CN105216342A - 车用碳纤维复合材料帽型梁制备方法及模具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车用碳纤维复合材料帽型梁制备方法及模具，旨在克服帽型梁模压成型中难以对不同部位的强度进行有效调节、无法获得合理强度分布的问题，其包括等强度帽型梁制备方法与变强度帽型梁制备方法。将裁剪好的预浸布按设计层数铺放在下凹模(2)中；将干瘪的充气袋(3)放在下凹模(2)中并与已放入的预浸布贴合；再将预浸布铺放在充气袋(3)的上表面上，将制备的变强度帽型梁由右到左分为n个强度区间，2≤n≤10，在每个强度区间的预浸布的层与层间加入不同的添加材料；将上凹模(1)合装在下凹模(2)上，同时升温凝胶；同时升温固化；撤掉充气泵，取下上凹模(1)与充气袋(3)，除去试件的毛刺飞边。还提供了一套模具。

Description

车用碳纤维复合材料帽型梁制备方法及模具
技术领域
本发明涉及一种车用零件的制备方法，更具体地说，本发明涉及车用碳纤维复合材料帽型梁制备方法。
背景技术
碳纤维复合材料作为一种新型复合材料凭借其优秀的力学性能在很多行业得到了越来越广泛的应用。近年来，随着汽车轻量化技术的发展，复合材料的使用在汽车制造过程中得到广泛应用。其中碳纤复合材料相对于传统金属材料和其它复合材料具有高的比强度、比刚度、比吸能，在汽车行业中正在得到广泛的应用。
帽型梁是车身主要承载梁中普遍采用的设计形式，其有稳定性和防撞性好，帽形梁接触面积大，在断裂处不会形成尖角，能更好的保护驾驶员安全。采用碳纤维复合材料代替传统金属材料制作车身结构中所需的帽型梁可以在不降低其力学性能的前提下，实现车身的轻量化。在实际应用过程中，在要求零件高强度的同时，往往还要求其整体或局部具有足够的塑性或韧性，以满足碰撞、连接等方面的要求。在碳纤维复合材料成型过程中其局部强度难以控制，但是实际工程设计要求往往需要实现梁的变强度控制。通过纤维布的铺层数量改变厚度虽然可以改变碳纤维复合材料的力学性能，但是变截面处会产生应力集中现象，导致该局部的强度极差，在碳纤维复合材料的制备过程中改变板厚会大幅度的提高成本然后提高性能而且在实际操作中很难实现。通过改变固化问题其不易达到局部固化的效果。
参阅图1，碳纤维复合材料模压工艺流程如图中所示。而现有的工艺流程制备车用帽型梁存在的几个问题为：
(1)在制备车用帽型梁传统方法侧面不易受压，导致侧面的力学性能较差。
(2)在制备车用帽型梁传统方法容易发生受力不均匀，导致发生试件圆弧过渡的位置力学性能较大。
(3)车用碳纤维复合材料帽型梁的强度控制通过控制板厚可以实现，但是增加板厚不仅大幅度的提高了板件的制造成本而且在变截面位置出现应力集中。
(4)车用碳纤维复合材料帽型梁的小区域变强度通过模压成型技术目前难以实现。
因此，需要在现有碳纤维复合材料模压成型工艺流程中，需要设计新的模具，增加新的工艺方法，保证通过模压成型可以制备高性能的车用碳纤维复合材料帽型梁，同时通过增设新的工艺方法来控制碳纤维复合材料帽型梁的强度，可以制备车用碳纤维复合材帽型梁。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在碳纤维复合材料帽型梁模压成型过程中难以对不同部位的强度进行有效调节、无法获得合理强度分布的问题，提供了车用碳纤维复合材料帽型梁制备方法及模具。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的车用碳纤维复合材料帽型梁制备方法包括车用碳纤维复合材料等强度帽型梁制备方法，车用碳纤维复合材料等强度帽型梁制备方法又包括车用碳纤维复合材料等强度单帽型梁的制备方法，其步骤如下：
1)将裁剪好的碳纤维复合材料预浸布按设计好的层数铺放在下凹模的下凹槽中，使碳纤维复合材料预浸布下表面与下凹模的下凹槽的内表面和上表面紧密贴合；
2)将干瘪的聚四氟乙烯材质的充气袋放入下凹模的下凹槽中并与已放置的的碳纤维复合材料预浸布贴合，充气袋左端的进气加压管与自带控制聚四氟乙烯材质的充气袋内腔压力的压力表的充气泵连接；
3)将上凹模与下凹模合模并开泵通气加压，观察聚四氟乙烯材质的充气袋内腔的压力值，使聚四氟乙烯材质的充气袋3内腔的压力值保持在5MPa，上凹模和下凹模同时升温凝胶，同时使其升温固化，在固化过程中始终保持型腔内压力值恒定；
