CN106627789B - 纤维增强热塑性复合材料在成型制备汽车零部件中的应用 - Google Patents

Abstract

一种纤维增强热塑性复合材料在成型制备汽车零部件中的应用，纤维增强热塑性复合材料包括长纤维增强热塑性复合材料和连续纤维增强热塑性复合材料。汽车零部件特别优选为汽车挡泥板总成，汽车挡泥板总成包括挡泥板支撑杆、支撑杆底座和挡泥板悬挂支架及尾灯支架；连续纤维增强热塑性复合材料的增强体为三维织物结构和/或单向带结构。本发明的应用对材料结构设计性强，工艺高效简便，产品性能优异且易于产业化实施。

Description

纤维增强热塑性复合材料在成型制备汽车零部件中的应用

技术领域

本发明属于汽车零部件成型及制备技术领域，尤其涉及一种纤维增强复合材料在成型制备汽车零部件中的应用。

背景技术

汽车轻量化是当前汽车工业研究的热点。汽车轻量化主要涉及零部件的结构设计与适合特定工艺加工成型的材料。当前碳钢、铝合金是汽车制造领域的主要材料，复合材料所占比重不超过30%，这严重制约了复合材料在汽车领域的发展和应用。

虽然汽车轻量化技术快速发展，但是限制复合材料在汽车轻量化领域扮演重要角色的主要因素包括：

（1）复合材料的绝对强度不如金属材料，用复合材料简单的替代金属材料在力学性能上满足不了应用要求；

（2）复合材料在汽车领域的应用过程中，对零部件的结构设计不够，没有充分发挥复合材料结构可设计性的优点，限制了其在汽车零部件上的进一步应用；

（3）传统复合材料，由于其制备工艺落后，成本偏高，基本物理性能也满足不了汽车零部件轻量化对材料高性能的要求。

由此可见，开发结构合理、适合成型的高性能复合材料，是促进复合材料在汽车零部件领域广泛应用、加快汽车轻量化发展的关键要素。

现有技术中有提及对后视镜支架系统的改进专利（参见申请号为201410222346、201420264680号的中国专利文献），其主要提到后视镜支架系统，且主要是以金属材料为基础的系统设计，没有涉及后视镜支架的制作工艺与复合材料的选择；现有技术中还有提到车轮轮毂罩、车用迎宾踏板结构、汽车仪表台骨架等汽车零部件的专利（参见申请号为201130368116、201410183313、201020062429号的中国专利文献），但这些专利文献主要涉及产品的外观与结构，同样少有涉及产品的选材与制备；而部分涉及到复合材料选材与制备工艺的专利文献（参见申请号为201310459618、201410159742、201410048878号的中国专利文献），又没有涉及到复合材料的组成与复合材料的具体应用方式。

现有汽车零部件多以金属材料成型为主，成型加工方式主要是冲压、焊接两道工序。在汽车轻量化技术日益发展的背景下，关键零部件的轻量化显得十分迫切，而以金属材料的冲压和焊接为代表的工艺技术已经落后，满足不了轻量化的技术要求，也满足不了汽车零部件精益生产的技术要求。例如CN201210300260、CN201010543461、CN201110366114、CN201210118977、CN200910163728号等中国专利主要涉及短纤维增强热塑性材料的制备方法，但所得到的零部件不能作为汽车结构件使用，难以达到汽车零部件轻量化的效果。CN201210574838号中国专利则主要涉及包含纤维增强尼龙和聚丙烯材料混合合金材料的制备方法，尼龙和聚丙烯材料加工温度窗口难以协调，后续加工过程中，温度太低尼龙容易塑化不良，温度太高会导致聚丙烯材料降解的情形发生。

由上可见，复合材料领域多数技术集中在复合材料的制备工艺和设备领域，对于怎样将复合材料通过合理的结构设计应用到汽车零部件上却很少有相关报道，即材料的制备与材料应用联系不密切，本发明将复合材料的制备、成型与在汽车零部件领域的应用进行结合，重点解决长纤维/连续纤维复合材料成型和在汽车轻量化中的应用中的相关问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种对材料结构设计性强、工艺高效简便、产品性能优异且易于产业化实施的纤维增强热塑性复合材料在成型制备汽车零部件中的应用。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种纤维增强热塑性复合材料在成型制备汽车零部件中的应用，其特征在于，所述纤维增强热塑性复合材料包括长纤维增强热塑性复合材料和连续纤维增强热塑性复合材料。

