纖維增強熱塑性複合材料在成型製備汽車零部件中的應用的製作方法

2023-09-23 21:52:00 1

本發明屬於汽車零部件成型及製備技術領域，尤其涉及一種纖維增強複合材料在成型製備汽車零部件中的應用。

背景技術：

汽車輕量化是當前汽車工業研究的熱點。汽車輕量化主要涉及零部件的結構設計與適合特定工藝加工成型的材料。當前碳鋼、鋁合金是汽車製造領域的主要材料，複合材料所佔比重不超過30%，這嚴重製約了複合材料在汽車領域的發展和應用。

雖然汽車輕量化技術快速發展，但是限制複合材料在汽車輕量化領域扮演重要角色的主要因素包括：

（1）複合材料的絕對強度不如金屬材料，用複合材料簡單的替代金屬材料在力學性能上滿足不了應用要求；

（2）複合材料在汽車領域的應用過程中，對零部件的結構設計不夠，沒有充分發揮複合材料結構可設計性的優點，限制了其在汽車零部件上的進一步應用；

（3）傳統複合材料，由於其製備工藝落後，成本偏高，基本物理性能也滿足不了汽車零部件輕量化對材料高性能的要求。

由此可見，開發結構合理、適合成型的高性能複合材料，是促進複合材料在汽車零部件領域廣泛應用、加快汽車輕量化發展的關鍵要素。

現有技術中有提及對後視鏡支架系統的改進專利（參見申請號為201410222346、201420264680號的中國專利文獻），其主要提到後視鏡支架系統，且主要是以金屬材料為基礎的系統設計，沒有涉及後視鏡支架的製作工藝與複合材料的選擇；現有技術中還有提到車輪輪轂罩、車用迎賓踏板結構、汽車儀表臺骨架等汽車零部件的專利（參見申請號為201130368116、201410183313、201020062429號的中國專利文獻），但這些專利文獻主要涉及產品的外觀與結構，同樣少有涉及產品的選材與製備；而部分涉及到複合材料選材與製備工藝的專利文獻（參見申請號為201310459618、201410159742、201410048878號的中國專利文獻），又沒有涉及到複合材料的組成與複合材料的具體應用方式。

現有汽車零部件多以金屬材料成型為主，成型加工方式主要是衝壓、焊接兩道工序。在汽車輕量化技術日益發展的背景下，關鍵零部件的輕量化顯得十分迫切，而以金屬材料的衝壓和焊接為代表的工藝技術已經落後，滿足不了輕量化的技術要求，也滿足不了汽車零部件精益生產的技術要求。例如CN201210300260、CN201010543461、CN201110366114、CN201210118977、CN200910163728號等中國專利主要涉及短纖維增強熱塑性材料的製備方法，但所得到的零部件不能作為汽車結構件使用，難以達到汽車零部件輕量化的效果。CN201210574838號中國專利則主要涉及包含纖維增強尼龍和聚丙烯材料混合合金材料的製備方法，尼龍和聚丙烯材料加工溫度窗口難以協調，後續加工過程中，溫度太低尼龍容易塑化不良，溫度太高會導致聚丙烯材料降解的情形發生。

由上可見，複合材料領域多數技術集中在複合材料的製備工藝和設備領域，對於怎樣將複合材料通過合理的結構設計應用到汽車零部件上卻很少有相關報導，即材料的製備與材料應用聯繫不密切，本發明將複合材料的製備、成型與在汽車零部件領域的應用進行結合，重點解決長纖維/連續纖維複合材料成型和在汽車輕量化中的應用中的相關問題。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是，克服以上背景技術中提到的不足和缺陷，提供一種對材料結構設計性強、工藝高效簡便、產品性能優異且易於產業化實施的纖維增強熱塑性複合材料在成型製備汽車零部件中的應用。

為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為一種纖維增強熱塑性複合材料在成型製備汽車零部件中的應用，其特徵在於，所述纖維增強熱塑性複合材料包括長纖維增強熱塑性複合材料和連續纖維增強熱塑性複合材料。

上述的應用中，優選的，所述汽車零部件為汽車擋泥板總成，所述汽車擋泥板總成包括擋泥板支撐杆、支撐杆底座和擋泥板懸掛支架及尾燈支架；所述連續纖維增強熱塑性複合材料的增強體為三維織物結構和/或單向帶結構。