4)酚醛环氧乙烯基树脂凝胶结束后，上凹模与下凹模同时加压，同时保持充气泵持续向聚四氟乙烯材质的充气袋内腔充气，保持压力在0.5MPa～1MPa区间内变化，同时升温固化，在固化过程中始终保持型腔内压力值恒定；
5)控制升温速率在25℃—30℃/h，继续升温至145℃-150℃，使多余树脂失效；
6)撤掉充气泵，降温后拿掉上凹模，取出聚四氟乙烯材质的充气袋，取出试件，修剪毛边。
一种车用碳纤维复合材料帽型梁制备方法包括车用碳纤维复合材料等强度帽型梁制备方法，车用碳纤维复合材料等强度帽型梁制备方法又包括车用碳纤维复合材料等强度双帽型梁的制备方法，其步骤如下：
1)将裁剪好的碳纤维复合材料预浸布按设计好的层数铺放在下凹模的下凹槽中，使碳纤维复合材料预浸布下表面与下凹模的下凹槽的内表面和上表面紧密贴合；
2)将干瘪的聚四氟乙烯材质的充气袋放入下凹模的下凹槽中并与已放置的碳纤维复合材料预浸布贴合，将充气袋左端的进气加压管与自带控制聚四氟乙烯材质的充气袋内腔压力的压力表的充气泵连接，开泵进气将聚四氟乙烯材质的充气袋充满；将另一块碳纤维复合材料预浸布铺放在聚四氟乙烯材质的充气袋的上表面与下凹模的上表面已放置的碳纤维复合材料预浸布上并紧密贴合；
3)将上凹模合装在下凹模上，观察充气泵压力值，使聚四氟乙烯材质的充气袋内腔的压力值保持在5MPa，上凹模与下凹模同时升温凝胶；
4)酚醛环氧乙烯基树脂凝胶结束后，上凹模与下凹模同时加压，同时保持充气泵持续向聚四氟乙烯材质的充气袋内腔充气，保持压力值在0.5MPa～1MPa区间内变化，同时使其升温固化，在固化过程中始终保持充气袋内腔压力值恒定；
5)控制升温速率在25℃—30℃/h，继续升温至145℃-150℃，使多余树脂失效；
6)撤掉充气泵，降温后拿下上凹模，取出聚四氟乙烯材质的充气袋，取出试件，修剪毛边。
一种车用碳纤维复合材料帽型梁制备方法包括车用碳纤维复合材料变强度帽型梁制备方法，其步骤如下：
1)将裁剪好的碳纤维复合材料预浸布按设计好的层数铺放在下凹模的下凹槽中，使碳纤维复合材料预浸布下表面与下凹模的下凹槽的内表面和下凹模的上表面紧密贴合；将制备的底端变强度帽型梁由右到左分为n个强度区间，n为大于等于2小于等于10的自然数，在每个强度区间的碳纤维复合材料预浸布的层与层之间加入不同的添加材料；
2)将干瘪的聚四氟乙烯材质的充气袋放在下凹模的下凹槽中并与已放置的碳纤维复合材料预浸布贴合，将聚四氟乙烯材质的充气袋充气完全，将另一块碳纤维复合材料预浸布铺放在聚四氟乙烯材质的充气袋的上表面与下凹模的上表面已放置的碳纤维复合材料预浸布上并紧密贴合，将制备的上端变强度帽型梁由右到左分为n个强度区间，n为大于等于2小于等于10的自然数，在每个强度区间的碳纤维复合材料预浸布的层与层之间加入不同的添加材料；
3)将上凹模合装在下凹模上，观察充气泵压力值，使聚四氟乙烯材质的充气袋内腔的压力值保持在5MPa，上凹模与下凹模同时升温凝胶；
4)酚醛改性环氧树脂凝胶结束后，上凹模与下凹模同时加压，同时保持充气泵持续向聚四氟乙烯材质的充气袋内腔充气，保持压力在0.5MPa～1MPa区间内变化，同时升温固化，在固化过程中始终保持型腔内压力值恒定；
5)控制升温速率在25℃—30℃/h，继续升温至145℃-150℃，使多余树脂失效；
6)撤掉充气泵，降温后取下上凹模，待聚四氟乙烯材质的充气袋干瘪后将其取出，取出试件，除去试件成型时在边缘部位的毛刺飞边。
技术方案中所述的上凹模与下凹模同时升温凝胶是指：控制升温速率在25℃～30℃/h，将温度升至100℃～110℃，酚醛改性环氧树脂凝胶时间为15min～20min；
所述的同时升温固化是指：控制升温速率在25℃～30℃/h，继续升温至120℃～130℃，使酚醛改性环氧树脂固化2h。
技术方案中所述的在每个强度区间的碳纤维复合材料预浸布的层与层之间加入不同的添加材料是指：
1)为了增强碳纤维复合材料的强度，当碳纤维复合材料预浸布铺设过程中在两层之间加入0.2mg～0.5mg的二氧化硅纳米粒子；
2)为了降低碳纤维复合材料的强度，当碳纤维复合材料预浸布铺设过程中在两层之间添加0.2mg～0.5mg的棉毡或者在碳纤维复合材料预浸布层与层之间添加一层聚四氟乙烯膜，前者能小范围的降低碳纤维复合材料的强度，后者能大幅度的降低碳纤维复合材料的强度；
3)根据控制强度的范围在两层碳纤维复合材料预浸布之间选用不同的添加材料。
一种车用碳纤维复合材料帽型梁制备方法中的模具包括上凹模、下凹模与充气袋；