上述的应用中，优选的，所述汽车零部件为汽车挡泥板总成，所述汽车挡泥板总成包括挡泥板支撑杆、支撑杆底座和挡泥板悬挂支架及尾灯支架；所述连续纤维增强热塑性复合材料的增强体为三维织物结构和/或单向带结构。

更优选的，所述应用具体包括挡泥板支撑杆的制备、支撑杆底座的制备和挡泥板悬挂支架及尾灯支架的制备。

所述挡泥板支撑杆的制备主要采用连续纤维增强热塑性复合材料。更优选的，所述挡泥板支撑杆的制备包括以下步骤：将热塑性树脂充分浸渍连续纤维增强体进行预热，预热温度优选为180℃-245℃；将浸渍后的连续纤维增强体缠绕在相应的芯模上，缠绕在芯模上的缠绕速度优选为10～500 r/s，再通过固化成型得到支撑杆预结构；再将所得的支撑杆预结构冷却定型得到挡泥板支撑杆（冷却定型温度优选为20℃-60℃）；所述热塑性树脂为聚丙烯树脂，所述连续纤维增强体为单向带结构。

所述支撑杆底座的制备同时采用长纤维增强热塑性复合材料和连续纤维增强热塑性复合材料。更优选的，所述支撑杆底座的制备包括以下步骤：先加热连续纤维增强体，所述连续纤维增强体为三维织物结构；再通过热压预成型支撑杆底座增强骨架结构；将预成型得到的支撑杆底座增强骨架结构再进行预热，预热温度为180℃-240℃，并放置于模具中；再将预先备好的长纤维增强热塑性复合材料加热塑化，通过注塑的方式与前述放置好的支撑杆底座增强骨架结构复合，注塑温度为230℃-260℃（优选温度机制为230℃、240℃、250℃、250℃、260℃），注塑压力为40～90 bar，注塑速度为20%～150%，背压为2～5 Mpa，得到支撑杆底座；所述支撑杆底座用到的树脂基体材料为尼龙树脂。

所述挡泥板悬挂支架及尾灯支架的制备主要采用长纤维增强热塑性复合材料。更优选的，所述挡泥板悬挂支架及尾灯支架的制备均是通过长纤维增强热塑性复合材料注塑成型得到，注塑温度为200℃-230℃（优选温度机制为200℃、210℃、220℃、220℃、230℃），注塑压力为20～80 bar，注塑速度为20%～100%，背压为1.5～3 Mpa，所述长纤维增强热塑性复合材料为长玻纤增强尼龙材料或长玻纤增强聚丙烯复合材料。

作为一个总的技术构思，上述本发明的应用中，所述汽车零部件还可以为油门踏板、刹车踏板、车桥缓冲软垫支架及其附属部件、座椅骨架、仪表台骨架、后视镜支架、发动机油管护板、车轮轮毂罩中的至少一种。所述油门踏板、刹车踏板、车桥缓冲软垫支架及其附属部件、座椅骨架、仪表台骨架、后视镜支架、发动机油管护板、车轮轮毂罩的制备均优选同时采用长纤维增强热塑性复合材料和连续纤维增强热塑性复合材料。更优选的，所述油门踏板、刹车踏板的制备具体包括以下步骤：先采用连续纤维增强热塑性复合材料通过加热模压的方式成型踏板骨架结构，再将踏板骨架结构预先置于模具中，将备好的长纤维增强热塑性复合材料加热塑化，通过向模具注塑的方式成型得到油门踏板、刹车踏板；所述车桥缓冲软垫支架及其附属部件、座椅骨架、仪表台骨架、后视镜支架、发动机油管护板、车轮轮毂罩的制备具体包括以下步骤：先采用连续纤维增强热塑性复合材料通过加热模压或缠绕的方式成型骨架结构，再通过向模具注塑的方式成型得到相应产品。

