CN109501870A - 一种热塑性复合材料引擎盖及其制备方法 - Google Patents

一种热塑性复合材料引擎盖及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种热塑性复合材料汽车引擎盖及其制备方法，包括外板、蜂窝芯材和内板，外板和内板均为连续纤维增强热塑性树脂基复合材料，内板设有功能附件安装孔。其制备方法为所述外板和内板通过热塑性树脂单体原位聚合采用湿法模压成型工艺制备，蜂窝芯材填充在外板和内板非贴合面的空隙部位，外板、蜂窝芯材和内板通过结构胶粘接或焊接形成引擎盖总成结构。本发明通过采用热塑性树脂单体原位聚合湿法模压工艺解决传统热塑性复合材料工艺灵活性差，无法满足引擎盖等复杂结构制品成型的难题。制备的汽车引擎盖结构强度和刚度高，碰撞吸能性能好，可兼顾车辆安全性能和行人保护要求，且成型效率高、成本低，达到使用寿命后材料可循环回收利用。

Description

一种热塑性复合材料引擎盖及其制备方法
技术领域
本发明涉及汽车零部件制造技术领域，尤其涉及一种热塑性复合材料汽车引擎盖及其制备方法。
背景技术
汽车轻量化是节约能源、降低排放和提高新能源汽车行驶里程的重要方式之一。汽车轻量化，是在保证汽车强度、刚度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整车质量，进而提高汽车的动力性、安全性等综合性能。汽车轻量化的主要途径包括：轻量化结构设计和轻量化材料。其中采用采用轻量化材料被认为是最直接有效的方式之一，如高强度钢、铝合金和碳纤维复合材料等高强度材料已开始广泛应用汽车零部件的设计和制造。
汽车引擎盖是汽车车身件的重要组成部分，从结构上一般由内板和外板组成，内板主要起装配和增强刚度的作用。传统汽车引擎盖一般通过薄钢板经冲压成型后直接焊接形成，由于钢材密度大，造成整体重量达，难以满足轻量化要求。复合材料具有密度低、比强度、比模量高和耐环境性能好等综合优异性能，因此采用复合材料进行汽车引擎盖的设计和制造，降低重量，提高碰撞安全性能和满足行人保护要求，符合未来汽车领域的发展趋势。但复合材料在汽车引擎盖等部件中的应用存在以下问题：(1) 传统复合材料成型周期长，制造成本高，难以满足汽车领域的批量化要求。（2）热固性复合材料具有较好的工艺性灵活性，可满足如引擎盖等复杂车身覆盖件结构成型要求，但热固性复合材料难以回收利用，随着在汽车领域的大量使用必将面临较大的环保压力。(3) 热塑性复合材料可回收利用，在汽车领域具有较好的应用前景，但传统热塑性复合材料只能采用片材热压成型，工艺灵活性差，难以满足汽车引擎盖等复杂结构的成型要求。
发明内容
本发明提供了一种工艺流程简单，成型效率高，可有效降低制造成本的热塑性复合材料引擎盖及其制备方法。本发明能够克服现有技术中复合材料汽车引擎盖成型效率低、热固性复合材料难以回收利用、热塑性复合材料工艺灵活性差，难以满足引擎盖的结构成型要求等缺陷，解决传统热塑性复合材料工艺灵活性差，无法满足引擎盖等复杂结构制品成型的难题。
本发明可以通过以下技术方案来实现：
一种热塑性复合材料引擎盖，包括外板和内板，所述外板和内板均采用连续纤维热塑性树脂复合材料制成，所述外板和内板之间设有蜂窝芯材，所述内板设有功能附件安装孔，所述外板、蜂窝芯材和内板通过胶粘接或焊接连接形成引擎盖总成。本发明采用连续纤维热塑性复合材料制备外板和内板，连续纤维热塑性复合材料为增强复合材料，其具有比强度、比模量高等综合性能优势，有利于满足汽车轻量化和安全性能要求。在外板和内板之间设置蜂窝芯材，可有效提高引擎盖结构刚度和碰撞吸能性能。