充气袋放置在下凹模的下凹槽内，上凹模通过其四角处的圆柱形的定位光孔套装在下凹模四角处的圆柱形的定位光柱上而使上凹模合盖在下凹模上，上凹模的上凹槽与下凹模的下凹槽相对正并形成一个完整的型腔，上凹模的上半圆形通孔与下凹模的下半圆形通孔相对正并形成一个完整的圆柱通孔，充气袋左端的进气加压管从完整的圆柱通孔伸出并与充气泵输出端连接。
技术方案中所述的上凹模为长方体式结构件，在长方体的一侧面的中心处向内设置一个长方体式上凹槽，上凹槽的四槽壁的内壁面依次与上凹模的相对应的四端面的距离相等，上凹槽的底面依次与前后两槽壁的内壁面采用圆柱面圆滑过渡连接，上凹槽四角外侧的上凹模上设置有四个圆柱形的定位光孔，四个圆柱形的定位光孔依次距上凹模四个直角处的两端面的距离相等，在上凹槽的左槽壁的顶端的中间位置设置一个上半圆形通孔，上半圆形孔与上凹槽连通。
技术方案中所述的下凹模为长方体式结构件，在长方体的一侧面的中心处向下设置一个长方体式下凹槽，下凹槽的四槽壁的内壁面依次与下凹模的相对应的四端面的距离相等，下凹槽的底面依次与前后两槽壁的内壁面采用圆柱面圆滑过渡连接，下凹槽四角外侧的下凹模上设置有四个圆柱形的定位光柱，四个圆柱形的定位光柱依次距下凹模四个直角处的两端面的距离相等，四个圆柱形的定位光柱与上凹模上的四个圆柱形的定位光孔对正，在下凹槽的左槽壁的顶端的中间位置设置一个下半圆形通孔，下半圆形孔与下凹槽连通。
技术方案中所述的下凹模与上凹模的外形尺寸相等，下凹模与上凹模上的下凹槽与上凹槽几何尺寸相等；下凹模与上凹模上的下半圆形通孔与上半圆形通孔几何尺寸相等，下半圆形通孔与上半圆形通孔的回转轴线和下凹槽与上凹槽的纵向对称面共面。
技术方案中所述的充气袋是一个形状、大小和上凹模与下凹模合装在一起所形成的内腔完全相同的长方体形的空心壳体件，充气袋上壁、前壁、下壁与后壁中相邻两壁之间采用圆柱面圆滑过渡连接，充气袋采用聚四氟乙烯材质，充气袋的厚度为2～5mm。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.本发明所述的车用碳纤维复合材料帽型梁制备方法中采用的模压工艺解决了传统的模压工艺用来制备碳纤维复合材料帽型梁存在的困难，通过模具腔内压力给碳纤维复合材料帽型梁试件压力，达到试件制备过程中所需要的压力。
2.本发明所述的车用碳纤维复合材料帽型梁制备方法中的模具设计跟传统模具设计有很大的区别，其上下模都为凹模，内腔为帽型梁形状，该模具可以制备任意厚度的帽型梁。在模压过程中只有边缘位置受压，模具型腔内无填充物的情况下不受任何压力，试件压力实际是由腔外和腔内共同提供，这样可以使试件上下表面受到相同的压力值，不存在压力差。
3.本发明所述的车用碳纤维复合材料帽型梁制备方法中选用的聚四氟乙烯材料袋是一种理想的实现本发明工艺方法的材料，其耐高温、在固化温度下不会产生自身变形和材料溶解，聚四氟乙烯这种材料不与树脂固化过程中发生任何反应，其表面光滑，从模具中取出十分方便。
4.本发明所述的车用碳纤维复合材料帽型梁制备方法中帽型梁强度的控制方法为采用控制碳纤维复合材料界面的断裂韧度，具体实施方法为在层间添加脱层促进剂和脱层抑制剂。该方法具备操作简单，在应力区域平滑，可以将多梯度的改变碳纤维复合材料强度，同时可以控制碳纤维复合材料梁微小区域的强度。
碳纤维复合材料界面的断裂韧度通常通过两种方法改变：一种方法是依靠碳纤维复合材料的组元的固有性能；另一种是取决于纤维-基体界面的合适控制。在碳纤维复合材料中的基质和基体都已选择好的情况下，通过第二种方法采用合适的物质及层间分离终止剂和促进剂可以增加或降低碳纤维复合材料的断裂韧度，从而改变其力学性能。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为碳纤维复合材料传统模压成型工艺的流程框图；
图2为本发明所述的车用碳纤维复合材料帽型梁制备方法中所采用的模具结构组成主视图上的全剖视图；
图3为本发明所述的车用碳纤维复合材料帽型梁制备方法中所采用的上凹模结构组成的轴测投影视图；
图4为本发明所述的车用碳纤维复合材料帽型梁制备方法中所采用的下凹模结构组成的轴测投影视图；
图5为本发明所述的车用碳纤维复合材料帽型梁制备方法中所采用的聚四氟乙烯材质的充气后的充气袋的轴测投影视图；
图6为本发明所述的车用碳纤维复合材料帽型梁制备方法中所采用的聚四氟乙烯材质的充气后的充气袋主视图上的全剖视图；
图7为本发明所述的车用碳纤维复合材料单帽型梁的轴测投影视图；
图8为本发明所述的车用碳纤维复合材料双帽型梁的轴测投影视图；
