CN104309691A - 一种混杂纤维复合材料汽车水箱上横梁及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混杂纤维复合材料汽车水箱上横梁及其制造方法，属于复合材料和汽车零部件领域。该水箱上横梁是在真空状态下，树脂浸润碳纤维和玻璃纤维混杂的纤维织物后压力成型；所述水箱上横梁包括：梁体；位于所述梁体两侧的梁翼；位于所述梁体顶面两侧的侧边；与所述梁翼相连的第一翼翅；与所述第一翼翅相连的第二翼翅；位于梁翼上的梁冠。本发明的汽车水箱上横梁刚度高，其Z向刚度可达480N/mm；同时，由于混杂纤维中玻璃纤维成本较低，与单独使用碳纤维织物材料相比，在提高水箱上横梁刚度的基础上，降低制造成本。

Description

一种混杂纤维复合材料汽车水箱上横梁及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种混杂纤维复合材料汽车水箱上横梁及其制造方法，属于复合材料和汽车零部件领域。

背景技术

由于对轿车的造型和性能要求的越来越高，受造型的影响，轿车前部造型的分缝线高低不一，再加上发动机舱本身空间的限制，零部件布置方式种类的增多，很多零部件安装点或多或少的布置在水箱横梁上，再加上引擎盖总成的连接装置锁体安装件，水箱横梁的负荷将越来越重。水箱横梁作为重要的车身结构件，考虑到对车身结构的轻量化要求，以及结构强度高和碰撞安全性能的要求，如何合理的设计高承载高强度轻质的水箱上横梁为车身发展的挑战。

传统的汽车水箱上横梁为金属钣金件，所用的材料为高强度冷轧钢(B210P1)，厚度约为1.5mm，重量约为1.1kg；Z向刚度值为400N/mm，会由于应力集中发生开裂现象。

CN103523094A公开了一种碳纤维复合材料汽车水箱上横梁及其制作方法，通过对金属钣金件汽车水箱上横梁的结构进行改进，并且用碳纤维复合材料替代金属钣金，得到了Z向刚度值为424N/mm，重量为0.4Kg的汽车水箱上横梁，提高了水箱上横梁的强度及刚度，减轻了重量。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术汽车水箱上横梁至少存在以下问题：

1、汽车水箱上横梁刚度不高。虽然现有技术中汽车水箱上横梁的Z向刚度值达到了424N/mm，但是仍然需要提高。

2、碳纤维成本高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种混杂纤维复合材料汽车水箱上横梁及其制造方法。通过对水箱上横梁的材料进行改进，在提高水箱上横梁的刚度的同时，减少制造成本。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

本发明一方面提供了一种混杂纤维复合材料汽车水箱上横梁，所述水箱上横梁是在真空状态下，树脂浸润碳纤维玻璃纤维混杂的纤维织物后压力成型；所述水箱上横梁包括：梁体；位于所述梁体两侧的梁翼；位于所述梁体顶面两侧的侧边；与所述梁翼相连的第一翼翅；与所述第一翼翅相连的第二翼翅；位于梁翼上的梁冠。

具体地，所述梁体顶面中部、梁冠为平整面结构，

具体地，所述梁翼、第一翼翅以及第二翼翅对称地位于所述梁体两侧。

具体地，所述梁翼与所述第一翼翅之间的过渡、所述第一翼翅与所述第二翼翅之间的过渡为圆滑过渡。

具体地，所述第一翼翅、第二翼翅的轮廓为连贯的圆弧棱线。

具体地，所述碳纤维为强度大于2000MPa碳纤维，所述玻璃纤维为强度大于1000MPa的玻璃纤维。

具体地，所述碳纤维为强度大于3000MPa碳纤维，所述玻璃纤维为强度大于2000MPa的玻璃纤维。

具体地，所述树脂为环氧树脂。

具体地，所述混杂纤维织物与树脂的重量比例分别为50-60％和40-50％。

本发明的另一方面提供了一种本发明第一方面的混杂纤维复合材料汽车水箱上横梁的制造方法，包括以下步骤：

步骤(1)，铺层；将预定层数的碳纤维织物布和预定层数的玻璃纤维织物布按照预定顺序在水箱上横梁模具中进行铺设；铺层角度选择标准铺层角度：0°、45°、-45°和90°；其中0°和90°采用碳纤维织物，45°和-45°采用玻璃纤维织物；

