一種汽車防撞結(jié)構(gòu)件及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種汽車防撞結(jié)構(gòu)件及其制備方法，通過對碳纖維材料進行鋪層疊置并同時與樹脂材料進行熱壓復(fù)合，形成樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件，然后將其與金屬材料構(gòu)件進行固定連接，得到的汽車防撞結(jié)構(gòu)件既包括有碳纖維材料，又含有金屬基層，不但保留了金屬防撞構(gòu)件強度大、韌性高等優(yōu)勢，滿足了防撞結(jié)構(gòu)件與車身結(jié)構(gòu)件焊接連接的要求，而且充分利用了碳纖維材料密度低、質(zhì)量輕、比模量及比強度優(yōu)異、抗腐蝕性強、模態(tài)高等優(yōu)點，使得所述汽車防撞構(gòu)件具有質(zhì)量輕、強度大、耐腐蝕、吸能能力優(yōu)且在受到中低速碰撞時不會與車身產(chǎn)生脫落的等獨特優(yōu)勢，更加有利于汽車行駛過程中的NVH控制，促進了碳纖維材料在汽車零部件中的廣泛應(yīng)用，市場前景廣闊。
【專利說明】
一種汽車防撞結(jié)構(gòu)件及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于汽車零部件制造領(lǐng)域，具體涉及汽車防撞結(jié)構(gòu)件的設(shè)計和制備，特別是包含碳纖維材料的汽車防撞結(jié)構(gòu)件及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]輕量化目前已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。汽車輕量化就是在保證汽車的強度和安全性能前提下，盡可能的降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。碳纖維復(fù)合材料是實現(xiàn)汽車輕量化的一種選擇。隨著碳纖維成本的下降以及加工工藝的提升，碳纖維復(fù)合材料在汽車的應(yīng)用也已從賽車及豪華車逐漸轉(zhuǎn)向了量產(chǎn)車型上。目前的研究方向是針對碳纖維復(fù)合材料的特點，加快碳纖維復(fù)合材料在汽車零部件領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0003]汽車防撞結(jié)構(gòu)件，如汽車防撞橫梁是作為吸收緩和外界沖擊力的車身結(jié)構(gòu)件，它的主要作用是在中低速碰撞時，吸收撞擊力，從而減少對承載式車身的直接損傷，同時降低維修費用。目前的汽車防撞結(jié)構(gòu)件基本上都是使用高強度的金屬材料或合金材料制作，雖然強度高、耐撞擊變形，但是具有以下缺點:質(zhì)量較重，非常不利于整車輕量化的設(shè)計，抗腐蝕性差，嚴重影響使用壽命。目前也有提出直接使用碳纖維材料作為汽車防撞結(jié)構(gòu)件的方案，但是目前碳纖維材料取代金屬材料在汽車防撞結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用存在以下技術(shù)問題:作為防撞結(jié)構(gòu)件的碳纖維材料自身強度及延伸率較低，韌性差，在受到外力沖擊時容易發(fā)生破碎，尤其是在受到較大的偏置沖擊力時，碳纖維材料汽車防撞結(jié)構(gòu)件容易發(fā)生斷裂，從而無法將受到的沖擊能量傳遞給與其連接的吸能結(jié)構(gòu)件以及汽車車身，容易造成較嚴重的安全事故，而且純碳纖維材料無法與車身結(jié)構(gòu)件實現(xiàn)焊接連接，這會導致受到撞擊時防撞結(jié)構(gòu)件容易與車身發(fā)生脫落分離。因此如何有效的將碳纖維材料應(yīng)用于汽車防撞結(jié)構(gòu)件的設(shè)計中，使其在實現(xiàn)汽車輕量化設(shè)計的同時能夠很好的滿足汽車的碰撞要求，對于促進碳纖維材料在汽車零部件【技術(shù)領(lǐng)域】的應(yīng)用以及促進汽車的輕量化發(fā)展意義重大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明基于上述現(xiàn)有技術(shù)問題，創(chuàng)新的提出一種使用了碳纖維材料的汽車防撞結(jié)構(gòu)件及其制備方法，本發(fā)明通過創(chuàng)新的對碳纖維材料進行鋪層疊置并同時與樹脂材料進行熱壓復(fù)合，形成樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件，然后將其與金屬材料構(gòu)件進行膠-螺混合固定連接，使得所提供的汽車防撞結(jié)構(gòu)件即包括有碳纖維材料，又含有金屬基層，不但保留了金屬防撞構(gòu)件強度大、韌性高等優(yōu)勢，滿足了防撞結(jié)構(gòu)件與車身結(jié)構(gòu)件焊接連接的要求，而且充分利用了碳纖維材料密度低、質(zhì)量輕、比模量及比強度優(yōu)異、抗腐蝕性強、模態(tài)高等優(yōu)點，使得所提供的汽車防撞構(gòu)件具有質(zhì)量輕、強度大、耐腐蝕、吸能能力優(yōu)且在受到中低速碰撞時不會與車身產(chǎn)生脫落的等獨特優(yōu)勢，更加有利于汽車行駛過程中的奶出控制，大大促進了碳纖維材料在汽車零部件中的廣泛應(yīng)用，市場前景廣闊。