一种碳纤维复合材料汽车散热器上横梁及其成型方法
【专利摘要】本发明公开了一种碳纤维复合材料汽车散热器上横梁的成型方法及制备的上横梁，其中成型方法包括铺层、密封、抽真空、树脂导入、固化及脱模等多个步骤。铺层步骤为：选取七层碳纤维织物；将第一层碳纤维织物对应于零部件的外表面，保证第一层碳布紧密贴紧模具的表面，不存在缝隙；在第一层碳纤维织物45°方向上面进行-45°方向的铺层，为第二层，第三层为90°方向的铺层，以此类推，直到将七层碳纤维织物铺完；将碳纤维织物在模具上压紧。本发明制备的以多层多铺层方向的碳纤维织物材料为增强体，树脂为基体的复合材料散热器上横梁，不仅强度不降低，刚度和模量都被提高；同时密度比金属小很多，轻量化效果更加显著，达60%以上。
【专利说明】一种碳纤维复合材料汽车散热器上横梁及其成型方法
【技术领域】
[0001]本发明属于复合材料和汽车零部件领域，涉及碳纤维复合材料制造汽车碳纤维散热器上横梁的方法。
【背景技术】
[0002]散热器上横梁是发动机舱重要的总成结构之一，其结构对于行人保护、前碰、周边系统布置及车辆行驶安全性等方面存在着间接或直接的影响，散热器上横梁布置发盖锁系统，连接锁紧发盖总成开启结构件，对于高速行车安全，需要避免水箱上横梁发生抖动和强度不足。
[0003]在车身结构中，有些车型的散热器上横梁要起到一定的碰撞冲击吸能的作用，有些可能只要满足基本的结构要求。散热器上横梁结构要满足基本的一些刚度和强度结构性要求，这一方面决定于材料及厚度的选用；另一方面决定于散热器上横梁区域的零件及结构设计形式。
[0004]总之，未来汽车设计发展趋向于轻量化和模块化。散热器上横梁区域设计趋向安装形式，采用轻合金或塑料材料，以便实现模块化整体安装，达到轻量化和模块化的目的。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种碳纤维复合材料汽车散热器上横梁及其制备方法，在获得高强度高刚度的前提下，实现减重。
[0006]本发明采用高强轻质的碳纤维复合材料，利用碳纤维复合材料的高模量高刚度以及结构铺层的可设计性，合理设计其铺层以及外观结构，在满足强度/刚度/载荷的条件下，尽可能减轻重量，实现轻量化。
[0007]本发明公开了一种碳纤维复合材料汽车散热器上横梁的成型方法，包括如下步骤:
1)铺层，在已清洁和涂覆脱模剂的汽车水箱上横梁加强板模具中进行碳纤维织物铺层；
2)密封，按次序在铺好后的碳纤维织物上依次铺设脱模布、导流网、导流管，在模具的边缘打密封胶带，布置抽气导管、进料口导管，在设置在模具周边的真空袋边缘处使用胶带密封好，确保整个系统不漏气；
3)抽真空:对密封好的模具抽真空，抽真空后观察一段时间，检查是否漏气，保证气密性；
4)树脂导入:配置树脂和固化剂，充分混合，将树脂导入到模具中，待树脂将碳纤维织物以及与夹层材料的界面浸润完全后，关闭进料口，继续维持真空状态保压直到树脂固化；
5)固化及脱模:对树脂进行固化，待树脂固化后，脱模得到碳纤维复合材料散热器上横
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[0008]进一步，所述步骤I)的铺层步骤为:
11)选取七层碳纤维织物，
12)将第一层碳纤维织物对应于零部件的外表面，保证第一层碳布紧密贴紧模具的表面，不存在缝隙；
13)在第一层碳纤维织物45°方向上面进行-45°方向的铺层，为第二层，第三层为90°方向的铺层，以此类推，直到将七层碳纤维织物铺完；
14)将碳纤维织物在模具上压紧。
[0009]进一步，所述步骤3)具体为:将抽气导管与真空泵连接，将进料口导管密封，打开真空泵，将真空袋内空气抽空，使真空膜密实紧贴模具，检测模具及真空膜体系内的真空度，观察一段时间，检查是否漏气，保证气密性。