上述本发明的应用中，优选的，所述纤维增强热塑性复合材料的主要原料质量配比包括纤维增强材料 10%～70%（优选玻璃纤维）和树脂基体材料 30%～90%（优选聚丙烯树脂）。更优选的，所述纤维增强热塑性复合材料中还添加有主要原料质量2%～10%的相容剂和主要原料质量0.2%～5%的功能助剂。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提供了一类纤维增强热塑性复合材料在汽车零部件制备领域中的应用，并将其替代金属推广应用到汽车零部件，所制备的汽车零部件产品轻量化效果显著，可满足汽车运行所需要的工况条件；更重要的是，本发明的应用工艺对材料结构设计性强，制备工艺高效，简便，可以有效地避免因简单替代金属材料在产业化应用上带来的困局。利用该类复合材料成型汽车零部件可以克服和避免使用金属材料带来的的冲压、焊接等工艺的繁琐工艺，优化工艺流程，满足汽车零部件精益生产的技术要求。

采用上述本发明改进后的工艺制得的汽车挡泥板总成，其安装于车桥上后，与车桥没有共振现象；以0.25Hz的频率，周期性振动10000次，未见出现损坏失效。装车通过3号路8000公里强化路试和10000公里全寿命路试。

应用上述本发明改进后的工艺制得的油门踏板、刹车踏板，在以200KN的力加载于踏板上，以0.25Hz的频率连续踩踏10000次，踏板未出现损坏失效。

应用上述本发明改进后的工艺制得的车桥缓冲软垫支架及其附属部件，（1）在以150KN的力、加载速度1KN/s作用于软垫支架上时，其最大Z向位移不超过5mm；（2）在以80KN的力加载于软垫支架上，以0.25Hz的频率循环10000次，软垫支架未出现损坏失效。

应用上述本发明改进后的工艺制得的座椅骨架、仪表台骨架、车轮轮毂罩等，在以0.25Hz的频率周期性振动10000次，未出现损坏失效，装车通过3号路8000公里强化路试和10000公里全寿命路试。

应用上述本发明改进后的工艺制得的发动机油管护板、后视镜支架等产品，（1）产品在80℃条件下放置800h，表面未出现粉化、粘附、开裂、褪色等现象；（2）产品在氙灯辐照、雨水喷淋等外界条件下作用500h，表面未出现粉化、粘附、开裂、褪色等现象；

所述氙灯辐照要求：氙灯功率6KW，数量1个，温度40℃～85℃，相对湿度70%～95%，氙灯中心到产品表面的距离为330～350 mm，试样旋转速度1～2 r/min；

所述雨水喷淋要求：水压，0.078～0.12 MPa，水量2～2.2 L/min，每小时喷水量12min，水的pH值为6.0～8.0的去离子水。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于、固接于、连接于或连通于”另一元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1：

一种本发明的纤维增强热塑性复合材料在成型制备汽车挡泥板总成中的应用，该汽车挡泥板总成包括挡泥板支撑杆、支撑杆底座和挡泥板悬挂支架及尾灯支架，纤维增强热塑性复合材料包括长纤维增强热塑性复合材料和连续纤维增强热塑性复合材料。

本实施例的应用具体包括挡泥板支撑杆的制备、支撑杆底座的制备和挡泥板悬挂支架及尾灯支架的制备。

挡泥板支撑杆的制备主要采用连续纤维增强热塑性复合材料；其制备具体包括以下步骤：将热塑性树脂（本实施例选用聚丙烯树脂）充分浸渍连续纤维增强体（连续纤维增强体为单向带结构）进行预热，将浸渍后的连续纤维增强体缠绕在相应的芯模上，再通过固化成型得到支撑杆预结构；再将所得的支撑杆预结构冷却定型得到挡泥板支撑杆；前述纤维增强体的预热温度为240℃-245℃，缠绕在芯模上的缠绕速度为200Rad/s，冷却定型温度为40℃。

支撑杆底座的制备同时采用长纤维增强热塑性复合材料和连续纤维增强热塑性复合材料；支撑杆底座的制备具体包括以下步骤：先加热连续纤维增强体，连续纤维增强体为三维织物结构；再通过热压预成型支撑杆底座增强骨架结构；将预成型得到的支撑杆底座增强骨架结构再进行预热（预热温度为240℃），并放置于模具中；再将预先备好的长纤维增强热塑性复合材料加热塑化（注塑温度可为230℃、240℃、250℃、250℃、260℃，注塑压力为40/50/60/80 bar，注塑速度为20%/50%/50%/50%，背压为3Mpa），通过注塑的方式与前述放置好的支撑杆底座增强骨架结构复合，得到支撑杆底座；支撑杆底座用到的树脂基体材料为尼龙树脂。

