一種三明治結(jié)構(gòu)frp汽車結(jié)構(gòu)件及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種三明治結(jié)構(gòu)FRP汽車結(jié)構(gòu)件，包括芯材、編織層和樹脂層，所述編織層覆蓋在芯材上下表面，所述樹脂層浸漬固化在所述編織層內(nèi)，所述編織層包括主體結(jié)構(gòu)和多維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用在編織層內(nèi)設(shè)置增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，提升汽車結(jié)構(gòu)件上承力方向上的機(jī)械性能，提高汽車結(jié)構(gòu)件的可靠性。
【專利說明】
一種三明治結(jié)構(gòu)FRP汽車結(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，特別涉及一種快速一體成型三明治結(jié)構(gòu)FRP汽車結(jié)構(gòu)件及其制備方法。【背景技術(shù)】
[0002]三維編織技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來用于制造立體織物的一種新型紡織技術(shù)， 采用該技術(shù)編織的立體織物具有纖維多向取向、整體連續(xù)分布的特點(diǎn)，從而使得三維編織復(fù)合材料具備了一系列優(yōu)異的機(jī)械性能，受到先進(jìn)復(fù)合材料界的高度重視。目前常規(guī)的編織工藝在整個(gè)編織過程中編織紗線的數(shù)量、編織紗線陣列的大小與形狀不會(huì)變化，最終得到的是橫截面與編織截面完全相同，沿長度方向不發(fā)生改變的等截面預(yù)制件。但在工程應(yīng)用中，如飛機(jī)旋翼槳葉、飛機(jī)雷達(dá)罩、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、導(dǎo)彈殼體防熱套、汽車結(jié)構(gòu)件等并不是外形規(guī)則的等截面結(jié)構(gòu)件，而是截面尺寸沿長度或?qū)挾确较蜃兓淖兘孛娈愋谓Y(jié)構(gòu)件。 目前獲得變截面復(fù)合材料的主要方法是先制備尺寸合適的等截面復(fù)合材料，然后進(jìn)行切肖IJ、打磨等機(jī)械加工以獲得最終需要的外形尺寸。顯然，機(jī)械加工對(duì)復(fù)合材料性能影響很大，會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷增強(qiáng)纖維，破壞試件結(jié)構(gòu)的完整性，使試件的力學(xué)性能大幅衰減。由于變截面三維編織技術(shù)可在不損傷增強(qiáng)纖維的基礎(chǔ)上對(duì)變截面預(yù)制件進(jìn)行整體編織，因此，對(duì)變截面三維整體編織技術(shù)的研究便顯得尤為重要。
[0003]變截面三維編織技術(shù)原理是運(yùn)用各種技術(shù)，在編織過程中改變參與編織紗線數(shù)量或細(xì)度，而不影響后續(xù)的編織工作，從而實(shí)現(xiàn)變截面異型預(yù)制件整體編織的過程。其關(guān)鍵技術(shù)就是在編織過程中，改變參與編織紗線的數(shù)量或細(xì)度。目前，對(duì)于改變參與編織紗線的細(xì)度與數(shù)量的減紗工藝有單元尺寸縮減法和單元數(shù)量減少法。
[0004]俞建勇等在2010年發(fā)明了一種三維編織加紗和減紗工藝，可以在編織過程中進(jìn)行至少一次加紗和減紗，可以實(shí)現(xiàn)三維預(yù)制件的凈尺寸編織，避免了機(jī)械加工對(duì)整體力學(xué)性能造成的損害。所提出的縮小截面的減紗方法，是在縮小截面處選擇若干列(至少一列)紗線移出編織區(qū)域，其空位由相鄰列的紗線填充，再依次移動(dòng)各相鄰紗線，直至空位列移至最外側(cè)。但是這種工藝對(duì)于“多步法”縱橫編織的加紗問題依然不能有效解決。
[0005]賀辛亥等設(shè)計(jì)了一種自身裝有增減紗裝置的新型攜紗器，該攜紗器在運(yùn)動(dòng)過程中用輔助紗線纏繞的方法實(shí)現(xiàn)增紗或減紗，主要是改變參與編織紗線束的數(shù)量，所以不需要改變攜紗器的數(shù)量就能編織出變截面預(yù)制件。該新型攜紗器打破了以往只裝有一個(gè)線圈的攜紗器，而此攜紗器有能裝三個(gè)線圈的儲(chǔ)紗裝置，便于大型預(yù)制件的一次編織。且該攜紗器設(shè)計(jì)了自身攜帶的增減紗裝置，利用輔助紗線的纏繞來選擇參加編織紗線數(shù)目，獨(dú)立完成增紗或減紗的功能。所以該攜紗器能夠在不改變攜紗器數(shù)量的基礎(chǔ)上改變參加編織紗線束的數(shù)量，能良好適應(yīng)傳統(tǒng)的“四步法”和“二步法”編織方法，故在編織工藝方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，但該攜紗器增減紗效果在其論文中尚未提及，在此方面還需進(jìn)一步探討研究。
