CN110254525A - 一种三维织物复合材料汽车b柱及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维织物复合材料汽车B柱及其制备方法，该汽车B柱由面至内依次为三维织物复合材料制成的B柱侧围外板（1）、B柱加强板（2）和B柱内板（3）；制备方法为：B柱侧围外板（1）、B柱加强板（2）和B柱内板（3）分别通过相应的高性能混杂纤维多角度编织制成对应的三维编织预制件，之后三维编织预制件利用热固性树脂真空辅助成型，成型的B柱侧围外板（1）、B柱加强板（2）、B柱内板（3）顺次叠加制备而成三维织物复合材料汽车B柱。本发明的三维织物复合材料汽车B柱实现了B柱部件轻量化和高性能化，达到均质高强、质轻高刚以及抗震性能优异的效果，具有实际应用价值，且有利于规模化生产。
Description
技术领域
本发明涉及三维编织复合材料制备技术领域，具体地说是一种三维织物复合材料汽车B柱及其制备方法。
背景技术
随着汽车工业的飞速发展，汽车轻量化技术作为降低油耗、减少排放的重要途径之一，已成为汽车技术研究的重点。其中，B柱（又称中柱）位于汽车白车身的中部，是重要的吸能与承力构件，垂直方向传力路径的主要部件。它在支承汽车顶盖的同时支撑前后车门，当车辆受到来自侧面的撞击时，也能抵御侧面碰撞所受到的冲击力，对车内人员的起到保护作用。
随着新能源汽车的发展，需要创新动力系统设计，以抵消电池带来的整备质量增加，满足碰撞安全要求，同时最大化电池安装空间。传统纯钢制B柱已逐步淘汰，混合材料结构被广泛采用，高性能材料三维编织复合材料由于密度低、强度高和抗疲劳性能优异以及使用寿命长等特点，在工业设施设备中逐渐受到欢迎。但目前，市场上较多使用三维编织技术制备汽车引擎盖、传动轴、板簧等复合材料构件，较少使用该技术制造B柱结构。其中，国内专利CN 105690793A和专利CN 105134849A分别介绍了三维编织复合材料汽车传动轴和汽车板簧及其制备方法，采用三维编织复合材料代替钢质材料，这些材料对于车身侧面安全防护作用甚微，无法保证行车全方位安全。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种三维织物复合材料汽车B柱及其制备方法，该汽车B柱采用三维编织复合工艺，综合编织体与基体“结构-性能”优势，制备重量轻、耐腐蚀、热膨胀系数低、减震性能好的B柱骨架，能够满足汽车碰撞安全、刚度及模态等性能的要求，实现汽车整体轻量化目标，对于高强复合材料在汽车车身结构上的应用具有参考意义。
本发明的目的是通过以下技术方案解决的：
一种三维织物复合材料汽车B柱，其特征在于：所述的汽车B柱由面至内依次为三维织物复合材料制成的B柱侧围外板、B柱加强板和B柱内板；B柱侧围外板、B柱加强板和B柱内板分别通过相应的高性能混杂纤维多角度编织制成对应的三维编织预制件，之后三维编织预制件利用热固性树脂真空辅助成型，成型的B柱侧围外板、B柱加强板、B柱内板顺次叠加制备而成三维织物复合材料汽车B柱。
所述的B柱侧围外板和B柱内板皆采用一种或多种高强高韧性纤维经三维编织形成预制件，预制件通过浸渍热固性树脂并采用真空辅助成型工艺制备成型；B柱侧围外板和B柱内板的厚度从顶端到低端一致，B柱侧围外板和B柱内板的厚度范围为2mm～4mm。
所述的高强高韧性纤维为玻璃纤维、UHMWPE纤维、芳纶纤维、氧化铝纤维、碳纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维中的一种或多种。
所述的热固性树脂占B柱侧围外板和B柱内板的20wt%～40wt%。
所述的B柱加强板采用一种或多种高强高模纤维经三维编织形成预制件，预制件通过浸渍热固性树脂并采用真空辅助成型工艺制备成型；B柱加强板的厚度采用渐变形式，其中超高强区域和碰撞受控变形区域的厚度范围为1.5mm～2.5mm、过渡区域的厚度范围为2.5mm～4mm。
所述的高强高模性纤维为氧化铝纤维、高模量碳纤维、碳化硅纤维中的一种或多种。
所述的热固性树脂占B柱加强板的30wt%～45wt%。
所述的预制件选用三维四向、三维五向、三维全五向、三维六向、三维七向中的一种或多种三维编织结构进行组合编织。
所述的热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和树脂、有机硅树脂、乙烯基树脂中的任意一种。
一种三维织物复合材料汽车B柱的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包括如下步骤：
