一种三维编织复合材料汽车板簧及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于板式弹簧的制备技术领域，特别涉及一种三维编织复合材料汽车板簧及其制备方法。
【背景技术】
[0002]目前大型载重车辆所用的板式弹簧为金属材质的多片组合形式，这种变截面的多片金属板簧组合结构通过板与板之间的摩擦从而具备较高的缓冲和减震特性，对于载重量较大的车辆，如客车、越野车、大型载重货车、轨道车辆等均具有较好的减震功能，因此金属材质的板式弹簧装配在车辆悬挂底盘部位而得到大量应用。然而，金属材质的自重较大，虽然具有较高的减震缓冲性能，但是对于载重量较大的车辆来讲，自重较大的钢质板簧必然会带来车辆安全性能的降低，同时自身的重量也削弱了车辆的载重空间。
[0003]随着交通运输设备轻量化研究的不断深入，研究者对重要的运输车辆的轻量化提出了越来越高的要求，目前高性能纤维的树脂基复合材料由于密度低、强度和刚度较高在工业设施设备中得到了大量的应用，车辆轻量化也成为复合材料应用的重要发明，其中高性能碳纤维、玻璃纤维复合材料以其重量轻、强度高、刚度大、抗疲劳性能优异以及使用寿命较长等优点成为传统金属板簧的重要替代材料。
[0004]目前高性能复合材料板式弹簧均采用高性能树脂基纤维复合材料制备，其成型技术大多都采用传统的复合材料成型工艺，如模压成型，树脂传递模塑成型或缠绕成型，其中模压成型工艺制备的复合材料板簧的结构规整，致密性较高，但是模压成型技术模具必不可少，对于异形结构的板簧来讲，模具结构的设计成为制品加工的难点，设计灵活性较低；而对于缠绕成型来讲同样存在这样的问题，缠绕制备的板簧多为规则形状的制品，对于结构外型要求较为灵活的制品其加工的困难程度较高；而树脂传递模塑成型对于结构复杂的制品的设计自由度较大，而且加工效率较高，但是该工艺制备的复合材料板簧的层间结合会由于树脂含量在界面交界处结合力较弱，易断裂。
[0005]所以如何克服纤维复合材料板簧在载重要求较高车辆的疲劳加载条件下的层间结合强度较弱的问题，成为汽车复合材料板簧研究的重点内容。
【发明内容】
[0006]鉴于此本发明的目的在于提供一种三维编织织物结构的复合材料板式弹簧，其中主要涉及多种纤维织物的混杂三维编织结构和树脂传递模塑成型技术，首先通过多种材质纤维混合形成纱线，采用该纱线进行三维立体编织形成织物结构，之后通过特种复合树脂进行真空传递塑成型，最终能够得到一种重量轻、抗疲劳性强、强度高、刚性大、尺寸稳定性强、寿命较长的复合材料车用板簧，以克服普通二维叠层结构复合材料板簧在疲劳载荷状态下的层间破坏问题。
[0007]—种三维编织复合材料汽车板簧，所述板式弹簧分为中间刚性区、两侧韧性区和表面高强区三个部分，中间刚性区和两侧韧性区通过过渡型织物编织结构进行连接，表面高强区与所述中性刚性区、两侧韧性区之间通过缝边连接，形成整体。
[0008]所述的一种三维编织复合材料汽车板簧由混杂纤维组合编织形成立体织物结构，通过调整纤维材质、丝束用量以及织物结构使板簧重要部位具备较高强度、疲劳刚度及寿命，同时配合树脂真空传递模塑技术将特种复合树脂均匀浸渍固化成型，形成三维立体编织复合材料板簧。
[0009]所述的混杂纤维包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、UHMffPE纤维等一种或多种组入口 ο
[0010]所述的立体织物结构包括三维四向、三维五向、三维六向、三维七向等一种或多种编织结构组合。
[0011]所述的纤维丝束用量可选用1K、3K、6K、12K中的一种或多种丝束组合，丝束预先要经过加捻处理，加捻程度根据具体要求而定。
[0012]优选的是，所述中间刚性区的长度占板簧总长度的40%，选用碳纤维与玻璃纤维的混合纱线进行三维立体编织，编织结构中的纤维含量为60% -80(w/w) %。
[0013]优选的是，所述中间刚性区沿厚度方向(Z向)的纤维含量占总织物纤维含量的30-40(w/w)% ο
[0014]优选的是，所述中间刚性区的编织结构为三维五向、三维六向、三维七向中的一种或多种组合，厚度为10-100mm。
