维的替代品。
17.进一步优选的技术方案在于：所述金属外覆层包括不锈钢、镀锌钢、铝或铝合金中的其中一种或多种合金。
18.不锈钢根据中国国家标准gb/t20878-2007所规定的参数制备而成，其中铬含量不低于11.0%，碳含量小于1.0%。镀锌钢指钢表面经过镀锌加工，也具有有效防止钢材腐蚀生锈的性能，可作为不锈钢的替代品。铝合金主要以防锈为主，主要合金元素为锰和镁，加锰可提高其抗蚀能力，加镁使其强化并降低比重，亦可以直接使用铝材作为金属外覆层的材料。
19.一种金属包树脂基连续纤维复合材料弹簧的制备方法，包括下列步骤：s1、向浸渍装置中添加足量的树脂基，浸渍装置中的温度保证树脂基不会固化，将所述纤维内芯穿过浸渍装置，以在其表面浸渍所述树脂基，得到纤维预浸料单线；其中，将作为纤维内芯的纤维丝束，按照一定方式分布，穿过内有空腔的浸渍装置，浸渍装置通过进胶管射入树脂基胶料，在一定压力下使纤维丝束充分浸渍。
20.s2、将所述纤维预浸料单线与所述金属外覆层以相同速度通过纵向连续焊接装
置，将不锈钢纵包焊管，得到金属包纤维预浸料单线；其中，浸渍过程中纤维丝束在牵引作用下匀速前进，浸渍过后的树脂通过纵包焊管或挤包的方式外覆管状金属层，包覆速度和纤维丝束前进速度一致，金属层与预浸料无相对位移。当使用挤包法时，主要是针对金属外覆层选用铝材的情况下，将熔融状态的铝通过挤铝机挤出包覆在纤维内芯外层，s3、将所述金属包纤维预浸料单线经过拉挤变形模具，拉挤变形成所需截面形状；s4、将变形后的所述金属包纤维预浸料单线经过校直装置校直，然后通过收线装置收入线盘；s5、将所述线盘围绕中心轴公转，同时根据所需螺距，以一定匀速延中心轴轴向做相对水平直线运动，将所述金属包纤维预浸料单线绕制成螺旋线型弹簧；s6、将接触式电极置于螺旋线型弹簧两端，通过短路电流将螺旋线型弹簧加热使其内部纤维增强复合材料固化，得到金属包树脂基连续纤维增强复合材料弹簧。
21.进一步优选的技术方案在于：所述接触式电极包括水银滑环或者滑轮导体。
22.水银滑环是以水银为流体介质的一种导电旋转接头，与传统碳刷滑环最大的不同点在于它主要以液态水银为导电介质，将固定端与旋转端集成在一起，旋转的时候不需要使用碳刷来进行导电传递，而直接使用水银来进行导电传递，优点是使用可靠，精度高，支持高环道，高电流。
23.一种减震器，包括上述金属包树脂基连续纤维复合材料弹簧。
24.上述复合材料弹簧可应用于例如汽车减震，摩托车减震的悬架系统中，但不仅仅限于以上几种用途。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果是：固化成型时不需要模具，不会产生脱模困难的问题，同时浸渍后的纤维丝束被金属层包覆，胶料不会下滴脏污设备和环境。工艺过程便捷高效，且便于大长度生产。产品具有金属外覆层，耐候性、耐腐蚀性、抗冲击性极佳。
附图说明
26.图1为金属包树脂基连续纤维增强复合材料弹簧制造方法示意图；图2为一种复合弹簧线部分截面示意图，其中金属外覆层选择用不锈钢，纤维内芯选用玻璃纤维内包碳纤维。
27.附图中，各标号所代表的部件如下：纤维丝束1，进胶管2，浸渍装置3，金属外覆层4，纵向连续焊接装置5，金属包纤维预浸料单线6，拉挤变形模具7，校直装置8，线盘9，接触式电极10，螺旋线型弹簧11，中心轴12，不锈钢层13，玻纤层14、碳纤层15。
具体实施方式
28.一种金属包树脂基连续纤维复合材料弹簧的制备方法，其所应用的装置如图1所示，具体的制造流程实施实例如下：s1. 根据产品性能需求，按照一定比例选用纤维丝束11，将其按照一定方式排布并集成一束穿过浸渍装置3，使其能在牵引装置作用下匀速前进。
29.s2. 将树脂基在保持一定温度和压力条件下通过进胶口2注入浸渍装置3中，需保证该温度下树脂基不发生固化反应。在纤维丝束匀速前进的同时，使树脂基胶料充分浸渍。
