CN103754184A

CN103754184A - 一种含吸能缓冲层结构的碳纤维复合材料汽车防撞梁

Info

Publication number: CN103754184A
Application number: CN201410031102.XA
Authority: CN
Inventors: 任华; 仇叶云; 武婷敏; 孟祥康
Original assignee: Nantong nanjing university material engineering technology research institute
Current assignee: Nantong nanjing university material engineering technology research institute
Priority date: 2014-01-22
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2014-04-30

Abstract

本发明公开了一种含有吸能缓冲层结构的碳纤维复合材料汽车防撞梁，在碳纤维防撞梁壳体内，包含起支撑、固定作用的骨架和填充于骨架间的高弹性材料所形成的吸能缓冲层；所述的起支撑、固定作用的骨架材料弹性模量须高于填充在骨架间的高弹性材料。通过在碳纤维防撞梁壳体内引入起支撑、固定作用的骨架材料和快速吸能的填充材料，达到快速吸能缓冲的功能。其中，骨架材料采用模量较高的柱状或蜂窝状支撑物，周围填充模量较低的吸能材料，在防撞梁受到低速碰撞，在低能量冲击情况下，低模量吸能材料通过快速形变吸收碰撞能量，并将未能快速吸收碰撞能量传递至高模量支撑材料以约束防撞梁发生的形变在可控范围。

Description

一种含吸能缓冲层结构的碳纤维复合材料汽车防撞梁

技术领域

本发明涉及一种汽车用防撞梁复合材料结构件，特别设计一种含吸能缓冲层结构的碳纤维复合材料汽车防撞梁。

背景技术

随着汽车工业的迅猛发展，带来许多问题如：化石能源消耗、空气污染、交通安全等。所以节能、环保、安全越来越受到大家的关注。而节能减排最关键的因素在于降低汽车的自重。汽车厂商们都开始寻求轻质高强的材料如碳纤维复合材料来达到轻量化的目标。

随着汽车用碳纤维材料的研发，越来越多的高档汽车已开始大量使用碳纤维材料，如宝马i3，M6、奥迪A8等。虽然碳纤维是一种高强度、高模量且力学性能优异的材料，密度仅为钢的1/4，拉伸强度可达3750MPa以上，为钢的7-9倍，其拉伸模量可达到230GPa以上，但碳纤维属于脆性纤维，韧性差，碳纤维复合材料在力学性能方面都存在韧性不足、受损后难修复的问题。以层合结构碳纤维复合材料为例，其在受到较小的冲击时，容易内部层间出现小裂纹，在开裂区静强度和疲劳强度都显著下降，。而在受到较大冲击时，更会出现碳纤维防撞梁碎裂飞溅的问题。

现有的对碳纤维汽车前防撞梁性能改进的专利较少，申请人公开了《一种碳纤维/芳纶增强复合材料制备的汽车前防撞梁》（201210276329.1），其中提到用两层芳纶纤维复合材料覆盖在碳纤维复合材料的里外表面，同时在碳纤维汽车前防撞梁的空腔内填充硬质泡沫，来达到减少碳纤维复合材料破坏碎片飞溅的问题。这一发明虽然在一定程度上解决碳纤维复合材料在受到大冲击时，材料破碎失效导致的碎片飞溅问题。然而，防撞梁在服役过程中，更多时候是防止低速、低能量的碰撞，由于碳纤维复合材料防撞梁与车身直接连接，发生碰撞时，冲击能量无法迅速的扩散和吸收，导致碳纤维复合材料微裂纹产生，损伤后的防撞梁性能下降而无法保证其使用。这一类低能量的碰撞冲击导致的防撞梁性能下降，目前仍没有很好的解决。

发明内容

本发明目的是提供含吸能缓冲层结构的碳纤维复合材料汽车防撞梁，通过设有填充于碳纤维汽车前防撞梁空腔与硬质泡沫间的缓冲材料，使防撞梁具有高弹性，快速吸能的特点。

本发明的技术方案是：一种含有吸能缓冲层结构的碳纤维复合材料汽车防撞梁，在碳纤维防撞梁壳体内，填充支撑、固定作用的骨架和填充于骨架间的高弹性材料所形成的吸能缓冲层。

所述的支撑、固定作用的骨架材料弹性模量须高于填充在骨架间的。

所述的支撑、固定作用的骨架材料形状是均匀分布的圆柱、方柱，或正五边形、菱形的蜂窝状。

所述的圆柱、方柱形支撑、固定作用的骨架材料是高弹性橡胶。

所述的正五边形、菱形的蜂窝状支撑、固定作用的骨架材料是橡胶制备的正五边形或菱形的蜂窝。

所述的支撑、固定作用的骨架材料，高弹性橡胶、橡胶蜂窝材料是氯丁橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶中的一种或两种以上制成。

