CN102555958A - 多种玻璃纤维结合的高强度塑性后梁 - Google Patents

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Abstract

一种用于车辆保险杠的多种玻璃纤维结合的高强度塑性后梁,其可由玻璃纤维和热塑性树脂制成,其可以包括:长纤维或短纤维与热塑性树脂结合于其中的第一纤维树脂层,以及连续纤维与热塑性树脂结合于其中的第二纤维树脂层,其中,当第一纤维树脂层通过加热独立地粘附到第二纤维树脂层时,第一纤维树脂层的长纤维或短纤维配置为不在第二纤维树脂层的连续纤维之间渗透。

Description

多种玻璃纤维结合的高强度塑性后梁
技术领域
[0001] 本发明涉及一种多种玻璃纤维结合的高强度后梁,更具体的,涉及一种多种玻璃纤维结合的高强度后梁,其碰撞性能通过区分玻璃纤维的排列来得到改进。
背景技术
[0002] 通常,为了改进其耐久性,车辆的保险杠内提供有后梁,所述后梁通过立柱(stay) 安装在车身上。
[0003] 后梁主要是由钢材料或如热塑性玻璃纤维板(GMT)的塑性材料制成。
[0004] 由钢材料制成的后梁的优点在于,因其能够以各种形状成型而具有高度的设计自由,但其缺点在于,不利于车身重量的减轻和单位行驶距离的燃料量的改进,且其缺点还在于,其很难满足美国的公路安全保险协会(Insurance Institute for Highway Safety, IIHS)提供的低速碰撞试验的规则。
[0005] 相比而言,由GMT制成的塑性后梁的优点在于,因其是玻璃纤维和树脂的复合材料而大大地有助于减轻车身的重量,所述复合材料具有与冷轧钢类似的强度,其优点还在于,因其具有出色的碰撞能量吸收率而能够满足美国IIHS提供的低速碰撞试验的规则,但其缺点是设计自由度低,因为很难将这种塑性后梁制成圆形。
[0006] GMT是一种典型的塑性复合材料,是一种板状的复合材料,其包括作为通用树脂的聚丙烯树脂和玻璃纤维板。因为玻璃纤维板是由通过T型模具(T-die)挤出的熔融聚丙烯直接浸渍的,所以GMT与树脂具有强结合力,并且由于玻璃纤维本身的强度加到玻璃纤维板上,所以GMT较常规塑性材料表现出更高的强度,且GMT具有各种特性,例如重量轻(这是塑料的固有性质),得益于热塑性树脂的高产率,循环利用性质等。
[0007] 图1显示了由双层压带机制造的两种类型的典型GMT。图IA示出了通过加热不定向聚丙烯树脂10并用不定向聚丙烯树脂10浸渍无规玻璃纤维板11制造的GMT,图IB示出了通过加热不定向聚丙烯树脂10并用不定向聚丙烯树脂10浸渍单向玻璃纤维板13制造的GMT。根据其用途适当的使用这两种类型的典型GMT。
[0008] 但是,最常作为车辆保险杠的塑性后梁使用的GMT的问题在于,当通过层压工艺制造时,在玻璃纤维和树脂之间会发生不完全的填充,因此减小了他们之间的结合力,其问题还在于,在成型工艺期间,发生流动现象,使得玻璃纤维的方向性变得不稳定,从而引起玻璃纤维排列的分散现象。特别地,由于玻璃纤维排列的分散现象抑制了碰撞能量被均勻地吸收,因此存在产品质量下降的问题。
[0009] 近来开发了作为车辆保险杠的后梁的复合材料的长纤维热塑性织物(Weaving Long Fiber Thermoplastics,WLFT),是通过压制将连续纤维增强热塑性塑料(Continuous Fiber reinforced Thermoplastics, CFT)粘附到长纤维热塑性塑料(Long Fiber Thermoplastics,LFT)制造的。但是,这种WLFT的问题是,在高温压制期间,长纤维或短纤维在连续纤维之间渗透,因此恶化了高强度性质,而高强度性质是连续纤维表现出的物理性质。[0010] 公开于本发明背景部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解,而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