图9为本发明所述的车用碳纤维复合材料变强度双帽型梁制备方法的流程框图；
图中：1.上凹模，2.下凹模，3.充气袋。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
本发明所述的车用碳纤维复合材料帽型梁制备方法包括车用碳纤维复合材料等强度帽型梁制备方法和车用碳纤维复合材料变强度帽型梁制备方法。
一.车用碳纤维复合材料帽型梁制备方法中所使用的模具
所述的模具包括上凹模1、下凹模2与充气袋3。该模具结构简单，适合制备等强度帽型梁与变强度帽型梁。
充气袋3放置在下凹模2的下凹槽内，上凹模1通过其四角处的圆柱形的定位光孔套装在下凹模2四角处的圆柱形的定位光柱上而使上凹模1合盖在下凹模2上，上凹模1的上凹槽与下凹模2的下凹槽相对正并形成一个完整的型腔，上凹模1的上半圆形通孔与下凹模2的下半圆形通孔相对正并形成一个完整的圆柱通孔，充气袋3左端的进气加压管从完整的圆柱通孔伸出并充气泵输出端连接。
1.上凹模1
参阅图2与图3，所述的上凹模1为长方体式结构件，在长方体的一侧(底)面的中心处向内(上)设置一个长方体式上凹槽，上凹槽的四槽壁的内壁面依次与上凹模1的相对应的四端面的距离相等，上凹槽的底面依次与前后两槽壁的内壁面采用圆柱面圆滑过渡连接，上凹槽四角外侧的上凹模1上设置有四个圆柱形的定位光孔，四个圆柱形的定位光孔依次距上凹模1四个直角处的两端面(两直角边)的距离相等，在上凹槽的左槽壁的顶端的中间位置设置一个上半圆形通孔，上半圆形孔与上凹槽连通。
实施例中上凹模1为铝合金材质，长为400mm，宽为200mm，高为80mm；上凹槽的长为300mm，宽为100mm，深为50mm的槽，上凹槽的底面依次与前后两槽壁的内壁面采用半径为20mm的圆柱面圆滑过渡连接，上凹槽的四槽壁的内壁面依次与上凹模1的相对应的四端面的距离为50mm。上凹槽四角外侧的四个圆柱形的定位光孔的回转轴线距凹模1四个直角处的两端面(两直角边)的距离均为25mm，四个圆柱形的定位光孔的半径为15mm、深为30mm。在凹槽的左槽壁顶端的中间位置设置的上半圆形通孔的半径为15mm，长为50mm。
2.下凹模2
参阅图2和图4，所述的下凹模2为长方体式结构件，在长方体的一侧(顶端)面的中心处向下设置一个长方体式下凹槽，下凹槽的四槽壁的内壁面依次与下凹模2的相对应的四端面的距离相等，下凹槽的底面依次与前后两槽壁的内壁面采用圆柱面圆滑过渡连接，下凹槽四角外侧的下凹模2上设置有四个圆柱形的定位光柱，四个圆柱形的定位光柱依次距下凹模2四个直角处的两端面(两直角边)的距离相等，四个圆柱形的定位光柱与上凹模1上的四个圆柱形的定位光孔对正，当下凹模2上的四个圆柱形的定位光柱与上凹模1上的四个圆柱形的定位光孔配装在一起即成为一个完整的模具；在下凹槽的左槽壁的顶端的中间位置设置一个下半圆形通孔，下半圆形孔与下凹槽连通。下凹模2与上凹模1外形尺寸相等，下凹槽与上凹槽几何尺寸相等；下半圆形通孔与上半圆形通孔几何尺寸相等，下半圆形通孔与上半圆形通孔合在一起成一个完整的圆柱通孔，下半圆形通孔与上半圆形通孔的回转轴线和下凹槽与上凹槽的纵向对称面共面。
实施例中下凹模2为铝合金材质，长为400mm，宽为200mm，高为80mm；下凹槽的长为300mm，宽为100mm，深为50mm，下凹槽的底面依次与前后两槽壁的内壁面采用半径为20mm的圆柱面圆滑过渡连接，下凹槽的四槽壁的内壁面依次与下凹模2的相对应的四端面的距离为50mm。下凹槽四角外侧的四个圆柱形的定位光柱的回转轴线距凹模2四个直角处的两端面(两直角边)的距离均为25mm，四个圆柱形的定位光柱的半径为15mm、深为30mm。在下凹槽的左槽壁顶端的中间位置设置的下半圆形通孔的半径为15mm，长为50mm。
3.充气袋3
参阅图5与图6，充气袋3充气后正好将上凹模1与下凹模2合装在一起所形成的内腔填满，确切地说，充气袋3的形状是一个形状、大小和上凹模1与下凹模2合装在一起所形成的内腔完全相同的长方体形的空心壳体件，充气袋3上壁、前壁、下壁与后壁中相邻两壁之间采用圆柱面圆滑过渡连接。充气袋3采用聚四氟乙烯材质，充气袋3的厚度为2～5mm。
聚四氟乙烯具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂。同时，聚四氟乙烯具有耐高温的特点，它的摩擦系数极低，不与树脂发生化学反应。充气袋3长为300mm，宽为100mm，高为100mm，采用半径20mm圆弧面过渡连接。充气袋3左端面的中心有外直径20mm，内直径为16mm，长100mm的圆柱形进气加压管。
