一种碳纤维辊轴及其制备方法与流程

本技术涉及一种碳纤维辊轴及其制备方法，属于碳纤维辊轴。

背景技术：

1、碳纤维复合材料具有密度低、比强度高、比模量高、耐疲劳性能好等优点，可以应用于印刷、造纸、薄膜、锂电池极片、纺织等设备的辊轴中。碳纤维辊轴通常包括碳纤维复合材料管体以及设置于管体两端的金属轴头，其中金属轴头用于与轴承、联轴器或传动机构连接，其与碳纤维复合材料管体之间的连接可靠性直接影响辊轴的承载性能、旋转精度和使用寿命。

2、现有碳纤维辊轴中，金属轴头与碳纤维复合材料管体多采用胶接、过盈配合、螺钉固定或简单插接等方式连接。单纯胶接方式主要依赖胶层传递载荷，在高速旋转、反复启停或扭矩传递工况下，容易出现界面脱粘、胶层开裂或轴头松动；过盈配合或机械紧固方式则容易在管体端部产生应力集中，甚至破坏碳纤维连续铺层结构，影响辊轴的疲劳寿命和运行稳定性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种碳纤维辊轴及其制备方法，以改善金属轴头与碳纤维复合材料管体之间连接强度不足、界面易脱粘、端部应力集中以及辊轴运行精度稳定性差的问题。

2、为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

3、根据本技术的一个方面，提供了一种碳纤维辊轴的制备方法，包括如下步骤：

4、步骤一、在金属轴头的内连接段加工形成环形倒扣槽，对环形倒扣槽的内表面进行喷砂处理，使表面粗糙度ra为1.5-3.5μm；

5、步骤二、采用碳纤维浸渍环氧树脂在芯模上进行缠绕成型，缠绕温度为20-45℃，张力为15-60n，缠绕完成后在真空袋压条件下进行预压实处理，预压实真空度≤-0.080mpa，温度为40-70℃，时间为20-60min，使碳纤维层间贴合，形成未完全固化的碳纤维复合材料管坯；

6、步骤三、将金属轴头的内连接段插入碳纤维复合材料管坯的端部内腔，使端部铺层嵌入环形倒扣槽内，并在界面处填充改性环氧树脂胶，在真空度≤-0.085mpa下进行分段固化处理，使碳纤维复合材料管体与金属轴头形成端部倒扣嵌合一体结构；

7、步骤四、对碳纤维复合材料管体的外圆进行精加工，使碳纤维辊轴的径向跳动≤0.05mm，表面粗糙度ra≤0.8μm。

8、可选地，步骤二中，所述碳纤维沿管体厚度方向包括轴向层、过渡层和环向层，轴向层铺设角为0°，环向层铺设角为80-90°，过渡层铺设角为±45°。

9、可选地，步骤三中，分段固化包括预固化、主固化和后固化；

10、预固化的温度为60-90℃，时间为1-3h，主固化的温度为120-160℃，时间为2-5h，后固化的温度为160-180℃，时间为1-4h。

11、可选地，所述改性环氧树脂胶的制备方法包括：

12、s1、将环氧树脂在25-60℃下搅拌10-60min，加入聚醚砜树脂，于50-90℃下搅拌80-120min，得到预混液；

13、s2、将纳米无机填料置于氧等离子体中进行表面活化处理，处理功率为100-300w，压力为10-80pa，时间为5-30min，再加入乙醇和水的混合溶液中，于800-2000r/min下搅拌分散，然后加入硅烷偶联剂，在60-80℃下反应2-4h，离心，洗涤，干燥，得到改性纳米填料；

14、s3、将改性纳米填料加入预混液中，在200-800w下超声分散5-30min，再加入短切碳纤维，在200-800r/min下搅拌5-30min，然后加入固化剂和促进剂，继续在200-800r/min下搅拌5-30min，得到改性环氧树脂胶。

15、可选地，所述环氧树脂为双酚a型环氧树脂或双酚f型环氧树脂；

16、和/或，所述硅烷偶联剂为重量比（2-5）：1的3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷和3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷；

17、和/或，所述纳米无机填料选自纳米二氧化硅、纳米氧化铝、碳纳米管或石墨烯中的一种或多种；

18、和/或，所述固化剂选自甲基四氢邻苯二甲酸酐、甲基六氢邻苯二甲酸酐、六氢邻苯二甲酸酐、十二烯基琥珀酸酐中的一种或多种；

19、和/或，所述促进剂选自2-甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、苄基二甲胺中的一种或多种。