[0011] 本发明的各个方面旨在提供多种玻璃纤维结合的高强度后梁,其能够保持高强度性质且同时通过独立地将连续纤维的树脂层和长纤维(短纤维)的树脂层彼此粘附来实现均勻的碰撞性能分布。
[0012] 在本发明的一个方面,用于车辆保险杠的多种玻璃纤维结合的高强度塑性后梁是由玻璃纤维和热塑性树脂制成,其可以包括:长纤维或短纤维与热塑性树脂结合于其中的第一纤维树脂层,以及连续纤维与热塑性树脂结合于其中的第二纤维树脂层,其中,当第一纤维树脂层通过加热独立地粘附到第二纤维树脂层时,第一纤维树脂层的长纤维或短纤维配置为不在第二纤维树脂层的连续纤维之间渗透。
[0013] 第一纤维树脂层朝外设置形成碰撞表面,第二纤维树脂层被粘附到第一纤维树脂层的内侧。
[0014] 多种纤维结合的高强度塑性后梁可以进一步包括树脂薄膜层,所述树脂薄膜层处于第一纤维树脂层和第二纤维树脂层之间的分界面以粘附第一纤维树脂层和第二纤维树脂层,使得不发生夹层剥离并防止长纤维或短纤维在连续纤维之间渗透。
[0015] 相对于后梁的截面的总长度,第二纤维树脂层的截面长度是第一纤维树脂层的截面长度的50%或更多。
[0016] 第二纤维树脂层的两端都直接连接到用于固定车身的立柱,第一纤维树脂层覆盖第二纤维树脂层和第二纤维树脂层的两端。
[0017] 本发明的方法和装置具有其他的特性和优点,这些特性和优点根据并入本文中的附图和随后的具体实施方式将是显而易见的,或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述,这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
[0018] 图IA和图IB显示了通用的GMT的结构。
[0019] 图2是显示根据本发明的示例性实施例的高强度塑性后梁的立体图。
[0020] 图3是显示根据本发明的示例性实施例的高强度塑性后梁的剖面立体图。
[0021] 应了解附图呈现了阐述本发明基本原理的各个特征的一定程度简化的表示,从而不需要按比例绘制。本文所公开的本发明的特定设计特征,包括例如特定尺寸、取向、位置以及形状,将部分地由具体意图的应用以及使用环境确定。
[0022] 在附图中,附图标记在全部的几个附图中表示本发明的相同或者等效的部分。 具体实施方式
[0023] 以下将详细参考本发明的不同实施例,本发明的实施例在附图中示出并在下面进行描述。虽然结合示例性实施例描述本发明,但应了解该描述不是旨在将本发明限制于那些示例性实施例。相反地,本发明旨在不仅仅覆盖示例性实施例,还覆盖可以包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围里的各种替代、改进、等效结构以及其他实施例。[0024] 以下,将参考附图详细描述本发明的优选实施例。
[0025] 但是,本发明的实施例可以各种形式进行修改,且本发明的范围并不限于下面的实施例。本发明提供的实施例是为了让本领域技术人员对本发明有个清楚的了解。因此, 应了解出于更清楚解释的目的可能夸大了附图中的组件的形状,大小等。
[0026] 图2是显示根据本发明的示例性实施例的高强度塑性后梁的立体图。
[0027] 本发明的高强度塑性后梁是由玻璃纤维和热塑性树脂制成的,其包括:第一纤维树脂层20,在所述第一纤维树脂层20中,长纤维或短纤维与热塑性树脂结合;以及第二纤维树脂层30,在所述第二纤维树脂层30中,连续纤维与热塑性树脂结合。