二.车用碳纤维复合材料等强度帽型梁的制备方法
在所设计模具的基础上完成车用碳纤维复合材料等强度帽型梁的制备，所设计模具可以制备两种车用等强度帽型梁，即等强度单帽型梁和等强度双帽型梁都能采用该模具进行制备。
车用碳纤维复合材料等强度单帽型梁的制备方法：
1.将裁剪好的碳纤维复合材料预浸布按设计好的层数铺放在下凹模2的下凹槽中，使碳纤维复合材料预浸布下表面与下凹模2的下凹槽的内表面和上表面(即底面、前槽壁的内壁面、后槽壁的内壁面、前槽壁的上表面与后槽壁的上表面)紧密贴合；
2.将干瘪的聚四氟乙烯材质的充气袋3放入下凹模2的下凹槽中并与步骤1放入的碳纤维复合材料预浸布贴合，充气袋3左端的进气加压管与风劲霸T800充气泵连接，该充气泵自带控制聚四氟乙烯材质的充气袋3的内腔压力的压力表；
3.将上凹模1合装在下凹模2上，观察充气泵压力值，使聚四氟乙烯材质的充气袋3内腔的压力值保持在5MPa，上凹模1和下凹模2同时升温凝胶(升温加压都是由模压成型压机完成)，即控制升温速率在25℃—30℃/h。将温度升至100℃—110℃，酚醛环氧乙烯基树脂凝胶时间为15min—20min。
4.酚醛环氧乙烯基树脂凝胶结束后，上凹模1与下凹模2同时加压，同时保持充气泵持续向聚四氟乙烯材质的充气袋3内腔充气，保持压力在0.5MPa～1MPa区间内变化，同时升温固化，在固化过程中始终保持型腔内压力值恒定；即控制升温速率在25℃—30℃/h，继续升温至120℃-130℃，使酚醛环氧乙烯基树脂固化2h。
5.控制升温速率在25℃—30℃/h，继续升温至145℃-150℃，使多余树脂失效。
6.撤掉充气泵，降温后取下上凹模1，待聚四氟乙烯材质的充气袋3干瘪后将其取出，取出试件，除去试件成型时在边缘部位的毛刺飞边。
车用碳纤维复合材料等强度双帽型梁的制备方法：
1.将裁剪好的碳纤维复合材料预浸布按设计好的层数铺放在下凹模2的下凹槽中，使碳纤维复合材料预浸布下表面与下凹模2的下凹槽的内表面和上表面(即底面、前槽壁的内壁面、后槽壁的内壁面、前槽壁的上表面与后槽壁的上表面)紧密贴合；
2.将干瘪的聚四氟乙烯材质的充气袋3放入下凹模2的下凹槽中并与已放置的碳纤维复合材料预浸布贴合，将充气袋3左端的进气加压管与风劲霸T800充气泵连接，该充气泵自带控制聚四氟乙烯材质的充气袋3的内腔压力的压力表，开泵进气将聚四氟乙烯材质的充气袋3充满。将另一块碳纤维复合材料预浸布铺放在聚四氟乙烯材质的充气袋3的上表面与下凹模2的上表面已放置的碳纤维复合材料预浸布上并紧密贴合。
3.将上凹模1合装在下凹模2上，观察充气泵压力值，使聚四氟乙烯材质的充气袋3内腔的压力值保持在5MPa，上凹模1与下凹模2同时升温凝胶(升温加压都是由模压成型压机完成)。即控制升温速率在25℃—30℃/h。将温度升至100℃—110℃，酚醛环氧乙烯基树脂凝胶时间为15min—20min。
4.酚醛环氧乙烯基树脂凝胶结束后，上凹模1与下凹模2同时加压，同时保持充气泵持续向聚四氟乙烯材质的充气袋3内腔充气，保持压力在0.5MPa～1MPa区间内变化，同时升温固化，在固化过程中始终保持型腔内压力值恒定；即控制升温速率在25℃—30℃/h，继续升温至120℃-130℃，使酚醛环氧乙烯基树脂固化2h。
5.控制升温速率在25℃—30℃/h，继续升温至145℃-150℃，使多余树脂失效。
6.撤掉充气泵，降温后取下上凹模1，待聚四氟乙烯材质的充气袋3干瘪后将其取出，取出试件，除去试件成型时在边缘部位的毛刺飞边。
三.本发明所述的车用碳纤维复合材料变强度帽型梁制备方法
本发明所述的变强度帽型梁制备方法是通过增加或是降低碳纤维和树脂的结合程度来实现的。几种最典型的碳纤维复合材料破坏形式：基体开裂、界面脱粘、纤维断裂、分层破坏，碳纤维复合材料最终的破坏形式是这四种破坏形式的综合作用。所以能够控制处理纤维与树脂的界面结合就能控制碳纤维复合材料的力学性能。在碳纤维复合材料分层地铺放过程中在层间加一些物质可以明显的提高或者降低其强度。这种方法不仅方便操作，而且可以达到控制每一个局部的刚度，甚至可以控制碳纤维层合复合材料的分层发生在第几层。具体制备方法如下：
1.将裁剪好的碳纤维复合材料预浸布按设计好的层数铺放在下凹模2的下凹槽中，使碳纤维复合材料预浸布下表面与下凹模2的下凹槽的内表面和下凹模2上表面(即底面、前槽壁的内壁面、后槽壁的内壁面、前槽壁的上表面与后槽壁的上表面)紧密贴合；将制备的底端变强度帽型梁由右到左分为n个强度区间，n为大于等于2小于等于10的自然数，在每个强度区间的碳纤维复合材料预浸布的层与层之间加入不同的添加材料。