挡泥板悬挂支架及尾灯支架的制备主要采用长纤维增强热塑性复合材料。挡泥板悬挂支架及尾灯支架的制备均是通过长纤维增强热塑性复合材料注塑成型得到（注塑温度为200℃、210℃、220℃、220℃、230℃），注塑压力为20/30/50/50 bar，注塑速度为20%/30%/40%/40%，背压为1.8 Mpa），长纤维增强热塑性复合材料为长玻纤增强聚丙烯复合材料。

本实施例用到的纤维增强热塑性复合材料的主要原料质量配比包括玻璃纤维（或长玻璃纤维）增强材料 30%和聚丙烯（或尼龙）树脂基体材料 70%，还添加有主要原料质量5%～8%的相容剂和主要原料质量0.2%～0.5%的功能助剂；将这些原料按前述比例混合、熔融塑化即可，塑化温度为200℃、210℃、220℃、220℃、230℃。

通过测试，本实施例制备的汽车挡泥板总成材料物理机械性能如下：拉伸强度大于100MPa，弯曲强度大于160MPa，弯曲模量大于7000MPa，简支梁缺口冲击强度大于25KJ/m²。本实施例的汽车挡泥板总成满足如下特征：安装于车桥，与车桥没有共振现象，以以0.25Hz的频率，周期性振动10000次，不出现损坏失效。

实施例2：

一种本发明的纤维增强热塑性复合材料在成型制备汽车踏板（包括油门踏板或刹车踏板）中的应用，该纤维增强热塑性复合材料包括长纤维增强热塑性复合材料和连续纤维增强热塑性复合材料。

本实施例中汽车踏板的制备具体包括以下步骤：先采用连续纤维增强热塑性复合材料通过加热模压的方式成型踏板骨架结构，再将踏板骨架结构预先置于模具中，将备好的长纤维增强热塑性复合材料加热塑化，通过向模具注塑的方式成型得到汽车踏板。前述制备过程中，加热模压时的预热温度为240℃-245℃，热料冷压，压机上模板下行速度800mm/min；汽车踏板增强骨架的预热温度为240℃；长纤维增强尼龙复合材料注塑温度为230℃、240℃、250℃、250℃、260℃，注塑压力为40/50/60/80 bar，注塑速度为20%/50%/50%/50%，背压为2Mpa。

本实施例用到的纤维增强热塑性复合材料的主要原料质量配比包括连续玻璃纤维（或长玻璃纤维）增强材料 30%和聚丙烯树脂基体材料60%，还添加有主要原料质量5%～8%的相容剂和主要原料质量0.2%～0.5%的功能助剂；将这些原料按前述比例混合、熔融塑化即可。

应用上述本实施例改进后的工艺制得的油门踏板、刹车踏板，以200KN的力加载于踏板上，以0.25Hz的频率连续踩踏10000次，踏板不出现损坏失效。

实施例3：

一种本发明的纤维增强热塑性复合材料在成型制备乘用车后视镜支架中的应用，该纤维增强热塑性复合材料包括长纤维增强热塑性复合材料和连续纤维增强热塑性复合材料。

本实施例中后视镜支架的制备具体包括以下步骤：先采用连续纤维增强热塑性复合材料通过加热模压或缠绕的方式成型骨架结构，再通过向模具注塑的方式成型得到相应产品。前述的制备过程中，注塑温度为195℃、200℃、200℃、210℃、220℃，注塑压力为25/40/60/60 bar，注塑速度为30%/40%/45%/45%，背压1.5Mpa。

本实施例用到的纤维增强热塑性复合材料的主要原料质量配比包括连续玻璃纤维（或长玻璃纤维）增强材料 40%和聚丙烯树脂基体材料50%，还添加有主要原料质量5%～8%的相容剂和主要原料质量0.2%～0.5%的功能助剂；将这些原料按前述比例混合、熔融塑化即可。