更優選的，所述應用具體包括擋泥板支撐杆的製備、支撐杆底座的製備和擋泥板懸掛支架及尾燈支架的製備。

所述擋泥板支撐杆的製備主要採用連續纖維增強熱塑性複合材料。更優選的，所述擋泥板支撐杆的製備包括以下步驟：將熱塑性樹脂充分浸漬連續纖維增強體進行預熱，預熱溫度優選為180℃-245℃；將浸漬後的連續纖維增強體纏繞在相應的芯模上，纏繞在芯模上的纏繞速度優選為10～500 r/s，再通過固化成型得到支撐杆預結構；再將所得的支撐杆預結構冷卻定型得到擋泥板支撐杆（冷卻定型溫度優選為20℃-60℃）；所述熱塑性樹脂為聚丙烯樹脂，所述連續纖維增強體為單向帶結構。

所述支撐杆底座的製備同時採用長纖維增強熱塑性複合材料和連續纖維增強熱塑性複合材料。更優選的，所述支撐杆底座的製備包括以下步驟：先加熱連續纖維增強體，所述連續纖維增強體為三維織物結構；再通過熱壓預成型支撐杆底座增強骨架結構；將預成型得到的支撐杆底座增強骨架結構再進行預熱，預熱溫度為180℃-240℃，並放置於模具中；再將預先備好的長纖維增強熱塑性複合材料加熱塑化，通過注塑的方式與前述放置好的支撐杆底座增強骨架結構複合，注塑溫度為230℃-260℃（優選溫度機制為230℃、240℃、250℃、250℃、260℃），注塑壓力為40～90 bar，注塑速度為20%～150%，背壓為2～5 Mpa，得到支撐杆底座；所述支撐杆底座用到的樹脂基體材料為尼龍樹脂。

所述擋泥板懸掛支架及尾燈支架的製備主要採用長纖維增強熱塑性複合材料。更優選的，所述擋泥板懸掛支架及尾燈支架的製備均是通過長纖維增強熱塑性複合材料注塑成型得到，注塑溫度為200℃-230℃（優選溫度機制為200℃、210℃、220℃、220℃、230℃），注塑壓力為20～80 bar，注塑速度為20%～100%，背壓為1.5～3 Mpa，所述長纖維增強熱塑性複合材料為長玻纖增強尼龍材料或長玻纖增強聚丙烯複合材料。

作為一個總的技術構思，上述本發明的應用中，所述汽車零部件還可以為油門踏板、剎車踏板、車橋緩衝軟墊支架及其附屬部件、座椅骨架、儀表臺骨架、後視鏡支架、發動機油管護板、車輪輪轂罩中的至少一種。所述油門踏板、剎車踏板、車橋緩衝軟墊支架及其附屬部件、座椅骨架、儀表臺骨架、後視鏡支架、發動機油管護板、車輪輪轂罩的製備均優選同時採用長纖維增強熱塑性複合材料和連續纖維增強熱塑性複合材料。更優選的，所述油門踏板、剎車踏板的製備具體包括以下步驟：先採用連續纖維增強熱塑性複合材料通過加熱模壓的方式成型踏板骨架結構，再將踏板骨架結構預先置於模具中，將備好的長纖維增強熱塑性複合材料加熱塑化，通過向模具注塑的方式成型得到油門踏板、剎車踏板；所述車橋緩衝軟墊支架及其附屬部件、座椅骨架、儀表臺骨架、後視鏡支架、發動機油管護板、車輪輪轂罩的製備具體包括以下步驟：先採用連續纖維增強熱塑性複合材料通過加熱模壓或纏繞的方式成型骨架結構，再通過向模具注塑的方式成型得到相應產品。

上述本發明的應用中，優選的，所述纖維增強熱塑性複合材料的主要原料質量配比包括纖維增強材料 10%～70%（優選玻璃纖維）和樹脂基體材料 30%～90%（優選聚丙烯樹脂）。更優選的，所述纖維增強熱塑性複合材料中還添加有主要原料質量2%～10%的相容劑和主要原料質量0.2%～5%的功能助劑。

與現有技術相比，本發明的優點在於：本發明提供了一類纖維增強熱塑性複合材料在汽車零部件製備領域中的應用，並將其替代金屬推廣應用到汽車零部件，所製備的汽車零部件產品輕量化效果顯著，可滿足汽車運行所需要的工況條件；更重要的是，本發明的應用工藝對材料結構設計性強，製備工藝高效，簡便，可以有效地避免因簡單替代金屬材料在產業化應用上帶來的困局。利用該類複合材料成型汽車零部件可以克服和避免使用金屬材料帶來的的衝壓、焊接等工藝的繁瑣工藝，優化工藝流程，滿足汽車零部件精益生產的技術要求。

採用上述本發明改進後的工藝製得的汽車擋泥板總成，其安裝於車橋上後，與車橋沒有共振現象；以0.25Hz的頻率，周期性振動10000次，未見出現損壞失效。裝車通過3號路8000公裡強化路試和10000公裡全壽命路試。