30.s3. 将浸渍完成的纤维丝束与金属外覆层4以相同速度通过纵向连续焊接装置5，将金属外覆层4纵包焊管，得到金属包纤维预浸料单线6。
31.在该步骤中，浸渍完成的纤维丝束可以塞满或不塞满管坯的入口，在塞满的情形下，预浸料中部分多余的树脂被排挤掉。在不塞满的情形下，预浸料中部分多余的树脂被留在管坯中或以垂流的形式流出管坯，无论怎样，该步骤可以初步控制连续纵向纤维和树脂的体积比关系。
32.s4. 金属包纤维预浸料单线6经过拉挤变形模具7，拉挤变形成所需截面形状。
33.在该步骤中，管坯截面（指与连续纵向纤维所述的纵向相垂直的横截面）的大小、形状都可以被改变，其中形状可以被制成圆形或椭圆形或葫芦形或多边形，其中多边形可以是等边多边形，也可以是不等边多边形，可以是凸多边形，也可以是凹多边形，在该步骤中，管坯的空间形态需直线型以便后续校直，而且，因为预浸料和管坯被同步驱动，故所述待成型材料的截面和/或空间形态可以在不同的段落进行不同的变形处理，形成整体是连续的，但不同截面形状或面积不同，不同段落空间形态不同的状态，值得说明的是，管坯经一次或多次辊压或拉拔，成型为设计截面和空间形态的型管，其管径被减缩，因预浸料中多余树脂被一次或多次排挤掉，其内连续纵向纤维体积占比得到提高和进一步的控制。
34.s5. 将变形后的金属包纤维预浸料单线6经过校直装置8校直。
35.s6. 校直后的金属包纤维预浸料单线6通过收线装置收入线盘9。
36.s7. 将线盘9围绕中心轴12公转，同时根据所需螺距，以一定匀速延中心轴12轴向做相对水平直线运动，绕制程螺旋线型弹簧11。
37.s8. 将接触式电极10置于螺旋线型弹簧11两端，通过短路电流将螺旋线型弹簧11加热使其内部纤维增强复合材料固化，固化完成后即可得到金属包树脂基连续纤维增强复合材料弹簧。其中中心轴12内部有加热装置，可以使中心轴达到一定温度，为固化过程辅助加热。
38.在该步骤中，弹簧11用短路电流加热过程中，使用两个电极与弹簧11接触，其中一个电极固定，另一个电极沿线材移动。通过对短路电流对螺旋线型弹簧11直接加热，可以使得其中树脂基均匀固化，各项性质保持一致，对于最终制得螺旋线型弹簧11性能有较为明显的提升。
39.并且，采用交流短路电流加热弹簧11的方式时，要求弹簧11所围绕的中心轴12必须绝缘且不导磁，否则弹簧11作为一个带电线圈，会因为金属的磁感应原理导致中心轴12发热且温度过高，而使用直流短路电流则不会出现上述问题。此外，短路电流加热方式有利于对于线缆导体的整体温度控制。
40.基于上述制备方法，下面结合具体实施方式采用不同材质的纤维内芯、树脂基以及金属外覆层，并调控其中具体参数以制备螺旋线型弹簧11，需要注意的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明的范围进行限定。
41.实施例1：一种金属包树脂基连续纤维复合材料弹簧，具体的制造流程实施实例如下：s1. 根据产品性能需求，按照一定比例选用纤维丝束11，所述纤维丝束11为碳纤维，将其按照一定方式排布并集成一束穿过浸渍装置3，使其能在牵引装置作用下匀速前进。
42.s2. 将树脂基在保持一定温度和压力条件下通过进胶口2注入浸渍装置3中，所述树脂基为热固性双酚a型环氧树脂，需保证该温度下树脂基不发生固化反应。在纤维丝束匀速前进的同时，使树脂基胶料充分浸渍。
43.s3. 将浸渍完成的纤维丝束与金属外覆层4以相同速度通过纵向连续焊接装置5，所述金属外覆层4为不锈钢，将金属外覆层4纵包焊管，所述得到金属包纤维预浸料单线6。
44.s4. 金属包纤维预浸料单线6经过拉挤变形模具7，拉挤变形成所需截面形状。
45.s5. 将变形后的金属包纤维预浸料单线6经过校直装置8校直。
46.s6. 校直后的金属包纤维预浸料单线6通过收线装置收入线盘9。
