CN105172216A - 一种缠绕强化复合材料汽车板簧及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种缠绕强化复合材料汽车板簧及其制备方法，该复合材料板簧基本结构形式为二维织物叠层形式与螺旋缠绕结构相结合，在该组合结构中采用了不同材质的纤维预浸织物，通过二维叠层与螺旋缠绕使其形成整体，最后通过模压真空导入一体化工艺制备出高强度、高刚度、形变量小、抗疲劳强度大、寿命长、高低温环境适应性强的新型复合材料汽车板簧，该板簧采用的混杂纤维材质和新型结构形式能够适应不同载重量、特别是大载重量车辆的使用要求，有效避免了传统单一叠层结构复合材料板簧的疲劳载荷强度较低而出现的层间薄弱问题。
Description
技术领域
本发明涉及板式弹簧的制备技术领域，特别涉及一种缠绕强化复合材料汽车板簧及其制备方法。
背景技术
目前大型载重车辆使用的多为金属钢质板簧，这种板簧采用多片金属叠层后固定在车辆的悬架底部，在车辆行驶过程中遇到震动或颠簸，通过板簧的片层之间摩擦而使其整体具备较强的缓冲特性，目前这种结构形式的板簧在各种大载重量车辆上得到广泛应用。但是传统钢质的板簧由于材质自身问题，存在自重较大，使用寿命较短和耐环境侵蚀性能不好的问题，同时自重也会降低载重车辆的承载空间，同时对安全性也带来了较大的隐患。
交通设备的轻量化，特别是汽车重要部位的轻量化是目前复合材料研究的重点。由于高性能纤维的复合材料具有力学性能优异，同时自重较轻的优势，因此在各个行业均有广泛应用，特别是对于重量和力学特性要求更高的汽车来讲，复合材料的应用是目前研究的重要方面。目前碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维以及其混杂多种纤维的复合材料汽车部件制品层出不穷，引领了高性能汽车的发展潮流。而板簧作为汽车重要的承重部件，其轻量化问题必然成为研究的首要方面，所以有关复合材料汽车板簧的制备技术，将会为汽车特性提升带来光明未来。
目前高性能纤维复合材料板簧大多是采用树脂基纤维复合材料制备，其中纤维结构多为二维叠层结构制备。而采用的成型技术也多为复合材料的模压成型、树脂真空导入成型以及缠绕成型。中国专利公开号CN102537165A公开了一种纤维复合材料板式弹簧的制备工艺，其采用的是二维叠层的纤维织物通过模压工艺制备，这种板簧的结构致密性较强，力学强度和刚度均较为优异，但是成型过程较为繁琐，制备效率较低；中国专利号CN102658656A公开了一种玻璃纤维增强树脂复合材料板簧的制备方法，其采用的是缠绕成型的方式，制备的板簧沿着长度方向具有较高的韧性和弹性，但是同样存在因为外型结构改变而带来的缠绕加工的困难。
所以，如何综合各种加工工艺，发挥各种制备技术的优势，既能发挥不同纤维的复合材料自身的强度和刚度，又能满足设计灵活性的要求，是新型复合材料板簧研究的重点。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供一种缠绕强化复合材料汽车板簧及其制备方法，本发明复合材料板簧采用的基本结构形式为二维织物叠层形式与螺旋缠绕结构相结合，在该组合结构中采用了不同材质的纤维预浸织物，通过二维叠层与螺旋缠绕使其形成整体，最后通过模压真空导入一体化工艺制备出高强度、高刚度、形变量小、抗疲劳强度大、寿命长、高低温环境适应性强的新型复合材料汽车板簧，该板簧采用的混杂纤维材质和新型结构形式能够适应不同载重量、特别是大载重量车辆的使用要求，有效避免了传统单一叠层结构复合材料板簧的疲劳载荷强度较低而出现的层间薄弱问题。
本发明采取的技术方案为：
一种缠绕强化复合材料汽车板簧，包括以二维纤维预浸料多轴向叠层形成的主体层、在主体层的叠层结构表面通过螺旋缠绕方式制备的表面强化层，所述主体层和表面强化层间填充有树脂。
纤维材料是各向异性非均质材料，纤维增强复合材料层合板的铺设方式和铺设顺序对层合板的强度和刚度有较大影响，为满足在不同的方向获得不同的强度和刚度要求，本发明对层合板纤维层铺设方式进行了优化，优选的二维预浸织物多轴向叠层方式为包括0°、90°、±45°、±30°、±60°中的一种或多种组合，铺设厚度为7-70mm。通过对纤维排布顺序的调整，使纤维在各个方向上获得了较好的抗疲劳性能和机械强度。