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案如下: 一種汽車防撞結(jié)構(gòu)件，包括樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件和金屬材料構(gòu)件，所述樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件與金屬材料構(gòu)件通過膠粘連接和機械連接緊固在一起，所述樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件由樹脂和碳纖維材料熱壓復(fù)合而成，且所述的碳纖維材料具有固定取向方向，并按照以下鋪層方案之一鋪疊為多層:[0/45/-45/90]、[0/45/-45/90] 2s、[0/45/-45/90/45/-45/0] s、[0/45/-45/90/45/-45/0]2s、[0/45/-45/90]4s，其中第一層碳纖維材料層的0°角取向方向沿著汽車防撞結(jié)構(gòu)件的主要受力方向。
[0006]進一步的根據(jù)本發(fā)明所述的汽車防撞結(jié)構(gòu)件，其中所述樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)置于外部，所述金屬材料構(gòu)件設(shè)置于內(nèi)部，所述樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件的內(nèi)表面經(jīng)膠黏劑粘接于金屬材料構(gòu)件的外表面，且在所述樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件和金屬材料構(gòu)件的端部加工有連接通孔，通過螺栓或鉚釘穿過所述連接通孔實現(xiàn)兩者之間的機械連接。
[0007]進一步的根據(jù)本發(fā)明所述的汽車防撞結(jié)構(gòu)件，其中所述樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件的厚度占汽車防撞結(jié)構(gòu)件總厚度的10-50%。
[0008]進一步的根據(jù)本發(fā)明所述的汽車防撞結(jié)構(gòu)件，其中所述樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件的厚度為0.5mm-2.5mm,所述金屬材料構(gòu)件的厚度為3_。
[0009]進一步的根據(jù)本發(fā)明所述的汽車防撞結(jié)構(gòu)件，其中所述碳纖維材料為具有固定取向方向的平紋織物、斜紋織物、緞紋織物、單向織物、多軸向經(jīng)編織物中的一種或多種；所述樹脂為熱塑性樹脂或熱固性樹脂，其中熱塑性樹脂選自熱變形溫度超過190°C的聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酮、聚酰亞胺、聚醚酰亞胺、聚醚砜中的一種或多種，熱固性樹脂選自環(huán)氧樹月旨、不飽和樹脂、乙烯基樹脂中的一種或多種；所述金屬材料構(gòu)件由冷軋鋼或者金屬鋁制作。
[0010]進一步的根據(jù)本發(fā)明所述的汽車防撞結(jié)構(gòu)件，其中所述碳纖維材料的鋪層結(jié)構(gòu)中含有泡沫夾芯材料層。
[0011]一種汽車防撞結(jié)構(gòu)件的制備方法，包括以下步驟:步驟一、將具有固定取向方向的碳纖維材料按照[0/45/-45/90], [0/45/-45/90] 2s, [0/45/-45/90/45/-45/0] s、[0/45/-45/90/45/-45/0]2s中的其中一種鋪層方案順序鋪疊放置于經(jīng)清潔和脫模處理的模具中，其中第一層碳纖維材料層的0°角取向方向沿著汽車防撞結(jié)構(gòu)件的主要受力方向，然后合上模具，并在60-70°C下保溫30分鐘以上；步驟二、將步驟一中的碳纖維鋪層與熱塑性樹脂或熱固性樹脂熱壓復(fù)合形成樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件；步驟三、將步驟二制得的樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件與金屬材料構(gòu)件通過膠粘連接和機械連接緊固在一起，得到所述汽車防撞結(jié)構(gòu)件。