a、选用玻璃纤维、UHMWPE纤维、芳纶纤维、氧化铝纤维、碳纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维中的一种或多种组合作为高强高韧性纤维原料，采用多向三维编织工艺制成等厚度的B柱侧围外板和等厚度的B柱内板的三维立体编织预制件；
b、选用氧化铝纤维、高模量碳纤维、碳化硅纤维中的一种或多种组合作为高强高模纤维原料，采用多向三维编织工艺制成变厚度B柱加强板的三维立体编织预制件；
c、对步骤（a）中的B柱侧围外板和B柱内板的三维立体编织预制件和步骤（b）中的B柱加强板的三维立体编织预制件通过真空辅助成型工艺将热固性树脂导入，并且通过梯度升温固化成型，固化温度为80℃-150℃，制得成型的B柱侧围外板、B柱加强板和B柱内板；
d、将制备的B柱侧围外板、B柱加强板和B柱内板顺次叠加制得三维织物复合材料汽车B柱。
本发明相比现有技术有如下优点：
本发明的三维织物复合材料汽车B柱根据汽车B柱不同结构部位力学性能要求，对B柱侧围外板、B柱加强板和B柱内板进行编织结构设计，其中B柱加强板采用变厚度形式设计，针对性地提高B柱加强板的特定部位强度和刚度；制备工艺将三维编织技术、真空辅助成型工艺和梯度热固化工艺相结合，精细化程度大、复合材料制品成型率较高，实现了B柱部件轻量化和高性能化，达到均质高强、质轻高刚以及抗震性能优异的效果，具有实际应用价值，且有利于规模化生产。
本发明的制备方法得到的三维织物复合材料汽车B柱具有吸能并抵御冲击的能力，在支承汽车顶盖的同时支撑前后车门，当车辆受到来自侧面的撞击时，也能抵御侧面碰撞所受到的冲击力，对车内人员的起到保护作用；B柱侧围外板、B柱加强板和B柱内板的三部分结构协同作用为整体的综合防护能力提供1+1＞2的应用效果，为车体防护制备提供借鉴意义。
附图说明
附图1为本发明的三维织物复合材料汽车B柱的叠层顺序示意图；
附图2为本发明的三维织物复合材料汽车B柱的侧围外板的结构示意图；
附图3为本发明的三维织物复合材料汽车B柱的加强板的多级结构分布示意图，其中两条细实线中间区域为过渡区域、过渡区域上侧为超高强区域、过渡区域下侧为碰撞受控变形区域；
附图4为本发明的三维织物复合材料汽车B柱的内板的结构示意图。
其中：1—B柱侧围外板；2—B柱加强板；21—超高强区域；22—过渡区域；23—碰撞受控变形区域；3—B柱内板。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-4所示：一种三维织物复合材料汽车B柱，该汽车B柱由面至内依次为三维织物复合材料制成的B柱侧围外板1、B柱加强板2和B柱内板3；B柱侧围外板1、B柱加强板2和B柱内板3分别通过相应的高性能混杂纤维多角度编织制成对应的三维编织预制件，之后三维编织预制件利用热固性树脂真空辅助成型，成型的B柱侧围外板1、B柱加强板2、B柱内板3顺次叠加制备而成三维织物复合材料汽车B柱。其中B柱加强板2采用变厚度形式设计，针对性地提高B柱加强板2的特定部位强度和刚度，其中超高强区域21和碰撞受控变形区域23的厚度范围为1.5mm～2.5mm、过渡区域22的厚度范围为2.5mm～4mm。
下面通过具体实施例来进一步说明本发明提供的三维织物复合材料汽车B柱。
实施例一
该三维编织复合材料汽车B柱的制备方法包括如下步骤：
a、将玻璃纤维和芳纶纤维两种高强高韧性纤维以1：2形式组合，采用三维六向编织工艺制成等厚度的B柱侧围外板1和等厚度的B柱内板3的三维立体编织预制件，B柱侧围外板1和B柱内板3的三维立体编织预制件的厚度均为3mm；
b、选用氧化铝纤维，采用三维五向编织工艺制成变厚度B柱加强板2的三维立体编织预制件，B柱加强板2的三维立体编织预制件的超高强区域21和碰撞受控变形区域23的厚度为2mm、过渡区域22的厚度为3.5mm；
c、对步骤（a）中的B柱侧围外板和B柱内板的三维立体编织预制件和步骤（b）中的B柱加强板的三维立体编织预制件通过真空辅助成型工艺将环氧树脂导入，并且通过梯度升温固化成型，固化温度先为80℃保温30min、接着120℃保温3h，制得成型的B柱侧围外板、B柱加强板和B柱内板；
d、将制备的B柱侧围外板、B柱加强板和B柱内板顺次叠加制得三维织物复合材料汽车B柱。
实施例二
该三维编织复合材料汽车B柱的制备方法包括如下步骤：
a、将UHMWPE纤维、氧化铝纤维两种高强高韧性纤维以2：3形式组合，采用三维四向编织工艺制成等厚度的B柱侧围外板1和等厚度的B柱内板3的三维立体编织预制件，B柱侧围外板1的三维立体编织预制件的厚度为4mm、B柱内板3的三维立体编织预制件的厚度为2mm；
