碳纤维复合材料弹簧及其制造方法.pdf

本发明公开了一种碳纤维复合材料弹簧及其制造方法，所述的弹簧包括至少一个弹性片，弹性片包括弧形部、平直部，弹性片通过弧形部或平直部相互连接；该方法将碳纤维复合材料放置到下模的弹簧模腔内，碳纤维复合材料沿曲面铺设，将上模压制到碳纤维复合材料上挤压它，同时对上模和下模加热，温度大于600C，然后待碳纤维复合材料冷却固化后脱模；其中下模为硬模具，由金属制成，上模为软的硅橡胶模具，是由硅橡胶材料注入模具中成型固化而得，该弹簧形变较大,弹性系数高，承载负荷大，该方法有利于低成本、快速、少浪费材料。

权利要求书
1.  一种碳纤维复合材料弹簧，其特征在于：所述的弹簧包括至少一个弹性片（1），所述的弹性片（1）包括中间弧形隆起的弧形部（1.2）和两端平直的平直部（1.1），所述的弹性片（1）通过弧形部（1.2）或平直部（1.1）相互连接。

2.  根据权利要求1所述的碳纤维复合材料弹簧，其特征在于：所述的弧形部（1.2）和平直部（1.1）之间设有承接部（1.3），所述承接部（1.3）的一端连接弧形部（1.2），承接部（1.3）的另一端连接平直部（1.1），承接部（1.3）和平直部（1.1）形成开口状。

3.  根据权利要求2所述的碳纤维复合材料弹簧，其特征在于：所述的承接部（1.3）为外凸的弧形状，平直部（1.1）朝内延伸。

4.  根据权利要求1所述的碳纤维复合材料弹簧，其特征在于：所述的弹簧由两个弹性片（1）组成，两个弹性片（1）通过弧形部（1.2）相互连接形成十字连接结构。

5.  根据权利要求1所述的碳纤维复合材料弹簧，其特征在于：所述的弹簧由两个弹性片（1）组成，两个弹性片（1）分别通过两端的平直部（1.1）相互连接，形成环状或椭圆环状。

6.  根据权利要求1或2所述的碳纤维复合材料弹簧，其特征在于：所述的弹簧由多个弹性片（1）组成，多个弹性片（1）通过平直部（1.1）连接形成一个长的带状弹簧。

7.  根据权利要求3所述的碳纤维复合材料弹簧，其特征在于：所述的弹簧由多个弹性片（1）组成，多个弹性片（1）平行设置，通过设在弧形部（1.2）上的连接片（2）连接形成一个长的带状弹簧。

8.  一种碳纤维复合材料弹簧的制造方法，其特征在于：将浸渍树脂的碳纤维复合材料放置到下模（3）的弹簧模腔内，碳纤维复合材料沿曲面铺设，将上模（4）压制到碳纤维复合材料上挤压它，同时对上模（4）和下模（3）加热，温度大于600C，然后待碳纤维复合材料冷却固化后脱模；其中所述的下模（3）为硬模具，由金属制成，上模（4）为软的硅橡胶模具，是由硅橡胶材料注入模具中成型固化而得。