为了满足汽车板簧对强度、刚度、形变量、抗疲劳强度、使用寿命和高低温环境适应性的要求，本发明对现有的纤维增强材料进行筛选，优选的纤维预浸料材质为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或UHMWPE纤维中一种或多种。上述纤维复合材料在发生断裂之前有一个发展过程，不会发生突然破坏，使得纤维增强复合材料制备的汽车板簧比与金属材质的具有更好的抗疲劳性能。
复合材料中纤维起增强和主要承载作用；基体起着支承纤维、保护纤维传递载荷(载荷传递的机理是在基体中产生切应力)的作用，作为增强纤维强度和耐疲劳性的一种重要手段，本发明对树脂材料进行了优选，发现热固性树脂或热塑改性的热固性树脂作为基体材料时，纤维与基体粘结牢固，应力下形变小、蠕变性小、强韧度高、耐冲击性好，由于热固性树脂或热塑改性的热固性树脂有较大的弹性伸长量，保证了复合材料在高的应力下不产生永久性变形。
为了充分发挥纤维的强度，本发明根据汽车板簧的受力状况，对纤维的缠绕方式进行优化，当缠绕角度为±45°、±30°、±60°中的一种或多种组合时，得到比强度高、压缩强度高和层间剪切强度高的复合材料。
混杂纤维材质不仅具有各组分的材料性能，还具备各组分因协同效应而产生的优越的综合性能，因此，所述主体层和表面强化层分别采用不同的混杂纤维材质。该设计即能够适应不同载重量、特别是大载重量车辆的使用要求，有效避免传统单一叠层结构复合材料板簧的疲劳载荷强度较低而出现的层间薄弱问题。主体层和表面强化层采用不同类型纤维材料，与采用同种纤维材料相比，可针对不同受力部位突出强化其刚性和强度特性，与同种材质相比，具有更强的抵抗变形和抵抗破坏的能力。
本发明还提供了一种缠绕强化复合材料汽车板簧的制备方法，以不同材质的纤维预浸织物为原料，采用二维织物叠层与螺旋缠绕方式形成整体，再通过模压真空成型和梯度升温固化成型，即得缠绕强化复合材料汽车板簧。
树脂真空导入成型是在模具型面上铺放增强材料，将型腔边缘密封严密，然后在型腔内抽真空，再将树脂通过精心设计的树脂分配体系在真空作用下注入模腔内，逐渐浸渍增强材料，真空压力一直保持至树脂凝胶。其要求树脂仅在真空力作用下能够完全浸渍增强材料。而不同的真空条件对凝胶时间有不同要求，为实现凝胶时间的可变易控，本发明对树脂材料的用量和真空度进行了优选。最优的条件为：所述模压真空成型过程中树脂含量为纤维材料的40-50％(w/w)，其中模压过程的压力为5-25MPa，真空度范围在0.5-1.0MPa。
根据过程诱导应力和变形产生机理可将影响固化变形的因素分为热应力、固化收缩应力、温度梯度与树脂固化度、压力分布和树脂流动、模具与零件的相互作用等，一般而言，热固性树脂的化学反应速率与其所处环境温度有关。如结构件各部位温度在固化过程中始终保持均匀分布，各部位基体树脂的反应程度也将保持同步进一步地。本发明采用梯度固化升温的方式，使各部位的树脂形成非同步固化状态，从而有效改善了树脂真空导入成型过程中树脂分布不均匀，树脂孔隙率过高的问题。优选的梯度升温固化成型的条件如下：在70-80℃保温30min-1h，之后温度提高至100-160℃保温20min-2h；整个过程中真空度保持为0.6-1.0MPa范围内。
本发明的优点在于，本发明制备的缠绕强化复合材料汽车板簧具有高强度、重量轻、抗疲劳、刚度大、高低温稳定性好、使用寿命较长等优点。本发明制备的复合材料板簧通过表面螺旋缠绕层的强化有效避免了传统二维叠层织物的层间结合强度低的问题，大大提高了产品质量和使用寿命，适用于不同载重要求的轻型或重型卡车。由于纤维的强度、抗疲劳性比钢材料强，车身、底盘重量上比钢板簧减轻40％-60％，仅相当于钢制重量的1/3、1/6。重量减轻既可以增加车辆的装载能力，又可以改善车辆的驾驶机动性，并且还可以降低车辆的燃耗，起到省油的目的。
附图说明
图1是缠绕强化复合材料汽车板簧的结构示意图。其中，1为二维叠层预浸织物主体层，2为螺旋缠绕表面强化层。
具体实施方式