进一步地，所述外板的厚度为0.8～2.0mm，所述内板的厚度为1.0～2.5mm。外板和内板厚度的设置，在确保引擎盖强度的同时，又能保证引擎盖的刚度，不易折弯和破裂。
进一步地，所述连续纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维中的一种或多种混杂。
一种热塑性复合材料引擎盖的制备方法，采用热塑性树脂单体原位聚合湿法模压工艺制备引擎盖，具体包括如下步骤，
第一步，采用连续纤维热塑性树脂复合材料在模具型腔内经过合模，加热、加压，采用湿法模压固化成型，分别制得外板和内板；
第二步，将蜂窝芯材填充在外板和内板非贴合面的空隙部位，通过结构胶粘接或焊接将外板、蜂窝芯材和内板连接在一起形成引擎盖总成。
进一步地，上述第一步中连续纤维热塑性树脂复合材料的制备步骤如下：
第一步，自动裁剪纤维织物至合适大小；
第二步，将第一步裁剪后纤维织物依次叠加后，铺放在模具型腔内；
第三步，将热塑性树脂单体和固化剂/促进剂经混合后，浇注到模具型腔内铺放好的纤维织物表面得到连续纤维热塑性树脂复合材料。
进一步地，所述蜂窝芯材为铝蜂窝、芳纶蜂窝或PP蜂窝中的一种。
进一步地，所述热塑性树脂单体为丙烯酸酯或己内酰胺。
进一步地，所述加热固化温度为90～180℃，加压固化压力为0.8～10MPa，固化成型时间为3～15min。
进一步地，所述结构胶包括聚氨酯类、环氧类和丙烯酸酯类结构胶；所述焊接方式为电阻焊、红外焊、超声波焊或电磁感应焊接的一种。
本发明热塑性树脂单体在室温下或经加热后为液态，具有良好的流动性和对纤维的浸润性，与热固性树脂工艺性类似，工艺灵活性好，可满足汽车引擎盖的结构成型要求，而且连续纤维热塑性复合材料固化成型后为热塑性树脂聚合物，其达到使用寿命后材料可回收循环利用，更好地满足汽车行业面临的环保法规要求。本发明采用连续纤维热塑性复合材料制备外板和内板，连续纤维热塑性复合材料为增强复合材料，其具有比强度、比模量高等综合性能优势，有利于满足汽车轻量化和安全性能要求。在外板和内板之间设置蜂窝芯材，并以填充的方式将蜂窝芯材填充在外板和内板之间后，通过结构胶粘接或者焊接的方式将外板、蜂窝芯材和内板成型在一起，可有效提高引擎盖结构刚度和碰撞吸能性能。
本发明热塑性复合材料引擎盖及其制备方法，具有如下的有益效果：
第一、工艺灵活性好，热塑性树脂单体在室温下或经加热后为液态，具有良好的流动性和对纤维的浸润性，与热固性树脂工艺性类似，工艺灵活性好，可满足汽车引擎盖的结构成型要求；
第二、安全性能好，连续纤维增强复合材料具有比强度、比模量高等综合性能优势，有利于满足汽车轻量化和安全性能要求。
第三、外板和内板非贴合面填充蜂窝芯材，可有效提高引擎盖结构刚度和碰撞吸能性能。
第四、循环利用率高，利于环保，固化成型后为热塑性树脂聚合物，达到使用寿命后材料可回收利用，更好地满足汽车行业面临的环保法规要求。
附图说明
附图1为本发明热塑性复合材料引擎盖的结构示意图；
附图2为本发明热塑性复合材料引擎盖的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明产品作进一步详细的说明。