说明书碳纤维复合材料弹簧及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种弹性体，具体是一种碳纤维复合材料弹簧及其制造方法。
背景技术
弹簧或弹簧状的弹性体传统上都是采用金属材料，但有些地方需要使用较轻的弹簧，如航空航天和汽车领域，可通过减轻设备的重量提高燃料的使用效率，又如头盔和鞋, 可提供更强的缓冲垫子以增加保护效果和舒适性，如果能实现弹簧的轻质化将为这些应用带来前所未有的好处。
碳纤维复合材料是一种由基体和碳纤维组合而成，具有多层次结构形式的增强复合材料，其比模量可以比钢和铝合金高5倍，比强度可以比钢和铝合金高3倍，但比重却很小，每单位体积的重量只有钢的20%，一个与钢弹簧具有相同阻力的碳纤维复合材料弹簧其重量可能只有钢弹簧的1 / 15，而且碳纤维复合材料弹簧具有较高的耐化学性和较低的热膨胀性，比钢弹簧更耐用而且不生锈。
然而，碳纤维复合材料弹簧的性能深受其构造的影响，由于碳纤维自身相对较软，一束碳纤维束弯曲不会产生足够的张力给螺旋或叶片状弹簧提供反弹性，做成常规螺旋或叶片状的碳纤维复合材料弹簧比同样形状的金属弹簧的承载能力更差，故用碳纤维复合材料制作弹簧面临着一些挑战，如弹性差、易碎、各向异性高，这些特性本质上是不适合弹簧，从而已知造出的碳纤维复合材料弹簧形变小，弹性系数低，承载负荷小，利用碳纤维复合材料的独特的高抗拉强度，弹簧结构必须特殊设计和测试，才能达到大承载能力。另外，目前各种形状的碳纤维复合材料部件主要使用抽真空工艺和热压工艺制成的，真空和热压工艺使用真空压力将环氧树脂浸渍过的碳纤维复合材料固定在模具里，在不断升高的温度下固化，这种工艺复杂、劳动密集、耗费工时，要求设备资本投入大，材料浪费严重，因此生产的碳纤维复合材料部件成本高，这些昂贵的工艺限制了碳纤维复合材料的应用范围。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种形变较大, 弹性系数高，承载负荷大的碳纤维复合材料弹簧，同时也提供此种碳纤维复合材料弹簧的制造方法，该方法工艺简单,材料浪费较少，效率较高，实现低成本产出。
本发明所采用的技术方案是：提供一种碳纤维复合材料弹簧，所述的弹簧包括至少一个弹性片，所述的弹性片包括中间弧形隆起的弧形部和两端平直的平直部，所述的弹性片通过弧形部或平直部相互连接。
所述的弧形部和平直部之间设有承接部，所述承接部的一端连接弧形部，承接部的另一端连接平直部，承接部和平直部形成开口状。
所述的承接部为外凸的弧形状，平直部朝内延伸。
所述的弹簧由两个弹性片组成，两个弹性片通过弧形部相互连接形成十字连接结构。
所述的弹簧由两个弹性片组成，两个弹性片分别通过两端的平直部相互连接，形成环状或椭圆环状。                  
所述的弹簧由多个弹性片组成，多个弹性片通过平直部连接形成一个长的带状弹簧。
所述的弹簧由多个弹性片组成，多个弹性片平行设置，通过设在弧形部上的连接片连接形成一个长的带状弹簧。
本发明还提供了一种碳纤维复合材料弹簧的制造方法，该方法将浸渍树脂的碳纤维复合材料放置到下模的弹簧模腔内，碳纤维复合材料沿曲面铺设，将上模压制到碳纤维复合材料上挤压它，同时对上模和下模加热，温度大于600C，然后待碳纤维复合材料冷却固化后脱模；其中所述的下模为硬模具，由金属制成，上模为软的硅橡胶模具，是由硅橡胶材料注入模具中成型固化而得。