[0010]进一步，步骤5)中树脂固化采用加热灯加热固化或者光照条件下加热固化。
[0011]其中碳纤维采用东丽T300纤维织物，树脂采用中低温的快速固化环氧树脂，多层碳纤维材料的重量含量为50~60%，树脂材料的重量含量为40~50%。
[0012]本发明还公开了上述成型方法制备的碳纤维复合材料汽车散热器上横梁，其包括七层碳纤维织物。
[0013]通过以上技术方案，以多铺层方向的碳纤维织物材料为增强体，树脂为基体的复合材料散热器上横梁，不仅强度不降低，刚度和模量都被提高；同时密度比金属小很多，轻量化效果更加显著，达60%以上。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1a:现有散热器上横梁钣金件前视图；
图1b:现有散热器上横梁钣金件后视图；
图1c:现有散热器上横梁钣金件俯视图；
图1d:现有散热器上横梁钣金件仰视图；
图2a:散热器上横梁复合材料件前视图；
图2b:散热器上横梁复合材料件后视图；
图2c:散热器上横梁复合材料件俯视图；
图2d:散热器上横梁复合材料件仰视图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图对本发明进行具体描述。
[0016]首先描述现有的金属钣金件，其结构图如图1a-1d所示。散热器上横梁分为散热器上横梁本体和散热器上横梁加强板。散热器上横梁本体材料为DC04，厚度为0.8mm，重量为1.0 kg ;散热器上横梁加强板材料为DCOl，厚度为1.0mm，重量为0.7 kg。
[0017]本发明的碳纤维复合材料汽车散热器上横梁将上横梁本体和上横梁加强板集合成一个整体。具体如图2a_2d所示。
[0018]碳纤维复合材料由多层碳纤维增强体与树脂基体构成，其中碳纤维采用东丽T300纤维织物，树脂采用中低温的快速固化环氧树脂体系，多层碳纤维材料的含量(重量百分比，下同)为50~60%，树脂材料的含量为40~50%。
[0019]散热器上横梁碳纤维复合材料采用的铺层角度选择标准铺层角度0°、45°、-45°和90°，这样可以简化设计、分析与工艺，同时从结构稳定性、减少泊松比和热应力及避免树脂直接受载考虑，0°和90°主要承受轴向和纵向应力，45°和-45°主要承受剪切力，角度为(45/-45/90/0/90/-45/45)的设计，一共7层，每个单层厚度为0.3 mm，总厚度为2.1 mm。
[0020]所述碳纤维复合材料的制备方法可采用RTM工艺或VARI成型工艺。
[0021]下面采用碳纤维织物和环氧树脂为原材料，以VARI成型工艺为例，具体描述散热器上横梁的成型加工的主要步骤:
一、铺层:在已清洁和涂覆脱模剂的汽车水箱上横梁加强板模具中先进行碳纤维织物铺层。具体地说，可选取7层3K碳纤维织物(0.3 mm)，在已清洁和涂覆脱模剂的模具中先进行碳纤维织物铺层(45/-45/90/0/90/-45/45)。这样的铺层设计是根据CAE模拟计算的结果，这样的铺层能使复合材料的力学性能达到最优设计。
[0022]碳纤维织物可采用东丽T300碳纤维织物。第一层碳纤维织物对应于零部件的外表面，故第一层碳纤维织物铺层的时候要注意碳纤维纹路方向的平整，同时要保证第一层碳布紧密贴紧模具的表面，不能有缝隙存在，以免形成树脂的富集。在第一层45°方向上面进行-45°方向的铺层为第二层，第三层为90°方向的铺层，以此类推，直到将7层碳纤维织物铺完，将碳纤维织物在模具上压紧。
[0023]二、密封:按次序在铺好后的碳纤维织物上依次铺设脱模布、导流网、导流管，在模具的边缘打密封胶带，布置抽气导管、进料口导管，最后在设置在模具周边的真空袋边缘处使用胶带密封好，确保整个系统不漏气。
[0024]三、抽真空:将抽气导管与真空泵连接，进料口导管密封，打开真空泵，将真空袋内空气抽空，使真空膜密实紧贴模具，检测模具及真空膜体系内的真空度，观察一段时间，检查是否漏气，保证气密性(真空泵压力表“O”刻度处的真空度可维持10 min以上)。