为了增强碳纤维复合材料的强度，当碳纤维复合材料预浸布铺设过程中在两层之间加入0.2mg-0.5mg的二氧化硅纳米粒子。为了降低碳纤维复合材料的强度，当碳纤维复合材料预浸布铺设过程中在两层之间添加0.2mg—0.5mg的棉毡或者在碳纤维复合材料预浸布层与层之间添加一层聚四氟乙烯膜，前者能小范围的降低碳纤维复合材料的强度后者能大幅度的降低碳纤维复合材料的强度。根据控制强度的范围在两层碳纤维复合材料预浸布之间选用不同的添加材料。
2.将干瘪的聚四氟乙烯材质的充气袋3放在下凹模2的下凹槽中并与步骤1放入的碳纤维复合材料预浸布贴合，将聚四氟乙烯材质的充气袋3充气完全，将另一块碳纤维复合材料预浸布铺放在聚四氟乙烯材质的充气袋3的上表面与下凹模2的上表面已放置的碳纤维复合材料预浸布上并紧密贴合。将制备的上端变强度帽型梁由右到左分为n个强度区间，n为大于等于2小于等于10的自然数，在每个强度区间的碳纤维复合材料预浸布的层与层之间加入不同的添加材料。
为了降低碳纤维复合材料的强度，当碳纤维复合材料预浸布铺设过程中在两层之间添加0.2mg—0.5mg的棉毡或者在碳纤维复合材料预浸布层与层之间添加一层聚四氟乙烯膜，前者能小范围的降低碳纤维复合材料的强度，后者能大幅度的降低碳纤维复合材料的强度。根据控制强度的范围在两层碳纤维复合材料预浸布之间选用不同的添加材料。(制备单帽型梁该步省略)
3.将上凹模1合装在下凹模2上，观察充气泵压力值，使聚四氟乙烯材质的充气袋3内腔的压力值保持在5MPa，上凹模1与下凹模2同时升温凝胶(升温加压都是由模压成型压机)完成。即控制升温速率在25℃—30℃/h。将温度升至100℃—110℃，酚醛改性环氧树脂凝胶时间为15min—20min。
4.酚醛环氧乙烯基树脂凝胶结束后，上凹模1与下凹模2同时加压，同时保持充气泵持续向聚四氟乙烯材质的充气袋3内腔充气，保持压力在0.5MPa～1MPa区间内变化，同时升温固化，在固化过程中始终保持型腔内压力值恒定；即控制升温速率在25℃—30℃/h，继续升温至120℃-130℃，使酚醛改性环氧树脂固化2h。
5.控制升温速率在25℃—30℃/h，继续升温至145℃-150℃，使多余树脂失效。
6.撤掉充气泵，降温后取下上凹模1，待聚四氟乙烯材质的充气袋3干瘪后将其取出，取出试件，除去试件成型时在边缘部位的毛刺飞边。
实施例
应用本发明所述的车用碳纤维复合材料帽型梁制备方法制备400mm×400mm×2mm的车用碳纤维复合材料变强度双帽型梁，要求该梁有不同的强度梯度，在实际汽车设计中，变强度双帽型梁的吸能特性更好，强度要求从左向右依次增强。选用3k碳纤维为碳纤维复合材料主体，树脂基体选择酚醛环氧改性树脂。层间添加物采用二氧化硅纳米粒子、棉毡和聚四氟乙烯膜。
1.将用酚醛环氧乙烯基树脂预浸好的碳纤维2D纺织布剪成12块长为300mm，宽为190mm的长方形。将制备的变强度双帽型梁由右到左分为四个强度区间，选择长度为等长度，即每个强度区间长为75mm。第一强度区域选用0.2-0.5mg二氧化硅纳米粒子溶于1mL蒸馏水配置的二氧化硅纳米粒子溶液均匀涂在两层之间，第二强度区域不作处理，第三强度区间将0.2mg的棉毡均匀铺在层与层之间，第四强度区域在2层与3层、3层与4层，4层与5层之间贴上一层聚四氟乙烯膜。取出裁剪好的6块碳纤维预浸布铺放到下凹模1上，在铺设过程碳纤维预浸布之间按上述强度区间分别加入不同的物质。
2.向下凹模1的型腔中放入干瘪的聚四氟乙烯材质的充气袋3，将聚四氟乙烯材质的充气袋3充气完全，将另外的碳纤维预浸布铺放在四氟乙烯材质的充气袋3上表面，第一强度区域选用0.2-0.5mg二氧化硅纳米粒子溶于1mL蒸馏水配置的二氧化硅纳米粒子溶液均匀涂在两层之间，第二强度区域不作处理，第三强度区间将0.2mg的棉毡均匀铺在两层之间，第四强度区域在2层与3层、3层与4层，4层与5层之间贴上一层聚四氟乙烯膜。每个强度区间长为75mm。
3.合模升温，观察充气泵压力值，使聚四氟乙烯材质的充气袋3内腔的压力值保持在5MPa，上凹模1与下凹模2同时升温，控制升温速率在30℃/h。将温度升至100℃，酚醛改性环氧树脂的凝胶时间为20min。
4.酚醛改性环氧树脂凝胶结束后，上凹模1与下凹模2同时加压，同时保持充气泵持续向聚四氟乙烯袋内腔充气，保持压力在10MPa。控制升温速率在30℃/h，继续升温至130℃，使酚醛环氧乙烯基树脂固化2h。