[0012]進一步的根據(jù)本發(fā)明所述汽車防撞結(jié)構(gòu)件的制備方法，其中步驟二中，當采用熱塑性樹脂時，通過快速熱壓成型工藝將熱塑性樹脂與碳纖維鋪層熱壓復(fù)合在一起；當采用熱固性樹脂時，通過樹脂傳遞模塑工藝或者熱壓罐工藝將熱固性樹脂與碳纖維鋪層熱壓復(fù)合在一起。
[0013]進一步的根據(jù)本發(fā)明所述汽車防撞結(jié)構(gòu)件的制備方法，其中所述碳纖維材料為具有固定取向方向的平紋織物、斜紋織物、緞紋織物、單向織物、多軸向經(jīng)編織物中的一種或多種；所述熱塑性樹脂選自熱變形溫度超過190°C的聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酮、聚酰亞胺、聚醚酰亞胺、聚醚砜中的一種或多種，所述熱固性樹脂選自環(huán)氧樹脂、不飽和樹脂、乙烯基樹脂中的一種或多種；所述金屬材料構(gòu)件由冷軋鋼或者金屬鋁制作。
[0014]進一步的根據(jù)本發(fā)明所述汽車防撞結(jié)構(gòu)件的制備方法，其中步驟三具體包括:
(I)、將樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件的內(nèi)表面用600-800目的水砂紙進行打磨，之后用無水乙醇將打磨表面清洗干凈；(2)對金屬材料構(gòu)件的外表面進行磷化處理；(3)待樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件的打磨表面干燥后，在打磨表面涂上膠黏劑，然后與金屬材料構(gòu)件的經(jīng)過磷化處理的外表面進行粘接；(4)待粘接固化后，在樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件與金屬材料構(gòu)件的端部加工連接通孔，并借助螺栓或鉚釘穿過所述連接通孔實現(xiàn)兩者之間的機械連接。
[0015]通過本發(fā)明的技術(shù)方案至少能夠達到以下技術(shù)效果:
1)、本發(fā)明基于碳纖維材料與樹脂熱壓復(fù)合形成穩(wěn)定的樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件，然后將其與金屬材料構(gòu)件進行牢固連接制得汽車防撞結(jié)構(gòu)件，創(chuàng)新的實現(xiàn)了碳纖維材料在汽車防撞結(jié)構(gòu)件中的有效應(yīng)用，存進了碳纖維材料的汽車零部件領(lǐng)域的應(yīng)用和汽車的輕量化發(fā)展；
2)、本發(fā)明所提供的汽車防撞結(jié)構(gòu)件既包括有碳纖維材料，又含有金屬基層，不但保留了金屬防撞構(gòu)件強度大、韌性高等優(yōu)勢，滿足了防撞結(jié)構(gòu)件與車身結(jié)構(gòu)件焊接連接的要求，而且充分利用了碳纖維材料密度低、質(zhì)量輕、比模量及比強度優(yōu)異、抗腐蝕性強、模態(tài)高等優(yōu)點，使得所提供的汽車防撞構(gòu)件具有質(zhì)量輕、強度大、耐腐蝕、吸能能力優(yōu)且在受到中低速碰撞時不會與車身產(chǎn)生脫落的等獨特優(yōu)勢，更加有利于汽車行駛過程中的NVH控制，大大豐富了汽車防撞零部件的應(yīng)用，市場前景廣闊；
3)、本發(fā)明所述汽車防撞構(gòu)件可以通過膠接、機械連接或焊接等多種方式與汽車吸能結(jié)構(gòu)件進行連接，不但拆裝操作簡單，而且使用范圍廣闊，同時可重復(fù)回收利用，有利于降低整車成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]附圖1為本發(fā)明所述汽車防撞結(jié)構(gòu)件的整體組成結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖2為本發(fā)明所述汽車防撞結(jié)構(gòu)件中碳纖維按照鋪層方案[0/45/-45/90]的鋪疊結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖3為使用RTM設(shè)備制備樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖中各附圖標記的含義如下:
1-樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件；2_金屬材料構(gòu)件；3_機械連接構(gòu)件。

【具體實施方式】