[0025]四、树脂导入:按照树脂厂家推荐的固化剂含量(如环氧树脂，相应的固化剂比例为10::2~4左右)，配置树脂和固化剂，充分混合。气密性合格后可进行树脂的导入。将树脂导入进料口，树脂会抽入真空袋中，待树脂将碳纤维织物以及与夹层材料的界面浸润完全后，关闭进料口，继续维持真空状态保压直到树脂固化。
[0026]五、固化及脱模:树脂固化视情况可采用加热灯或者光照条件下加热，加速树脂的固化。待树脂固化后，脱模得到碳纤维复合材料散热器上横梁。
[0027]通过结构以及相关安装点的分析，发挥复合材料的特性，进行了结构设计及优化，并把发盖锁支架(DC01、1.5mm,0.25kg)考虑进来，进行一体成型，形成图2a_2d所示的散热器上横梁复合材料件。其中采用的材料为碳纤维T300和5028树脂，厚度为2.1 mm，重量为0.18 kg，实现减重61%。
[0028]现有的金属钣金件散热器上横梁的Z向刚度目标值为400 N/mmo通过CAE计算分析得知，散热器上横梁采用本发明的铺层设计，复合材料散热器上横梁零部件的Z向刚度可达到424 N/mm，可满足设计要求。
【权利要求】
1.一种碳纤维复合材料汽车散热器上横梁的成型方法，包括如下步骤: 1)铺层，在已清洁和涂覆脱模剂的汽车水箱上横梁加强板模具中进行碳纤维织物铺层； 2)密封，按次序在铺好后的碳纤维织物上依次铺设脱模布、导流网、导流管，在模具的边缘打密封胶带，布置抽气导管、进料口导管，在设置在模具周边的真空袋边缘处使用胶带密封好，确保整个系统不漏气； 3)抽真空:对密封好的模具抽真空，抽真空后观察一段时间，检查是否漏气，保证气密性； 4)树脂导入:配置树脂和固化剂，充分混合，将树脂导入到模具中，待树脂将碳纤维织物以及与夹层材料的界面浸润完全后，关闭进料口，继续维持真空状态保压直到树脂固化； 5)固化及脱模:对树脂进行固化，待树脂固化后，脱模得到碳纤维复合材料散热器上横m
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2.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，所述步骤I)的铺层步骤为: 11)选取七层碳纤维织物， 12)将第一层碳纤维织物对应于零部件的外表面，保证第一层碳布紧密贴紧模具的表面，不存在缝隙； 13)在第一层碳纤维织物45°方向上面进行-45°方向的铺层，为第二层，第三层为90°方向的铺层，以此类推，直到将七层碳纤维织物铺完； 14)将碳纤维织物在模具上压紧。
3.根据权利要求1或2所述的成型方法，其特征在于，所述步骤3)具体为:将抽气导管与真空泵连接，将进料口导管密封，打开真空泵，将真空袋内空气抽空，使真空膜密实紧贴模具，检测模具及真空膜体系内的真空度，观察一段时间，检查是否漏气，保证气密性。
4.根据权利要求1-3任一项所述的成型方法，其特征在于，步骤5)中树脂固化采用加热灯加热固化或者光照条件下加热固化。
5.根据权利要求1-4任一项所述的成型方法，其特征在于，其中碳纤维采用东丽T300纤维织物，树脂采用中低温的快速固化环氧树脂，多层碳纤维材料的重量含量为50~60%，树脂材料的重量含量为40~50%。
6.权利要求1-5任一项所述的成型方法制备的碳纤维复合材料汽车散热器上横梁，其包括七层碳纤维织物。
【文档编号】B60K11/04GK104441686SQ201410459694
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年9月11日 优先权日:2014年9月11日
【发明者】张道理, 方舟, 唐少俊 申请人:奇瑞汽车股份有限公司