[0006]該種改變紗線束數(shù)量的方法是單元尺寸縮減法的延伸，以紗線束作為最小單元， 每個(gè)攜紗器均可成倍的改變參與編織紗線束的數(shù)量，因此，從參與編織紗線束總量的情況看，變化范圍在一到數(shù)倍之間，幅度較大，非常有利于變截面預(yù)制件的編織;另一方面，不改變攜紗器的數(shù)量，使得底盤上攜紗器的分布格局沒有變化，從而其運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以完全按照之前設(shè)定的統(tǒng)一模式進(jìn)行，方便操作，編織工藝簡(jiǎn)單，是一種比較理想的增減紗方案。在此基礎(chǔ)上還可采用不同的實(shí)施技術(shù)來改變參與編織紗線束的數(shù)量。增紗時(shí)使用塑性金屬將需要添加的紗線束固定于正在編織的紗線束上，減紗時(shí)去掉之前添加的紗線束，甚至去掉該攜紗器所有參與編織的紗線。待編織完成后，用酸洗的方法將這些金屬去掉，以防對(duì)復(fù)合材料件摻入“雜質(zhì)”。該方案適用于耐酸腐蝕纖維的編織，對(duì)碳纖維、玻璃纖維等完全適用。
[0007]FRP(纖維增強(qiáng)熱固性樹脂)汽車結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用較多，但由于纖維在軸向方向上的強(qiáng)度、模量都很高，而徑向上的機(jī)械性能往往會(huì)差很多，這就是所謂的各向異性，因此對(duì)于某些在彎曲、剪切等方面有要求的部件就需要進(jìn)行局部增強(qiáng)。目前使用較多的有加強(qiáng)筋法和三明治結(jié)構(gòu)，其中加強(qiáng)筋安裝簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高，但只能對(duì)單一方向進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，在有多維屈曲變形時(shí)的效果較差;而三明治結(jié)構(gòu)需要將纖維預(yù)浸料通過鋪層的方式包覆到芯材表面， 對(duì)鋪層時(shí)的裁剪、鋪放等方面的要求較高，且芯材的結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)鋪層難以實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致材料無法按照最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，產(chǎn)生不必要的浪費(fèi)，增加了零部件重量。
[0008]近年來也有關(guān)于FRP的三維編織成型技術(shù)報(bào)道，但僅局限于織物的三維編織，編織得到的制品仍需以纏繞或?qū)愉伒姆绞匠尚汀?br/>【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的FRP汽車結(jié)構(gòu)件在纖維徑向機(jī)械性能差的技術(shù)問題，提出一種快速一體成型三明治結(jié)構(gòu)FRP汽車結(jié)構(gòu)件及其制備方法，具體的技術(shù)方案是:
[0010]一種三明治結(jié)構(gòu)FRP汽車結(jié)構(gòu)件，包括芯材、編織層和樹脂層，所述編織層覆蓋在芯材上下表面，所述樹脂層浸漬固化在所述編織層內(nèi)，其特征在于:所述編織層包括主體結(jié)構(gòu)和多維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。
[0011]所述主體結(jié)構(gòu)包括經(jīng)線纖維1和煒線纖維2,所述經(jīng)線纖維1和煒線纖維2編織在芯材表面，編織角度從0°到160°，且多條經(jīng)線纖維1和煒線纖維2依次在上排列。
[0012]所述多維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)3穿過經(jīng)線纖維1和煒線纖維2之間的空隙，且多條多維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)3的排布方向與結(jié)構(gòu)件的主要承力方向保持一致，相互之間平行排列。
[0013]所述芯材為高強(qiáng)度低密度的泡沫材料，包括但不限于pp、pvc、PE、EVA、SBR、CI^。
[0014]所述編織層為連續(xù)纖維材料，可以選用碳纖維、UHMWPE纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維的任意一種。
[0015]所述樹脂層為熱固性樹脂材料，可以選用環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂、有機(jī)硅樹脂的任意一種。
[0016]本發(fā)明的有益效果:采用在編織層內(nèi)設(shè)置增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，提升汽車結(jié)構(gòu)件上承力方向上的機(jī)械性能，提高汽車結(jié)構(gòu)件的可靠性。【附圖說明】
