一种三明治结构frp汽车结构件及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种三明治结构FRP汽车结构件，包括芯材、编织层和树脂层，所述编织层覆盖在芯材上下表面，所述树脂层浸渍固化在所述编织层内，所述编织层包括主体结构和多维增强结构。本发明采用在编织层内设置增强结构，提升汽车结构件上承力方向上的机械性能，提高汽车结构件的可靠性。
【专利说明】
一种三明治结构FRP汽车结构件及其制备方法
技术领域
[0001 ]本发明属于汽车零部件制造领域，特别涉及一种快速一体成型三明治结构FRP汽车结构件及其制备方法。【背景技术】
[0002]三维编织技术是20世纪70年代发展起来用于制造立体织物的一种新型纺织技术， 采用该技术编织的立体织物具有纤维多向取向、整体连续分布的特点，从而使得三维编织复合材料具备了一系列优异的机械性能，受到先进复合材料界的高度重视。目前常规的编织工艺在整个编织过程中编织纱线的数量、编织纱线阵列的大小与形状不会变化，最终得到的是横截面与编织截面完全相同，沿长度方向不发生改变的等截面预制件。但在工程应用中，如飞机旋翼桨叶、飞机雷达罩、风力发电机叶片、导弹壳体防热套、汽车结构件等并不是外形规则的等截面结构件，而是截面尺寸沿长度或宽度方向变化的变截面异形结构件。 目前获得变截面复合材料的主要方法是先制备尺寸合适的等截面复合材料，然后进行切肖IJ、打磨等机械加工以获得最终需要的外形尺寸。显然，机械加工对复合材料性能影响很大，会严重损伤增强纤维，破坏试件结构的完整性，使试件的力学性能大幅衰减。由于变截面三维编织技术可在不损伤增强纤维的基础上对变截面预制件进行整体编织，因此，对变截面三维整体编织技术的研究便显得尤为重要。
[0003]变截面三维编织技术原理是运用各种技术，在编织过程中改变参与编织纱线数量或细度，而不影响后续的编织工作，从而实现变截面异型预制件整体编织的过程。其关键技术就是在编织过程中，改变参与编织纱线的数量或细度。目前，对于改变参与编织纱线的细度与数量的减纱工艺有单元尺寸缩减法和单元数量减少法。
[0004]俞建勇等在2010年发明了一种三维编织加纱和减纱工艺，可以在编织过程中进行至少一次加纱和减纱，可以实现三维预制件的净尺寸编织，避免了机械加工对整体力学性能造成的损害。所提出的缩小截面的减纱方法，是在缩小截面处选择若干列(至少一列)纱线移出编织区域，其空位由相邻列的纱线填充，再依次移动各相邻纱线，直至空位列移至最外侧。但是这种工艺对于“多步法”纵横编织的加纱问题依然不能有效解决。
[0005]贺辛亥等设计了一种自身装有增减纱装置的新型携纱器，该携纱器在运动过程中用辅助纱线缠绕的方法实现增纱或减纱，主要是改变参与编织纱线束的数量，所以不需要改变携纱器的数量就能编织出变截面预制件。该新型携纱器打破了以往只装有一个线圈的携纱器，而此携纱器有能装三个线圈的储纱装置，便于大型预制件的一次编织。且该携纱器设计了自身携带的增减纱装置，利用辅助纱线的缠绕来选择参加编织纱线数目，独立完成增纱或减纱的功能。所以该携纱器能够在不改变携纱器数量的基础上改变参加编织纱线束的数量，能良好适应传统的“四步法”和“二步法”编织方法，故在编织工艺方面有明显的优势，但该携纱器增减纱效果在其论文中尚未提及，在此方面还需进一步探讨研究。
[0006]该种改变纱线束数量的方法是单元尺寸缩减法的延伸，以纱线束作为最小单元， 每个携纱器均可成倍的改变参与编织纱线束的数量，因此，从参与编织纱线束总量的情况看，变化范围在一到数倍之间，幅度较大，非常有利于变截面预制件的编织;另一方面，不改变携纱器的数量，使得底盘上携纱器的分布格局没有变化，从而其运动规律可以完全按照之前设定的统一模式进行，方便操作，编织工艺简单，是一种比较理想的增减纱方案。在此基础上还可采用不同的实施技术来改变参与编织纱线束的数量。增纱时使用塑性金属将需要添加的纱线束固定于正在编织的纱线束上，减纱时去掉之前添加的纱线束，甚至去掉该携纱器所有参与编织的纱线。待编织完成后，用酸洗的方法将这些金属去掉，以防对复合材料件掺入“杂质”。该方案适用于耐酸腐蚀纤维的编织，对碳纤维、玻璃纤维等完全适用。