经测试，上述后视镜支架材料物理机械性能如下：拉伸强度大于110MPa，弯曲强度大于190MPa，弯曲模量大于8000MPa，简支梁缺口冲击强度大于25KJ/m²。

应用上述本实施例改进后的工艺制得的后视镜支架等产品，（1）产品在80℃条件下放置800h，表面未出现粉化、粘附、开裂、褪色等现象；（2）产品在氙灯辐照、雨水喷淋等外界条件下作用500h，表面未出现粉化、粘附、开裂、褪色等现象。氙灯辐照要求：氙灯功率6KW，数量1个，温度40℃～85℃，相对湿度70%～95%，氙灯中心到产品表面的距离为330～350 mm，试样旋转速度1～2 r/min；雨水喷淋要求：水压，0.078～0.12 MPa，水量2～2.2 L/min，每小时喷水量12min，水的pH值为6.0～8.0的去离子水。

Claims (6)

1.一种纤维增强热塑性复合材料在成型制备汽车零部件中的应用，其特征在于，所述纤维增强热塑性复合材料包括长纤维增强热塑性复合材料和连续纤维增强热塑性复合材料；

所述汽车零部件为汽车挡泥板总成，所述汽车挡泥板总成包括挡泥板支撑杆、支撑杆底座和挡泥板悬挂支架及尾灯支架；所述连续纤维增强热塑性复合材料的增强体为三维织物结构和/或单向带结构；

所述应用具体包括挡泥板支撑杆的制备、支撑杆底座的制备和挡泥板悬挂支架及尾灯支架的制备；所述挡泥板支撑杆的制备主要采用连续纤维增强热塑性复合材料；所述支撑杆底座的制备同时采用长纤维增强热塑性复合材料和连续纤维增强热塑性复合材料；所述挡泥板悬挂支架及尾灯支架的制备主要采用长纤维增强热塑性复合材料；

所述挡泥板支撑杆的制备包括以下步骤：将热塑性树脂充分浸渍连续纤维增强体进行预热，预热温度为180℃-245℃，将浸渍后的连续纤维增强体缠绕在相应的芯模上，缠绕在芯模上的缠绕速度为10～500 r/s，再通过固化成型得到支撑杆预结构；再将所得的支撑杆预结构冷却定型得到挡泥板支撑杆；所述热塑性树脂为聚丙烯树脂，所述连续纤维增强体为单向带结构。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述纤维增强热塑性复合材料的主要原料质量配比包括纤维增强材料10%～70%和树脂基体材料30%～90%。

3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述纤维增强热塑性复合材料中还添加有主要原料质量2%～10%的相容剂和主要原料质量0.2%～5%的功能助剂。

4.一种纤维增强热塑性复合材料在成型制备汽车零部件中的应用，其特征在于，所述纤维增强热塑性复合材料包括长纤维增强热塑性复合材料和连续纤维增强热塑性复合材料；

所述汽车零部件为油门踏板、刹车踏板、车桥缓冲软垫支架及其附属部件、座椅骨架、仪表台骨架、后视镜支架、发动机油管护板、车轮轮毂罩中的至少一种；所述油门踏板、刹车踏板、车桥缓冲软垫支架及其附属部件、座椅骨架、仪表台骨架、后视镜支架、发动机油管护板、车轮轮毂罩的制备均同时采用长纤维增强热塑性复合材料和连续纤维增强热塑性复合材料；

所述油门踏板、刹车踏板的制备具体包括以下步骤：先采用连续纤维增强热塑性复合材料通过加热模压的方式成型踏板骨架结构，再将踏板骨架结构预先置于模具中，将备好的长纤维增强热塑性复合材料加热塑化，通过向模具注塑的方式成型得到油门踏板、刹车踏板；

所述车桥缓冲软垫支架及其附属部件、座椅骨架、仪表台骨架、后视镜支架、发动机油管护板、车轮轮毂罩的制备具体包括以下步骤：先采用连续纤维增强热塑性复合材料通过加热模压或缠绕的方式成型骨架结构，再通过向模具注塑的方式成型得到相应产品。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述纤维增强热塑性复合材料的主要原料质量配比包括纤维增强材料10%～70%和树脂基体材料30%～90%。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述纤维增强热塑性复合材料中还添加有主要原料质量2%～10%的相容剂和主要原料质量0.2%～5%的功能助剂。