本发明涉及一种缠绕强化复合材料汽车板簧及其制备方法，下面结合实施例进一步说明。
实施例1
(1)复合材料板簧所用的纤维预浸织物包括主体层预浸织物和表面强化层预浸织物两种，其中主体层的预浸织物采用的纤维为碳纤维和玻璃纤维混杂，碳纤维与玻璃纤维的用量比例为1：1；表面强化层所用的纤维为芳纶纤维和UHMWPE纤维混杂，芳纶纤维与UHMWPE纤维的比例为2：1。预浸织物所用树脂为不饱和聚酯树脂，其中树脂含量为40％。
(2)主体层采用碳纤维与玻璃纤维的混杂纤维预浸织物通过多轴向叠层铺设方式制备，铺设厚度为7mm；铺设角度可根据板簧设计要求采用0°、90°、±45°三种铺层方向组合。其中0°、90°交替铺层数量占70％，±45°铺层方向占30％。
(3)表面强化层螺旋缠绕结构设计。表面强化层在主体层预浸织物叠层铺设完毕的基础上，采用芳纶纤维与UHMWPE纤维混杂纤维预浸织物螺旋缠绕制备，缠绕角度可选择±30°、±60°两种组合，缠绕厚度为3mm。
(4)真空袋压密封预处理。将螺旋缠绕完毕的预浸织物整体封装在真空袋内，通过密封胶条密封，之后进行抽真空处理，真空度控制为0.6MPa，整个抽真空过程保证在5min。
(5)真空模压一体化固化成型。将上述真空封装并抽真空处理的板簧样品放入压机中，进行模压固化，压力为5MPa，固化过程中采用梯度升温的工艺，首先在80℃保温30min，之后温度提高至120℃保温2h。整个过程中真空度保持为0.6MPa。
(6)后处理。后处理过程的温度范围在120℃，时间4h。
本发明适用的车型为轻型载重卡车，所要求的板簧长度在1.2m，总体厚度在10mm。
实施例2
(1)复合材料板簧所用的纤维预浸织物包括主体层预浸织物和表面强化层预浸织物两种，其中主体层的预浸织物采用的纤维为碳纤维和玻璃纤维混杂，碳纤维与玻璃纤维的用量比例为2：1；表面强化层所用的纤维为芳纶纤维和UHMWPE纤维混杂，芳纶纤维与UHMWPE纤维的比例为3：1。预浸织物所用树脂为酚醛树脂，其中树脂含量为45％。
(2)主体层采用碳纤维与玻璃纤维的混杂纤维预浸织物通过多轴向叠层铺设方式制备，铺设厚度为10mm；铺设角度可根据板簧设计要求采用0°、90°、±30°三种铺层方向组合。其中0°、90°交替铺层数量占75％，±30°铺层方向占25％。
(3)表面强化层螺旋缠绕结构设计。表面强化层在主体层预浸织物叠层铺设完毕的基础上，采用芳纶纤维与UHMWPE纤维混杂纤维预浸织物螺旋缠绕制备，缠绕角度可选择±45°、±60°两种组合，缠绕厚度为5mm。
(4)真空袋压密封预处理。将螺旋缠绕完毕的预浸织物整体封装在真空袋内，通过密封胶条密封，之后进行抽真空处理，真空度控制为0.8MPa，整个抽真空过程保证在3min。
(5)真空模压一体化固化成型。将上述真空封装并抽真空处理的板簧样品放入压机中，进行模压固化，压力为10MPa，固化过程中采用梯度升温的工艺，首先在75℃保温50min，之后温度提高至125℃保温2h。整个过程中真空度保持为0.8MPa。
(6)后处理。后处理过程的温度范围在125℃，时间3h。
本发明适用的车型为轻型载重卡车，所要求的板簧长度在1.5m，总体厚度在15mm。
实施例3
(1)复合材料板簧所用的纤维预浸织物包括主体层预浸织物和表面强化层预浸织物两种，其中主体层的预浸织物采用的纤维为碳纤维和玻璃纤维混杂，碳纤维与玻璃纤维的用量比例为3：1；表面强化层所用的纤维为芳纶纤维和UHMWPE纤维混杂，芳纶纤维与UHMWPE纤维的比例为4：1。预浸织物所用树脂为环氧树脂，其中树脂含量为43％。
(2)主体层采用碳纤维与玻璃纤维的混杂纤维预浸织物通过多轴向叠层铺设方式制备，铺设厚度为50mm；铺设角度可根据板簧设计要求采用0°、90°、±60°三种铺层方向组合。其中0°、90°交替铺层数量占65％，±30°铺层方向占35％。
(3)表面强化层螺旋缠绕结构设计。表面强化层在主体层预浸织物叠层铺设完毕的基础上，采用芳纶纤维与UHMWPE纤维混杂纤维预浸织物螺旋缠绕制备，缠绕角度可选择±30°、±60°两种组合，缠绕厚度为10mm。
(4)真空袋压密封预处理。将螺旋缠绕完毕的预浸织物整体封装在真空袋内，通过密封胶条密封，之后进行抽真空处理，真空度控制为0.9MPa，整个抽真空过程保证在5min。