[0007]FRP(纤维增强热固性树脂)汽车结构件上的应用较多，但由于纤维在轴向方向上的强度、模量都很高，而径向上的机械性能往往会差很多，这就是所谓的各向异性，因此对于某些在弯曲、剪切等方面有要求的部件就需要进行局部增强。目前使用较多的有加强筋法和三明治结构，其中加强筋安装简单、强度高，但只能对单一方向进行补强，在有多维屈曲变形时的效果较差;而三明治结构需要将纤维预浸料通过铺层的方式包覆到芯材表面， 对铺层时的裁剪、铺放等方面的要求较高，且芯材的结构可设计性小，结构复杂时铺层难以实现，导致材料无法按照最优化的结构进行设计，产生不必要的浪费，增加了零部件重量。
[0008]近年来也有关于FRP的三维编织成型技术报道，但仅局限于织物的三维编织，编织得到的制品仍需以缠绕或层铺的方式成型。
【发明内容】
[0009]本发明针对现有技术的FRP汽车结构件在纤维径向机械性能差的技术问题，提出一种快速一体成型三明治结构FRP汽车结构件及其制备方法，具体的技术方案是:
[0010]一种三明治结构FRP汽车结构件，包括芯材、编织层和树脂层，所述编织层覆盖在芯材上下表面，所述树脂层浸渍固化在所述编织层内，其特征在于:所述编织层包括主体结构和多维增强结构。
[0011]所述主体结构包括经线纤维1和炜线纤维2,所述经线纤维1和炜线纤维2编织在芯材表面，编织角度从0°到160°，且多条经线纤维1和炜线纤维2依次在上排列。
[0012]所述多维增强结构3穿过经线纤维1和炜线纤维2之间的空隙，且多条多维增强结构3的排布方向与结构件的主要承力方向保持一致，相互之间平行排列。
[0013]所述芯材为高强度低密度的泡沫材料，包括但不限于pp、pvc、PE、EVA、SBR、CI^。
[0014]所述编织层为连续纤维材料，可以选用碳纤维、UHMWPE纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维的任意一种。
[0015]所述树脂层为热固性树脂材料，可以选用环氧树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂的任意一种。
[0016]本发明的有益效果:采用在编织层内设置增强结构，提升汽车结构件上承力方向上的机械性能，提高汽车结构件的可靠性。【附图说明】
[0017]图1为带多维增强结构的编织层平面结构示意图。【具体实施方式】
[0018] 一种快速一体成型三明治结构FRP汽车结构件的制备方法，包括以下步骤:[0〇19]第一步:根据结构件的补强要求确定三明治芯材的尺寸，制做芯材；
[0020]第二步:在芯材表面在传统编织基础上增加了多维增强结构的编织维度，制做编织层；
[0021]第三步:通过固化工艺使树脂层浸润在编织层表面并固化成型。[〇〇22] 所述第一步中芯材的长度为0.01-5m，宽度为0.01-3m。[〇〇23]所述第一步中芯材的材质为高强度低密度的泡沫材料，包括但不限于PP、PVC、PE、 EVA、SBR、CR 等。
[0024]所述第二步中编织层的材质为连续纤维。所述连续纤维为碳纤维、UHMWPE纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维或其混合物。
[0025]优选所述第二步中编织层的材质为碳纤维和玄武岩纤维按2:3(质量比)组成的混合物。
[0026]所述第三步中树脂层的材质为热固性树脂。所述热固性树脂为环氧树脂、聚氨酯树脂、有机娃树脂。[〇〇27]所述第三步中树脂层的质量占比为汽车结构件总质量的15-55%。[〇〇28] 所述第三步中固化工艺的温度为60_130°C，固化时间为0.1-5小时。
[0029]优选固化工艺的温度采用92°C，固化时间2小时。
[0030]本发明提出一种用于三明治结构FRP汽车结构件的一体成型方法。该方法的特点包括:可根据结构件的补强要求自由调整三明治芯材的尺寸、形状，FRP材料的壁厚、截面形状、尺寸等均可以根据承载要求及装配要求自由调整，可在保证车辆安全的同时最大化的减小材料用量，降低成本，提高减重效果;使用多维编织工艺，在传统编织基础上增加了多个编织维度，并可在编织过程中改变局部的编织厚度，提高产品在所需维度和特定区域的机械性能;编织在特定结构的芯材表面进行，芯材可以为非连续结构，也可以是变截面的连续结构;所述芯材为高强度低密度的泡沫材料，纤维材料通过三维编织方式编织到芯材表面，通过RTM工艺、HP-RTM工艺等固化工艺成型后即可得到所需轻量化三明治结构零部件； 使用连续纤维增强热固性树脂(FRP)为原料，所述连续纤维包括但不限于碳纤维、UHMWPE纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维等高性能纤维，热固性树脂包括但不限于环氧树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂等。所述复合材料的机械强度高于非连续纤维增强树脂，稳定性优于热塑性树脂，可在不降低安全性的同时替代金属材质。[0031 ]加工流程:通过注塑、模压等将工艺将泡沫芯材加工成所需截面形状；
