CN110641404A - 一种汽车高强韧防撞梁及其保温挤出成型工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种汽车高强韧防撞梁,包括有高强韧基材、包裹在高强韧基材外表面的编织碳纤维层、以及涂覆在编织碳纤维层外表面的高温陶瓷树脂；本发明以高强韧铝基复合合金作为基底，将编织碳纤维包裹在高强韧铝基复合合金基材的外表面，再用耐高温、抗氧化、强硬度高的陶瓷树脂包覆在包裹有编织碳纤维的高强韧铝基复合合金基材的表面形成三层结构的高强韧防撞梁，显著地提升了铝基基材的强度和韧性，克服了铝基基材抗拉升强度和抗压强度低的缺陷，降低了铝基基材的残余应力，在高温下力学性能优良，强度好，韧性好，避免出现断裂，而最外层的陶瓷树脂保护内部的编织碳纤维的完整性，而本身也具有优良的力学性质，提高了整个防撞梁的强度和韧性。

Description

一种汽车高强韧防撞梁及其保温挤出成型工艺
技术领域
本发明涉及汽车防撞梁技术领域，具体涉及一种汽车高强韧防撞梁及保温挤出成型工艺。
背景技术
当前世界工业飞速发展，各种工业生产和使用过程中都涉及到金属材料，金属材料的应用范围极为广泛，其中汽车制造中所用的金属材料非常多，汽车给人们带来了很大的方便，但是与此同时也带来了一些不足，从汽车诞生以来，开发人员注重车速及外观，却忽视了汽车给人们带来了安全隐患，如撞车等交通事故，使汽车受到不同程度的损毁、人员受到伤亡，这其中金属材料的强度和抗冲击不够是一大因素，一部分汽车生产厂家只把金属材料强度或者抗冲击性能单独加强，这不能保证汽车在碰撞时对车内人员起到最大保护作用。
高强度、高韧性的汽车防撞梁能够保证在碰撞、冲击过程中汽车与人员的安全性，如何制备高强韧的防撞梁将是目前相关技术人员亟需解决的重要问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明旨在提供一种采用包裹编织碳纤维的、外表面包覆陶瓷树脂的、抗氧化性和耐高温性强的高强度、高韧性的汽车防撞梁及其保温挤出成型工艺。
为实现本发明目的，采用的技术方案是：一种汽车高强韧防撞梁,所述高强韧防撞梁包括有高强韧基材、包裹在高强韧基材外表面的编织碳纤维层、以及涂覆在编织碳纤维层外表面的高温陶瓷树脂；
所述高强韧基材包括有以下组成成分：硅铝酸盐2～5％、硼铝酸盐2～4％、纳米氮-硅-碳2～5％、纳米碳化硅2～4％、纳米氮化铝3～6％、高强韧中间合金15～20％、镁元素0.8～1.5％、铜元素1.5～2.5％、铬元素0.4～0.8％、锶元素0.8～1.5％、钛元素1.5～3.0％，其余为铝元素。
作为优选，所述高强韧中间合金包括有以下组成成分：镁-锌-锆-硅合金10～20％、钨-铁-钴-硅合金10～15％、铜-锌-铝合金5～10％、铜-锌-镓合金20～35％、钛-镍-铅-硼合金20～35％和纳米钛酸亚铁-钛酸镁粉10～15％。
作为优选，所述编织碳纤维层包括有以下组成成分：各向同性煤沥青80～85％、碳化钛2～5％、碳化锆2～3％、碳化钽2～5％、碳化铪2～4％、铜-锰-钨合金5～8％。
作为优选，所述编织碳纤维层的制备方法具体包括有以下步骤：
1).先将各向同性煤沥青加热至120～150℃，使煤沥青软化成液体状态，加入碳化钛、碳化锆、碳化钽、碳化铪、铜-锰-钨合金，将物料混合均匀；
2).将混合均匀的物料加入到静电离心纺丝机中进行纺丝，碳纤维丝在空气中稳定化并在1000～2000℃的高温氢气和氮气的环境中处理，得到碳纤维；
3).将得到的碳纤维使用纤维编织机进行编制，得到编制碳纤维，碳纤维进行堆叠编织，再将编织碳纤维加热至500～800℃，将编制碳纤维压制成防撞梁形状，得到编织碳纤维层。
作为优选，所述碳纤维的直径为10～50nm，编织得到的碳纤维层的厚度为3.0～8.5mm。
作为优选，所述编织碳纤维层在高温碳化的氢气和氮气的混合比例为1:5～9。