(5)真空模压一体化固化成型。将上述真空封装并抽真空处理的板簧样品放入压机中，进行模压固化，压力为15MPa，固化过程中采用梯度升温的工艺，首先在74℃保温60min，之后温度提高至135℃保温3h。整个过程中真空度保持为0.9MPa。
(6)后处理。后处理过程的温度范围在120℃，时间4h。
本发明适用的车型为轻型载重卡车，所要求的板簧长度在2m，总体厚度在60mm。
实施例4
(1)复合材料板簧所用的纤维预浸织物包括主体层预浸织物和表面强化层预浸织物两种，其中主体层的预浸织物采用的纤维为碳纤维和玻璃纤维混杂，碳纤维与玻璃纤维的用量比例为4：1；表面强化层所用的纤维为芳纶纤维和UHMWPE纤维混杂，芳纶纤维与UHMWPE纤维的比例为5：1。预浸织物所用树脂为环氧树脂，其中树脂含量为50％。
(2)主体层采用碳纤维与玻璃纤维的混杂纤维预浸织物通过多轴向叠层铺设方式制备，铺设厚度为55mm；铺设角度可根据板簧设计要求采用0°、90°、±45°三种铺层方向组合。其中0°、90°交替铺层数量占60％，±45°铺层方向占40％。
(3)表面强化层螺旋缠绕结构设计。表面强化层在主体层预浸织物叠层铺设完毕的基础上，采用芳纶纤维与UHMWPE纤维混杂纤维预浸织物螺旋缠绕制备，缠绕角度可选择±30°、±45°两种组合，缠绕厚度为30mm。
(4)真空袋压密封预处理。将螺旋缠绕完毕的预浸织物整体封装在真空袋内，通过密封胶条密封，之后进行抽真空处理，真空度控制为0.95MPa，整个抽真空过程保证在4min。
(5)真空模压一体化固化成型。将上述真空封装并抽真空处理的板簧样品放入压机中，进行模压固化，压力为20MPa，固化过程中采用梯度升温的工艺，首先在80℃保温50min，之后温度提高至125℃保温3h。整个过程中真空度保持为0.95MPa。
(6)后处理。后处理过程的温度范围在120℃，时间3h。
本发明适用的车型为轻型载重卡车，所要求的板簧长度在2m，总体厚度在85mm。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种缠绕强化复合材料汽车板簧，其特征是，包括以二维预浸料多轴向叠层形成的主体层、在主体层的叠层结构表面通过螺旋缠绕方式制备的表面强化层，所述主体层和表面强化层间填充有树脂，所述主体层和表面强化层采用的纤维预浸料为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或UHMWPE纤维中一种或多种。
2.如权利要求1所述的汽车板簧，其特征是，所述二维预浸织物多轴向叠层包括0°、90°、±45°、±30°、±60°中的一种或多种组合，铺设厚度为7-70mm。
3.如权利要求1所述的汽车板簧，其特征是，所述螺旋缠绕方式中，缠绕角度为±45°、±30°、±60°中的一种或多种组合，缠绕厚度为3-30mm。
4.如权利要求1所述的汽车板簧，其特征是，所述主体层和表面强化层分别采用不同的混杂纤维材质。
5.一种缠绕强化复合材料汽车板簧的制备方法，其特征是，以不同材质的纤维预浸织物为原料，采用二维织物叠层与螺旋缠绕方式形成整体，再通过模压真空成型和梯度升温固化成型，即得缠绕强化复合材料汽车板簧。
6.如权利要求5所述的方法，其特征是，所述模压真空成型过程包括模压成型和真空袋压；其中模压过程的压力为5-25MPa，真空度范围在0.5-1.0MPa。
7.如权利要求5所述的方法，其特征是，所述模压真空成型过程中树脂含量为纤维材料的40-50％(w/w)。
8.如权利要求5所述的方法，其特征是，所述梯度升温固化成型的条件如下：在70-80℃保温30min-1h，之后温度提高至100-160℃保温20min-2h；整个过程中真空度保持为0.6-1.0MPa范围内。
9.权利要求6-8任一所述的方法制备的缠绕强化复合材料汽车板簧。
10.权利要求1-4任一所述的汽车板簧或权利要求9所述的汽车板簧在制造轻型载重卡车和重型载重卡车中的应用。
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