47.s7. 将线盘9围绕中心轴12公转，同时根据所需螺距，以一定匀速延中心轴12轴向做相对水平直线运动，绕制程螺旋线型弹簧11。
48.s8. 将接触式电极10置于螺旋线型弹簧11两端，通过短路电流将螺旋线型弹簧11加热使其内部纤维增强复合材料固化，固化温度为150℃，固化完成后即可得到弹簧样品1。
49.实施例2：一种金属包树脂基连续纤维复合材料弹簧，具体的制造流程实施实例如下：s1. 根据产品性能需求，按照一定比例选用纤维丝束11，所述纤维丝束11为碳纤维与玻璃纤维复合纤维，具体结构参考图2，将其按照一定方式排布并集成一束穿过浸渍装置3，使其能在牵引装置作用下匀速前进。
50.s2. 将树脂基在保持一定温度和压力条件下通过进胶口2注入浸渍装置3中，所述树脂基为热固性双酚f型环氧树脂，需保证该温度下树脂基不发生固化反应。在纤维丝束匀速前进的同时，使树脂基胶料充分浸渍。
51.s3. 将浸渍完成的纤维丝束与金属外覆层4以相同速度通过纵向连续焊接装置5，所述金属外覆层4为不锈钢，将金属外覆层4纵包焊管，所述得到金属包纤维预浸料单线6。
52.s4. 金属包纤维预浸料单线6经过拉挤变形模具7，拉挤变形成所需截面形状。
53.s5. 将变形后的金属包纤维预浸料单线6经过校直装置8校直。
54.s6. 校直后的金属包纤维预浸料单线6通过收线装置收入线盘9。
55.s7. 将线盘9围绕中心轴12公转，同时根据所需螺距，以一定匀速延中心轴12轴向做相对水平直线运动，绕制程螺旋线型弹簧11。
56.s8. 将接触式电极10置于螺旋线型弹簧11两端，通过短路电流将螺旋线型弹簧11加热使其内部纤维增强复合材料固化，固化温度为200℃，固化完成后即可得到弹簧样品2。
57.实施例3：一种金属包树脂基连续纤维复合材料弹簧，具体的制造流程实施实例如下：s1. 根据产品性能需求，按照一定比例选用纤维丝束11，所述纤维丝束11为碳纤维与陶瓷纤维复合纤维，将其按照一定方式排布并集成一束穿过浸渍装置3，使其能在牵引装置作用下匀速前进。
58.s2. 将树脂基在保持一定温度和压力条件下通过进胶口2注入浸渍装置3中，所述树脂基为热塑性环氧树脂，需保证该温度下树脂基不发生固化反应。在纤维丝束匀速前进的同时，使树脂基胶料充分浸渍。
59.s3. 将浸渍完成的纤维丝束与金属外覆层4以相同速度通过纵向连续焊接装置5，所述金属外覆层4为铝合金，将金属外覆层4纵包焊管，所述得到金属包纤维预浸料单线6。
60.s4. 金属包纤维预浸料单线6经过拉挤变形模具7，拉挤变形成所需截面形状。
61.s5. 将变形后的金属包纤维预浸料单线6经过校直装置8校直。
62.s6. 校直后的金属包纤维预浸料单线6通过收线装置收入线盘9。
63.s7. 将线盘9围绕中心轴12公转，同时根据所需螺距，以一定匀速延中心轴12轴向做相对水平直线运动，绕制程螺旋线型弹簧11。
64.对比例1：与实施例2不同之处在于，步骤s8中，仅采用中心轴12内部加热装置进行固化过程的加热，固化温度为150℃，得到弹簧样品4。
65.对比例2：与实施例2不同之处在于，步骤s4中，金属包纤维预浸料单线6不经过拉挤变形模具7进行拉挤变形，得到弹簧样品5。
66.对比例3：与实施例2不同之处在于，步骤s8中，固化温度为240℃，得到弹簧样品6。
67.对弹簧样品1-6的性能依据中国国家标准gb/t 13828-2009《多股圆柱螺旋弹簧》进行测试，发现样品1-3的材料抗拉强度均高于样品4-6，其中样品5的材料抗拉强度稍优于样品4、6，样品4的材料抗拉强度稍优于6，其中样品4中弹簧存在拉力不均匀的现象，即弹簧每股之间的距离方差较大。
68.试验例1将样品2、5分别应用于汽车减震系统的减震器中，结果发现样品2相对于样品5的减震效果更为优良，汽车在通过颠簸路段时的振动更小。