作为优选，所述高强韧基材在高强韧防撞梁所占的质量百分比为60～85％。
作为优选，所述编织碳纤维层在高强韧防撞梁所占的质量百分比为10～20％。
作为优选，所述高温陶瓷树脂包括有以下组成成分：高交联密度酚醛环氧型乙烯基树脂80～90％、碳化硅2～5％、硼化硅2～3％、氮化铝2～5％、氮化硅2～3％。
一种汽车高强韧防撞梁的保温挤出成型工艺，所述挤出成型工艺包括有以下步骤：
1).熔炼：将组成高强韧基材的硅铝酸盐、硼铝酸盐、高强韧中间合金采用电弧炉或电感应炉熔炼，熔炼过程先抽真空小于-0.1MPa，温度升高至1500～2000℃，然后采用惰性气体或氮气保护熔炼，再加入纳米氮-硅-碳、纳米碳化硅、纳米氮化铝，搅拌至完全熔解并混合均匀；
加入镁元素、铜元素、铬元素、锶元素、钛元素和铝元素使其熔解并搅拌均匀后迅速降温至1000～1500℃；
2).挤出：再将熔融液体降温至500～800℃静置10～20min，控制熔体不凝固不结皮，然后在500～800℃加入预先设定好的铜模挤出机进行挤出，挤出温度控制为500～800℃，将挤出的挤出品迅速冷却至10～30℃，制备得到高强韧基材；
3).打磨：将得到的高强韧基材使用打磨机进行打磨和抛光，并用切割机对高强韧基材进行边角切割，使之达到设计尺寸，并在此基础上再次对高强韧基材进行打磨和抛光；
4).包裹：将准备好的防撞梁形状的编织碳纤维层包裹在高强韧基材的外表面，再升温至300～500℃，使得编织碳纤维层与高强韧基材进行紧密交联，再缓慢降温至10～30℃，降温速度为2～5℃/h，再次进行打磨和抛光；
5).成型：将高交联密度酚醛环氧型乙烯基树脂、碳化硅、硼化硅、氮化铝、氮化硅添加到坩埚熔炼炉熔化成树脂液，将包裹有编织碳纤维的高强韧基材放入到铜铸模中，设定好树脂层的厚度为0.8～1.5cm，再将树脂液浇入到铜铸模中，树脂液沉积在包裹有编织碳纤维层的高强韧基材的外表面，控制铜铸模的温度为10～30℃，树脂液冷却成型；
将喷覆后的复合材料块体缓慢冷却至100～200℃，降温速率控制为0.1～0.5℃/min，使得复合材料表面的抗氧化高熵合金层凝固，再急速冷却至10～30℃，使之固化成型；
6).固溶：将步骤5)获得的成型的高强韧防撞梁再次装入到铜铸模中进行第一级固溶处理，固溶温度为200～300℃，保温时间1～1.5h，在10～30℃的空气中冷却，得第一级固溶处理后的高强韧防撞梁；
将第一级固溶处理后的防撞梁连同铜铸模进行第二级固溶处理，固溶温度为180～250℃，保温时间0.5～1h，在10～30℃的空气中冷却，转移时间≤12s，得第二级固溶处理后的高强韧防撞梁；
将第二级固溶处理后的防撞梁连同铜铸模进行人工时效处理，时效温度为120～180℃，保温时间3～5h，在10～30℃的空气中冷却，取出后进行打磨和抛光，得到高强韧防撞梁成品。
本发明的有益效果为：本发明以高强韧铝基复合合金作为基底，将编织碳纤维包裹在高强韧铝基复合合金基材的外表面，再用耐高温、抗氧化、强硬度高的陶瓷树脂包覆在包裹有编织碳纤维的高强韧铝基复合合金基材的表面形成三层结构的高强韧防撞梁，通过在铝基复合合金的内部添加耐高温、高强度硬度的纳米陶瓷材料以及金属元素，显著地提升了铝基复合合金基材的强度和韧性，再在复合合金基材的外表面包裹具有高强韧的编织碳纤维，进一步提升整个铝基复合合金基材的抗氧化性、耐高温性，也将保护内部的铝基合金基材的结构完整性，从总体上克服了一般的铝基合金抗拉升强度和抗压强度低的缺陷，降低了铝基合金的残余应力，在高温下力学性能优良，强度好，韧性好，避免出现断裂，而最外层的陶瓷树脂保护内部的编织碳纤维的完整性，而本身也具有优良的力学性质，从而提高了整个防撞梁的强度和韧性。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种汽车高强韧防撞梁,包括有高强韧基材、包裹在高强韧基材外表面的编织碳纤维层、以及涂覆在编织碳纤维层外表面的高温陶瓷树脂；