以上结构的碳纤维复合材料弹簧设计有许多优势用来作为缓冲件，首先，这种结构充分利用了碳纤维的抗拉强度增加弹簧的最大负载力，使之有良好的动能吸收能力；其次，生产的弹簧允许最大的自由变形，允许变形超过其原始高度的80%，从而吸收和储存更多的动能；第三，由于碳纤维的特征，它非常轻，轻于厚度相同聚合物泡沫垫；第四，长带状的弹簧设计有效地利用了材料，减少了浪费，而且弹簧可直接使用碳纤维，不需要使用昂贵的碳纤维编织布；第五，弹簧提供高效的能源存储和释放能力；第六，通过改变弓的形状和厚度及堆码形式，可根据应用定制适应各种冲力要求的弹簧；最后，它可以通过模具实现规模化生产，提供给消费者优质并可接受价格的广泛应用方案。
    这种新工艺不需要真空萃取或热压工艺和需消耗多余的材料，这个工艺专为复杂的碳纤维复合材料结构制造设计，软模可重复使用，本创新结合了三个方面：1）用非常柔软的模子能够将压力施加到复杂的曲面;2）橡胶材料被加热时可以自我产生较大的按压力;3）上模具不会粘到碳纤维。
因此，本发明的橡胶模具法有利于低成本、快速、少浪费地生产碳纤维复合材料弹簧，在弹簧制造中，最好将碳纤维朝一个方向堆码在曲面上，然后通过升高温度固化树脂。这是第一不需要使用真空的方法用于生产复杂弯曲的碳纤维复合材料。
附图说明
图1a为本发明具有一个弹性片的的示意图。
图1b为图1a中的弹簧在压缩状态下时的示意图。
图2a为本发明具有两个弹性片的示意图。
 图2b为图2a中的弹簧在压缩状态下时的示意图。
 图3a为本发明具有两个弹性片的另一示意图。
 图3b为图3a所示弹簧在压缩状态下的示意图。
  图4为由多个弹性片连接形成的弹簧带的结构示意图。
图5为由多个弹性片连接形成的弹簧带的另一结构示意图。
 图6是两个用于制造碳纤复合材料弹簧模具的立体三维图。
 图7 所示是一个带有碳纤维复合材料弹簧作后跟缓冲垫的鞋。
 图8是几种鞋跟在不同力量作用下形变力比较图，一种鞋跟是用图1a中的弹簧作后跟的，一种是用传统橡胶作的，另外一种是用金属作的。
 图9是一个配有碳纤维复合材料弹簧缓冲垫的头盔。
 图10是一个配置了碳纤维复合材料弹簧缓冲垫的座椅。
图中，1、弹性片，1.1、平直部，1.2、弧形部，1.3、承接部，2、连接片，3、下模，4、上模。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做详细的说明。
如图1a~图5所示，本发明碳纤维复合材料弹簧，包括至少一个弹性片1，弹性片1包括中间弧形隆起的弧形部1.2和两端平直的平直部1.1，当包括两个或两个以上的弹性片1时，弹性片1通过弧形部1.2或平直部1.1相互连接。弹性片1的弧形部1.2和平直部1.1之间设有承接部1.3，承接部1.3的一端连接弧形部1.2，承接部1.3的另一端连接平直部1.1，承接部1.3和平直部1.1形成开口状。
本发明在具体实施时，承接部1.3可以采用外凸的弧形状，平直部1.1朝内延伸，所谓的内是指弧形部1.2所对应的圆心区域，弹簧由两个弹性片1组成时，两个弹性片1通过弧形部相互连接形成十字连接结构，具体如图2a、图2b所示；另一种结构是两个弹性片1通过两端的平直部1.1相互连接，形成环状或椭圆环状，也就是两个弹性片1相对设置，通过平直部1.1连接，具体如图3a、图3b。弹簧由多个弹性片1组成时，多个弹性片1通过平直部1.1连接形成一个长的带状弹簧，也就是一个弹性片1通过平直部1.1长度方向上的端面和另一弹性片1的平直部1.1长度方向的端面连接，也可以多个弹性片1平行设置，通过设在弧形部1.2上的连接片2将多个弹性片1连接形成一个长的带状弹簧，具体如图4、图5。
本发明碳纤维复合材料弹簧的制造方法是，该方法将浸渍树脂的碳纤维复合材料放置到下模3的弹簧模腔内，碳纤维复合材料沿曲面铺设，将上模4压制到碳纤维复合材料上挤压它，同时对上模4和下模3加热，温度大于600C，然后待碳纤维复合材料冷却固化后脱模；其中所述的下模3为硬模具，由金属制成，上模4为软的硅橡胶模具，是由硅橡胶材料注入模具中成型固化而得。