[0032]通过多维编织工艺将纤维编织到芯材表面。通过调整编织角度和增强纤维的维度、数量等工艺参数，可实现编织厚度的自由调整。编织预成型材料的截面形状可与芯材保持一致，实现变厚度、变截面的目的。经线纤维1和炜线纤维2编织在芯材表面，编织角度从 0°到160°，且多条经线纤维1和炜线纤维2依次在上排列；多维增强结构3穿过经线纤维1和炜线纤维2之间的空隙，且多条多维增强结构3的排布方向与结构件的主要承力方向保持一致，相互之间平行排列；通过模压工艺使预成型构件固化成型。模压工艺可选择SMC，RTM， HP-RTM，PCM等;将固化成型后的构件通过表面修整后即可得到所需三明治结构FRP汽车结构件。
【主权项】
1.一种三明治结构FRP汽车结构件，包括芯材、编织层和树脂层，所述编织层覆盖在芯 材上下表面，所述树脂层浸渍固化在所述编织层内，其特征在于:所述编织层包括主体结构 和多维增强结构。2.根据权利要求1所述的三明治结构的FRP汽车结构件，其特征在于:所述主体结构包 括经线纤维(1)和炜线纤维(2)，所述经线纤维(1)和炜线纤维(2)编织在芯材表面，编织角 度从0°到160°，且多条经线纤维(1)和炜线纤维(2)依次在上排列。3.根据权利要求1所述的三明治结构的FRP汽车结构件，其特征在于:所述多维增强结 构(3)穿过经线纤维(1)和炜线纤维(2)之间的空隙，且多条多维增强结构(3)的排布方向与 结构件的主要承力方向保持一致，相互之间平行排列。4.根据权利要求1所述的三明治结构的FRP汽车结构件，其特征在于:所述芯材为高强 度低密度的泡沫材料，所述高强度低密度的泡沫材料是?？、？￥^￡、￡￥4、381?、0?的任意一种 或其混合物。5.根据权利要求1所述的三明治结构的FRP汽车结构件，其特征在于:所述编织层为连 续纤维材料，可以选用碳纤维、UHMWPE纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维的任意一种。6.根据权利要求1所述的三明治结构的FRP汽车结构件，其特征在于:所述树脂层为热 固性树脂材料，可以选用环氧树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂的任意一种。7.—种三明治结构FRP汽车结构件的制备方法，包括以下步骤:第一步:根据结构件的补强要求确定三明治芯材的尺寸，制做芯材；第二步:在芯材表面在传统编织基础上增加了多维增强结构的编织维度，制做编织层； 第三步:将树脂浸润在编织层表面并固化成型形成树脂层。8.根据权利要求7所述的一种三明治结构FRP汽车结构件的制备方法，其特征在于: 所述第一步中芯材的长度为〇.〇l-5m，宽度为0.01-3m;所述第一步中芯材的材质为高强度低密度的泡沫材料；所述第二步中编织层的材质为连续纤维；所述第三步中树脂层的材质为热固性树脂。9.根据权利要求8所述的一种三明治结构FRP汽车结构件的制备方法，其特征在于:所述连续纤维为碳纤维、UHMWPE纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维或其混合物； 所述热固性树脂为环氧树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂。10.根据权利要求7所述的一种三明治结构FRP汽车结构件的制备方法，其特征在于: 所述第二步中编织层的材质为碳纤维和玄武岩纤维按2:3(质量比)组成的混合物;所述第三步中树脂层的质量占比为汽车结构件总质量的15-55%。
【文档编号】B32B5/08GK105965982SQ201610411501
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月14日
【发明人】段瑛涛, 孔凡忠, 栗娜, 李文博, 单永彬
【申请人】北京汽车研究总院有限公司