一种多功能结构动力复合材料零件及其制备方法与流程

本发明公开了一种多功能结构动力复合材料零件及其制备方法，涉及纤维增强复合材料零件制造技术，属于材料学领域。

背景技术：

纤维增强复合材料具有较高的比强度、比刚度、以及良好的抗腐蚀性、抗疲劳性、抗冲击性和高温性能，其作为一种“轻量化材料”在航空航天、轨道交通、汽车等行业得到应用。近年来，为满足节能减排、绿色出行需求，电能驱动的轨道交通、汽车等发展迅速，但均遇到续航里程过短、电储能器件占比空间较大等瓶颈问题。以电动汽车为例，其电储能器件(二次电池组或超级电容器)通常安装在车底盘上方、地板下方，体积和重量均较大，一定程度上增加了车辆的能耗，减小了车辆的续航里程。通过纤维增强复合材料替代车辆传统的金属材料，能够实现车辆轻量化，降低车辆能耗，延长车辆的续航里程。如果进一步将电储能器件嵌入纤维增强复合材料零件中，将不仅能够增加车辆的电储能容量，还能够解决车底盘上方电储能器件(二次电池组或超级电容器)占比空间较大问题，实现电动汽车续航里程增加。遗憾的是，电储能器件嵌入纤维增强复合材料零件制造过程中，涉及二者界面结合、纤维浸润、电池绝缘与防泄漏等诸多难题，长期以来一直限制着相关技术发展进程。

技术实现要素：

为满足节能减排、绿色出行需求，解决电能驱动的轨道交通、汽车等遇到的续航里程过短、电储能器件占比空间较大等瓶颈问题，本发明公开了一种多功能结构动力复合材料零件及其制备方法，结合说明书附图，本发明的技术方案如下：

一种多功能结构动力复合材料零件，所述多功能结构动力复合材料零件由纤维增强体、树脂以及电储能器件组成；所述电储能器件由二次电池或超级电容器与导线连接组成，所述电储能器件嵌置在纤维增强体组成的层结构内，形成带有电储能器件的纤维增强体层结构，且导线的末端与纤维增强体外部联通，以实现电储能器件充/放电；

所述树脂浸润带有电储能器件的纤维增强体层结构。

一种多功能结构动力复合材料零件，其中，所述纤维增强体为不连续纤维或连续纤维；

所述树脂为热固性树脂或热塑性树脂；

所述二次电池为锂离子电池、钠离子电池或镍氢电池。

一种多功能结构动力复合材料零件的制备方法，制备过程如下：

步骤一：裁剪纤维增强体，组装电储能器件；

步骤二：将裁剪后的纤维增强体与组装后的电储能器件依次铺排，使电储能器件嵌置在纤维增强体组成的层结构中，形成带有电储能器件的纤维增强体层结构，并将电储能器件的充/放电导线外露；

步骤三：将树脂浸润带有电储能器件的纤维增强体层结构，并经固化、脱模、切割、打磨处理，制成多功能结构动力复合材料零件。

一种多功能结构动力复合材料零件制备方法，其中，

步骤一中，所述纤维增强体的裁剪是按照待制成零件以及待嵌入的电储能器件的几何形状及尺寸进行剪裁；

步骤三中，所述树脂浸带有电储能器件的纤维增强体层结构的过程，通过手糊、真空导入、模压中的一种或多种成形工艺实现；

步骤三中，所述脱模指的是复合材料零件从模具中脱出；

步骤三中，所述切割指的是切掉粗制成形的复合材料零件多余的坯料；

步骤三中，所述打磨指的是将粗制成形的复合材料零件的表面去尖角、毛刺或抛光的处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明创造性地解决了电储能器件嵌入纤维增强复合材料零件制造过程中，所涉及的界面结合、纤维浸润、电池绝缘与防电解液泄漏等诸多难题；

2、本发明在纤维增强复合材料成形技术的基础上，把电储能器件嵌入到纤维增强复合材料当中，使其在不破坏原有纤维增强复合材料轻质、高强度、耐高温等性能的前提下，拥有了电储能性能，其可以普遍应用在轨道交通、汽车等相关零部件；

3、以电动汽车为例，本发明制造的多功能结构动力复合材料零件可代替金属零件，做为汽车发动机罩、后备箱盖板等汽车覆盖件或结构件，可以较金属件减重30-50％，增加电池容量10％-20％，增加续航里程130公里以上，解决“电动车续航里程过短”行业难题；