如图1所示，一种热塑性复合材料引擎盖，包括外板1和内板3，所述外板1和内板3均采用连续纤维热塑性树脂复合材料制成，所述外板1和内板3之间设有蜂窝芯材2，所述内板3设有功能附件安装孔，所述外板1、蜂窝芯材2和内板3通过胶粘接或焊接连接形成引擎盖总成。本发明采用连续纤维热塑性复合材料制备外板1和内板3，连续纤维热塑性复合材料为增强复合材料，其具有比强度、比模量高等综合性能优势，一方面可满足汽车的安全性能要求，另一方面可有效降低制品厚度，更好地满足轻量化要求。在外板1和内板3之间设置蜂窝芯材2，可有效提高引擎盖结构刚度和碰撞吸能性能。所述内板3设有功能附件安装孔，满足汽车引擎盖的功能装配要求。所述外板1的厚度为0.8～2.0mm，综合安全性能和轻量化效果，优选1.2~1.8mm。所述内板3的厚度为1.0～2.5mm，优选1.5~2.0mm。外板1和内板3厚度的设置，在确保引擎盖强度的同时，又能保证引擎盖的刚度，不易折弯和破裂。所述连续纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维中的一种或多种混杂。优选地，选用碳纤维与玻璃纤维或玄武岩纤维混杂纤维织物，更好地兼顾强度、模量和成本等综合要求。
下面提供一种热塑性复合材料引擎盖的制备方法，采用湿法模压成型工艺制备，其流程简单，成型效率高，一致性好，制造成本低，可更好地满足汽车行业的批量化低成本制造要求。
结合图1，一种热塑性复合材料引擎盖的制备方法，采用热塑性树脂单体原位聚合湿法模压工艺制备引擎盖，具体包括如下步骤，
第一步，采用连续纤维热塑性树脂复合材料在模具型腔内经过合模，加热、加压，采用湿法模压固化成型，分别制得外板1和内板3；
第二步，将蜂窝芯材2填充在外板1和内板3非贴合面的空隙部位，通过结构胶粘接或焊接将外板1、蜂窝芯材2和内板3连接在一起形成引擎盖总成。
上述第一步中连续纤维热塑性树脂复合材料的制备步骤如下：
第一步，自动裁剪纤维织物至合适大小；
第二步，将第一步裁剪后纤维织物依次叠加后，铺放在模具型腔内；
第三步，将热塑性树脂单体和固化剂/促进剂经混合后，浇注到模具型腔内铺放好的纤维织物表面得到连续纤维热塑性树脂复合材料。
所述蜂窝芯材2为铝蜂窝、芳纶蜂窝或PP蜂窝中的一种。
所述热塑性树脂单体为丙烯酸酯或己内酰胺，丙烯酸酯在室温下为液体，己内酰胺经加热后为液体，两者均具有较低的黏度，具有良好的流动性和对纤维的浸润效果。
所述加热固化温度为90～180℃，加压固化压力为0.8～10MPa，固化成型时间为3～15min。
所述结构胶包括聚氨酯类、环氧类和丙烯酸酯类结构胶；所述焊接方式为电阻焊、红外焊、超声波焊或电磁感应焊接的一种。
如图1所示，本发明热塑性树脂单体在室温下或经加热后为液态，具有良好的流动性和对纤维的浸润性，与热固性树脂工艺性类似，工艺灵活性好，可满足汽车引擎盖的结构成型要求，而且连续纤维热塑性复合材料固化成型后为热塑性树脂聚合物，其达到使用寿命后材料可回收循环利用，更好地满足汽车行业面临的环保法规要求。本发明采用连续纤维热塑性复合材料制备外板1和内板3，连续纤维热塑性复合材料为增强复合材料，其具有比强度、比模量高等综合性能优势，有利于满足汽车轻量化和安全性能要求。在外板1和内板3之间设置蜂窝芯材2，并以填充的方式将蜂窝芯材2填充在外板1和内板3之间后，通过结构胶粘接或者焊接的方式将外板1、蜂窝芯材2和内板3成型在一起，可有效提高引擎盖结构刚度和碰撞吸能性能。
上述热塑性复合材料引擎盖及其制备方法的实施例如下。
实施例1
一种热塑性复合材料引擎盖，包括外板和内板，所述外板和内板均采用连续纤维热塑性树脂复合材料制成，所述外板和内板之间设有蜂窝芯材，所述内板设有功能附件安装孔，所述外板、蜂窝芯材和内板通过胶粘接或焊接连接形成引擎盖总成。
