一种长碳纤维增强热塑性复合材料汽车轮毂的制作方法
【技术领域】
[0001] 汽车轮彀是高速旋转的主承力结构件，与车身结构件相比，减重效益更为突出。同 时，车轮减重还会带来汽车动力性能的跃升，如制动、加速、转向以及降低回旋效应等，从整 车角度来综合考量，这些性能的改善将使汽车的综合效能明显提升。汽车轮彀的轻量化已 成为汽车企业追求卓越的重要表现。
[0002] 热固性复合材料（FRP)轮毂被用于赛车以及小批量生产（short production runs)。然而，与可注射成型的热塑性复合材料（FRT)轮毂相比，热固性复合材料（FRP)轮 毂制造过程相对更复杂且更昂贵，因而不适合大批量量生产。
[0003] 澳大利亚一家碳纤维技术公司在2012年美国拉斯维加斯举行的国际汽车零配件 展览会（SEMA)上推出的世界上第一个整体式碳纤维热固性复合材料轮毂。这种CR-9碳纤 维热固性复合材料轮毂每个仅重6. 81~8. 17kg，其质量相比合金轮毂轻40%~50%。
[0004] 2013年Smart汽车公司的新型热塑性复合材料（CFRT)车轮轮毂，整套车轮由两 部分组成：实际支撑组件以及轮罩。两组部件都具有支撑功能，在行驶条件下可以承载高负 荷。该塑料复合材料（CFRT)车轮仅重6kg，比标准铝车轮轻30%。与CR-9整体式碳纤维 热固性复合材料轮彀和DYMG公司的碳纤维复合材料/镁合金组合式轮彀不同，Smart公 司的全塑碳纤维热塑性复合材料车轮采用长玻纤增强聚酰胺（Ultramid Structure)热塑 性复合材料，通过注塑成型工艺制备。无论从加工成本，还是成型效率来讲，这种热塑性复 合材料轮毂的注塑成型都更具优势。
[0005] 汽车轮毂复合材料化的综合效益显著。然而，作为保证汽车行驶安全的重要部件， 汽车轮毂不仅需要承受整车重量及载重，还要传递驱动扭矩。同时，汽车车轮的几何形状复 杂，受力情况难于确切描述，这些为汽车轮毂的复合材料化带来极强挑战。
[0006] 1)汽车轮毂设计应充分考虑复合材料的力学性能特点，设计制造整体式汽车轮毂 结构。整体式结构在充分挖掘复合材料强度特性的同时，避免了辐板和轮辋的连接问题，既 简化了工序，也提高了汽车轮毂的整体结构刚度和强度，有利于提高耐久性和安全性。
[0007] 2)汽车车轮在行驶过程中，经常会受到路边石的高速冲击，而复合材料对冲击损 伤又比较敏感，因此复合材料汽车轮毂对抗冲击性能的要求比其它结构件高，冲击试验也 是车轮性能检测试验中的一种。复合材料的冲击性能主要受复合材料体系和成型工艺的影 响，优选复合材料体系和成型工艺是制备高抗冲击性复合材料汽车轮毂的主要手段。
[0008] 3)作为汽车部件使用，也可以采用表面防护等方法防止路边石直接冲击到复合材 料汽车车轮内表面，降低车轮冲击损伤的风险。制动摩擦热的散发性能是汽车轮毂设计和 制造除力学性能外需要考虑的另一个关键性能。和钢制或者铝合金汽车轮毂相比，复合材 料的散热性能差。为提高复合材料汽车轮毂的散热性，可以从复合材料体系和汽车车轮结 构设计两方面着手。DYMG公司的碳纤维/镁合金组合式轮彀采用高导热材料制备汽车刹 车盘和碳纤维轮辋组成整体汽车轮彀，通过高导热材料刹车盘增强汽车轮彀散热能力。此 外，通过汽车轮毂造型设计，靠自身旋转散发热量，这也给复合材料汽车轮毂的散热设计提 供了借鉴。