應用上述本發明改進後的工藝製得的油門踏板、剎車踏板，在以200KN的力加載於踏板上，以0.25Hz的頻率連續踩踏10000次，踏板未出現損壞失效。

應用上述本發明改進後的工藝製得的車橋緩衝軟墊支架及其附屬部件，（1）在以150KN的力、加載速度1KN/s作用於軟墊支架上時，其最大Z向位移不超過5mm；（2）在以80KN的力加載於軟墊支架上，以0.25Hz的頻率循環10000次，軟墊支架未出現損壞失效。

應用上述本發明改進後的工藝製得的座椅骨架、儀表臺骨架、車輪輪轂罩等，在以0.25Hz的頻率周期性振動10000次，未出現損壞失效，裝車通過3號路8000公裡強化路試和10000公裡全壽命路試。

應用上述本發明改進後的工藝製得的發動機油管護板、後視鏡支架等產品，（1）產品在80℃條件下放置800h，表面未出現粉化、粘附、開裂、褪色等現象；（2）產品在氙燈輻照、雨水噴淋等外界條件下作用500h，表面未出現粉化、粘附、開裂、褪色等現象；

所述氙燈輻照要求：氙燈功率6KW，數量1個，溫度40℃～85℃，相對溼度70%～95%，氙燈中心到產品表面的距離為330～350 mm，試樣旋轉速度1～2 r/min；

所述雨水噴淋要求：水壓，0.078～0.12 MPa，水量2～2.2 L/min，每小時噴水量12min，水的pH值為6.0～8.0的去離子水。

具體實施方式

為了便於理解本發明，下文將結合較佳的實施例對本發明作更全面、細緻地描述，但本發明的保護範圍並不限於以下具體的實施例。

需要特別說明的是，當某一元件被描述為「固定於、固接於、連接於或連通於」另一元件上時，它可以是直接固定、固接、連接或連通在另一元件上，也可以是通過其他中間連接件間接固定、固接、連接或連通在另一元件上。

除非另有定義，下文中所使用的所有專業術語與本領域技術人員通常理解的含義相同。本文中所使用的專業術語只是為了描述具體實施例的目的，並不是旨在限制本發明的保護範圍。

除非另有特別說明，本發明中用到的各種原材料、試劑、儀器和設備等均可通過市場購買得到或者可通過現有方法製備得到。

實施例1：

一種本發明的纖維增強熱塑性複合材料在成型製備汽車擋泥板總成中的應用，該汽車擋泥板總成包括擋泥板支撐杆、支撐杆底座和擋泥板懸掛支架及尾燈支架，纖維增強熱塑性複合材料包括長纖維增強熱塑性複合材料和連續纖維增強熱塑性複合材料。

本實施例的應用具體包括擋泥板支撐杆的製備、支撐杆底座的製備和擋泥板懸掛支架及尾燈支架的製備。

擋泥板支撐杆的製備主要採用連續纖維增強熱塑性複合材料；其製備具體包括以下步驟：將熱塑性樹脂（本實施例選用聚丙烯樹脂）充分浸漬連續纖維增強體（連續纖維增強體為單向帶結構）進行預熱，將浸漬後的連續纖維增強體纏繞在相應的芯模上，再通過固化成型得到支撐杆預結構；再將所得的支撐杆預結構冷卻定型得到擋泥板支撐杆；前述纖維增強體的預熱溫度為240℃-245℃，纏繞在芯模上的纏繞速度為200Rad/s，冷卻定型溫度為40℃。

支撐杆底座的製備同時採用長纖維增強熱塑性複合材料和連續纖維增強熱塑性複合材料；支撐杆底座的製備具體包括以下步驟：先加熱連續纖維增強體，連續纖維增強體為三維織物結構；再通過熱壓預成型支撐杆底座增強骨架結構；將預成型得到的支撐杆底座增強骨架結構再進行預熱（預熱溫度為240℃），並放置於模具中；再將預先備好的長纖維增強熱塑性複合材料加熱塑化（注塑溫度可為230℃、240℃、250℃、250℃、260℃，注塑壓力為40/50/60/80 bar，注塑速度為20%/50%/50%/50%，背壓為3Mpa），通過注塑的方式與前述放置好的支撐杆底座增強骨架結構複合，得到支撐杆底座；支撐杆底座用到的樹脂基體材料為尼龍樹脂。

擋泥板懸掛支架及尾燈支架的製備主要採用長纖維增強熱塑性複合材料。擋泥板懸掛支架及尾燈支架的製備均是通過長纖維增強熱塑性複合材料注塑成型得到（注塑溫度為200℃、210℃、220℃、220℃、230℃），注塑壓力為20/30/50/50 bar，注塑速度為20%/30%/40%/40%，背壓為1.8 Mpa），長纖維增強熱塑性複合材料為長玻纖增強聚丙烯複合材料。