20、可选地，所述聚醚砜的加入量为环氧树脂的8-20wt%；

21、和/或，所述纳米无机填料的加入量为环氧树脂的2-6wt%；

22、和/或，所述硅烷偶联剂的加入量为纳米无机填料的5-12wt%；

23、和/或，所述短切碳纤维的加入量为环氧树脂的0.5-5wt%；

24、和/或，所述固化剂的加入量为环氧树脂的70-90wt%；

25、和/或，所述促进剂的加入量为环氧树脂的0.5-2wt%。

26、根据本技术的另一个方面，提供了一种碳纤维辊轴，所述碳纤维辊轴通过上述任一项所述的碳纤维辊轴的制备方法制备得到。

27、可选地，所述碳纤维辊轴包括碳纤维复合材料管体及设置在碳纤维复合材料管体两端的金属轴头，所述金属轴头与碳纤维管体之间锁固连接。

28、可选地，所述金属轴头的内连接段设置有环形倒扣槽，所述碳纤维复合材料管体的端部嵌入所述环形倒扣槽内，并与所述环形倒扣槽形成锁固的机械嵌合结构。

29、可选地，所述环形倒扣槽为2-5个沿轴向间隔设置的阶梯结构，相邻环形倒扣槽的轴向间距为5-10mm，每个环形倒扣槽的槽深为0.3-1.2mm，所述环形倒扣槽的侧壁形成朝向轴向外侧收缩的倒锥面，所述倒锥面相对于金属轴头轴线的夹角为70-85°。

30、本技术的有益效果包括但不限于：

31、1．本技术的碳纤维辊轴，通过在金属轴头的内连接段设置环形倒扣槽，并在碳纤维复合材料管坯未完全固化状态下使端部铺层嵌入环形倒扣槽内，经分段固化后形成端部倒扣嵌合一体结构，不仅能够提高金属轴头与碳纤维复合材料管体之间的机械锁固强度，还可以避免单纯胶接方式下易出现的界面脱粘、轴头松动等问题，提高辊轴的抗拉拔能力和抗扭矩传递能力。

32、2．本技术的碳纤维辊轴，通过对环形倒扣槽的内表面进行喷砂处理，并在碳纤维复合材料管体端部铺层与金属轴头之间填充改性环氧树脂胶，改性环氧树脂胶能够渗入端部铺层间隙以及喷砂表面的微凹坑中，固化后在金属轴头、环形倒扣槽和碳纤维端部铺层之间形成连续界面过渡层，从而填充装配间隙、增大界面结合面积、分散端部应力集中，并使拉拔力和扭矩更均匀地传递至碳纤维复合材料管体。

33、3．本技术的碳纤维辊轴，改性环氧树脂胶填充于金属轴头与碳纤维复合材料管体端部之间，并引入聚醚砜树脂、双硅烷改性纳米填料、短切碳纤维和固化剂，其中，固化剂与环氧树脂在分段固化过程中形成交联固化网络，使胶层能够与金属轴头的粗化表面及碳纤维复合材料管体端部铺层形成稳定结合；双硅烷改性纳米填料通过环氧基和甲基丙烯酰氧基的协同作用，提高纳米填料与环氧树脂体系的反应相容性、界面润湿性和分散稳定性，从而增强胶层对金属轴头表面微凹坑及碳纤维端部铺层间隙的浸润填充能力；聚醚砜树脂提高胶层韧性，短切碳纤维形成桥联增强结构，二者配合抑制胶层裂纹扩展并缓解金属轴头与碳纤维复合材料管体之间的界面应力集中，从而提高端部连接区的抗剪切、抗剥离和耐疲劳性能。

34、4．本技术的碳纤维辊轴的制备方法，通过控制碳纤维的缠绕温度、张力、真空预压实条件、分段固化条件以及后续外圆精加工精度，可以提高碳纤维复合材料管体的层间贴合质量、端部嵌合稳定性和整体尺寸精度，使所得碳纤维辊轴具有较低的径向跳动和较高的表面加工精度，从而满足高速旋转工况下对轻量化、高精度和运行稳定性的要求。