步骤(2)，密封；在铺好后的混杂纤维织物上依次铺设脱模布、导流网、导流管，在模具的边缘打密封胶带，布置抽真空抽气导管、树脂进料口导入管，然后在真空袋边缘处使用真空膜、胶带密封好，确保整个系统不漏气；

步骤(3)，抽真空；将抽气导管与真空泵连接，将真空袋内空气抽空，使真空度达到500Pa以下，使真空膜密实紧贴模具；

步骤(4)，树脂导入及固化；将所述树脂和固化剂的混合物导入进料口并被抽入真空袋中，待所述树脂和固化剂的混合物将纤维织物浸润完全后，关闭进料口导入管口，继续维持真空状态保持0.5-8h，直至树脂固化；

步骤(5)，脱模；待树脂固化后，脱模得到所述混杂纤维复合材料水箱上横梁。

具体地，在步骤(1)中，所述碳纤维织物布的铺设层数为6层，所述玻璃纤维织物布的铺设层数为4层。

具体地，在步骤(1)中，所述碳纤维和玻璃纤维的铺设顺序自下而上依次为：第一层为0°方向铺层，第二层为90°方向铺层，第三层为45°方向铺层，第四层为-45°方向铺层，第五层为0°铺层，第六层为0°铺层，第七层为-45°方向铺层，第八层为45°方向铺层，第九层为90°方向铺层，第十层为0°方向铺层。

具体地，在步骤(4)中，所述树脂与固化剂的比例为：树脂10份，固化剂2-4份。

具体地，在步骤(4)中，采用加热的方法加速树脂的固化。

本发明的有益效果是：

1、采用碳纤维和玻璃纤维混杂的纤维织物制造水箱上横梁，通过设计混杂纤维中碳纤维和玻璃纤维的比例以及铺层方向，得到刚度明显增强的水箱上横梁，其Z向刚度达到480N/mm。

2、采用成本较低的玻璃纤维与碳纤维复合，与单独使用碳纤维制造的水箱上横梁相比，在提高水箱上横梁刚度的基础上，有效降低了制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1提供的混杂纤维复合材料汽车水箱上横梁的结构示意图；

图2是图1的仰视图。

图中各符号表示含义如下：

1上横梁,

1.1梁体，1.3梁翼，1.5第一翼翅，1.7第二翼翅，1.9侧边，1.11梁冠。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

在本发明中，一方面提供了一种混杂纤维复合材料汽车水箱上横梁。所述水箱上横梁是在真空状态下，树脂浸润碳纤维/玻璃纤维混杂的纤维织物后压力成型；所述水箱上横梁包括：梁体；位于所述梁体两侧的梁翼；位于所述梁体顶面两侧的侧边；与所述梁翼相连的第一翼翅；与所述第一翼翅相连的第二翼翅；位于梁翼上的梁冠。

在上述的水箱上横梁中，所述碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90％以上，既有碳材料的固有特征，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，而且具有耐腐蚀、耐热好、质量轻、高强度、高弹性模量、低密度及十分优异的力学性能；依据纤维等级和方向性，甚至可以达到类似钢材的强度。所述玻璃纤维是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的，其单丝的直径为几个微米到二十几米个微米，相当于一根头发丝的1/20-1/5，每束纤维原丝都由数百根甚至上千根单丝组成；其优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好、机械强度高、成本低，通常用作复合材料中的增强材料。将成本低的玻璃纤维与碳纤维复合，可以在保证水箱上横梁强度要求的基础上，有效降低制造成本。

在上述的水箱上横梁中，对于碳纤维织物和玻璃纤维织物的具体型号没有严格的限制；其中碳纤维强度应达到2000MPa以上，优选3000MPa以上；玻璃纤维强度应达到1000MPa以上，优选2000MPa以上。具体来讲，碳纤维优选日本东丽公司的T300碳纤维织物，玻璃纤维织物优选泰山玻璃纤维有限公司的XE600玻璃纤维织物。