[0018]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細的描述，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠更加清楚的理解本發(fā)明，但并不因此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0019]汽車防撞構(gòu)件是汽車上作為吸收和緩沖外界沖擊力的車身結(jié)構(gòu)件，它的主要作用是在中低速碰撞時，有效吸收撞擊力，從而減少對承載式車身的直接損傷，同時降低維修費用，常見的汽車防撞構(gòu)件包括汽車防撞橫梁、汽車防撞桿等。本發(fā)明創(chuàng)新的實現(xiàn)了碳纖維材料在汽車防撞構(gòu)件中的應(yīng)用，所提出的汽車防撞結(jié)構(gòu)件如附圖1所示的包括兩部分，即樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件I和金屬材料構(gòu)件2，這種汽車防撞構(gòu)件相對于傳統(tǒng)的金屬汽車防撞構(gòu)件不但充分利用了碳纖維材料密度低、質(zhì)量輕、比模量及比強度優(yōu)異、抗腐蝕性強、模態(tài)高等優(yōu)點，而且有效的保留了金屬防撞構(gòu)件強度大、韌性高等優(yōu)勢，使得本發(fā)明所提供的汽車防撞構(gòu)件具有質(zhì)量輕、強度大、耐腐蝕、吸能能力優(yōu)且在受到中低速碰撞時不會與車身產(chǎn)生脫落的等獨特優(yōu)勢，更加有利于汽車行駛過程中的奶出控制，大大促進了碳纖維材料在汽車零部件中的廣泛應(yīng)用，市場前景廣闊。
[0020]下面給出本發(fā)明所述汽車防撞結(jié)構(gòu)件的具體制備過程，包括如下步驟:
步驟一、針對汽車防撞結(jié)構(gòu)件的性能要求，結(jié)合所采用樹脂和碳纖維材料的性能指標，通過有限元軟件調(diào)整碳纖維材料層合板材的鋪層層數(shù)、鋪層方向及順序等，并結(jié)合試驗驗證，確定能夠滿足汽車防撞結(jié)構(gòu)件性能要求的鋪層方案。通過若干次創(chuàng)新試驗，以下鋪層方案能夠滿足要求:[0/45/-45/901 [0/45/-45/90] 23、[0/45/-45/90/45/-45/0]3、[0/45/-45/90/45/-45/0]^^ [0/45/-45/90]^，各鋪層方案中下標的2表不鋪層再重復(fù)一次，下標的8表示對稱鋪層的意思，各鋪層的展開情況40/45/-45/90]^展開表示為40/45/-45/90/0/45/-45/90/90/-45/45/0/90/-45/45/0]；
[0/45/-45/90/45/-45/0^ 展開表示為:[0/45/-45/90/45/-45/0/0/-45/45/90/-45/45/0]；
[0/45/-45/90/45/-45/0]23 展開表示為:[0/45/-45/90/45/-45/0/0/45/-45/90/45/-45/0/0/-45/45/90/-45/45/0/0/-45/45/90/-45/45/0]；
[0/45/-45/90]43 展開表示為:[0/45/-45/90/0/45/-45/90/0/45/-45/90/0/45/-45/90/90/-45/45/0/90/-45/45/0/90/-45/45/0/90/-45/45/0]。
[0021]各鋪層方案的具體含義如下:因為所采用的碳纖維材料均具有固定的取向方向，因此各鋪層方案中的數(shù)值表不每層碳纖維材料的取向方向角度(相對于第一層)，以鋪層方案[0/45/-45/90]為例，其含義為:將第一層碳纖維材料的取向方向設(shè)為0°角方向，第二層碳纖維材料層的取向方向相對于第一層碳纖維材料層的取向方向成45°，第三層碳纖維材料層的取向方向相對于第一層碳纖維材料層的取向方向成-45°，第四層碳纖維材料層的取向方向相對于第一層碳纖維材料層的取向方向成90。。附圖2給出了 [0/45/-45/90]這種鋪層設(shè)計方案下各碳纖維材料層的取向布置。其他各鋪層方案的含義類似，即首先將各鋪層方案展開，然后根據(jù)展開式中各數(shù)字表示的角度分布選擇各層的鋪設(shè)取向方向，其中需要首先確定第一層的取向方向，其他各層的角度均是相對于第一層的。
[0022]步驟二、將碳纖維材料按照上述鋪層方案之一順序鋪放入經(jīng)過清潔和脫模劑處理的模具中，以附圖2所示[0/45/-45/90]鋪層方案為例，其中與受力方向平行的纖維取向定為0度角鋪層取向，所述的受力方向為成型后汽車防撞結(jié)構(gòu)件的受力方向，也就是使第一層碳纖維材料層的0°角取向方向沿著成型后汽車防撞結(jié)構(gòu)件的主體受力方向，然后合上模具，并在60-701優(yōu)選在651下保溫30分鐘以上。所述的碳纖維材料選擇碳纖維織物，優(yōu)選為平紋織物、斜紋織物、緞紋織物、單向織物、多軸向經(jīng)編織物中的一種或多種，各碳纖維織物具有固定的取向方向。并且碳纖維織物中的纖維可選擇玻璃纖維、纖維，且在碳纖維織物的鋪層過程中，亦可優(yōu)選的將泡沫夾芯材料作為其中的鋪設(shè)材料之一，從而與碳纖維、樹脂等一起制備得到相應(yīng)的碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料。