本实施例中，所述外板的厚度为1.6mm，所述芯材为PP蜂窝，所述内板厚度为1.8mm。所述纤维为碳纤维和玻璃纤维为1:1的层内混杂织物。
本实施例中热塑性复合材料引擎盖的制备方法，是采用热塑性树脂单体原位聚合湿法模压工艺制备引擎盖，具体包括如下步骤，
第一步，采用连续纤维热塑性树脂复合材料在模具型腔内经过合模，加热、加压，采用湿法模压固化成型，分别制得外板1和内板3；
第二步，将蜂窝芯材填充在外板和内板非贴合面的空隙部位，通过结构胶粘接或焊接将外板、蜂窝芯材和内板连接在一起形成引擎盖总成。
本实施例中连续纤维热塑性树脂复合材料的制备步骤如下：
第一步，自动裁剪纤维织物至合适大小；
第二步，将第一步裁剪后纤维织物依次叠加后，铺放在模具型腔内；
第三步，将热塑性树脂单体和固化剂/促进剂经混合后，浇注到模具型腔内铺放好的纤维织物表面得到连续纤维热塑性树脂复合材料。
本实施例中所述热塑性树脂单体为丙烯酸酯，丙烯酸酯在室温下为液体，可直接与固化剂混合后浇注在纤维织物表面。所述加热固化温度为95℃，加压固化压力为2.0MPa，固化成型时间为10min。所述外板、蜂窝芯材和内板通过丙烯酸酯类结构胶粘接形成引擎盖总成结构。
实施例2
一种热塑性复合材料引擎盖，包括外板和内板，所述外板和内板均采用连续纤维热塑性树脂复合材料制成，所述外板和内板之间设有蜂窝芯材，所述内板设有功能附件安装孔，所述外板、蜂窝芯材和内板通过胶粘接或焊接连接形成引擎盖总成。
本实施例中，所述外板的厚度为1.2mm，所述芯材为铝蜂窝，所述内板厚度为1.6mm。所述纤维为碳纤维织物和玄武岩纤维织物按2:1的比例进行层间混杂设计。
本实施例中热塑性复合材料引擎盖的制备方法，是采用热塑性树脂单体原位聚合湿法模压工艺制备引擎盖，具体包括如下步骤，
第一步，采用连续纤维热塑性树脂复合材料在模具型腔内经过合模，加热、加压，采用湿法模压固化成型，分别制得外板1和内板3；
第二步，将蜂窝芯材填充在外板1和内板非贴合面的空隙部位，通过结构胶粘接或焊接将外板、蜂窝芯材和内板连接在一起形成引擎盖总成。
本实施例中连续纤维热塑性树脂复合材料的制备步骤如下：
第一步，自动裁剪纤维织物至合适大小；
第二步，将第一步裁剪后纤维织物依次叠加后，铺放在模具型腔内；
第三步，将热塑性树脂单体和固化剂/促进剂经混合后，浇注到模具型腔内铺放好的纤维织物表面得到连续纤维热塑性树脂复合材料。
本实施例中所述热塑性树脂单体为己内酰胺，己内酰胺在室温下为固化，需加热熔融后与固化剂混合再浇注在纤维织物表面。所述加热固化温度为160℃，加压固化压力为5.0MPa，固化成型时间为8min。所述外板、蜂窝芯材和内板通过电磁感应焊接形成引擎盖总成结构。
实施例3
一种热塑性复合材料引擎盖，包括外板和内板，所述外板和内板均采用连续纤维热塑性树脂复合材料制成，所述外板和内板之间设有蜂窝芯材，所述内板设有功能附件安装孔，所述外板、蜂窝芯材和内板通过胶粘接或焊接连接形成引擎盖总成。
本实施例中，所述外板的厚度为2.0mm，所述芯材为芳纶蜂窝，所述内板厚度为1.5mm。所述纤维为玻璃纤维平纹织物。
本实施例中热塑性复合材料引擎盖的制备方法，是采用热塑性树脂单体原位聚合湿法模压工艺制备引擎盖，具体包括如下步骤，
第一步，采用连续纤维热塑性树脂复合材料在模具型腔内经过合模，加热、加压，采用湿法模压固化成型，分别制得外板1和内板3；
第二步，将蜂窝芯材填充在外板和内板非贴合面的空隙部位，通过结构胶粘接或焊接将外板、蜂窝芯材和内板连接在一起形成引擎盖总成。
本实施例中连续纤维热塑性树脂复合材料的制备步骤如下：
