碳/碳复合材料弹簧元件及其制造方法技术

[问题]为了提供即使在超过1000℃的高温环境中也可以重复使用，具有使得能够支撑大负荷的高的扭转刚度，并且可以用作弹簧垫圈的弹簧元件。[方案]这种螺旋环形形状的弹簧元件配置成包含具有堆叠的层结构的二维碳/碳复合材料，其中层沿着所述弹簧元件的中心轴线方向堆叠。

Carbon / carbon composite spring element and its manufacturing method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】碳/碳复合材料弹簧元件及其制造方法
本专利技术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，本专利技术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。
技术介绍
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(inconelalloy)和哈氏合金(hastelloyalloy)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(nosecap)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
技术实现思路
本专利技术要解决的问题基于上述技术背景构思出本专利技术。本专利技术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，在本专利技术的第一方面中，本专利技术包括如下：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。在本专利技术的第二方面中，本专利技术包括如下：本专利技术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。在本专利技术的第三方面中，本专利技术包括如下：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。在本专利技术的第四方面中，本专利技术包括如下：本专利技术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℃。在本专利技术的第五方面中，本专利技术包括如下：本专利技术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。专利技术效果在本专利技术中，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，通过使用本专利技术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示出了本专利技术的由碳/碳复合材料制成的弹簧元件的典型实例。[图2]图2示出了本专利技术的由碳/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，说明本专利技术的由碳/碳复合材料制成的弹簧元件。...

【技术保护点】
1.一种具有螺旋和环形形状的弹簧元件，/n其中所述弹簧元件由具有层结构的二维碳/碳复合材料制成，所述层结构具有与所述弹簧元件的朝向所述弹簧元件的中心轴线的方向的表面平行地层合的层。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170607 JP 2017-1123671.一种具有螺旋和环形形状的弹簧元件，
其中所述弹簧元件由具有层结构的二维碳/碳复合材料制成，所述层结构具有与所述弹簧元件的朝向所述弹簧元件的中心轴线的方向的表面平行地层合的层。


2.根据权利要求1所述的具有螺旋和环形形状的弹簧元件，
其中所述二维碳/碳复合材料具有层结构，所述层结构具有与所述弹簧元件的朝向所述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。


3.一种用于制造具有螺旋和环形形状的弹簧元件的方法，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，其中所述碳/碳复合材料的所述板或所述预制板具有通过使单向碳纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：橘正晴，龟崎昭雄，松村和，
申请(专利权)人：株式会社CFC设计，
类型：发明
国别省市：日本;JP