[0023]步驟三、制備樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件1，將碳纖維織物按照上述鋪設(shè)方案鋪放入所述模具中后，然后在碳纖維織物鋪層上澆注熱塑性樹脂或熱固性樹脂，通過熱壓工藝形成樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件，當采用熱塑性樹脂時，優(yōu)選通過快速熱壓成型工藝將熱塑性樹脂與碳纖維材料鋪層壓合在一起形成樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件1 ；當采用熱固性樹脂時，優(yōu)選通過樹脂傳遞模塑(811)工藝或者是熱壓罐工藝將熱固性樹脂與碳纖維材料鋪層熱壓復(fù)合制得樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件。所述的熱塑性樹脂優(yōu)選熱變形溫度超過1901的性能優(yōu)良的樹脂，進一步優(yōu)選為聚苯硫醚(即幻、聚醚醚酮(四孤)、聚醚酮(卩孤)、聚酰亞胺(卩〗)、聚醚酰亞胺$￡1)、聚醚砜$￡3)等其中的一種；所述的熱固性樹脂優(yōu)選環(huán)氧樹脂、不飽和樹脂以及乙稀基樹脂等其中的一種。
[0024]步驟四、將樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件1與金屬材料構(gòu)件2固定連接在一起，首先將上述制得的樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件與金屬材料構(gòu)件通過膠黏劑進行粘接，其中樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件1在外部，金屬材料構(gòu)件2在內(nèi)部，如附圖3所示的，這種粘接過程具體的包括:將上述制得的樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件1用600目的水砂紙對其內(nèi)表面進行打磨，之后用無水乙醇將打磨表面清洗干凈，并對金屬材料構(gòu)件2的外表面進行磷化處理，待樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件1的打磨表面干燥后涂上膠黏劑，然后與金屬材料構(gòu)件2的經(jīng)過磷化處理的表面進行粘接并等其固化，得到汽車防撞結(jié)構(gòu)件初始件；然后對汽車防撞結(jié)構(gòu)件初始件進行機械緊固連接，在粘接在一起的樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件1與金屬材料構(gòu)件2的四個頂角處鉆孔并使用機械連接構(gòu)件3 (如螺栓)將樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件1與金屬材料構(gòu)件2緊固連接，得到本發(fā)明所述的汽車防撞結(jié)構(gòu)件，其中所述的金屬材料構(gòu)件2可選用冷軋鋼或者鋁材制作。所述的樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件1與金屬材料構(gòu)件2的形狀相同或相接近，優(yōu)選都具有弧形結(jié)構(gòu)或為平板結(jié)構(gòu)。
[0025]本發(fā)明所制得的這種汽車防撞結(jié)構(gòu)件由于其中包括金屬材料部分，在使用中借助其中的金屬材料構(gòu)件可直接與汽車吸能結(jié)構(gòu)件進行焊接連接，保證了連接強度；同時這種汽車防撞結(jié)構(gòu)件利用金屬構(gòu)件保證了強度，且組成結(jié)構(gòu)中包含有碳纖維材料，且在汽車防撞結(jié)構(gòu)件的整體厚度中，樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件部分的厚度占到10-50%，整體重量相對于純金屬結(jié)構(gòu)件可減輕10%以上，通過控制厚度比例最大可達到30%以上，同時最大碰撞吸能相對于純金屬構(gòu)件可提高30%以上。優(yōu)選的在汽車防撞結(jié)構(gòu)件中樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件部分的厚度從0.5111111到2.5111111，其中金屬材料構(gòu)件(鋁，型號為6061)的厚度為3111111。
[0026]以下結(jié)合具體實施例(以汽車防撞橫梁為例)對本發(fā)明所述方案進行進一步的描述，各實施例在樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件的制備中優(yōu)選的采用熱固性樹脂，進一步優(yōu)選的所述熱固性樹脂由1011161^1^6公司生產(chǎn)的牌號為2？0^135樹脂和2？0^1366固化劑組成，并優(yōu)選通過樹脂傳遞模塑(811)工藝進行熱固性樹脂和碳纖維材料的壓合。金屬材料構(gòu)件中優(yōu)選的采用金屬鋁〔606 0。對于其他熱固性樹脂、以及熱塑性樹脂、其他金屬材料與此類似，而且無論是通過工藝還是通過快速熱壓成型工藝，對于最終形成的樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件以及汽車防撞結(jié)構(gòu)件的整體性能影響不大，影響較大的則是樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件中各纖維層的鋪層方案，因此下述各實施例主要以不同的纖維鋪層方案為例進行說明，亦可采用其他技術(shù)實現(xiàn)將樹脂固化于層疊纖維上。