所述高强韧基材包括有以下组成成分：硅铝酸盐5％、硼铝酸盐2％、纳米氮-硅-碳5％、纳米碳化硅2％、纳米氮化铝6％、高强韧中间合金15％、镁元素1.5％、铜元素1.5％、铬元素0.8％、锶元素0.8％、钛元素3.0％，其余为铝元素；
所述高强韧中间合金包括有以下组成成分：镁-锌-锆-硅合金20％、钨-铁-钴-硅合金10％、铜-锌-铝合金10％、铜-锌-镓合金20％、钛-镍-铅-硼合金35％和纳米钛酸亚铁-钛酸镁粉15％；
所述编织碳纤维层包括有以下组成成分：各向同性煤沥青85％、碳化钛2％、碳化锆3％、碳化钽3％、碳化铪2％、铜-锰-钨合金5％。
所述高强韧基材在高强韧防撞梁所占的质量百分比为85％；
所述编织碳纤维层在高强韧防撞梁所占的质量百分比为10％；
所述高温陶瓷树脂包括有以下组成成分：高交联密度酚醛环氧型乙烯基树脂90％、碳化硅2％、硼化硅3％、氮化铝2％、氮化硅3％。
实施例2
一种汽车高强韧防撞梁,包括有高强韧基材、包裹在高强韧基材外表面的编织碳纤维层、以及涂覆在编织碳纤维层外表面的高温陶瓷树脂；
所述高强韧基材包括有以下组成成分：硅铝酸盐2％、硼铝酸盐4％、纳米氮-硅-碳2％、纳米碳化硅4％、纳米氮化铝3％、高强韧中间合金20％、镁元素0.8％、铜元素2.5％、铬元素0.4％、锶元素1.5％、钛元素1.5％，其余为铝元素；
所述高强韧中间合金包括有以下组成成分：镁-锌-锆-硅合金10％、钨-铁-钴-硅合金15％、铜-锌-铝合金10％、铜-锌-镓合金35％、钛-镍-铅-硼合金20％和纳米钛酸亚铁-钛酸镁粉10％；
所述编织碳纤维层包括有以下组成成分：各向同性煤沥青80％、碳化钛5％、碳化锆3％、碳化钽2％、碳化铪4％、铜-锰-钨合金6％。
所述高强韧基材在高强韧防撞梁所占的质量百分比为60％；
所述编织碳纤维层在高强韧防撞梁所占的质量百分比为20％；
所述高温陶瓷树脂包括有以下组成成分：高交联密度酚醛环氧型乙烯基树脂84％、碳化硅5％、硼化硅3％、氮化铝5％、氮化硅3％。
进一步地，所述编织碳纤维层的制备方法具体包括有以下步骤：
1).先将各向同性煤沥青加热至120～150℃，使煤沥青软化成液体状态，加入碳化钛、碳化锆、碳化钽、碳化铪、铜-锰-钨合金，将物料混合均匀；
2).将混合均匀的物料加入到静电离心纺丝机中进行纺丝，碳纤维丝在空气中稳定化并在1000～2000℃的高温氢气和氮气的环境中处理，得到碳纤维；
3).将得到的碳纤维使用纤维编织机进行编制，得到编制碳纤维，碳纤维进行堆叠编织，再将编织碳纤维加热至500～800℃，将编制碳纤维压制成防撞梁形状，得到编织碳纤维层。
进一步地，所述碳纤维的直径为10～50nm，编织得到的碳纤维层的厚度为3.0～8.5mm。
进一步地，所述编织碳纤维层在高温碳化的氢气和氮气的混合比例为1:5～9。
一种汽车高强韧防撞梁的保温挤出成型工艺，所述挤出成型工艺包括有以下步骤：
1).熔炼：将组成高强韧基材的硅铝酸盐、硼铝酸盐、高强韧中间合金采用电弧炉或电感应炉熔炼，熔炼过程先抽真空小于-0.1MPa，温度升高至1500～2000℃，然后采用惰性气体或氮气保护熔炼，再加入纳米氮-硅-碳、纳米碳化硅、纳米氮化铝，搅拌至完全熔解并混合均匀；
加入镁元素、铜元素、铬元素、锶元素、钛元素和铝元素使其熔解并搅拌均匀后迅速降温至1000～1500℃；
2).挤出：再将熔融液体降温至500～800℃静置10～20min，控制熔体不凝固不结皮，然后在500～800℃加入预先设定好的铜模挤出机进行挤出，挤出温度控制为500～800℃，将挤出的挤出品迅速冷却至10～30℃，制备得到高强韧基材；
3).打磨：将得到的高强韧基材使用打磨机进行打磨和抛光，并用切割机对高强韧基材进行边角切割，使之达到设计尺寸，并在此基础上再次对高强韧基材进行打磨和抛光；