[0009] 复合材料和金属材料的力学特性完全不同，主要体现在两个方面：1)复合材料为 力学性能具有明显的各向异性，呈现出很强的可设计性，而金属材料则为各向同性；2)复 合材料和金属材料的破坏模式不同，复合材料破坏模式呈现复杂多样，属于多尺度渐进式 韧性破坏，而金属材料的破坏为呈现塑性变形主导的屈服破坏。不同的决定源于设计理念 的不同，不同设计决定对部件的服役失效评估准则不同。因此，必须将复合材料的性能特性 与复杂汽车轮毂结构设计融入部件设计理念，才有可能推动先进复合材料作为汽车主承力 轮毂结构件的应用，从而达到汽车轮毂轻量化设计目的，实现节能减排目标。
【背景技术】
[0010] 现有国内外生产的复合材料轮毂通常采用碳纤维增强热固性复合材料制作，热固 性复合材料轮毂普遍存在比重大、吸潮易变形、不耐低温、抗冲击性差、成本高的不足或缺 陷，使用不能满足特殊要求。
[0011] 本实用新型发明采用采用精密注塑成形工艺制造长碳纤维增强热塑性复合材料 汽车轮毂，其中所用的长碳纤维增强热塑性复合材料（粒料）的长度尺寸为：l〇-25mm， 所含有的长碳纤维长度尺寸为：l〇-25mm，碳纤维（重量）含量为：30-75wt%。新型长碳 纤维增强热塑性复合材料轮毂中所含有的碳纤维保留（尺寸）长度呈现较长，可达到： 2. 43-8. 97mm，并且形成碳纤维相互缠结三维网状结构特征，从而使复合材料汽车轮毂具有 较高的抗冲击性能。复合材料轮毂精密注塑成形技术生产工艺简单，制品具有成本低、使用 寿命长、比重小、翅曲变形小、尺寸稳定、吸水吸潮低、强度高、散热性好、低温耐冲击性好、 抗划痕、抗紫外光老化、耐化学溶剂腐蚀等显著良好性能，故在新能源纯电动汽车领域具有 广泛应用，符合国家低碳经济与节能减排、可回收环保耍求。 【实用新型内容】
[0012] 本实用新型解决了现有低成本、高性能的碳纤维增强热塑性复合材料汽车轮毂成 形生产工艺技术，产品具有生产工艺简单、成本低、使用寿命长、比重小、翅曲变形小、尺寸 稳定、吸水吸潮低、强度高、散热性好、低温耐冲击性好、抗划痕、抗紫外光老化、耐化学溶剂 腐蚀等显著良好性能，故在新能源纯电动汽车领域具有广泛应用，符合国家低碳经济与节 能减排、可回收环保耍求。
[0013] 本实用新型提供了一种用于新能源纯电动汽车中使用的低成本、高性能的长碳纤 维增强热塑性复合材料汽车轮毂，由碳纤维热塑性复合材料汽车轮毂支架、金属钢紧固件、 工程塑料外饰罩壳件、金属钢嵌件等系列零部（配）件组成。新型长碳纤维增强热塑性复 合材料汽车轮毂的轮毂支架、外饰罩壳件上喷涂有底漆层，并在底漆层上再喷涂UV光固化 的光亮罩面高抗划痕面漆。
[0014] 本实用新型提供的一种长碳纤维增强热塑性复合材料汽车轮毂，具有生产工艺简 单、成本低、使用寿命长、比重低、翅曲变形小、尺寸稳定、吸水吸潮低、强度高、散热性好、低 温耐冲击性好、抗划痕、抗紫外光老化、耐化学溶剂腐等显著良好性能。图2是本实用新型 提供的复合材料轮毂的外形图。
【附图说明】
[0015] 图1为长碳纤维增强热塑性复合材料汽车轮毂正面外形图；
[0016] 图2为长碳纤维增强热塑性复合材料汽车轮毂反面外形图；
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图2及【具体实施方式】，对本实用新型作进一步详细的说明。