第一步，自动裁剪纤维织物至合适大小；
第二步，将第一步裁剪后纤维织物依次叠加后，铺放在模具型腔内；
第三步，将热塑性树脂单体和固化剂/促进剂经混合后，浇注到模具型腔内铺放好的纤维织物表面得到连续纤维热塑性树脂复合材料。
本实施例中所述热塑性树脂单体为丙烯酸酯树脂，丙烯酸酯在室温下为液态，可直接与固化剂混合后浇注在纤维织物表面。所述加热固化温度为110℃，加压固化压力为3.0MPa，固化成型时间为5min。所述外板、蜂窝芯材和内板通过环氧结构胶粘接形成引擎盖总成结构。
上述热塑性树脂基复合材料汽车引擎盖，可充分发挥碳纤维复合材料重量轻、强度高和蜂窝芯材密度小、抗冲击吸能性能好等特点，具有重量轻、抗冲击和安全性能好等优点，与传统金属材料引擎盖相比，本发明汽车引擎盖重量降低了50%以上。采用湿法模压成型引擎盖内外板，工艺流程简单，制造效果高，可有效降低制造成本，满足汽车领域的低成本批量化成型要求。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热塑性复合材料引擎盖，包括外板和内板，其特征在于：所述外板和内板均采用连续纤维热塑性树脂复合材料制成，所述外板和内板之间设有蜂窝芯材，所述外板、蜂窝芯材和内板通过胶粘接或焊接连接形成引擎盖总成。
2.根据权利要求1所述的热塑性复合材料引擎盖，其特征在于：所述外板的厚度为0.8～2.0mm。
3.根据权利要求2所述的热塑性复合材料引擎盖，其特征在于：所述内板的厚度为1.0～2.5mm。
4.根据权利要求3所述的热塑性复合材料引擎盖，其特征在于：所述连续纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维中的一种或多种混杂。
5.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的热塑性复合材料引擎盖的制备方法，其特征在于：采用热塑性树脂单体原位聚合湿法模压工艺制备引擎盖，具体包括如下步骤，
第一步，采用连续纤维热塑性树脂复合材料在模具型腔内经过合模，加热、加压，采用湿法模压固化成型，分别制得外板和内板；
第二步，将蜂窝芯材填充在外板和内板非贴合面的空隙部位，通过结构胶粘接或焊接将外板、蜂窝芯材和内板连接在一起形成引擎盖总成。
6.根据权利要求5所述的热塑性复合材料引擎盖的制备方法，其特征在于：上述第一步中连续纤维热塑性树脂复合材料的制备步骤如下：
第一步，自动裁剪纤维织物至合适大小；
第二步，将第一步裁剪后纤维织物依次叠加后，铺放在模具型腔内；
第三步，将热塑性树脂单体和固化剂/促进剂经混合后，浇注到模具型腔内铺放好的纤维织物表面得到连续纤维热塑性树脂复合材料。
7.根据权利要求6所述的热塑性复合材料引擎盖的制备方法，其特征在于：所述蜂窝芯材为铝蜂窝、芳纶蜂窝或PP蜂窝中的一种。
8.根据权利要求7所述的热塑性复合材料引擎盖的制备方法，其特征在于：所述热塑性树脂单体为丙烯酸酯或己内酰胺。
9.根据权利要求8所述的热塑性复合材料引擎盖的制备方法，其特征在于：所述加热固化温度为90～180℃，加压固化压力为0.8～10MPa，固化成型时间为3～15min。
10.根据权利要求9所述的热塑性复合材料引擎盖的制备方法，其特征在于：所述结构胶包括聚氨酯类、环氧类和丙烯酸酯类结构胶；所述焊接方式为电阻焊、红外焊、超声波焊或电磁感应焊接的一种。
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