[0028] 优选地,所有的长纤维、短纤维和连续纤维都是由玻璃纤维制成的,但也可以由其他纤维材料制成,只要其他纤维材料可用于与玻璃纤维相同的目的即可。优选使用聚丙烯 (PP)树脂作为热塑性树脂,聚丙烯树脂是常规的用作如GMT等复合材料的通用的树脂,但是也可以用其他热塑性树脂,只要其他热塑性树脂可用于与聚丙烯(PP)树脂相同的目的即可。
[0029] 通过使用浸渍方法将长纤维或短纤维粘附到热塑性树脂上来形成第一纤维树脂层20。虽然能够将短纤维的长度和长纤维的长度绝对地区分的标准还没有定义,但是短纤维(短纤丝(staple fiber))是指具有大约2. 5〜3. 8cm的短长度的颗粒型纤维,长纤维 (长纤丝(filament))是指比短纤维更细更长的纤维。由于玻璃纤维是通过熔融玻璃以纤维形状挤出形成的合成矿物纤维,因此可以根据其目的使用玻璃纤维自由地制备长纤维或短纤维。短玻璃纤维包括玻璃棉和玻璃毛,长玻璃纤维主要通过穿过形成在钼罐底部的小孔将钼罐里的熔融玻璃挤出来制造的。
[0030] 因为玻璃纤维的特性,长纤维和短纤维是耐高温的,当它们被加热到与热塑性树脂结合的状态的高温时,它们趋向于被热塑性树脂的流动现象移动,由此在第二纤维树脂层30的连续纤维之间渗透。同样的,当长纤维和短纤维因其移动而在第二纤维树脂层30 的连续纤维之间渗透时,如上所述,不能独立地保持纤维树脂层每一层的排列,因此使高强度特性下降。在本发明的一个示例性实施例中,为了解决上述的问题,包括长纤维或短纤维的第一树脂层20与包括连续层的第二纤维树脂层30被独立地区分。
[0031] 同时,第二纤维树脂层30是使用渗透方法通过将连续纤维粘附到热塑性树脂形成的。如上所述,由于玻璃纤维是由熔融玻璃以纤维形状挤出形成的合成矿物纤维,其相当于最稳定的连续纤维。在本发明的一个示例性实施例中,考虑到应用到后梁的最大负载的方向,排列连续纤维使得后梁可以表现出最大强度,然后与聚丙烯树脂结合来防止裂缝的发生和传播,从而实现后梁所需的高强度特性。
[0032] 在这种情况下,为了使后梁表现出由连续纤维所致的高强度特性,必须稳定地保持连续纤维的排列。为了达到这个目的,当通过加热将第一纤维树脂层20粘附到第二纤维树脂层30时,通过防止长纤维或短纤维在连续纤维之间渗透穿过它们之间的分界面使得由连续纤维制成的第二纤维树脂层30总是被独立地布置是重要的。
[0033] 同样的,将由连续纤维制成的第二纤维树脂层30独立地布置的方法主要包括控制粘附工艺的条件的方法和在第一纤维树脂层20和第二纤维树脂层30之间粘附另外的树脂薄膜层40的方法。
[0034] 首先,在控制粘附工艺的条件的方法中,粘附工艺条件用于防止加热导致的长纤维或短纤维在连续纤维之间渗透,并且考虑到热塑性树脂的物理性质,在不发生长纤维或短纤维的流动现象的温度下将第一纤维树脂层20粘附到第二纤维树脂层30。这种方法的优点在于,不使用另外的装置就能够维持连续纤维的独立性,但问题在于,依赖于树脂的物理性质或玻璃纤维的特性,其应用是有限的。
[0035] 接着,如图3所示,在第一纤维树脂层20和第二纤维树脂层30之间粘附另外的树脂薄膜层40的方法中,树脂薄膜层40被另外地粘附在第一纤维树脂层20和第二纤维树脂层30之间来防止夹层的分离。用这种方法,完全确保了连续纤维独立的排列,同时通过使用具有高粘合性的树脂薄膜来进一步改进夹层的粘合,由此防止在碰撞的时候发生夹层剥离现象。作为树脂薄膜层40,只要能表现出例如粘合性等本发明的后梁所需的物理性质,可以使用任何树脂薄膜层。
[0036] 进一步地,本发明的后梁可以配置为使得第一纤维树脂层20朝外布置以形成碰撞表面,且将第二纤维树脂层30粘附到第一纤维树脂层20的内侧。更特别地,如图3所示, 第一纤维树脂层20因长纤维或具有相对短长度的短纤维在其中均勻分布而具有出色的碰撞能量吸收性能,所述第一纤维树脂层20朝外安装形成直接碰撞表面,而第二纤维树脂层 30因连续纤维在其中以预定方向均勻排列而表现出高强度,所述第二纤维树脂层30安装在第一纤维树脂层20的内侧以防止后梁受外部冲击而变形。