[0027]實例一
制備汽車防撞橫梁，包括以下步驟:
(1)將31(的1700單向織物碳纖維按照[0/45/-45/90]的鋪層順序放入經(jīng)過清潔和脫模劑處理的模具中，其中與受力方向平行的纖維取向定為0度鋪層取向，合上模具，651下保溫30分鐘；
(2)采用如附圖3所示的設(shè)備將熱固性樹脂與碳纖維材料鋪層熱壓復(fù)合在一起制得樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件，具體的如附圖3所示的，所述的RTM設(shè)備包括貯膠罐、樹脂罐、固化劑罐、混合澆注口和傳輸管道,所述的貯膠罐、樹脂罐和固化劑罐通過傳輸管路連接于混合澆注口，所述混合澆注口的出膠口正對單向織物鋪層模具的澆注入口，所述的熱固性樹脂選擇牌號為Momentive公司的EP0N135樹脂/EP0N1366固化劑，其中EP0N135樹脂置于RTM設(shè)備的樹脂罐中，EP0N1366固化劑置于RTM設(shè)備的固化劑罐中，并在RTM設(shè)備中將樹脂罐、固化劑罐的溫度及其傳輸管路的溫度都設(shè)置為65°C，之后通過壓力將P0N135樹脂、EP0N1366固化劑以及黏膠分別通過相應(yīng)的傳輸管道中壓到混合澆注口混合后，一起注入到放置有纖維鋪層的模具中，其中EP0N135樹脂:EP0N1366固化劑=100:32 (體積比)，注射前模具內(nèi)抽真空，等出膠口出膠并且出的膠中沒有氣泡出現(xiàn)，停止注射，將模具保溫2小時，開模后將制備得到的樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件取出，放入120°C的烘箱中3小時進行后固化處理，制得樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件。
[0028](3)將樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件從烘箱中取出，冷卻后使用600目的水砂紙對其內(nèi)表面進行打磨，之后用無水乙醇將打磨處清洗干凈，干燥后涂上膠黏劑，并將其與表面經(jīng)過磷化處理的鋁(6061)材料構(gòu)件粘接并等其固化，得到汽車防撞橫梁初始件。
[0029](4)將上述步驟得到的汽車防撞結(jié)構(gòu)件初始件四周頂角處鉆孔并采用M6螺栓進行連接，得到最終的汽車防撞橫梁，具體如附圖1所示，經(jīng)測試對比該結(jié)構(gòu)件相對于完全采用6061A1材料制備的同樣大小的汽車防撞橫梁約減重11.1%。
[0030]實例二
將上述實施例一中的單向織物鋪層方案調(diào)整為[0/45/-45/90]2s，其他所有步驟不變，得到的汽車防撞橫梁相比于全鋁制防撞橫梁減重約為15.9%。
[0031]實例三
將上述實施例一中的單向織物鋪層方案調(diào)整為[0/45/-45/90/45/-45/0]s，其他所有步驟不變，得到的汽車防撞橫梁相比于全鋁制防撞橫梁減重約為17.1%。
[0032]實例四
將上述實施例一中的單向織物鋪層方案調(diào)整為[0/45/-45/90]4s，其他步驟不變，得到的汽車防撞橫梁相比于全鋁制防撞橫梁減重約為28.6%。
[0033]實例五
將上述實施例一中的單向織物鋪層方案調(diào)整為[0/45/-45/90/45/-45/0]2s，其他步驟不變，得到的汽車防撞橫梁相比于全鋁制防撞橫梁減重約為30.3%。
[0034]作為性能測試對比，將上述各實施例所得到的汽車防撞橫梁與汽車吸能結(jié)構(gòu)件通過焊接的方式進行連接，然后采用60Kg的沖擊頭對防撞橫梁及吸能結(jié)構(gòu)件進行沖擊試驗，沖擊時速度為55Km/h，沖擊后各實施例中汽車防撞橫梁的鋁制件部分仍然與吸能結(jié)構(gòu)件相連接，并沒有發(fā)生中間斷裂現(xiàn)象，其中實施例一樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件發(fā)生了部分斷裂和分層，實施例二中的樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件并未發(fā)生完全斷裂現(xiàn)象，實施例三中的樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件并未發(fā)生完全斷裂現(xiàn)象，但出現(xiàn)小部分斷裂，實施例四和五中的樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件并未發(fā)生完全斷裂現(xiàn)象，但出現(xiàn)了部分分層的現(xiàn)象。