以下通过举例的方式来详细描述本发明碳纤维复合材料弹簧应用的几个实施例，但是下面的陈述不应被视为限制权利要求。
实施例1：碳纤维复合材料弹簧鞋
目前的鞋由于减震能力差，不足以防止持续走动或负重活动时，硬地面对人体造成的损伤。步行时，整个身体的重量转移到一个单一的脚上，地面对单个脚的反作用力达到约3倍的体重，跑步时，反作用力可达到体重的8倍，这种力向上传导到骨胳时对人身体有害，如运动员、士兵、工人、护士、超重的人或老年人，长期行在在硬路面上，会导致踝关节晃动、膝关节疼痛、背部疼痛、肌肉疲劳，甚至在某些情况下，胫骨骨折。此外，目前的鞋不能大幅度减缓地面冲击力，在持续运动时会导致肌肉疲劳并减少耐力，这是因为身体的肌肉在冲击力急剧上升的瞬间会自然地拉紧，以保护身体软组织和内脏器官免受震动伤害。
目前，变形的橡胶聚合物复合材料或高分子泡沫材料作为鞋后跟缓冲原材料，能够部分减弱来自硬地面的冲击力，但这种材料同时具有许多缺陷：变形小而减震能力不足，重，常常是鞋的主要重量，经过短暂的使用后会失去弹性，在寒冷的天气会变硬。
人们一直在寻求增加鞋底的弹性变形从而提高减震效果，多年来，许多方法已经应用，包括将鞋跟垫中间充满气体或液体，或安装塑料和金属弹簧，但由于材料特性所限，虽然填充了空气或液体的鞋底增加了对冲击力的吸收，由于整体变形位移很小，增加的幅度有限。将塑料材料弯曲成叶型制成的弹簧已在几个专利披露，包括编号为US 5461800A和US20110138652 A1，然而，由于塑料材料是不是纯粹的弹性材料，很容易变形，因此这些鞋刚性位移小并缺乏弹性而非常硬，对地面冲击力吸收的改进较小，因为很少的能量可以被存储在这些塑料材料中。采用金属弹簧，提高了减震和能量存储/恢复能力，但金属弹簧鞋太重太大，穿起来很不舒服，因为需要足够大的金属弹簧能支持一个常人的体重，这种也有相关专利的披露，其中一个例子是US 5435079 A “z-线圈”鞋。
使用本发明碳纤维复合材料弹簧可以大大提高鞋底减震水平，这是以往任何一种方式无法比及的。这是由于碳纤维复合材料弹簧有超大的压缩率，可以达到80%以上，而目前的功能鞋的聚合物泡沫材料具有的压缩率仅为10%。能量吸收和鞋底的形变近似成正比，碳纤维复合材料弹簧的减震效果可以达到约7倍的常规泡沫鞋，足以降低大多数体育活动的冲击力。
图7说明了应用本发明碳纤维复合材料弹簧的鞋，采用如图1a所描述的弹簧结构，保护脚跟免受冲击力。碳纤维复合材料弹簧也可以被纳入在前脚掌110的鞋底内，用于缓冲脚指内外区域。鞋进一步包括一层鞋底120，这是一层硬橡胶，用来作弹簧底部，提供附着力。
参考图8比较碳纤维复合材料弹簧鞋底弹性与泡沫塑料跑鞋底和带金属弹簧的鞋底弹性，在同样的外力下，碳纤维复合材料弹簧鞋底表现出较大的形变率，大约是泡沫塑料跑鞋底的3倍。图8显示碳纤维复合材料弹簧鞋鞋底持续在变形，从而减缓更大的外力，金属弹簧的鞋底由于线圈的长度短而很快达到极限。此外，在测试的碳纤维复合材料弹簧底比是金属弹簧鞋底轻4倍，比泡沫胶鞋底轻2倍。
本碳纤维复合材料弹簧鞋结构紧凑，不增加鞋底的厚度，但抵消了鞋底的大冲击力，因为碳纤维复合材料弹簧轻于橡胶, 鞋也很轻便。因为弹簧是做的垂直弹性运动，不消耗能量，这款鞋“弹性”非常好，让人感觉着地软，额外的能量反馈提供了起动的升力。通过改变沿曲面弯曲弹簧的厚度，本碳纤维复合材料弹簧鞋可以将一个垂直向下的能量转换成步步向上的提升力。此外，通过调整脚底弹簧内外侧的厚度，使脚底内侧弹簧厚度比外部部分较薄，从而可以保持姿势优雅，步态平衡，也有利于脚在步行状态下的自然伸展。