在上述的水箱上横梁中，所用的树脂为环氧树脂，环氧树脂可以在常温下快速固化；对于环氧树脂的具体型号没有特殊要求，优选青岛佳创新型材料有限公司提供的5028环氧树脂。

在上述的水箱上横梁中，混杂纤维织物与树脂的重量比例分别为50-60％和40-50％。

在上述的水箱上横梁中，所述混杂纤维复合材料的成型方法没有特殊要求，本领域技术人员可以根据实际情况选择。优选真空辅助树脂注射(VARI)工艺方法。因为这种工艺方法可以使树脂均匀地分布在各层织物之间，保证水箱上横梁的平整。

在上述的水箱上横梁中，整个水箱上横梁结构对称且为平整面结构，各部分之间的过渡为圆滑过渡，第一翼翅和第二翼翅的轮廓为圆弧棱线，这样的结构有利于混杂纤维织物的成型，有利于提高所述水箱上横梁的强度和刚度。

在本发明中，另一方面提供了一种本发明第一方面的混杂纤维复合材料汽车水箱上横梁的制造方法，包括以下步骤:

步骤(1)，铺层；将预定层数的碳纤维织物布和预定层数的玻璃纤维织物布按照预定顺序在水箱上横梁模具中进行铺设；铺层角度选择标准铺层角度：0°、45°、-45°和90°；其中0°和90°采用碳纤维织物，45°和-45°采用玻璃纤维织物；

步骤(2)，密封；在铺好后的混杂纤维织物上依次铺设脱模布、导流网、导流管，在模具的边缘打密封胶带，布置抽真空抽气导管、树脂进料口导入管，然后在真空袋边缘处使用真空膜、胶带密封好，确保整个系统不漏气；

步骤(3)，抽真空；将抽气导管与真空泵连接，将真空袋内空气抽空，使真空度达到500Pa以下，使真空膜密实紧贴模具；

步骤(4)，树脂导入及固化；将所述树脂和固化剂的混合物导入进料口并被抽入真空袋中，待所述树脂和固化剂的混合物将纤维织物浸润完全后，关闭进料口导入管口，继续维持真空状态保持0.5-8h，直至树脂固化；

步骤(5)，脱模；待树脂固化后，脱模得到所述混杂纤维复合材料水箱上横梁。

在上述的制造方法中，在铺设纤维织物布前，要先清洁所用模具并在模具中涂覆脱模剂，有利于后续的脱模。

在上述的制造方法中，步骤(1)中的铺层角度选择标准铺层角度，即0°、45°、-45°和90°；同时从结构稳定性、减少泊松比和热应力及避免树脂直接受载考虑，铺层角度0°和90°主要承受轴向和纵向应力，45°和-45°主要承受剪切力；其中0°和90°采用碳纤维织物，45°和-45°采用玻璃纤维织物。

碳纤维织物与玻璃纤维织物的比例对最终制造的汽车水箱上横梁的刚度有一定的影响。本发明中，采用六层碳纤维织物与四层玻璃纤维织物，这样的比例在保证汽车水箱上横梁刚度的基础上，降低成本。

铺设时，第一层碳纤维织物对应于上横梁的外表面，故第一层碳纤维织物铺层的时候要注意碳纤维纹路方向的平整，同时要保证第一层碳纤维织物布紧密贴紧模具的表面，不能有缝隙存在，以免形成树脂的富集；在第一层0°铺层上面进行90°方向的第二层铺层，然后自下而上依次是第三层为45°方向的铺层，第四层为-45°方向铺层，第五层为0°铺层，第六层为0°铺层，第七层为-45°方向铺层，第八层为45°方向铺层，第九层为90°方向铺层，第十层为0°铺层；一共平整铺设六层东丽T300碳纤维织物布和四层XE600玻璃纤维织物布，每一铺层单层厚度为0.3mm，直至铺完，总厚度为3.0mm，最后将混杂纤维织物在模具上压紧。

在上述的制造方法中，步骤(4)中树脂与固化剂的比例为：树脂10份，固化剂2-4份。其中，所用树脂为5028环氧树脂，所用固化剂为胺类固化剂，型号可以为LT-5028B、LT-5028B-1、LT-5028B-2、LT-5028B-3等。