69.此外，附图和描述中尽可能使用相同或类似的元件符号来指代相同或相似部分或步骤。附图是以简化形式呈现并且没有按精确比例绘制。仅为了方便和清楚起见，可以对附图使用诸如顶部、底部、左侧、右侧、向上、上方、上面、下面、下方、后面和前面的方向术语。这些和类似方向术语不应被解释为以任何方式限制本公开的范围。
技术特征：
1.一种金属包树脂基连续纤维复合材料弹簧，其特征在于，弹簧由复合弹簧线缠绕成螺旋状构成，所述复合弹簧线由内向外依次包括：纤维内芯，所述纤维内芯由多个纤维丝束集束或缠绕构成，结构连续且能够弯曲；树脂基，所述树脂基在室温下为液态，且加热后固化；金属外覆层，所述金属外覆层用于将树脂基包覆在纤维内芯外环面上。2.根据权利要求1所述的一种金属包树脂基连续纤维复合材料弹簧，其特征在于，所述树脂基包括热固性树脂或热塑性树脂。3.根据权利要求2所述的一种金属包树脂基连续纤维复合材料弹簧，其特征在于，所述热固性树脂包括环氧树脂或酚醛树脂中的一种或两种混合物。4.根据权利要求3所述的一种金属包树脂基连续纤维复合材料弹簧，其特征在于，所述热固性环氧树脂包括双酚a型环氧树脂、双酚f型环氧树脂一种或两种混合物。5.根据权利要求2所述的一种金属包树脂基连续纤维复合材料弹簧，其特征在于，所述热固性树脂固化温度为150-200℃。6.根据权利要求1所述的一种金属包树脂基连续纤维复合材料弹簧，其特征在于，所述纤维内芯包括碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维、聚乙烯纤维、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维中的任意一种或多种纤维缠绕组合。7.根据权利要求1所述的一种金属包树脂基连续纤维复合材料弹簧，其特征在于，所述金属外覆层包括不锈钢、镀锌钢、铝或铝合金中的其中一种或多种合金。8.一种如权利要求1-7任一项所述金属包树脂基连续纤维复合材料弹簧的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：s1、向浸渍装置中添加足量的树脂基，浸渍装置中的温度保证树脂基不会固化，将所述纤维内芯穿过浸渍装置，以在其表面浸渍所述树脂基，得到纤维预浸料单线；s2、将所述纤维预浸料单线与所述金属外覆层以相同速度通过激光焊管装置，将不锈钢纵包焊管，得到金属包纤维预浸料单线；s3、将所述金属包纤维预浸料单线经过拉挤变形模具，拉挤变形成所需截面形状；s4、将变形后的所述金属包纤维预浸料单线经过校直装置校直，然后通过收线装置收入线盘；s5、将所述线盘围绕中心轴公转，同时根据所需螺距，以一定匀速延中心轴轴向做相对水平直线运动，将所述金属包纤维预浸料单线绕制成螺旋线型弹簧；s6、将接触式电极置于螺旋线型弹簧两端，通过短路电流将螺旋线型弹簧加热使其内部纤维增强复合材料固化，得到金属包树脂基连续纤维增强复合材料弹簧。9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述接触式电极包括水银滑环或者滑轮导体。10.一种减震器，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的金属包树脂基连续纤维复合材料弹簧。
技术总结
本发明属于纤维增强复合材料零件制造技术领域，尤其涉及一种金属包树脂基连续纤维复合材料弹簧，及其制备方法、用途。本发明利用了金属包连续长纤维预浸料处于未固化状态时，是可以进行变形加工的特点，在此基础上先将金属包树脂基连续纤维通过模具轴缠绕成型，然后利用金属外覆层本身的导电特性对树脂基进行均匀加热快速固化，以制备性能优良的复合材料弹簧。与现有技术相比，本发明的有益效果是：固化成型时不需要模具，不会产生脱模困难的问题，同时浸渍后的纤维丝束被金属层包覆，胶料不会下滴脏污设备和环境。工艺过程便捷高效，且便于大长度生产。产品具有金属外覆层，耐候性、耐腐蚀性、抗冲击性极佳。抗冲击性极佳。抗冲击性极佳。