所述的圆柱或方柱形支撑骨架间填充的高弹性材料是热塑性聚氨酯弹性体橡胶。

所述的正五边形、菱形橡胶蜂窝材料填充的是硅橡胶或热塑性橡胶。

所述的热塑性橡胶是热塑性聚氨酯弹性体橡胶、热塑性聚酯弹性体橡胶和苯乙烯类弹性体橡胶中的一种或多种。

所述的缓冲层与碳纤维防撞梁壳体之间通过聚氨酯胶黏剂粘接，胶黏剂厚度为0.2-1mm。

吸能缓冲层是碳纤维防撞梁壳体厚度的1.2-3倍。

本发明通过在汽车前防撞梁壳体内增加快速吸能缓冲材料，在汽车受到快速冲击时，可以通过自身形变快速吸收冲击能量，然后形成回弹，在一段时间内较温和的释放能量。可以减少冲击能量对碳纤维汽车前防撞梁的伤害，延长其使用寿命，加速碳纤维汽车防撞梁的推广。

所述的起支撑、固定作用的骨架和填充于骨架间的高弹性材料所形成的吸能缓冲层，所述的起支撑、固定作用的骨架材料弹性模量高于填充在骨架间的高弹性材料。

本发明的有益效果：本发明在碳纤维汽车前防撞梁的骨架与填充硬质泡沫层之间，添加了一个吸能缓冲带，在遇到较小的冲击时，通过这个高弹性缓冲带的快速形变，然后在一段时间内放出，从而起到削弱冲击能量的作用，减小冲击带来的破坏，这是由于低模量吸能材料通过快速形变吸收碰撞能量，并将未能快速吸收碰撞能量传递至高模量支撑材料以约束防撞梁发生的形变在可控范围。与不含该型吸能缓冲层的碳纤维汽车防撞梁相比，能够显著减小低速碰撞时冲击能量对碳纤维复合材料基体的损伤，提高碳纤维复合材料汽车防撞梁的服役可靠性，延长其使用寿命。保护了脆性的碳纤维复合材料。

本发明所采用的吸能缓冲层，使用普通橡胶产品作为骨架材料，具有固定形态的同时也具有高弹性，在填充材料的选择中，运用了热塑性弹性体橡胶，大大简单了加工工艺的同时保持缓冲层的高弹性，加大其快速吸能作用。固定作用的骨架材料和快速吸能的填充材料，达到快速吸能缓冲的功能。其中，骨架材料采用模量较高的柱状或蜂窝状支撑物，周围填充模量较低的吸能材料。

附图说明

图1（a）、（b）分别为支撑、固定材料分别为柱形和蜂窝结构（未填充热塑型橡胶）的典型侧切面（横截面）架构示意图。

图2为支撑固定材料为柱形的吸能缓冲层（已填充热塑型橡胶）典型结构（a）侧切面的示意图，切面位置图1（a）标出。

图3为碳纤维汽车前防撞梁与吸能缓冲层、硬质泡沫的复合图。

具体实施方式：

如图所示，骨架结构橡胶柱1、聚氨酯粘结剂2、热塑性弹性体橡胶3、碳纤维复合材料4、吸能缓冲层5、硬质泡沫6

实施例一：

采用预浸料铺叠-热压罐共固化成型工艺制备碳纤维汽车防撞梁壳体，C型横截面，使用单向碳纤维环氧树脂预浸料（光威USG12503），铺层方式[45/0/-45/90]_2s，经过120℃2小时，160℃1小时加热固化成型后，在碳纤维防撞梁壳体内涂覆一层聚氨酯胶黏剂（郑氏力泰胶业公司ZSLT-802），然后将圆柱形橡胶小棒（高4mm，直径5mm）均匀排布（每个相间2.5mm）如图1（a）所示，然后将聚醚型热塑性聚氨酯弹性体（深圳市华顺兴业贸易有限公司Desmopan DP9370AU）加热至150℃，浇注在型腔内，直至热塑性聚氨酯弹性体厚度超过橡胶小棒2mm。待冷却至40℃左右，继续涂覆一层聚氨酯胶黏剂，最后填充硬质泡沫。