4、本发明极大地拓宽了纤维增强复合材料零件应用领域。

附图说明

图1为多功能结构动力复合材料平板零件结构示意图。

图2是纤维增强体剪裁示意图，其中：

图2a为纤维增强体一次剪裁示意图；

图2b为纤维增强体二次剪裁示意图。

图3为带有焊接导线的电储能器件为纽扣二次电池时的示意图。

图4为纤维增强体与电储能器件之间的铺排结构示意图。

图中：

1-连续纤维丝，2-树脂，3-纽扣二次电池，4-导线，5-连续纤维织物。

具体实施方式

为进一步阐述本发明的技术方案，结合说明书附图，下面举例说明本发明一种多功能结构动力复合材料零件及其制备方法的具体实施方式：

本发明公开了一种多功能结构动力复合材料零件，以平板零件为例，如图1所示，该平板零件由纤维增强体、树脂2和电储能器件3组成；所述纤维增强体为不连续纤维或连续纤维，本实施例中所述纤维增强体采用连续纤维丝1。电储能器件嵌置在由多层纤维增强体组成在纤维增强体层结构中，形成带有电储能器件的纤维增强体层结构。所述电储能器件由锂离子电池、钠离子电池或镍氢电池等可充电的二次电池或超级电容器及导线4组成，本实施例中电储能器件为纽扣二次电池3与导线4连接组成；所述纽扣二次电池3嵌置在多层纤维增强体中，所述导线4一端与纽扣二次电池3连接，另一端延伸至纤维增强体外，与外部联通，所述导线4实现多功能结构动力复合材料零件的电储能器件的充/放电。树脂2浸润所述带有电储能器件的纤维增强体层结构，其中，所述树脂2为热固性树脂或热塑性树脂；

为进一步提高本发明多功能结构动力复合材料零件的强度及各向同性，所述纤维增强体可以采用短纤维、长纤维、连续纤维丝1或连续纤维织物5中至少一种，且纤维的排列形式可以为单一方向排列的连续纤维丝1、采用正交铺排的连续纤维丝1或根据实际情况进行调整；纤维的材质可以为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、凯夫拉纤维、麻纤维、木纤维等中至少一种。

结合上述技术方案，本发明还提供了一种多功能结构动力复合材料零件制备方法，具体制备过程如下：

步骤一：裁剪纤维增强体，组装电储能器件；

在本实施例中对纤维增强体进行了两次剪裁，对所述纤维增强体按照预制成零件的形状的形状进行一次剪裁，如图2a所示，即本实施例中则按照平板零件的形状对采用连续纤维织物5所制成的纤维增强体进行了一次剪裁；对所述纤维增强体按照所嵌入的电储能器件3的几何形状及尺寸进行二次剪裁，如图2b所示，即本实施例中则按照纽扣二次电池及导线的几何形状及尺寸对纤维增强体进行了二次剪裁；

如图3所示，将电储能器件中的纽扣二次电池3与导线4组装；

步骤二：如图4所述，将裁剪后的纤维增强体与组装后的电储能器件在模具表面依次铺排，所述电储能器件嵌置在由多层纤维增强体铺排组成的纤维增强体层结构中，形成带有电储能器件的纤维增强体层结构，且电储能器件中的导线4露置于纤维增强体层结构外部，与外部联通。

所述模具为实体模具或多点可重构模具；

步骤三：将树脂2浸润步骤二中所制成的带有电储能器件的纤维增强体层结构，采用模压的工艺实现，并经固化、脱模、切割、打磨处理，制成多功能结构动力复合材料零件。

上述步骤一中，所选用的纤维增强体的纤维材质为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、凯夫拉纤维、麻纤维或木纤维等中至少一种，所选用的纤维增强体的纤维结构形式除所述的连续纤维织物5以外，还可以为短纤维、长纤维、连续纤维丝等；

上述步骤三中，树脂2浸润步骤二中所制成的带有电储能器件的纤维增强体层结构，除采用模压一种工艺以外，还可以通过手糊、真空导入、模压等中的一种或多种成形工艺实现；

上述步骤三中，所述固化过程可以加热或不加热；所述脱模过程指的是复合材料零件从模具中脱出，所述切割过程指的是切掉粗制的复合材料零件上多余的坯料，所述打磨指的是复合材料零件的表面去尖角、毛刺、抛光等处理过程。