CN109130384A - 用于汽车底盘的碳纤维增强镁铝层状复合板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于汽车底盘的碳纤维增强镁铝层状复合板及其制备方法，该复合板包括金属基材和碳纤维增强层，其中，金属基材由铝合金板和镁合金板按照Al/Mg/Al的层叠次序热压成型，碳纤维增强层嵌设于镁合金板和铝合金板的结合界面处。与现有技术相比，本发明以纤维增强的镁铝基复合材料，通过高温热压的方法以及加入碳纤维的增强作为材料的骨架来冲压制作汽车底盘，利用层状复合材料力学性能各向异性的特点优化底盘设计，将材料性能最佳的方向运用在载荷最大的方向，实现以更轻的材料、更好的结构承载更大的载荷。

Description

用于汽车底盘的碳纤维增强镁铝层状复合板及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属复合材料领域，尤其是涉及一种用于汽车底盘的碳纤维增强镁铝层状复合板及其制备方法。
背景技术
传统的Al/Mg/Al复合板材多采用累积叠轧方法制备，首先将铝板和镁板交替叠加，之后通过多道次轧制实现两种板材的复合。中国专利CN103963377A公开了一种用于车辆板件的多合金复合薄板的生产方法，(a)对铸块进行热轧以形成薄板；(b)在步骤(a)之后，第一固溶热处理所述薄板；(c)在步骤(b)之后，对所述薄板进行冷轧；和(d)在步骤(c)之后，第二固溶热处理所述薄板。这是一种轧制成型的工艺，与热轧相比，本发明的热压工艺的效率更高，成型稳定性也更高，所需的空间也更小，同时，还可以很方便地克服金属板接触面的高温氧化问题。同时，相比于无碳纤维复合的金属复合材料，碳纤维增强的镁铝基复合材料所用铝、镁合金是轻金属的代表，其中镁可以在铝的基础上再次达到良好的轻量化效果，而碳纤维具有高强度，低密度的特点，可以在不降低此复合材料强度的条件下进一步达到更理想的轻量效果。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于汽车底盘的碳纤维增强镁铝层状复合板及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于汽车底盘的碳纤维增强镁铝层状复合板，包括：
金属基材，由铝合金板和镁合金板按照Al/Mg/Al的层叠次序热压成型，
碳纤维增强层，嵌设于镁合金板和铝合金板的结合界面处。
优选地，所述的铝合金包括6系列铝合金或7系列铝合金。
优选地，所述的镁合金包括MB系列镁合金、MA系列镁合金、AZ系列镁合金或ZM系列镁合金。
优选地，所述的碳纤维增强层采用碳纤维布。
进一步优选地，碳纤维抗拉强度3500MPa，受拉弹性模量2.51×105MPa，伸长率1.63％，弯曲强度783MPa，层间剪切强度48.2MPa，纤维复合材与基材正拉粘结强度3.7MPa，单位面积质量298g/m2。碳纤维较小的比质量和较强的耐压耐拉能力有利于大大提高本复合板材的性能。
进一步优选地，所述的碳纤维布为进行表面处理的碳纤维布，表面处理方法包括物理灼烧法、丙酮浸泡法等，目的是去除有机胶，增强碳纤维的浸润性。
优选地，镁合金板的厚度为1.5～4mm，铝合金板的厚度为1～5mm。
进一步优选地，镁合金板的厚度为2mm，铝合金板的厚度为2mm。
所述的用于汽车底盘的碳纤维增强镁铝层状复合板的制备方法，包括以下步骤：
(1)去除铝合金板和镁合金板的氧化层；
(2)将铝合金、镁合金和碳纤维增强层按照Al/C/Mg/C/Al的层叠次序叠置，并置于热压机的两个热压板之间，通过热压板对两个铝合金板表面加热，进行热压处理，得到所述的用于汽车底盘的碳纤维增强镁铝层状复合板。
优选地，热压处理的温度为320～450℃，热压处理的压力为15～30MPa，热压处理过程中，在达到预设温度后，保持压力和温度0.5～3min，然后保持压力不变，自然冷却到室温。
在热压过程要防止由于热量传递不均匀使镁合金表面熔化时产生梯度，因此要保证材料受热均匀，因此热电偶的加热位置需要均匀。同时在热压过程中，要保持材料受力均匀(受力均匀有利于金属与碳纤维、金属的结合均匀)。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