[0015]优选的是，所述两侧韧性区在中间刚性区两侧对称分布，各占总长度的30%，选用碳纤维与玻璃纤维的混合纱线进行立体编织，编织结构中的纤维含量为0-60 (w/w) %。
[0016]优选的是，所述中间刚性区和两侧韧性区界面组合采用过渡型织物编织结构，还沿着XY平面的纱线进行界面结构强化线结构。
[0017]优选的是，所述表面高强区采用芳纶纤维或UHMffPE纤维的一种或两种组合形成的混杂纱线进行三维立体编织。
[0018]优选的是，所述表面高强区与刚性区和韧性区之间通过高强度碳纤维纱线进行Z向缝合。
[0019]本发明还提供了一种三维编织复合材料汽车板簧的制备方法，首先，采用混合纱线三维立体编织中间刚性区和两侧韧性区并缝合成整体，再通过Z向缝合在中间刚性区和两侧韧性区外侧形成表面高强区，最后，经树脂真空导入成型和梯度升温固化成型，即得。
[0020]树脂真空导入成型是在模具型面上铺放增强材料，将型腔边缘密封严密，然后在型腔内抽真空，再将树脂通过精心设计的树脂分配体系在真空作用下注入模腔内，逐渐浸渍增强材料，真空压力一直保持至树脂凝胶。其要求树脂仅在真空力作用下能够完全浸渍增强材料。而不同的真空条件对凝胶时间有不同要求，为实现凝胶时间的可变易控，本发明对树脂材料的用量和真空度进行了优选，树脂真空导入过程中，树脂优选用量为织物总重量的 40% -50%。
[0021]所述的树脂真空传递模塑技术采用的是真空袋膜密封树脂导入成型法，所用的树脂包括热固性树脂(环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等)、热塑性树脂(聚酰胺树脂、聚氨酯树脂、PPS树脂等)或热塑性/热固性复合特种树脂。
[0022]上述三维编织复合材料汽车板簧的制造方法，具体包括如下步骤:
[0023](I)纤维的匹配组合及表面处理。根据车辆载重要求选用高性能碳纤维与玻璃纤维混杂组合，进行立体织物编织用的丝束制备。选用碳纤维纱线与玻璃纤维纱线的重量比在1:1-5:1之间可调。纱线经匹配组成混合纱线后进行表面处理，处理通常采用真空或惰性气氛高温除胶，将混杂纤维表面的上浆剂除去，之后根据三维编织机排线要求进行卷绕备用O
[0024](2)混杂纤维的组合及其三维立体编织结构制备。分别选用芳纶纤维、UHMffPE纤维中的一种或两种进行组合，或者两种匹配组合成混合纱线卷绕，或者选用单一纱线进行卷绕。将上述卷绕后的碳纤维/玻璃纤维混合纱线与芳纶纤维及UHMffPE纤维纱线在三维立体编织机上进行装配后，制备板簧用混杂纤维三维织物。
[0025](3)织物结构设计。根据载重车辆使用要求，在特定受力部位选择适宜的纤维纱线材质及编织结构。将板簧结构分为中间刚性区、两侧韧性区和表面高强区三个部分。其中中间刚性区的长度占板簧总长度的40%，该区域选用碳纤维与玻璃纤维的混合纱线进行三维立体编织，编织结构中的纤维含量在60%-80%之间可调，其中沿厚度方向(Z向)的纤维含量占总织物纤维含量的30-40%以保证层间强度稳定。选用的编织结构为三维五向、三维六向、三维七向中的一种或多种组合。该区域的厚度在1-1OOmm之间可调。
[0026]两侧韧性区在中间刚性区两侧对称分布，各占总长度的30%，选用碳纤维与玻璃纤维的混合纱线进行立体编织，编织结构中的纤维含量在50-60%之间可调，其中厚度方向(Z向)的纤维含量占总织物纤维含量的40-50%范围。选用的编织结构为三维四向、三维五向和三维六向中的一种或多种组合。该区域的厚度在1-1OOmm之间可调。
[0027]中间刚性区和两侧韧性区界面组合采用过渡型织物编织结构设计，缝合主要纱线结构为三维五向、三维六向、三维七向中的一种或多种组合，所用的纤维为高强度碳纤维纱线，同时增加沿着XY平面的纱线进行界面结构强化，过渡区域纱线含量在70% -80%，其中界面强化的碳纤维纱线比例占到50% -60%以保证界面足够的强度，使刚性区和韧性区形成整体。该区域的厚度在1-1OOmm之间可调。
[0028]表面高强区主要采用芳纶纤维或UHMffPE纤维的一种或两种组合形成的混杂纱