[0035]同時作為對比例，將由對應(yīng)同樣厚度的純鋁汽車防撞橫梁與汽車吸能結(jié)構(gòu)件通過焊接的方式進行連接，其受到60Kg的沖擊頭在沖擊速度為55Km/h沖擊時，防撞橫梁吸收能量為1263J。上述實施例一汽車防撞橫梁的吸收能量為1404J，相對于對比例提高了 11.2%，實施例二汽車防撞橫梁的吸收能量為1451】，相對于對比例提高了 14.9%，實施例三汽車防撞橫梁的吸收能量為1457】，相對于對比例提高了 15.4%，實施例四的汽車防撞橫梁的吸收能量為1628】，相對于對比例提高28.9%，實施例五的汽車防撞橫梁的吸收能量為1654】，相對于對比例提聞31%。
[0036]可見本發(fā)明所制得的汽車防撞結(jié)構(gòu)件由于其中包括金屬材料構(gòu)件，不但使得汽車防撞結(jié)構(gòu)件能夠方便的焊接連接于汽車車身，而且焊接連接強度接近純金屬制的防撞結(jié)構(gòu)件，在上述防撞試驗中金屬材料構(gòu)件并未與吸能結(jié)構(gòu)件發(fā)生撞擊分離現(xiàn)象，保證了汽車防撞結(jié)構(gòu)件與汽車的高強度連接；同時所述汽車防撞結(jié)構(gòu)件的組成結(jié)構(gòu)中包含有樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件，通過選擇本發(fā)明創(chuàng)新的纖維鋪層結(jié)構(gòu)，并調(diào)整整體厚度，使得這種汽車防撞結(jié)構(gòu)件的整體重量相對于傳統(tǒng)純金屬結(jié)構(gòu)件可減輕10%以上，在不影響使用性能的前提下最大可減輕重量30%以上，盡管上述試驗中部分實施例的樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件發(fā)生了部分斷裂和分層，但是能夠滿足整個汽車防撞結(jié)構(gòu)件的試驗要求，同時也充分顯示了其碰撞吸收能力強的特點，經(jīng)上述測試本發(fā)明所述的這種汽車防撞結(jié)構(gòu)件在沖擊碰撞下最大碰撞吸能相對于純金屬構(gòu)件可提高30%以上，能夠很好的滿足車用部件的碰撞使用要求。綜上本發(fā)明所提供的汽車防撞構(gòu)件具有質(zhì)量輕、強度大、耐腐蝕、吸能能力優(yōu)且在受到中低速碰撞時不會與車身產(chǎn)生脫落的等獨特優(yōu)勢，更加有利于汽車行駛過程中的XV??！控制，大大促進了碳纖維材料在汽車零部件中的廣泛應(yīng)用，市場前景廣闊。
[0037]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種汽車防撞結(jié)構(gòu)件，其特征在于，包括樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件和金屬材料構(gòu)件，所述樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件與金屬材料構(gòu)件通過膠粘連接和機械連接緊固在一起，所述樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件由樹脂和碳纖維材料熱壓復(fù)合而成，且所述的碳纖維材料具有固定取向方向，并按照以下鋪層方案之一鋪疊為多層:[0/45/-45/90]、[0/45/-45/90] 2s、[0/45/-45/90/45/-45/0] s、[0/45/-45/90/45/-45/0]2s、[0/45/-45/90]4s，其中第一層碳纖維材料層的0°角取向方向沿著汽車防撞結(jié)構(gòu)件的主要受力方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車防撞結(jié)構(gòu)件，其特征在于，所述樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)置于外部，所述金屬材料構(gòu)件設(shè)置于內(nèi)部，所述樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件的內(nèi)表面經(jīng)膠黏劑粘接于金屬材料構(gòu)件的外表面，且在所述樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件和金屬材料構(gòu)件的端部加工有連接通孔，通過螺栓或鉚釘穿過所述連接通孔實現(xiàn)兩者之間的機械連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車防撞結(jié)構(gòu)件，其特征在于，所述樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件的厚度占汽車防撞結(jié)構(gòu)件總厚度的10-50%。