在传统底盘设计中，往往先选择强度和刚度满足要求的材料，再在总布置确定后再对底盘车架最大危险断面进行强度校核。在轻量化设计中，往往在刚度及强度要求较低的部分减少厚度或减少部分材料，这样做无法充分发挥材料特性。
本发明以碳纤维增强的镁铝基复合材料，通过高温热压的方法以及加入碳纤维的增强作为材料的骨架来冲压制作汽车底盘，利用层状复合材料力学性能各向异性的特点优化底盘设计。将材料性能最佳的方向运用在载荷最大的方向，实现以更轻的材料、更好的结构承载更大的载荷。
本发明采用的热压工艺与多道次轧制法相比，热压的效率更高，成型稳定性也更高，所需的空间也更小，同时，还可以很方便地克服金属板接触面的高温氧化问题。镁铝复合板材在镁铝界面上产生强大的摩擦力和剪切力作用，有利于改善镁层和铝层的微观组织，产生良性影响。
由于所用镁合金的导热系数低于铝合金，因此高温挤压过程中在界面产生的较大热量将通过铝合金传导，不仅有利于保护镁合金不被高温氧化燃烧，也可以保证镁合金层中不会造成明显的晶粒粗化，验证了采用Al/Mg/Al这种层叠次序的合理性。
附图说明
图1为实施例1制得的复合板的正面照片；
图2为实施例1制得的复合板的侧面照片。
具体实施方式
一种用于汽车底盘的碳纤维增强镁铝层状复合板，包括：
金属基材，由铝合金板和镁合金板按照Al/Mg/Al的层叠次序热压成型，
碳纤维增强层，嵌设于镁合金板和铝合金板的结合界面处。
优选地，所述的铝合金包括6系列铝合金或7系列铝合金。
优选地，所述的镁合金包括MB系列镁合金、MA系列镁合金、AZ系列镁合金或ZM系列镁合金。
优选地，所述的碳纤维增强层采用碳纤维布。
进一步优选地，碳纤维抗拉强度3500MPa，受拉弹性模量2.51×105MPa，伸长率1.63％，弯曲强度783MPa，层间剪切强度48.2MPa，纤维复合材与基材正拉粘结强度3.7MPa，单位面积质量298g/m2。碳纤维较小的比质量和较强的耐压耐拉能力有利于大大提高本复合板材的性能。
优选地，镁合金板的厚度为1.5～4mm，铝合金板的厚度为1～5mm。
所述的用于汽车底盘的碳纤维增强镁铝层状复合板的制备方法，包括以下步骤：
(1)去除铝合金板和镁合金板的氧化层；
(2)将铝合金、镁合金和碳纤维增强层按照Al/C/Mg/C/Al的层叠次序叠置，并置于热压机的两个热压板之间，通过热压板对两个铝合金板表面加热，进行热压处理，得到所述的用于汽车底盘的碳纤维增强镁铝层状复合板。
优选地，热压处理的温度为320～450℃，热压处理的压力为15～30MPa，热压处理过程中，在达到预设温度后，保持压力和温度0.5～3min，然后保持压力不变，自然冷却到室温。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种用于汽车底盘的碳纤维增强镁铝层状复合板，包括金属基材和碳纤维增强层，其中：金属基材由铝合金板和镁合金板按照Al/Mg/Al的层叠次序热压成型；碳纤维增强层嵌设于镁合金板和铝合金板的结合界面处。
本实施例中，铝合金为铝合金7075。镁合金为镁合金AZ31B。碳纤维增强层采用碳纤维布，碳纤维抗拉强度3500MPa，受拉弹性模量2.51×105MPa，伸长率1.63％，弯曲强度783MPa，层间剪切强度48.2MPa，纤维复合材与基材正拉粘结强度3.7MPa，单位面积质量298g/m2。
本实施例中，镁合金板的厚度为2-3mm，铝合金板的厚度为1.5-4mm。
上述用于汽车底盘的碳纤维增强镁铝层状复合板的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铝合金板和镁合金板通过打磨等方式做去氧化层预处理；
(2)将铝合金、镁合金和碳纤维增强层按照Al/C/Mg/C/Al的层叠次序叠置，并置于热压机的两个热压板之间，通过热压板对两个铝合金板表面加热，进行热压处理，得到所述的用于汽车底盘的碳纤维增强镁铝层状复合板。
热压处理的温度为350-400℃，热压处理的压力为20-30MPa，热压处理过程中，在达到预设温度后，保持压力和温度1-3min，然后保持压力不变，自然冷却到室温。