[0037] 进一步地,如图3所示,后梁可配置为使得相对于后梁的总截面长度,第二纤维树脂层30的截面长度L2为第一纤维树脂层20的截面长度Ll的50%或更多。其原因是,当具有高强度的第二纤维树脂层30的截面长度L2少于50%时,后梁会在碰撞的时候变形,由此使后梁的结构稳定性变差。
[0038] 进一步地,如图2所示,后梁配置为使得第二纤维树脂层30的两端L3直接连接到立柱50用以固定到车身,且第一纤维树脂层20覆盖粘附到其内侧的第二纤维树脂层30的两端。其原因在于,当第二纤维树脂层30的两端连接到立柱50时可有利的实现高强度后梁,其原因还在于,当包含长纤维或短纤维的第一纤维树脂层20覆盖第二纤维树脂层30的两端时,后梁在受到外部各方向的冲击时其碰撞能量吸收性能都可以很出色。
[0039] 如上所述,由于连续纤维被独立地布置,根据本发明的多种玻璃纤维结合的高强度后梁可保持高强度。
[0040] 进一步地,由于长纤维或短纤维不能在连续纤维之间渗透,在形成的时候独立地保持连续纤维的排列,由此提高了碰撞能量的均勻吸收率。
[0041] 此外,由于长纤维或短纤维粘附到连续纤维,在一定程度上与常规的后梁相似,可保持后梁形状的自由。
[0042] 为在随附的权利要求中更方便说明和准确的定义,术语“上”、“下、,,“内,,和“外”
参考如附图中示出的这些特征的位置用于描述示例性实施例中的特征。
[0043] 前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想穷尽本发明,或者将本发明限定为所公开的精确形式,并且很显然,根据上述教导, 可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用,从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由所附的权利要求书及其等同形式所限定。
6

Claims (6)

1 一种用于车辆保险杠的多种玻璃纤维结合的高强度塑性后梁,其由玻璃纤维和热塑性树脂制成,包括:第一纤维树脂层,长纤维或短纤维与热塑性树脂结合于其中;以及第二纤维树脂层,连续纤维与热塑性树脂结合于其中,其中,当第一纤维树脂层通过加热独立地粘附到第二纤维树脂层时,第一纤维树脂层的长纤维或短纤维配置为不在第二纤维树脂层的连续纤维之间渗透。
2.根据权利要求1所述的用于车辆保险杠的多种玻璃纤维结合的高强度塑性后梁,其中第一纤维树脂层朝外布置形成碰撞表面,第二纤维树脂层被粘附到第一纤维树脂层的内侧。
3.根据权利要求1所述的用于车辆保险杠的多种玻璃纤维结合的高强度塑性后梁,其进一步包括树脂薄膜层,所述树脂薄膜层处于第一纤维树脂层和第二纤维树脂层之间的分界面以粘附第一纤维树脂层和第二纤维树脂层,使得不发生夹层剥离并且防止长纤维或短纤维在连续纤维之间渗透。
4.根据权利要求3所述的用于车辆保险杠的多种玻璃纤维结合的高强度塑性后梁,其中第一纤维树脂层朝外布置形成碰撞表面,第二纤维树脂层被粘附到第一纤维树脂层的内侧。
5.根据权利要求4所述的用于车辆保险杠的多种玻璃纤维结合的高强度塑性后梁,其中相对于后梁的截面的总长度,第二纤维树脂层的截面长度是第一纤维树脂层的截面长度的50%或更多。
6.根据权利要求4所述的用于车辆保险杠的多种玻璃纤维结合的高强度塑性后梁,其中第二纤维树脂层的两端都直接连接到用于固定到车身的立柱,第一纤维树脂层覆盖第二纤维树脂层和第二纤维树脂层的两端。
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