[0018] 1. 一种用于新能源纯电动汽车中使用的低成本、高性能的长碳纤维增强热塑性复 合材料汽车轮毂，由碳纤维热塑性复合材料汽车轮毂支架、金属钢紧固件、工程塑料外饰罩 壳件、金属钢嵌件等系列零部（配）件组成。复合材料轮毂支架、工程塑料外饰罩壳件上喷 涂有底漆层，并在底漆层上再喷涂UV光固化的光亮罩面高抗划痕面漆。
[0019] 长碳纤维增强热塑性复合材料汽车轮毂选用碳纤维含量为40wt%，粒子尺寸 12-15mm，长碳纤维增强热塑性聚酰胺复合材料（粒料）与适量抗氧剂、抗紫外光剂、色粉 (色母料）均匀混合后，再经注塑机加热注入模具后快速冷却脱离成形，即制作复合材料汽 车轮毂。复合材料汽车轮毂中的碳纤维保留长度呈现较长，可达到：3. 48-8. 67mm，并且形 成相互缠结三维网状结构特征，使制品具有较高的抗冲击性，特别是耐低温冲击性能（-30 至-80°C)高。金属钢嵌件的复合材料汽车轮毂表面有底漆层，在底漆层上喷涂有UV光固 化的光亮罩面，实验测试结果如下：
[0020] 表1.实验测试结果如下：
[0021] 表1.实验测试的结果
【主权项】
1. 一种长碳纤维增强热塑性复合材料汽车轮毂，其特征在于：长碳纤维增强热塑性复 合材料汽车轮毂的轮毂支架、外饰罩壳件上喷涂有底漆层，并在底漆层上再喷涂UV光固化 的光亮罩面高抗划痕面漆。
2. 根据权利要求1所述的长碳纤维增强热塑性复合材料汽车轮毂，其特征在于：长碳 纤维增强热塑性复合材料汽车轮毂产品采用精密注塑成形工艺制造。
3. 根据权利要求1所述的长碳纤维增强热塑性复合材料汽车轮毂，其特征在于：所用 的长碳纤维增强热塑性复合材料（粒料）的长度尺寸为：1〇_25_，碳纤维（重量）含量为： 30-75wt%。
4. 根据权利要求1所述的长碳纤维增强热塑性复合材料汽车轮毂，其特征在于： 长碳纤维增强热塑性复合材料轮毂中所含有的碳纤维保留尺寸长度呈现较长，可达到 2. 43-8. 97mm，并且形成碳纤维相互缠结三维网状结构特征。
5. 根据权利要求1所述的长碳纤维增强热塑性复合材料汽车轮毂，其特征在于：长碳 纤维增强热塑性复合材料汽车轮毂中所用树脂基体主要是：聚酰胺（PA)、聚碳酸酯（PC)、 聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET)、聚苯硫醚（PPS)、聚醚醚酮 (PEEK)、热塑性聚酯（TPEE)、热塑性聚氨酯（TPU)，以及上述聚合物中的一种或多种聚合物 经过改性后形成的共混物合金。
【专利摘要】本实用新型提供了一种长碳纤维增强热塑性复合材料汽车轮毂。采用精密注塑成形工艺制造长碳纤维增强热塑性复合材料汽车轮毂，其中所用的长碳纤维增强热塑性复合材料(粒料)的长度尺寸为：10-25mm，碳纤维长度尺寸为：10-25mm，碳纤维(重量)含量为：30-75wt％。长碳纤维增强热塑性复合材料汽车轮毂中所含有的碳纤维保留(尺寸)长度呈现较长，可达到：2.43-8.97mm，并且形成相互缠结三维网状结构特征。新型长碳纤维增强热塑性复合材料汽车轮毂的轮毂支架、外饰罩壳件上喷涂有底漆层，并在底漆层上再喷涂UV光固化的光亮罩面高抗划痕面漆。
【IPC分类】B60B5-02
【公开号】CN204415020
【申请号】CN201420496310
【发明人】方鲲, 李玫
【申请人】北京纳盛通新材料科技有限公司
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2014年9月1日