应用本碳纤维复合材料弹簧鞋可以包含其他形状的碳纤维复合材料弹簧, 各种形状,各种位置，包括本发明碳纤维复合材料弹簧在图中描绘图1a~图6。
 实施例2：碳纤维复合材料弹簧衬垫头盔
头盔能有效防止颅骨骨折，但他们在预防脑损伤如脑震荡方面仍然不足。研究表明，在体育,驾驶和建筑工程等各种各样的活动中，每年有超过1，000，000美国人经历脑震荡。创伤性脑损伤可导致严重的、永久性残疾或死亡。目前用于头盔可变形聚合物泡沫材料太薄，不足以防止强烈的震撼力冲击脑组织。脑震荡发生在大脑中的软组织在遇到突然的外力时而晃动，增加泡沫厚度会使头盔变大并增加头盔的重量，穿载不方便，舒适性也受到影响，因此该解决方案是不现实的。此外，由于外部压力或负荷使泡沫材料在不可逆状态下保持长时间，泡材料的缓冲性能会因经常使用而失去缓冲特性，塑料发泡材料的动态性能与温度关系密切，在寒冷的气温下它们会变硬，从而失去形变缓冲性能。许多泡沫衬垫头盔还有通风不良、出汗引起的不舒适等不足之处。
本发明的衬垫头盔的结构如图9，此结构提供了一种新的解决方案，大大增加头盔冲击吸收能力，从而减少损伤大脑软组织。本头盔包括外帽壳210和内壳230，碳纤维复合材料弹簧220放置在外帽壳210和内壳230中间，这个紧凑的碳纤维复合材料弹簧衬垫头盔可能比以前任何一种头盔产生更大的形变及减缓外部冲击，比目前的泡沫垫头盔吸收更多的能量，防止脑震荡。碳纤维复合材料弹簧减震比泡沫头盔具有7倍以上的能量吸收能力。基于碳纤维的头盔重量较轻，戴起来更舒适，通气。碳纤维复合材料弹簧衬垫头盔双壳层内的弹簧自由运动也提供了抗旋转反向作用力，这样就将旋转产生的扭力转换成弹簧压缩力。
应用于头盔的金属弹簧的概念在专利US 2010 / 0083424 A1和US 2013 / 0185837 A1中都有提出，但由于金属的重量而无法现实，本发明的碳纤维复合材料弹簧衬垫头盔从根本上克服了以往的设计局限。
实施例3：碳纤维复合材料弹簧座垫椅
碳纤维复合材料弹簧座垫椅能减少飞机座椅的厚度和重量，有利于增加更多的席位，减轻飞机重量。商用飞机，每减少1磅可以节省价值500美元的燃料。然而，飞机座椅必须满足严格的FAA（联邦航空航天局）强度要求，能承受16倍重力，还要通过碰撞测试，这对碳纤维复合材料弹簧是个挑战。
在参考图10中，座椅配备了碳纤维复合材料弹簧形成座椅结构310,320,330,340，以适应不同的弹性要求。碳纤维复合材料有脆性的缺点，虽然他们很结实但在大力冲击下容易开裂。设计座椅时，将碳纤维复合材料弹簧设计在关键座椅支撑结构中，即使受到大的外力冲击, 如在迫降时，这种支撑结构只会弯曲不会破裂因为弯曲吸收能量，弯而不断的特点从根本上克服了碳纤维复合材料固有的破裂可靠性问题。
本座椅进一步配置了碳纤维复合材料弹簧座垫350和靠垫360，提高舒适性的同时也最大限度地减少重量和尺寸。它采用本发明碳纤维复合材料弹簧在底部和背部形成垫。由于其大的变形能力及各种弹簧的曲率和厚度不同，可以形成不同缓冲力的座垫，本弹簧座垫非常舒适，大大减少了由振动引起的疲劳。基于弓形原理还可以设计出更多的弹簧变种，包括本发明公开的碳纤维复合材料弹簧。此外，配置了本发明碳纤维复合材料弹簧座垫的座椅可提高生存能力，因为它在火灾的情况下只会产生非常少量有毒气体。此外，弹簧垫的性能不会随着时间老化，消除了每五年更换传统的泡沫垫造成的工业废物，因此，携带更多的乘客，提高燃油效率，乘坐更舒适，在火灾或坠机情况下更安全，这就是为什么要急切采用飞机碳纤维复合材料弹簧座椅的理由。
本发明的的许多特点和优点已在前面描述中加以说明，本发明的结构和功能的细节以及一些新颖性在实例中都已一一说明。本次披露的信息只是为了说明本发明，并不防碍日后在细节上的更改，尤其是在形状、大小、结构方面。