CN102514117B

CN102514117B - 用于汽车防撞梁的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料及汽车防撞梁的制作方法

Info

Publication number: CN102514117B
Application number: CN201110398165.5A
Authority: CN
Inventors: 阮春寅; 张笑晴; 丁江平; 张翼鹏; 范欣愉
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2011-12-05
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2031-12-05
Also published as: CN102514117A

Abstract

本发明公开了一种用于汽车防撞梁的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料，该复合材料以碳纤维与聚苯硫醚树脂为原料，将原材料按聚苯硫醚树脂、碳纤维、聚苯硫醚树脂的顺序上下叠合，通过复合材料干态预浸机制成预浸料，然后根据目标产品的尺寸大小裁切预浸料，将多层预浸料叠合送入热压机，在热压温度为290～340℃、热压压力为0.1～0.5MPa和热压时间为5～20min条件下热压成型而得到。该复合材料质量轻、强度高、耐冲击性能好，用于制作汽车防撞梁时，具有减震效果优良，并且大大减轻汽车防撞梁重量的优点，因此能够满足汽车轻量化、节能环保的要求，在汽车制造领域具有广泛的应用前景。

Description

用于汽车防撞梁的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料及汽车防撞梁的制作方法

技术领域

本发明涉及汽车防撞梁制作技术领域，尤其涉及一种用于汽车防撞梁的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料以及使用该碳纤维增强聚苯硫醚复合材料制作汽车防撞梁的方法。

背景技术

安全、节能、环保是当今汽车界面临的共同问题。由于汽车轻量化对节能减排的卓越贡献，世界各大汽车生产商都尽可能地减轻车身质量，也由此引发了各种新型轻量化材料的开发与应用。实验证明，汽车质量降低一半，燃料消耗也会降低将近一半，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。

传统的汽车防撞梁一般采用金属材料制成，其缺点是：(1)重量重，不利于提升汽车的操控性；(2)各种金属防撞梁的成型方法存在不足，且与其他部件的组装过程繁琐，费工费时。

因此，寻找一种质量轻、减震效果好的新型材料，能够替代现有的金属材料用于制作汽车防撞梁，将有利于实现汽车轻量化与节能环保。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对目前汽车的金属防撞梁重量较重，不利于汽车轻量化的现状，提供一种用于汽车防撞梁的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料，该复合材料质量轻、强度高、耐冲击性能好，能有效替代金属材料制作汽车防撞梁，加速实现汽车轻量化与节能环保的目的。

本发明人为了解决上述技术问题，采用碳纤维与聚苯硫醚树脂为原料，通过预浸渍、热压的方法制备碳纤维增强聚苯硫醚复合材料，经过大量实验探索，本发明人发现，在热压温度为290～340℃，热压压力为0.1～0.5MPa的条件下，热压5～20min得到的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料具有优异的强度与耐冲击性能，并且质量轻，将是制作汽车防撞梁的优良材料。

本发明提供的具体技术方案为：一种用于汽车防撞梁的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料，以碳纤维与聚苯硫醚树脂为原料，通过如下步骤制备得到：

步骤1：将原材料碳纤维和聚苯硫醚树脂按聚苯硫醚树脂、碳纤维、聚苯硫醚树脂的顺序上下叠合，通过复合材料干态预浸机制成预浸料。所述的复合材料干态预浸机包括加热辊、加压辊、冷却辊和收卷辊，所述的加热辊的温度为290～350℃；

步骤2：根据目标产品的尺寸大小裁切预浸料，将多层预浸料叠合送入热压机，在热压温度为290～340℃、热压压力为0.1～0.5MPa和热压时间为5～20min条件下热压成型，得到板状的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料。