5.控制升温速率在30℃/h，继续升温至150℃，使多余树脂失效。
6.撤掉充气泵，降温后取下上凹模1，待聚四氟乙烯袋干瘪后将其取出，除去试件成型时在边缘部位的毛刺飞边。

Claims (10)

1.一种车用碳纤维复合材料帽型梁制备方法包括车用碳纤维复合材料等强度帽型梁制备方法，其又包括车用碳纤维复合材料等强度单帽型梁的制备方法，其特征在于，所述的车用碳纤维复合材料等强度单帽型梁制备方法的步骤如下：
1)将裁剪好的碳纤维复合材料预浸布按设计好的层数铺放在下凹模(2)的下凹槽中，使碳纤维复合材料预浸布下表面与下凹模(2)的下凹槽的内表面和上表面紧密贴合；
2)将干瘪的聚四氟乙烯材质的充气袋(3)放入下凹模(2)的下凹槽中并与已放置的的碳纤维复合材料预浸布贴合，充气袋(3)左端的进气加压管与自带控制聚四氟乙烯材质的充气袋(3)内腔压力的压力表的充气泵连接；
3)将上凹模(1)与下凹模(2)合模并开泵通气加压，观察聚四氟乙烯材质的充气袋(3)内腔的压力值，使聚四氟乙烯材质的充气袋3内腔的压力值保持在5MPa，上凹模(1)和下凹模(2)同时升温凝胶；
4)酚醛环氧乙烯基树脂凝胶结束后，上凹模(1)与下凹模(2)同时加压，同时保持充气泵持续向聚四氟乙烯材质的充气袋(3)内腔充气，保持压力在0.5MPa～1MPa区间内变化，同时升温固化，在固化过程中始终保持型腔内压力值恒定；
5)控制升温速率在25℃—30℃/h，继续升温至145℃-150℃，使多余树脂失效；
6)撤掉充气泵，降温后拿掉上凹模(1)，取出聚四氟乙烯材质的充气袋(3)，取出试件，修剪毛边。
2.一种车用碳纤维复合材料帽型梁制备方法包括车用碳纤维复合材料等强度帽型梁制备方法，其又包括车用碳纤维复合材料等强度双帽型梁的制备方法，其特征在于，所述的车用碳纤维复合材料等强度双帽型梁的制备方法的步骤如下：
1)将裁剪好的碳纤维复合材料预浸布按设计好的层数铺放在下凹模(2)的下凹槽中，使碳纤维复合材料预浸布下表面与下凹模(2)的下凹槽的内表面和上表面紧密贴合；
2)将干瘪的聚四氟乙烯材质的充气袋(3)放入下凹模(2)的下凹槽中并与已放置的碳纤维复合材料预浸布贴合，将充气袋(3)左端的进气加压管与自带控制聚四氟乙烯材质的充气袋(3)内腔压力的压力表的充气泵连接，开泵进气将聚四氟乙烯材质的充气袋(3)充满；将另一块碳纤维复合材料预浸布铺放在聚四氟乙烯材质的充气袋(3)的上表面与下凹模(2)的上表面已放置的碳纤维复合材料预浸布上并紧密贴合；
3)将上凹模(1)合装在下凹模(2)上，观察充气泵压力值，使聚四氟乙烯材质的充气袋(3)内腔的压力值保持在5MPa，上凹模(1)与下凹模(2)同时升温凝胶；
4)酚醛环氧乙烯基树脂凝胶结束后，上凹模(1)与下凹模(2)同时加压，同时保持充气泵持续向聚四氟乙烯材质的充气袋(3)内腔充气，保持压力值在0.5MPa～1MPa区间内变化，同时使其升温固化，在固化过程中始终保持充气袋(3)内腔压力值恒定；
5)控制升温速率在25℃—30℃/h，继续升温至145℃-150℃，使多余树脂失效；
6)撤掉充气泵，降温后拿下上凹模(1)，取出聚四氟乙烯材质的充气袋(3)，取出试件，修剪毛边。
3.一种车用碳纤维复合材料帽型梁制备方法包括车用碳纤维复合材料变强度帽型梁制备方法，其特征在于，所述的车用碳纤维复合材料变强度帽型梁的制备方法的步骤如下：
1)将裁剪好的碳纤维复合材料预浸布按设计好的层数铺放在下凹模(2)的下凹槽中，使碳纤维复合材料预浸布下表面与下凹模(2)的下凹槽的内表面和下凹模(2)的上表面紧密贴合；将制备的底端变强度帽型梁由右到左分为n个强度区间，n为大于等于2小于等于10的自然数，在每个强度区间的碳纤维复合材料预浸布的层与层之间加入不同的添加材料；
2)将干瘪的聚四氟乙烯材质的充气袋(3)放在下凹模(2)的下凹槽中并与已放置的碳纤维复合材料预浸布贴合，将聚四氟乙烯材质的充气袋(3)充气完全，将另一块碳纤维复合材料预浸布铺放在聚四氟乙烯材质的充气袋(3)的上表面与下凹模(2)的上表面已放置的碳纤维复合材料预浸布上并紧密贴合，将制备的上端变强度帽型梁由右到左分为n个强度区间，n为大于等于2小于等于10的自然数，在每个强度区间的碳纤维复合材料预浸布的层与层之间加入不同的添加材料；
3)将上凹模(1)合装在下凹模(2)上，观察充气泵压力值，使聚四氟乙烯材质的充气袋(3)内腔的压力值保持在5MPa，上凹模(1)与下凹模(2)同时升温凝胶；