所述吸能缓冲层各组分含量体积百分比组成为：橡胶小棒19.94%，热塑性聚氨酯弹性体为：65.78%，聚氨酯粘结剂14.28%。

构成图3所示，汽车前防撞梁的空腔与填充硬质泡沫之间，构成吸能缓冲层。

实施例二：

采用预浸料铺叠-热压罐共固化成型工艺制备碳纤维汽车防撞梁壳体，C型横截面，使用碳纤维尼龙预浸料织物（德国Bond TEPEX dynalite carbon/PA12），铺层方式[45/0/-45/90]_2s，经过120℃2小时，160℃1小时加热固化成型后，在碳纤维防撞梁壳体内在碳纤维汽车防撞梁型腔的底部，涂覆一层聚氨酯胶黏剂（郑氏力泰胶业公司ZSLT-802），然后将蜂窝橡胶（广州市力本橡胶原料贸易有限公司），厚度为4mm，平铺在胶黏剂上如图1（b）所示，然后将聚醚型热塑型聚氨酯弹性体（深圳市华顺兴业贸易有限公司Desmopan DP9370AU）加热至150℃，浇注的型腔内，直至热塑型聚氨酯弹性体厚度超过蜂窝橡胶2mm。待冷却至40℃时，继续涂覆一层聚氨酯胶黏剂，最后填充硬质泡沫，直至完全填满前防撞梁空腔。

此吸能缓冲层各组分含量体积百分比组成为：蜂窝橡胶为13.56%，热塑性聚氨酯弹性体体积含量为72.16%，聚氨酯粘结剂体积为14.28%。

实施例三：

采用预浸料铺叠-热压罐共固化成型工艺制备碳纤维汽车防撞梁壳体，C型横截面，碳纤维尼龙预浸料织物（德国Bond TEPEX dynalite carbon/PA12），铺层方式[0]₈，经过120℃2小时，160℃1小时加热固化成型后，在碳纤维防撞梁壳体内涂覆一层聚氨酯胶黏剂（郑氏力泰胶业公司ZSLT-802），然后将蜂窝橡胶（广州市力本橡胶原料贸易有限公司），厚度为4mm，平铺在胶黏剂上如图1（b）所示，然后将热塑性聚酯弹性体加热至130℃，浇注的型腔内，直至热塑型聚氨酯弹性体厚度超过蜂窝橡胶2mm。待冷却至40℃时，继续涂覆一层聚氨酯胶黏剂，最后填充硬质泡沫，直至完全填满前防撞梁空腔。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种含有吸能缓冲层结构的碳纤维复合材料汽车防撞梁，其特征在于，在碳纤维防撞梁壳体内，包含起支撑、固定作用的骨架和填充于骨架间的高弹性材料所形成的吸能缓冲层；所述的起支撑、固定作用的骨架材料弹性模量须高于填充在骨架间的高弹性材料。

2.根据权利要求1所述的含有吸能缓冲层结构的碳纤维复合材料汽车防撞梁，其特征在于，起支撑、固定作用的骨架材料形状是均匀分布的圆柱、方柱，或正五边形、菱形的蜂窝状。

3.根据权利要求1所述的含有吸能缓冲层结构的碳纤维复合材料汽车防撞梁，其特征在于，所述的圆柱、方柱形支撑、固定作用的骨架材料是高弹性橡胶。

4.根据权利要求1所述的含有吸能缓冲层结构的碳纤维复合材料汽车防撞梁，其特征在于，所述的正五边形、菱形的蜂窝状支撑、固定作用的骨架材料是橡胶蜂窝材料。

5.根据权利要求3、4之一所述的含有吸能缓冲层结构的碳纤维复合材料汽车防撞梁，其特征在于，支撑、固定作用的骨架材料是氯丁橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶中的一种或两种以上制成。

6.根据权利要求1所述的含有吸能缓冲层结构的碳纤维复合材料汽车防撞梁，其特征在于，所述的圆柱或方柱形支撑骨架间填充的是热塑性聚氨酯弹性体橡胶。

7.根据权利要求1所述的含有吸能缓冲层结构的碳纤维复合材料汽车防撞梁，其特征在于，所述的正五边形、菱形橡胶蜂窝材料填充的是硅橡胶或热塑性橡胶。

8.根据权利要求7所述的含有吸能缓冲层结构的碳纤维复合材料汽车防撞梁，其特征在于，吸能缓冲层，其特征在于，所述的热塑性橡胶是热塑性聚氨酯弹性体橡胶、热塑性聚酯弹性体橡胶和苯乙烯类弹性体橡胶中的一种或多种。

9.根据权利要求1所述的含有吸能缓冲层结构的碳纤维复合材料汽车防撞梁，其特征在于，所述的缓冲层与碳纤维防撞梁壳体之间通过聚氨酯胶黏剂粘接，胶黏剂厚度为0.2-1mm。

10.根据权利要求1所述的含有吸能缓冲层结构的碳纤维复合材料汽车防撞梁，其特征在于，吸能缓冲层是碳纤维防撞梁壳体厚度的1.2-3倍。