4).包裹：将准备好的防撞梁形状的编织碳纤维层包裹在高强韧基材的外表面，再升温至300～500℃，使得编织碳纤维层与高强韧基材进行紧密交联，再缓慢降温至10～30℃，降温速度为2～5℃/h，再次进行打磨和抛光；
5).成型：将高交联密度酚醛环氧型乙烯基树脂、碳化硅、硼化硅、氮化铝、氮化硅添加到坩埚熔炼炉熔化成树脂液，将包裹有编织碳纤维的高强韧基材放入到铜铸模中，设定好树脂层的厚度为0.8～1.5cm，再将树脂液浇入到铜铸模中，树脂液沉积在包裹有编织碳纤维层的高强韧基材的外表面，控制铜铸模的温度为10～30℃，树脂液冷却成型；
将喷覆后的复合材料块体缓慢冷却至100～200℃，降温速率控制为0.1～0.5℃/min，使得复合材料表面的抗氧化高熵合金层凝固，再急速冷却至10～30℃，使之固化成型；
6).固溶：将步骤5)获得的成型的高强韧防撞梁再次装入到铜铸模中进行第一级固溶处理，固溶温度为200～300℃，保温时间1～1.5h，在10～30℃的空气中冷却，得第一级固溶处理后的高强韧防撞梁；
将第一级固溶处理后的防撞梁连同铜铸模进行第二级固溶处理，固溶温度为180～250℃，保温时间0.5～1h，在10～30℃的空气中冷却，转移时间≤12s，得第二级固溶处理后的高强韧防撞梁；
将第二级固溶处理后的防撞梁连同铜铸模进行人工时效处理，时效温度为120～180℃，保温时间3～5h，在10～30℃的空气中冷却，取出后进行打磨和抛光，得到高强韧防撞梁成品。
本发明以高强韧铝基复合合金作为基底，将编织碳纤维包裹在高强韧铝基复合合金基材的外表面，再用耐高温、抗氧化、强硬度高的陶瓷树脂包覆在包裹有编织碳纤维的高强韧铝基复合合金基材的表面形成三层结构的高强韧防撞梁，通过在铝基复合合金的内部添加耐高温、高强度硬度的纳米陶瓷材料以及金属元素，显著地提升了铝基复合合金基材的强度和韧性，再在复合合金基材的外表面包裹具有高强韧的编织碳纤维，进一步提升整个铝基复合合金基材的抗氧化性、耐高温性，也将保护内部的铝基合金基材的结构完整性，从总体上克服了一般的铝基合金抗拉升强度和抗压强度低的缺陷，降低了铝基合金的残余应力，在高温下力学性能优良，强度好，韧性好，避免出现断裂，而最外层的陶瓷树脂保护内部的编织碳纤维的完整性，而本身也具有优良的力学性质，从而提高了整个防撞梁的强度和韧性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种汽车高强韧防撞梁,其特征在于：所述高强韧防撞梁包括有高强韧基材、包裹在高强韧基材外表面的编织碳纤维层、以及涂覆在编织碳纤维层外表面的高温陶瓷树脂；
所述高强韧基材包括有以下组成成分：硅铝酸盐2～5％、硼铝酸盐2～4％、纳米氮-硅-碳2～5％、纳米碳化硅2～4％、纳米氮化铝3～6％、高强韧中间合金15～20％、镁元素0.8～1.5％、铜元素1.5～2.5％、铬元素0.4～0.8％、锶元素0.8～1.5％、钛元素1.5～3.0％，其余为铝元素。
2.根据权利要求1所述的一种汽车高强韧防撞梁，其特征在于：所述高强韧中间合金包括有以下组成成分：镁-锌-锆-硅合金10～20％、钨-铁-钴-硅合金10～15％、铜-锌-铝合金5～10％、铜-锌-镓合金20～35％、钛-镍-铅-硼合金20～35％和纳米钛酸亚铁-钛酸镁粉10～15％。
3.根据权利要求1所述的一种汽车高强韧防撞梁，其特征在于：所述编织碳纤维层包括有以下组成成分：各向同性煤沥青80～85％、碳化钛2～5％、碳化锆2～3％、碳化钽2～5％、碳化铪2～4％、铜-锰-钨合金5～8％。
4.根据权利要求3所述的一种汽车高强韧防撞梁，其特征在于：所述编织碳纤维层的制备方法具体包括有以下步骤：
1).先将各向同性煤沥青加热至120～150℃，使煤沥青软化成液体状态，加入碳化钛、碳化锆、碳化钽、碳化铪、铜-锰-钨合金，将物料混合均匀；