在上述的制造方法中，步骤(4)中环氧树脂固化时，可以采用加热的方式加速环氧树脂的固化，加热方法可以采用加热灯或光照。

实施例1

本实施例提供了一种混杂纤维复合材料汽车水箱上横梁及其制造方法。

如图1、图2所示，图1是本实施例提供的混杂纤维复合材料汽车水箱上横梁的结构示意图；图2是图1的仰视图。该水箱上横梁是采用真空辅助树脂注射(VARI)工艺方法，5028环氧树脂浸润东丽T300碳纤维和玻璃纤维XE600混杂的纤维织物后压力成型；该水箱上横梁1包括：梁体1.1；位于所述梁体1.1两侧的梁翼1.3；位于所述梁体1.1顶面两侧的侧边1.9；与所述梁翼1.3相连的第一翼翅1.5；与所述第一翼翅1.5相连的第二翼翅1.7；位于梁翼上的梁冠1.11。

具体地，所述上横梁1的梁体1.1顶面中部为平整面结构，无凹槽，而且梁体1.1的两侧边1.9加长4-8mm；俯视看，梁体1.1两侧对称设置有梁翼1.3，在两个梁翼1.3上对称设置有圆滑过渡的第一翼翅1.5、第二翼翅1.7，所述第一翼翅1.5、第二翼翅1.7上无凹槽，为连贯的圆弧棱线；仰视看，在两个对称设置的梁翼1.3上设置有平整面梁冠1.11，无凹槽；该水箱上横梁采用平整面结构，提高了水箱上横梁的整体刚度和强度，有利于成型加工。

本实施例中，所用碳纤维为日本东丽公司的T300碳纤维，所用玻璃纤维为泰山玻璃纤维有限公司的XE600玻璃纤维，所用5028环氧树脂及固化剂由青岛佳创新型材料有限公司提供。

上述的混杂纤维复合材料汽车水箱上横梁是按照以下步骤制造得到的：

步骤(1)铺层；

选取六层东丽T300碳纤维织物布和四层XE600玻璃纤维织物布，在已清洁和涂覆脱模剂的水箱上横梁模具中先进行碳纤维和玻璃纤维织物铺层铺设，铺层角度选择标准铺层角度0°、45°、-45°和90°，其中0°和90°采用碳纤维织物，45°和-45°采用玻璃纤维织物。

铺设时，第一层碳纤维织物对应于上横梁的外表面，故第一层碳纤维织物铺层的时候要注意碳纤维纹路方向的平整，同时要保证第一层碳纤维织物布紧密贴紧模具的表面，不能有缝隙存在，以免形成树脂的富集；在第一层0°铺层上面进行90°方向的第二层铺层，然后自下而上依次是第三层为45°方向的铺层，第四层为-45°方向铺层，第五层为0°铺层，第六层为0°铺层，第七层为-45°方向铺层，第八层为45°方向铺层，第九层为90°方向铺层，第十层为0°铺层；最后将混杂纤维织物在模具上压紧；

步骤(2)密封；

按次序在铺好后的混杂纤维织物上依次铺设脱模布、导流网、导流管，在模具的边缘打密封胶带，布置抽真空抽气导管、树脂进料口导入管，最后在真空袋边缘处使用真空膜、胶带密封好，确保整个系统不漏气；

步骤(3)抽真空；

将抽气导管与真空泵连接，进料口导入管密封，开启真空泵，将真空袋内空气抽空，使真空度达到300Pa，使真空膜密实紧贴模具；

步骤(4)树脂导入及固化；

按照树脂厂家推荐的固化剂含量，按照5028环氧树脂为10份，固化剂LT5028B为3份的比例配置，并充分混合；气密性合格后可进行环氧树脂的导入，将环氧树脂导入进料口，并被抽入真空袋中，待环氧树脂将纤维织物浸润完全后，关闭树脂进料口导入管口，继续维持真空状态保压2h，使用加热灯进行加热，加速环氧树脂的固化；