[0017]圖1為帶多維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的編織層平面結(jié)構(gòu)示意圖。【具體實(shí)施方式】
[0018] 一種快速一體成型三明治結(jié)構(gòu)FRP汽車結(jié)構(gòu)件的制備方法，包括以下步驟:[0〇19]第一步:根據(jù)結(jié)構(gòu)件的補(bǔ)強(qiáng)要求確定三明治芯材的尺寸，制做芯材；
[0020]第二步:在芯材表面在傳統(tǒng)編織基礎(chǔ)上增加了多維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的編織維度，制做編織層；
[0021]第三步:通過固化工藝使樹脂層浸潤在編織層表面并固化成型。[〇〇22] 所述第一步中芯材的長度為0.01-5m，寬度為0.01-3m。[〇〇23]所述第一步中芯材的材質(zhì)為高強(qiáng)度低密度的泡沫材料，包括但不限于PP、PVC、PE、 EVA、SBR、CR 等。
[0024]所述第二步中編織層的材質(zhì)為連續(xù)纖維。所述連續(xù)纖維為碳纖維、UHMWPE纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維或其混合物。
[0025]優(yōu)選所述第二步中編織層的材質(zhì)為碳纖維和玄武巖纖維按2:3(質(zhì)量比)組成的混合物。
[0026]所述第三步中樹脂層的材質(zhì)為熱固性樹脂。所述熱固性樹脂為環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂、有機(jī)娃樹脂。[〇〇27]所述第三步中樹脂層的質(zhì)量占比為汽車結(jié)構(gòu)件總質(zhì)量的15-55%。[〇〇28] 所述第三步中固化工藝的溫度為60_130°C，固化時(shí)間為0.1-5小時(shí)。
[0029]優(yōu)選固化工藝的溫度采用92°C，固化時(shí)間2小時(shí)。
[0030]本發(fā)明提出一種用于三明治結(jié)構(gòu)FRP汽車結(jié)構(gòu)件的一體成型方法。該方法的特點(diǎn)包括:可根據(jù)結(jié)構(gòu)件的補(bǔ)強(qiáng)要求自由調(diào)整三明治芯材的尺寸、形狀，F(xiàn)RP材料的壁厚、截面形狀、尺寸等均可以根據(jù)承載要求及裝配要求自由調(diào)整，可在保證車輛安全的同時(shí)最大化的減小材料用量，降低成本，提高減重效果;使用多維編織工藝，在傳統(tǒng)編織基礎(chǔ)上增加了多個(gè)編織維度，并可在編織過程中改變局部的編織厚度，提高產(chǎn)品在所需維度和特定區(qū)域的機(jī)械性能;編織在特定結(jié)構(gòu)的芯材表面進(jìn)行，芯材可以為非連續(xù)結(jié)構(gòu)，也可以是變截面的連續(xù)結(jié)構(gòu);所述芯材為高強(qiáng)度低密度的泡沫材料，纖維材料通過三維編織方式編織到芯材表面，通過RTM工藝、HP-RTM工藝等固化工藝成型后即可得到所需輕量化三明治結(jié)構(gòu)零部件； 使用連續(xù)纖維增強(qiáng)熱固性樹脂(FRP)為原料，所述連續(xù)纖維包括但不限于碳纖維、UHMWPE纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維等高性能纖維，熱固性樹脂包括但不限于環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂、有機(jī)硅樹脂等。所述復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度高于非連續(xù)纖維增強(qiáng)樹脂，穩(wěn)定性優(yōu)于熱塑性樹脂，可在不降低安全性的同時(shí)替代金屬材質(zhì)。[0031 ]加工流程:通過注塑、模壓等將工藝將泡沫芯材加工成所需截面形狀；
[0032]通過多維編織工藝將纖維編織到芯材表面。通過調(diào)整編織角度和增強(qiáng)纖維的維度、數(shù)量等工藝參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)編織厚度的自由調(diào)整。編織預(yù)成型材料的截面形狀可與芯材保持一致，實(shí)現(xiàn)變厚度、變截面的目的。經(jīng)線纖維1和煒線纖維2編織在芯材表面，編織角度從 0°到160°，且多條經(jīng)線纖維1和煒線纖維2依次在上排列；多維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)3穿過經(jīng)線纖維1和煒線纖維2之間的空隙，且多條多維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)3的排布方向與結(jié)構(gòu)件的主要承力方向保持一致，相互之間平行排列；通過模壓工藝使預(yù)成型構(gòu)件固化成型。