4)酚醛改性环氧树脂凝胶结束后，上凹模(1)与下凹模(2)同时加压，同时保持充气泵持续向聚四氟乙烯材质的充气袋(3)内腔充气，保持压力在0.5MPa～1MPa区间内变化，同时升温固化，在固化过程中始终保持型腔内压力值恒定；
5)控制升温速率在25℃—30℃/h，继续升温至145℃-150℃，使多余树脂失效；
6)撤掉充气泵，降温后取下上凹模(1)，待聚四氟乙烯材质的充气袋(3)干瘪后将其取出，取出试件，除去试件成型时在边缘部位的毛刺飞边。
4.按照权利要求3所述的车用碳纤维复合材料变强度帽型梁制备方法，其特征在于，所述的上凹模(1)与下凹模(2)同时升温凝胶是指：控制升温速率在25℃～30℃/h，将温度升至100℃～110℃，酚醛改性环氧树脂凝胶时间为15min～20min；
所述的同时升温固化是指：控制升温速率在25℃～30℃/h，继续升温至120℃～130℃，使酚醛改性环氧树脂固化2h。
5.按照权利要求3所述的车用碳纤维复合材料变强度帽型梁制备方法，其特征在于，所述的在每个强度区间的碳纤维复合材料预浸布的层与层之间加入不同的添加材料是指：
1)为了增强碳纤维复合材料的强度，当碳纤维复合材料预浸布铺设过程中在两层之间加入0.2mg～0.5mg的二氧化硅纳米粒子；
2)为了降低碳纤维复合材料的强度，当碳纤维复合材料预浸布铺设过程中在两层之间添加0.2mg～0.5mg的棉毡或者在碳纤维复合材料预浸布层与层之间添加一层聚四氟乙烯膜，前者能小范围的降低碳纤维复合材料的强度，后者能大幅度的降低碳纤维复合材料的强度；
3)根据控制强度的范围在两层碳纤维复合材料预浸布之间选用不同的添加材料。
6.一种车用碳纤维复合材料帽型梁制备方法中的模具，其特征在于，所述的模具包括上凹模(1)、下凹模(2)与充气袋(3)；
充气袋(3)放置在下凹模(2)的下凹槽内，上凹模(1)通过其四角处的圆柱形的定位光孔套装在下凹模(2)四角处的圆柱形的定位光柱上而使上凹模(1)合盖在下凹模(2)上，上凹模(1)的上凹槽与下凹模(2)的下凹槽相对正并形成一个完整的型腔，上凹模(1)的上半圆形通孔与下凹模(2)的下半圆形通孔相对正并形成一个完整的圆柱通孔，充气袋(3)左端的进气加压管从完整的圆柱通孔伸出并充气泵输出端连接。
7.按照权利要求6所述的车用碳纤维复合材料变强度帽型梁制备方法中的模具，其特征在于，所述的上凹模(1)为长方体式结构件，在长方体的一侧(底)面的中心处向内(上)设置一个长方体式上凹槽，上凹槽的四槽壁的内壁面依次与上凹模(1)的相对应的四端面的距离相等，上凹槽的底面依次与前后两槽壁的内壁面采用圆柱面圆滑过渡连接，上凹槽四角外侧的上凹模(1)上设置有四个圆柱形的定位光孔，四个圆柱形的定位光孔依次距上凹模(1)四个直角处的两端面的距离相等，在上凹槽的左槽壁的顶端的中间位置设置一个上半圆形通孔，上半圆形孔与上凹槽连通。
8.按照权利要求6所述的车用碳纤维复合材料变强度帽型梁制备方法中的模具，其特征在于，所述的下凹模(2)为长方体式结构件，在长方体的一侧(顶端)面的中心处向下设置一个长方体式下凹槽，下凹槽的四槽壁的内壁面依次与下凹模(2)的相对应的四端面的距离相等，下凹槽的底面依次与前后两槽壁的内壁面采用圆柱面圆滑过渡连接，下凹槽四角外侧的下凹模(2)上设置有四个圆柱形的定位光柱，四个圆柱形的定位光柱依次距下凹模(2)四个直角处的两端面的距离相等，四个圆柱形的定位光柱与上凹模(1)上的四个圆柱形的定位光孔对正，在下凹槽的左槽壁的顶端的中间位置设置一个下半圆形通孔，下半圆形孔与下凹槽连通。
9.按照权利要求6所述的车用碳纤维复合材料变强度帽型梁制备方法中的模具，其特征在于，所述的下凹模(2)与上凹模(1)的外形尺寸相等，下凹模(2)与上凹模(1)上的下凹槽与上凹槽几何尺寸相等；下凹模(2)与上凹模(1)上的下半圆形通孔与上半圆形通孔几何尺寸相等，下半圆形通孔与上半圆形通孔的回转轴线和下凹槽与上凹槽的纵向对称面共面。
10.按照权利要求6所述的车用碳纤维复合材料变强度帽型梁制备方法中的模具，其特征在于，所述的充气袋(3)是一个形状、大小和上凹模(1)与下凹模(2)合装在一起所形成的内腔完全相同的长方体形的空心壳体件，充气袋(3)上壁、前壁、下壁与后壁中相邻两壁之间采用圆柱面圆滑过渡连接，充气袋(3)采用聚四氟乙烯材质，充气袋(3)的厚度为2～5mm。
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