2).将混合均匀的物料加入到静电离心纺丝机中进行纺丝，碳纤维丝在空气中稳定化并在1000～2000℃的高温氢气和氮气的环境中处理，得到碳纤维；
3).将得到的碳纤维使用纤维编织机进行编制，得到编制碳纤维，碳纤维进行堆叠编织，再将编织碳纤维加热至500～800℃，将编制碳纤维压制成防撞梁形状，得到编织碳纤维层。
5.根据权利要求4所述的一种汽车高强韧防撞梁，其特征在于：所述碳纤维的直径为10～50nm，编织得到的碳纤维层的厚度为3.0～8.5mm。
6.根据权利要求4所述的一种汽车高强韧防撞梁，其特征在于：所述编织碳纤维层在高温碳化的氢气和氮气的混合比例为1:5～9。
7.根据权利要求1所述的一种汽车高强韧防撞梁，其特征在于：所述高强韧基材在高强韧防撞梁所占的质量百分比为60～85％。
8.根据权利要求7所述的一种汽车高强韧防撞梁，其特征在于：所述编织碳纤维层在高强韧防撞梁所占的质量百分比为10～20％。
9.根据权利要求1所述的一种汽车高强韧防撞梁，其特征在于：所述高温陶瓷树脂包括有以下组成成分：高交联密度酚醛环氧型乙烯基树脂80～90％、碳化硅2～5％、硼化硅2～3％、氮化铝2～5％、氮化硅2～3％。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的汽车高强韧防撞梁的保温挤出成型工艺，其特征在于：所述挤出成型工艺包括有以下步骤：
1).熔炼：将组成高强韧基材的硅铝酸盐、硼铝酸盐、高强韧中间合金采用电弧炉或电感应炉熔炼，熔炼过程先抽真空小于-0.1MPa，温度升高至1500～2000℃，然后采用惰性气体或氮气保护熔炼，再加入纳米氮-硅-碳、纳米碳化硅、纳米氮化铝，搅拌至完全熔解并混合均匀；
加入镁元素、铜元素、铬元素、锶元素、钛元素和铝元素使其熔解并搅拌均匀后迅速降温至1000～1500℃；
2).挤出：再将熔融液体降温至500～800℃静置10～20min，控制熔体不凝固不结皮，然后在500～800℃加入预先设定好的铜模挤出机进行挤出，挤出温度控制为500～800℃，将挤出的挤出品迅速冷却至10～30℃，制备得到高强韧基材；
3).打磨：将得到的高强韧基材使用打磨机进行打磨和抛光，并用切割机对高强韧基材进行边角切割，使之达到设计尺寸，并在此基础上再次对高强韧基材进行打磨和抛光；
4).包裹：将准备好的防撞梁形状的编织碳纤维层包裹在高强韧基材的外表面，再升温至300～500℃，使得编织碳纤维层与高强韧基材进行紧密交联，再缓慢降温至10～30℃，降温速度为2～5℃/h，再次进行打磨和抛光；
5).成型：将高交联密度酚醛环氧型乙烯基树脂、碳化硅、硼化硅、氮化铝、氮化硅添加到坩埚熔炼炉熔化成树脂液，将包裹有编织碳纤维的高强韧基材放入到铜铸模中，设定好树脂层的厚度为0.8～1.5cm，再将树脂液浇入到铜铸模中，树脂液沉积在包裹有编织碳纤维层的高强韧基材的外表面，控制铜铸模的温度为10～30℃，树脂液冷却成型；
将喷覆后的复合材料块体缓慢冷却至100～200℃，降温速率控制为0.1～0.5℃/min，使得复合材料表面的抗氧化高熵合金层凝固，再急速冷却至10～30℃，使之固化成型；
6).后处理：将步骤5)获得的成型的高强韧防撞梁再次装入到铜铸模中进行第一级固溶处理，固溶温度为200～300℃，保温时间1～1.5h，在10～30℃的空气中冷却，得第一级固溶处理后的高强韧防撞梁；
将第一级固溶处理后的防撞梁连同铜铸模进行第二级固溶处理，固溶温度为180～250℃，保温时间0.5～1h，在10～30℃的空气中冷却，转移时间≤12s，得第二级固溶处理后的高强韧防撞梁；
将第二级固溶处理后的防撞梁连同铜铸模进行人工时效处理，时效温度为120～180℃，保温时间3～5h，在10～30℃的空气中冷却，取出后进行打磨和抛光，得到高强韧防撞梁成品。
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