本實施例用到的纖維增強熱塑性複合材料的主要原料質量配比包括玻璃纖維（或長玻璃纖維）增強材料 30%和聚丙烯（或尼龍）樹脂基體材料 70%，還添加有主要原料質量5%～8%的相容劑和主要原料質量0.2%～0.5%的功能助劑；將這些原料按前述比例混合、熔融塑化即可，塑化溫度為200℃、210℃、220℃、220℃、230℃。

通過測試，本實施例製備的汽車擋泥板總成材料物理機械性能如下：拉伸強度大於100MPa，彎曲強度大於160MPa，彎曲模量大於7000MPa，簡支梁缺口衝擊強度大於25KJ/m2。本實施例的汽車擋泥板總成滿足如下特徵：安裝於車橋，與車橋沒有共振現象，以以0.25Hz的頻率，周期性振動10000次，不出現損壞失效。

實施例2：

一種本發明的纖維增強熱塑性複合材料在成型製備汽車踏板（包括油門踏板或剎車踏板）中的應用，該纖維增強熱塑性複合材料包括長纖維增強熱塑性複合材料和連續纖維增強熱塑性複合材料。

本實施例中汽車踏板的製備具體包括以下步驟：先採用連續纖維增強熱塑性複合材料通過加熱模壓的方式成型踏板骨架結構，再將踏板骨架結構預先置於模具中，將備好的長纖維增強熱塑性複合材料加熱塑化，通過向模具注塑的方式成型得到汽車踏板。前述製備過程中，加熱模壓時的預熱溫度為240℃-245℃，熱料冷壓，壓機上模板下行速度800mm/min；汽車踏板增強骨架的預熱溫度為240℃；長纖維增強尼龍複合材料注塑溫度為230℃、240℃、250℃、250℃、260℃，注塑壓力為40/50/60/80 bar，注塑速度為20%/50%/50%/50%，背壓為2Mpa。

本實施例用到的纖維增強熱塑性複合材料的主要原料質量配比包括連續玻璃纖維（或長玻璃纖維）增強材料 30%和聚丙烯樹脂基體材料60%，還添加有主要原料質量5%～8%的相容劑和主要原料質量0.2%～0.5%的功能助劑；將這些原料按前述比例混合、熔融塑化即可。

應用上述本實施例改進後的工藝製得的油門踏板、剎車踏板，以200KN的力加載於踏板上，以0.25Hz的頻率連續踩踏10000次，踏板不出現損壞失效。

實施例3：

一種本發明的纖維增強熱塑性複合材料在成型製備乘用車後視鏡支架中的應用，該纖維增強熱塑性複合材料包括長纖維增強熱塑性複合材料和連續纖維增強熱塑性複合材料。

本實施例中後視鏡支架的製備具體包括以下步驟：先採用連續纖維增強熱塑性複合材料通過加熱模壓或纏繞的方式成型骨架結構，再通過向模具注塑的方式成型得到相應產品。前述的製備過程中，注塑溫度為195℃、200℃、200℃、210℃、220℃，注塑壓力為25/40/60/60 bar，注塑速度為30%/40%/45%/45%，背壓1.5Mpa。

本實施例用到的纖維增強熱塑性複合材料的主要原料質量配比包括連續玻璃纖維（或長玻璃纖維）增強材料 40%和聚丙烯樹脂基體材料50%，還添加有主要原料質量5%～8%的相容劑和主要原料質量0.2%～0.5%的功能助劑；將這些原料按前述比例混合、熔融塑化即可。

經測試，上述後視鏡支架材料物理機械性能如下：拉伸強度大於110MPa，彎曲強度大於190MPa，彎曲模量大於8000MPa，簡支梁缺口衝擊強度大於25KJ/m2。

應用上述本實施例改進後的工藝製得的後視鏡支架等產品，（1）產品在80℃條件下放置800h，表面未出現粉化、粘附、開裂、褪色等現象；（2）產品在氙燈輻照、雨水噴淋等外界條件下作用500h，表面未出現粉化、粘附、開裂、褪色等現象。氙燈輻照要求：氙燈功率6KW，數量1個，溫度40℃～85℃，相對溼度70%～95%，氙燈中心到產品表面的距離為330～350 mm，試樣旋轉速度1～2 r/min；雨水噴淋要求：水壓，0.078～0.12 MPa，水量2～2.2 L/min，每小時噴水量12min，水的pH值為6.0～8.0的去離子水。