b、选用高模量碳纤维，采用三维全五向编织工艺制成变厚度B柱加强板2的三维立体编织预制件，B柱加强板2的三维立体编织预制件的超高强区域21和碰撞受控变形区域23的厚度为1.5mm、过渡区域22的厚度为2.5mm；
c、对步骤（a）中的B柱侧围外板和B柱内板的三维立体编织预制件和步骤（b）中的B柱加强板的三维立体编织预制件通过真空辅助成型工艺将有机硅树脂导入，并且通过梯度升温固化成型，固化温度先为90℃保温45min、接着130℃保温1h，制得成型的B柱侧围外板、B柱加强板和B柱内板；
d、将制备的B柱侧围外板、B柱加强板和B柱内板顺次叠加制得三维织物复合材料汽车B柱。
实施例三
该三维编织复合材料汽车B柱的制备方法包括如下步骤：
a、将碳纤维采用三维七向编织工艺制成等厚度的B柱侧围外板1和等厚度的B柱内板3的三维立体编织预制件，B柱侧围外板1的三维立体编织预制件的厚度为2mm、B柱内板3的三维立体编织预制件的厚度为4mm；
b、选用高模量碳纤维和碳化硅纤维两种高强高模纤维以1：1形式组合，采用三维全五向编织工艺制成变厚度B柱加强板2的三维立体编织预制件，B柱加强板2的三维立体编织预制件的超高强区域21和碰撞受控变形区域23的厚度为2.5mm、过渡区域22的厚度为4mm；
c、对步骤（a）中的B柱侧围外板和B柱内板的三维立体编织预制件和步骤（b）中的B柱加强板的三维立体编织预制件通过真空辅助成型工艺将酚醛树脂导入，并且通过梯度升温固化成型，固化温度先为100℃保温1h、接着150℃保温2.5h，制得成型的B柱侧围外板、B柱加强板和B柱内板；
d、将制备的B柱侧围外板、B柱加强板和B柱内板顺次叠加制得三维织物复合材料汽车B柱。
对比例
利用高强钢为原料，通过冷成型工艺制备与实施例一中的结构相同的汽车B柱构件，该B柱构件的平均质量较实施例一中的B柱构件重约40%。
测试例
将对比例制得的汽车B柱和实施例一制得的汽车B柱通过CAE进行侧面刚性柱碰撞仿真分析，根据 E-NCAP 要求，进行32公里/小时、75º侧面刚性柱碰撞仿真分析，对最大相对侵入量及最大侵入速度结果进行对比，测试结果如表1所示。通过对比发现，32公里/小时75º侧面刚性柱碰撞仿真分析中，当采用高模量碳纤维三维编织复合材料方案时，B柱处最大相对侵入量减少、最大侵入速度降低，降低了侧面刚性柱碰时对乘员伤害的概率。
表1 32公里/小时、75º侧面刚性柱碰撞时的B柱处最大相对侵入量及侵入速度对比
由表1可知，在相同测试条件下，实施例一与对比例相比，其最大相对侵入量和最大相对侵入速度较小。说明本发明的三维织物复合材料汽车B柱在轻量化的前提下，抗冲击性能更优且性能稳定，故适用于不同载重需求的轻型或重型车辆。
本发明的三维织物复合材料汽车B柱根据汽车B柱不同结构部位力学性能要求，对B柱侧围外板、B柱加强板和B柱内板进行编织结构设计，其中B柱加强板采用变厚度形式设计，针对性地提高B柱加强板的特定部位强度和刚度；制备工艺将三维编织技术、真空辅助成型工艺和梯度热固化工艺相结合，精细化程度大、复合材料制品成型率较高，实现了B柱部件轻量化和高性能化，达到均质高强、质轻高刚以及抗震性能优异的效果，具有实际应用价值，且有利于规模化生产。该制备方法得到的三维织物复合材料汽车B柱具有吸能并抵御冲击的能力，在支承汽车顶盖的同时支撑前后车门，当车辆受到来自侧面的撞击时，也能抵御侧面碰撞所受到的冲击力，对车内人员的起到保护作用；B柱侧围外板、B柱加强板和B柱内板的三部分结构协同作用为整体的综合防护能力提供1+1＞2的应用效果，为车体防护制备提供借鉴意义。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。
Claims (10)
1.一种三维织物复合材料汽车B柱，其特征在于：所述的汽车B柱由面至内依次为三维织物复合材料制成的B柱侧围外板（1）、B柱加强板（2）和B柱内板（3）；B柱侧围外板（1）、B柱加强板（2）和B柱内板（3）分别通过相应的高性能混杂纤维多角度编织制成对应的三维编织预制件，之后三维编织预制件利用热固性树脂真空辅助成型，成型的B柱侧围外板（1）、B柱加强板（2）、B柱内板（3）顺次叠加制备而成三维织物复合材料汽车B柱。
2.根据权利要求1所述的三维织物复合材料汽车B柱，其特征在于：所述的B柱侧围外板（1）和B柱内板（3）皆采用一种或多种高强高韧性纤维经三维编织形成预制件，预制件通过浸渍热固性树脂并采用真空辅助成型工艺制备成型；B柱侧围外板（1）和B柱内板（3）的厚度从顶端到低端一致，B柱侧围外板（1）和B柱内板（3）的厚度范围为2mm～4mm。