为了防止预浸料的粘连，优选将上下叠合的碳纤维和聚苯硫醚树脂夹在两层聚酰亚胺薄膜之间，然后通过复合材料干态预浸机制成预浸料。

作为优选，所述的热压温度为310～330℃，所述的热压压力为0.15～0.3MPa，所述的热压时间为10～15min。

所述的碳纤维包括但不限于单向纤维、平纹织物、斜纹织物、缎纹织物、多轴向缝编织物、经编织物或无屈曲织物。

所述的聚苯硫醚树脂包括但不限于聚苯硫醚薄膜、聚苯硫醚长丝、聚苯硫醚纤维纸、聚苯硫醚无纺布、聚苯硫醚纤维毡。

通过上述技术方案得到的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料的拉伸强度达到652MPa，弯曲强度达到673MPa，冲击后压缩强度达到160MPa。

使用本发明提供的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料制作汽车防撞梁时采用两部分模具，分别制造汽车防撞梁的两部分，其中，第一部分为汽车防撞梁产品三维模型图中的下半部分，第二部分为汽车防撞梁产品三维模型图中的上半部分，然后将这两部分焊接而成汽车防撞梁整件产品的方法。具体步骤如下：

步骤1：将本发明提供的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料装卡在汽车防撞梁第一部分的模具内，在热压机中先预热1～5min，预热温度为290～330℃，使碳纤维增强聚苯硫醚复合材料软化，然后缓慢合模加压，压力在0.1～0.5MPa之间，冷却后脱模修边，即可完成防撞梁整件的第一部分；

步骤2：将本发明提供的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料装卡在汽车防撞梁第二部分的模具内，重复步骤1的工艺过程，制得防撞梁整件的第二部分；

步骤3：通过复合材料电阻焊接将步骤1和步骤2制得的两部分制件焊成整体，得到防撞梁整件产品。

上述利用碳纤维增强聚苯硫醚复合材料制作汽车防撞梁的方法不仅成型方法简单、生产效率高，而且强度高、耐冲击性能好，完全满足汽车安全性能的要求；另一方面，利用该碳纤维增强聚苯硫醚复合材料制作得到的防撞梁与传统金属防撞梁相比，大大减轻了重量，满足了汽车轻量化、节能环保的要求，因此在汽车制造领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例1中碳纤维增强聚苯硫醚复合材料预浸料的制作过程示意图；

图2是本发明实施例1和2中用于制作汽车防撞梁第一部分的工艺过程示意图；

图3是本发明实施例1和2中制作得到的汽车防撞梁第二部分的纵截面图；

图4是本发明实施例1和2中将防撞梁两部分进行电阻焊接的过程示意图；

图5是本发明实施例2中碳纤维增强聚苯硫醚复合材料预浸料的制作过程示意图；

图6是本发明实施例1和2中制作得到的汽车防撞梁整件产品的三维模型图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

图1至图4中的附图标记为：1-聚酰亚胺薄膜；2-聚苯硫醚纤维纸；3-碳纤维织物；4-加热辊；41-1号加热辊；42-2号加热辊；43-3号加热辊；5-加压辊；6-冷却辊；7-导向辊；8-收卷辊；9-凸模；10-复合材料层压板；11-凹模；12-复合材料防撞梁第一部分部件；13-接触夹具；14-加热元件；15-防撞梁制件；16-开关；17-电源；18-安培表；19-伏特表。

图5中的附图标记为：1-聚酰亚胺薄膜；2′-聚苯硫醚长丝；3′-碳纤维长丝；20-展纱机构；4′-加热辊；41′-1号加热辊；42′-2号加热辊；43′-3号加热辊；5′-加压辊；6′-冷却辊；7′-导向辊；8′-收卷辊；

实施例1：

本实施例中，用于汽车防撞梁的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料以东丽T300型号3K的碳纤维斜纹织物与聚苯硫醚纤维纸为原料；

其中，碳纤维斜纹织物的纤维密度为1.775g/cm³，面密度为205g/m²，幅宽为600mm；聚苯硫醚纤维纸的密度为1.32g/cm³，面密度为50g/m²，幅宽为600mm；