模壓工藝可選擇SMC，RTM， HP-RTM，PCM等;將固化成型后的構(gòu)件通過表面修整后即可得到所需三明治結(jié)構(gòu)FRP汽車結(jié)構(gòu)件。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種三明治結(jié)構(gòu)FRP汽車結(jié)構(gòu)件，包括芯材、編織層和樹脂層，所述編織層覆蓋在芯 材上下表面，所述樹脂層浸漬固化在所述編織層內(nèi)，其特征在于:所述編織層包括主體結(jié)構(gòu) 和多維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三明治結(jié)構(gòu)的FRP汽車結(jié)構(gòu)件，其特征在于:所述主體結(jié)構(gòu)包 括經(jīng)線纖維(1)和煒線纖維(2)，所述經(jīng)線纖維(1)和煒線纖維(2)編織在芯材表面，編織角 度從0°到160°，且多條經(jīng)線纖維(1)和煒線纖維(2)依次在上排列。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三明治結(jié)構(gòu)的FRP汽車結(jié)構(gòu)件，其特征在于:所述多維增強(qiáng)結(jié) 構(gòu)(3)穿過經(jīng)線纖維(1)和煒線纖維(2)之間的空隙，且多條多維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(3)的排布方向與 結(jié)構(gòu)件的主要承力方向保持一致，相互之間平行排列。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三明治結(jié)構(gòu)的FRP汽車結(jié)構(gòu)件，其特征在于:所述芯材為高強(qiáng) 度低密度的泡沫材料，所述高強(qiáng)度低密度的泡沫材料是?？、？￥^￡、￡￥4、381?、0?的任意一種 或其混合物。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三明治結(jié)構(gòu)的FRP汽車結(jié)構(gòu)件，其特征在于:所述編織層為連 續(xù)纖維材料，可以選用碳纖維、UHMWPE纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維的任意一種。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三明治結(jié)構(gòu)的FRP汽車結(jié)構(gòu)件，其特征在于:所述樹脂層為熱 固性樹脂材料，可以選用環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂、有機(jī)硅樹脂的任意一種。7.—種三明治結(jié)構(gòu)FRP汽車結(jié)構(gòu)件的制備方法，包括以下步驟:第一步:根據(jù)結(jié)構(gòu)件的補(bǔ)強(qiáng)要求確定三明治芯材的尺寸，制做芯材；第二步:在芯材表面在傳統(tǒng)編織基礎(chǔ)上增加了多維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的編織維度，制做編織層； 第三步:將樹脂浸潤在編織層表面并固化成型形成樹脂層。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種三明治結(jié)構(gòu)FRP汽車結(jié)構(gòu)件的制備方法，其特征在于: 所述第一步中芯材的長度為〇.〇l-5m，寬度為0.01-3m;所述第一步中芯材的材質(zhì)為高強(qiáng)度低密度的泡沫材料；所述第二步中編織層的材質(zhì)為連續(xù)纖維；所述第三步中樹脂層的材質(zhì)為熱固性樹脂。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種三明治結(jié)構(gòu)FRP汽車結(jié)構(gòu)件的制備方法，其特征在于:所述連續(xù)纖維為碳纖維、UHMWPE纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維或其混合物； 所述熱固性樹脂為環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂、有機(jī)硅樹脂。10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種三明治結(jié)構(gòu)FRP汽車結(jié)構(gòu)件的制備方法，其特征在于: 所述第二步中編織層的材質(zhì)為碳纖維和玄武巖纖維按2:3(質(zhì)量比)組成的混合物;所述第三步中樹脂層的質(zhì)量占比為汽車結(jié)構(gòu)件總質(zhì)量的15-55%。
【文檔編號(hào)】B32B5/08GK105965982SQ201610411501
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年6月14日
【發(fā)明人】段瑛濤, 孔凡忠, 栗娜, 李文博, 單永彬
【申請(qǐng)人】北京汽車研究總院有限公司