在热压过程要防止由于热量传递不均匀使镁合金表面熔化时产生梯度，因此要保证材料受热均匀，因此热电偶的加热位置需要均匀。同时在热压过程中，要保持材料受力均匀，(受力均匀有利于金属与碳纤维、金属的结合均匀，各个层状板不会互相呈一定角度倾斜)。
由于所用镁合金的导热系数低于铝合金，因此高温挤压过程中在界面产生的较大热量将通过铝合金传导，不仅有利于保护镁合金不被高温氧化燃烧，也可以保证镁合金层中不会造成明显的晶粒粗化，验证了采用Al/Mg/Al这种层叠次序的合理性。图1和图2为本实施例制得的复合板的照片，从图中可以看出，复合材料各层之间结合牢固。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中，铝合金采用6系列铝合金，厚度为1.5～2mm，镁合金采用MB系列镁合金，厚度为3～5mm。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中，铝合金厚度为3～4mm，镁合金厚度为3～5mm。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中，铝合金厚度为2～3mm，镁合金厚度为1～2mm。
实施例5
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中镁合金采用MA系列镁合金。
实施例6
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中镁合金采用ZM系列镁合金。
实施例7
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中热压处理的温度为40～450℃，热压处理的压力为15～20MPa，热压处理过程中，在达到预设温度后，保持压力和温度0.5～1min，然后保持压力不变，自然冷却到室温。
实施例8
热压处理的温度为320～350℃，热压处理的压力为25～30MPa，热压处理过程中，在达到预设温度后，保持压力和温度2～3min，然后保持压力不变，自然冷却到室温。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于汽车底盘的碳纤维增强镁铝层状复合板，其特征在于，包括：
金属基材，由铝合金板和镁合金板按照Al/Mg/Al的层叠次序热压成型，
碳纤维增强层，嵌设于镁合金板和铝合金板的结合界面处。
2.根据权利要求1所述的用于汽车底盘的碳纤维增强镁铝层状复合板，其特征在于，所述的铝合金包括6系列铝合金或7系列铝合金。
3.根据权利要求1所述的用于汽车底盘的碳纤维增强镁铝层状复合板，其特征在于，所述的镁合金包括MB系列镁合金、MA系列镁合金、AZ系列镁合金或ZM系列镁合金。
4.根据权利要求1所述的用于汽车底盘的碳纤维增强镁铝层状复合板，其特征在于，所述的碳纤维增强层采用碳纤维布。
5.根据权利要求1所述的用于汽车底盘的碳纤维增强镁铝层状复合板，其特征在于，镁合金板的厚度为1.5～4mm，铝合金板的厚度为1～5mm。
6.如权利要求1所述的用于汽车底盘的碳纤维增强镁铝层状复合板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)去除铝合金板和镁合金板的氧化层；
(2)将铝合金、镁合金和碳纤维增强层按照Al/C/Mg/C/Al的层叠次序叠置，并置于热压机的两个热压板之间，通过热压板对两个铝合金板表面加热，进行热压处理，得到所述的用于汽车底盘的碳纤维增强镁铝层状复合板。
7.如权利要求6所述的用于汽车底盘的碳纤维增强镁铝层状复合板的制备方法，其特征在于，热压处理的温度为320～450℃，热压处理的压力为15～30MPa，热压处理过程中，在达到预设温度后，保持压力和温度0.5～3min，然后保持压力不变，自然冷却到室温。
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GR01 Patent grant
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