该复合材料具体通过如下步骤制备得到：

步骤1、预浸料制备：

如图1所示，复合材料干态预浸机由加热辊4、加压辊5、冷却辊6、导向辊7与收卷辊8等组成。设置各加热辊的参数为：1号加热辊41温度为330℃，2号加热辊42温度为350℃，3号加热辊43温度为350℃；设置各辊的转速为1.2m/min。

原材料按两层聚苯硫醚纤维纸、一层碳纤维斜纹织物、两层聚苯硫醚纤维纸的顺序上下叠合，然后夹在两层聚酰亚胺薄膜之间，经设置好参数的干态预浸机辊压制成预浸料。

步骤2、复合材料层压板制备：

将上述步骤1得到的预浸料裁成400mm×1250mm大小，取10层预浸料叠合送入热压机，在热压温度为330℃，热压压力为0.15MPa，热压时间为10min的条件下，热压成型为碳纤维增强聚苯硫醚复合材料层压板10。

当热压温度为300℃时，层压板10的拉伸强度547MPa，弯曲强度558MPa；热压温度为310℃时，层压板10的拉伸强度573MPa，弯曲强度568MPa；热压温度为320℃时，层压板10的拉伸强度638MPa，弯曲强度625MPa；热压温度为330℃时，层压板10的拉伸强度为652MPa，弯曲强度673MPa；故优选热压温度为330℃。

使用上述碳纤维增强聚苯硫醚复合材料层压板制作具有如图6所示三维立体结构的汽车防撞梁，该汽车防撞梁采用首先制作第一部分(其纵截面结构如图2中所示)与第二部分(其纵截面结构如图3中所示)，然后通过将这两部分焊接成汽车防撞梁整件产品的方法，具体包括如下步骤：

步骤1、复合材料防撞梁的第一部分制作：

如图2所示，将上述碳纤维增强聚苯硫醚复合材料层压板10装卡在防撞梁第一部分模具的凹模11内(图2中的凹模11、复合材料层压板10以及凸模9分别为纵截面图)，在300℃下预热，预热软化3分钟后，缓慢压下凸模9，合模后在保持压力0.1MPa条件下冷却，脱模后修边，即得到碳纤维增强聚苯硫醚复合材料防撞梁的第一部分。

步骤2、复合材料防撞梁的第二部分制作：

将上述碳纤维增强聚苯硫醚复合材料层压板10装卡在防撞梁第二部分模具的凹模内，重复步骤1的工艺过程，制得复合材料防撞梁的第二部分，如图3所示为该复合材料防撞梁第二部分的纵截面图。

步骤3、复合材料防撞梁的整件制作：

将上述步骤1与步骤2制作得到的复合材料防撞梁的两部分制件装卡在焊接夹具上进行电阻焊接，如图4所示，将金属网加热元件14夹在防撞梁上下两部分之间并在两端用接触夹具13夹紧，在保持压力条件下合上开关16通电焊接，通过电源17、安培表18以及伏特表19控制通电电压及电流，焊接完成后取下制件，修整焊接处即得到复合材料防撞梁制件15的最终产品，其三维立体图如图6所示。

经过测试，在满足力学性能的条件下，该复合材料防撞梁相比传统金属防撞梁减重60％。

实施例2：

本实施例中，用于汽车防撞梁的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料以东丽T700型号12K的碳纤维长丝与规格800D的聚苯硫醚长丝为原料，该复合材料具体通过如下步骤制备得到：

步骤1、预浸料制备：

如图5所示，复合材料干态预浸机由加热辊4′、加压辊5′、冷却辊6′、导向辊7′与收卷辊8′等组成。设置各加热辊的参数为：1号加热辊41′的温度为330℃，2号加热辊42′的温度为340℃，3号加热辊43′的温度为340℃；设置各辊的转速为1.2m/min。

将原材料聚苯硫醚长丝和碳纤维长丝放在纱架上，通过展纱机构20将丝束展开，然后夹在两层聚酰亚胺薄膜之间，经设置好参数的干态预浸机辊压制成预浸料。

步骤2、复合材料层压板制备：

将上述预浸料裁成400mm×1250mm大小，取20层预浸料叠合送入热压机，在热压温度330℃，热压压力0.15MPa，热压时间10min的条件下，热压成型为碳纤维增强聚苯硫醚复合材料层压板10。