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的汽車防撞結(jié)構(gòu)件，其特征在于，所述樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件的厚度為0.5mm-2.5mm,所述金屬材料構(gòu)件的厚度為3mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車防撞結(jié)構(gòu)件，其特征在于，所述碳纖維材料為具有固定取向方向的平紋織物、斜紋織物、緞紋織物、單向織物、多軸向經(jīng)編織物中的一種或多種；所述樹脂為熱塑性樹脂或熱固性樹脂，其中熱塑性樹脂選自熱變形溫度超過190°C的聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酮、聚酰亞胺、聚醚酰亞胺、聚醚砜中的一種或多種，熱固性樹脂選自環(huán)氧樹脂、不飽和樹脂、乙烯基樹脂中的一種或多種；所述金屬材料構(gòu)件由冷軋鋼或者金屬鋁制作。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車防撞結(jié)構(gòu)件，其特征在于，所述碳纖維材料的鋪層結(jié)構(gòu)中還含有泡沫夾芯材料層。
7.一種汽車防撞結(jié)構(gòu)件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:步驟一、將具有固定取向方向的碳纖維材料按照[0/45/-45/90]、[0/45/-45/90]2s、[0/45/-45/90/45/-45/0]s、[0/45/-45/90/45/-45/0]2s中的其中一種鋪層方案順序鋪疊放置于經(jīng)清潔和脫模處理的模具中，其中第一層碳纖維材料層的0°角取向方向沿著汽車防撞結(jié)構(gòu)件的主要受力方向，然后合上模具，并在60-70°C下保溫30分鐘以上； 步驟二、將步驟一中的碳纖維鋪層與熱塑性樹脂或熱固性樹脂熱壓復(fù)合形成樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件； 步驟三、將步驟二制得的樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件與金屬材料構(gòu)件通過膠粘連接和機械連接緊固在一起，得到所述汽車防撞結(jié)構(gòu)件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述汽車防撞結(jié)構(gòu)件的制備方法，其特征在于，其中步驟二中，當采用熱塑性樹脂時，通過快速熱壓成型工藝將熱塑性樹脂與碳纖維鋪層熱壓復(fù)合在一起；當采用熱固性樹脂時，通過樹脂傳遞模塑工藝或者熱壓罐工藝將熱固性樹脂與碳纖維鋪層熱壓復(fù)合在一起。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述汽車防撞結(jié)構(gòu)件的制備方法，其特征在于，所述碳纖維材料為具有固定取向方向的平紋織物、斜紋織物、緞紋織物、單向織物、多軸向經(jīng)編織物中的一種或多種；所述熱塑性樹脂選自熱變形溫度超過190°C的聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酮、聚酰亞胺、聚醚酰亞胺、聚醚砜中的一種或多種，所述熱固性樹脂選自環(huán)氧樹脂、不飽和樹脂、乙烯基樹脂中的一種或多種；所述金屬材料構(gòu)件由冷軋鋼或者金屬鋁制作。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述汽車防撞結(jié)構(gòu)件的制備方法，其特征在于，其中步驟三具體包括:(1)、將樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件的內(nèi)表面用600-800目的水砂紙進行打磨，之后用無水乙醇將打磨表面清洗干凈；(2)對金屬材料構(gòu)件的外表面進行磷化處理；(3)待樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件的打磨表面干燥后，在打磨表面涂上膠黏劑，然后與金屬材料構(gòu)件的經(jīng)過磷化處理的外表面進行粘接；(4)待粘接固化后，在樹脂纖維復(fù)合材料構(gòu)件與金屬材料構(gòu)件的端部加工連接通孔，并借助螺栓或鉚釘穿過所述連接通孔實現(xiàn)兩者之間的機械連接。
【文檔編號】B60R19/03GK104401277SQ201410577269
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】宣善勇, 張道理, 張靜, 方舟, 唐少俊 申請人:奇瑞汽車股份有限公司