3.根据权利要求2所述的三维织物复合材料汽车B柱，其特征在于：所述的高强高韧性纤维为玻璃纤维、UHMWPE纤维、芳纶纤维、氧化铝纤维、碳纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维中的一种或多种。
4.根据权利要求2所述的三维织物复合材料汽车B柱，其特征在于：所述的热固性树脂占B柱侧围外板（1）和B柱内板（3）的20wt%～40wt%。
5.根据权利要求1所述的三维织物复合材料汽车B柱，其特征在于：所述的B柱加强板（2）采用一种或多种高强高模纤维经三维编织形成预制件，预制件通过浸渍热固性树脂并采用真空辅助成型工艺制备成型；B柱加强板（2）的厚度采用渐变形式，其中超高强区域（21）和碰撞受控变形区域（23）的厚度范围为1.5mm～2.5mm、过渡区域（22）的厚度范围为2.5mm～4mm。
6.根据权利要求5所述的三维织物复合材料汽车B柱，其特征在于：所述的高强高模性纤维为氧化铝纤维、高模量碳纤维、碳化硅纤维中的一种或多种。
7.根据权利要求5所述的三维织物复合材料汽车B柱，其特征在于：所述的热固性树脂占B柱加强板（2）的30wt%～45wt%。
8.根据权利要求1所述的三维织物复合材料汽车B柱，其特征在于：所述的预制件选用三维四向、三维五向、三维全五向、三维六向、三维七向中的一种或多种三维编织结构进行组合编织。
9.根据权利要求1所述的三维织物复合材料汽车B柱，其特征在于：所述的热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和树脂、有机硅树脂、乙烯基树脂中的任意一种。
10.根据权利要求1-9任一所述的三维织物复合材料汽车B柱的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包括如下步骤：
a、选用玻璃纤维、UHMWPE纤维、芳纶纤维、氧化铝纤维、碳纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维中的一种或多种组合作为高强高韧性纤维原料，采用多向三维编织工艺制成等厚度的B柱侧围外板（1）和等厚度的B柱内板（3）的三维立体编织预制件；
b、选用氧化铝纤维、高模量碳纤维、碳化硅纤维中的一种或多种组合作为高强高模纤维原料，采用多向三维编织工艺制成变厚度B柱加强板（2）的三维立体编织预制件；
c、对步骤（a）中的B柱侧围外板（1）和B柱内板（3）的三维立体编织预制件和步骤（b）中的B柱加强板（2）的三维立体编织预制件通过真空辅助成型工艺将热固性树脂导入，并且通过梯度升温固化成型，固化温度为80℃-150℃，制得成型的B柱侧围外板（1）、B柱加强板（2）和B柱内板（3）；
d、将制备的B柱侧围外板（1）、B柱加强板（2）和B柱内板（3）顺次叠加制得三维织物复合材料汽车B柱。
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Legal Events
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Address after: 214200 Fangqiao Street industrial concentration area, Yixing City, Wuxi City, Jiangsu Province Patentee after: YIXING XINLI WEAVING Co.,Ltd. Address before: 214212 Dajian Village 119, Wanshi Town, Yixing City, Jiangsu Province Patentee before: YIXING XINLI WEAVING Co.,Ltd. |
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Denomination of invention: A three-dimensional fabric composite automobile B-pillar and its preparation method Effective date of registration: 20230313 Granted publication date: 20211203 Pledgee: Bank of Jiangsu Limited by Share Ltd. Yixing branch Pledgor: YIXING XINLI WEAVING Co.,Ltd. Registration number: Y2023980034647 |