当热压温度为300℃时，层压板拉伸强度727MPa，弯曲强度738MPa；热压温度为310℃时，层压板拉伸强度773MPa，弯曲强度768MPa；热压温度为320℃时，层压板拉伸强度838MPa，弯曲强度825MPa；热压温度为330℃时，层压板拉伸强度为862MPa，弯曲强度851MPa；故优选热压温度为330℃。

步骤1、复合材料防撞梁的第一部分制作：

如图2所示，将上述层压板10装卡在防撞梁第一部分模具的凹模11内，在300℃下预热，预热软化3分钟后，缓慢压下凸模9，合模后在保持压力0.1MPa条件下冷却，脱模后修边，即可得碳纤维增强聚苯硫醚复合材料防撞梁的第一部分。

步骤2、复合材料防撞梁的第二部分制作：

将上述层压板10装卡在防撞梁第二部分模具的凹模内，重复步骤1的工艺过程，制得复合材料防撞梁的第二部分，如图3所示。

步骤3、复合材料防撞梁的整件制作：

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于汽车防撞梁的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料，其特征是：以碳纤维与聚苯硫醚树脂为原料，通过如下步骤制备得到：

步骤1：将原材料碳纤维和聚苯硫醚树脂按聚苯硫醚树脂、碳纤维、聚苯硫醚树脂的顺序上下叠合，然后将上下叠合的碳纤维和聚苯硫醚树脂夹在两层聚酰亚胺薄膜之间，通过复合材料干态预浸机制成预浸料；所述的复合材料干态预浸机包括加热辊、加压辊、冷却辊和收卷辊，所述的加热辊的温度为290～350℃；

步骤2：根据目标产品的尺寸大小裁切预浸料，将多层预浸料叠合送入热压机，在热压温度为290～340℃、热压压力为0.1～0.5MPa和热压时间为5～20min条件下热压成型，得到碳纤维增强聚苯硫醚复合材料。

2.根据权利要求1所述的用于汽车防撞梁的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料，其特征是：所述的热压温度为310～330℃。

3.根据权利要求1或2所述的用于汽车防撞梁的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料，其特征是：所述的热压压力为0.15～0.3MPa，所述的热压时间为10～15min。

4.根据权利要求1或2所述的用于汽车防撞梁的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料，其特征是：所述的碳纤维是单向纤维、平纹织物、斜纹织物、缎纹织物、多轴向缝编织物、经编织物或无屈曲织物。

5.根据权利要求1或2所述的用于汽车防撞梁的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料，其特征是：所述的聚苯硫醚树脂是聚苯硫醚薄膜、聚苯硫醚长丝、聚苯硫醚纤维纸、聚苯硫醚无纺布或者聚苯硫醚纤维毡。

6.使用权利要求1所述的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料制作汽车防撞梁的方法，其特征是：采用两部分模具，分别制造汽车防撞梁的两部分，其中，第一部分为汽车防撞梁产品三维模型图中的下半部分，第二部分为汽车防撞梁产品三维模型图中的上半部分，然后将这两部分焊接而成汽车防撞梁整件产品的方法，包括如下步骤：

步骤1：将碳纤维增强聚苯硫醚复合材料装卡在汽车防撞梁第一部分的模具内，在热压机中先预热1～5min，预热温度为290～330℃，使碳纤维增强聚苯硫醚复合材料软化，然后缓慢合模加压，压力在0.1～0.5MPa之间，冷却后脱模修边，完成汽车防撞梁整件的第一部分；

步骤2：将碳纤维增强聚苯硫醚复合材料装卡在汽车防撞梁第二部分的模具内，重复步骤1的工艺过程，制得汽车防撞梁整件的第二部分；

步骤3：将步骤1和步骤2制得的两部分制件通过复合材料电阻焊接焊成整体，得到汽车防撞梁整件产品。