步骤(5)脱模；待环氧树脂固化后，脱模得到混杂纤维复合材料水箱上横梁。

本实施例中的汽车水箱上横梁的厚度约为3.0mm，重量约为0.6kg，其Z向刚度达到了480N/mm，与单独使用碳纤维织物制造的水箱上横梁相比。刚度明显提高。

玻璃纤维的价格比碳纤维的价格低很多，与碳纤维相比可以忽略不计。本实施例中，10层纤维织物布中使用了6层碳纤维织物布，因此与10层全部使用碳纤维制造的水箱上横梁相比，成本降低了40％。

以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种混杂纤维复合材料汽车水箱上横梁，所述水箱上横梁是在真空状态下，树脂浸润碳纤维和玻璃纤维混杂的纤维织物后压力成型；

所述水箱上横梁包括：梁体；位于所述梁体两侧的梁翼；位于所述梁体顶面两侧的侧边；与所述梁翼相连的第一翼翅；与所述第一翼翅相连的第二翼翅；位于梁翼上的梁冠。

2.根据权利要求1所述的汽车水箱上横梁，其特征在于，所述梁体顶面中部、梁冠为平整面结构。

3.根据权利要求1所述的汽车水箱上横梁，其特征在于，所述梁翼、第一翼翅以及第二翼翅对称地位于所述梁体两侧。

4.根据权利要求1所述的汽车水箱上横梁，其特征在于，所述梁翼与所述第一翼翅之间的过渡、所述第一翼翅与所述第二翼翅之间的过渡为圆滑过渡。

5.根据权利要求1所述的汽车水箱上横梁，其特征在于，所述第一翼翅、第二翼翅的轮廓为连贯的圆弧棱线。

6.根据权利要求1所述的汽车水箱上横梁，其特征在于，所述碳纤维为强度大于2000MPa碳纤维，所述玻璃纤维为强度大于1000MPa的玻璃纤维。

7.根据权利要求6所述的汽车水箱上横梁，其特征在于，所述碳纤维为强度大于3000MPa碳纤维，所述玻璃纤维为强度大于2000MPa玻璃纤维。

8.根据权利要求7所述的汽车水箱上横梁，其特征在于，所述树脂为环氧树脂。

9.根据权利要求8所述的汽车水箱上横梁，其特征在于，所述混杂纤维织物与树脂的重量比例分别为50-60％和40-50％。

10.一种权利要求1所述的汽车水箱上横梁的制造方法，包括以下步骤：

步骤(1)，铺层；将预定层数的碳纤维织物布和预定层数的玻璃纤维织物布按照预定顺序在水箱上横梁模具中进行铺设；铺层角度选择标准铺层角度：0°、45°、-45°和90°；其中0°和90°采用碳纤维织物，45°和-45°采用玻璃纤维织物；

步骤(2)，密封；在铺好后的混杂纤维织物上依次铺设脱模布、导流网、导流管，在模具的边缘打密封胶带，布置抽真空抽气导管、树脂进料口导入管，然后在真空袋边缘处使用真空膜、胶带密封好，确保整个系统不漏气；

步骤(3)，抽真空；将抽气导管与真空泵连接，将真空袋内空气抽空，使真空度达到500Pa以下，使真空膜密实紧贴模具；

步骤(4)，树脂导入及固化；将所述树脂和固化剂的混合物导入进料口并被抽入真空袋中，待所述树脂和固化剂的混合物将纤维织物浸润完全后，关闭进料口导入管口，继续维持真空状态保持0.5-8h，直至树脂固化；

步骤(5)，脱模；待树脂固化后，脱模得到所述混杂纤维复合材料水箱上横梁。

11.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述碳纤维织物布的铺设层数为6层，所述玻璃纤维织物布的铺设层数为4层。

12.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述碳纤维和玻璃纤维的铺设顺序自下而上依次为：第一层为0°方向铺层，第二层为90°方向铺层，第三层为45°方向铺层，第四层为-45°方向铺层，第五层为0°铺层，第六层为0°铺层，第七层为-45°方向铺层，第八层为45°方向铺层，第九层为90°方向铺层，第十层为0°方向铺层。

13.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述树脂与固化剂的比例为：树脂10份，固化剂2-4份。

14.根据权利要求10-13任一项所述的制造方法，其特征在于，在步骤(4)中，采用加热的方法加速树脂的固化。