CN111114037A - 一种碳纤维复合材料夹层以及采用该夹层制造车身的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碳纤维复合材料夹层以及采用该夹层制造车身的方法，中间层上的圆形通孔能够让流动的环氧树脂胶填充，等到环氧树脂胶完全固化，支撑上表层和下表层，起到加强筋的作用，提高了整体夹层的抗压性。在上表层、中间层、下表层以及各个预浸料之间设有热塑树脂，热塑树脂在在PVC泡沫板和两侧预浸料之间起到黏贴压合的目的。PVC泡沫板的截面矩和其中加强筋在作用，使其本身有着较为理想的力学性能。在抽真空的过程中，将整个车身以60℃的温度整体加热120分钟以上，确保环氧树脂胶流动性，能够充满预浸料与PVC泡沫板的每一个角落，起到完全黏贴粘合的目的，通过加温加压的方法制备车身，令碳纤维复合夹层材料压实，提高力学性能。

Description

一种碳纤维复合材料夹层以及采用该夹层制造车身的方法
技术领域
本发明涉及车身制造领域，具体涉及一种碳纤维复合材料夹层以及采用该夹层制造车身的方法。
背景技术
随着生活质量的提高，汽车已经成为人们日常出行使用最多的交通工具了，追求更加经济，更加节能的汽车是人们一直以来的目标。传统汽车的车身一般采用钢板或者铝合金制造的，而碳纤维这种材料相对于上述材料来说密度更小，强度更高，刚度更大，在作为车身材料时会使车辆更轻，更安全，更节能。
传统的碳纤维复合材料截面惯性矩偏低导致强度不足，容易将碳纤维夹层板压塌、变形，难以加装在车身上；同时，上述材料在制造车身时由于工艺问题导致碳纤维复合夹层压得不实，反映在最终成型的车身质量上，并且力学性能也不够。
发明内容
发明目的：提供一种碳纤维复合材料夹层，以解决现有技术存在的上述问题。进一步目的是提供一种利用上述碳纤维复合材料夹层制造车身的方法。
技术方案：一种碳纤维复合材料夹层，从下到上依次为下表层，叠加在所述下表层上的中间层，以及叠加在所述中间层上的上表层。
在进一步的实施例中，所述中间层为PVC泡沫板，所述PVC泡沫板上设有多个直径为2-3mm的圆形通孔，所述圆形通孔在所述PVC泡沫板上按间距为20-30mm的矩形阵列。中间层的PVC泡沫夹层板上的圆形通孔能够让流动的环氧树脂胶填充，等到环氧树脂胶完全固化，支撑上表层和下表层，起到加强筋的作用，提高整体夹层的抗压性。泡沫板的截面矩和其中加强筋在作用，使其本身有着较为理想的力学性能，使用螺栓连接时，不会被螺栓压塌、变形。
在进一步的实施例中，所述上表层依次排列为若干层上层玻璃纤维预浸料层和若干层上层碳纤维预浸料层，所述上层玻璃纤维预浸料层与所述PVC泡沫板接触，所述上层碳纤维预浸料层与所述上层玻璃纤维预浸料层接触。
在进一步的实施例中，所述下表层为若干层下层玻璃纤维预浸料层和若干层下层碳纤维预浸料层，所述下层玻璃纤维预浸料层和下层碳纤维预浸料层的层数与分别与所述上层玻璃纤维预浸料层和上层碳纤维预浸料层的层数相同，并与所述上表层和PVC泡沫层对称排布。将碳纤维预浸料层和玻璃纤维预浸料层裁剪成能包裹整个车身的大小和形状，确定此次制造车身需要的预浸料层数。
在进一步的实施例中，每两层浸料层之间均有热塑树脂，所述热塑树脂为环氧树脂胶。环氧树脂胶在PVC泡沫板的圆形通孔内固化起到加强筋的作用，在PVC泡沫板和两侧预浸料之间起到黏贴压合的目的，在各层预浸料之间也起到黏贴压合的目的。
在进一步的实施例中，所述中间层从四周以对角线为长轴分别向内开出半个椭圆形的缺口，该缺口是为了方便泡沫板的折叠和弯曲，为下面制作车身做准备。
在进一步的实施例中，所述PVC泡沫板热弯成车身的形状，并使其弯曲轮廓与车身的轮廓一致。预浸料裁成与PVC泡沫板大小，形状相同的样子，按照下表层、中间层、上表层的顺序依次将所述预浸料和PVC泡沫板铺在车身模具上。
一种采用碳纤维复合材料夹层制造车身的方法，包括以下步骤：
步骤1、制作出车身的模具，将模具表面用无水酒精擦拭干净，涂上脱模蜡，方便车身制造完成后的脱模步骤；
步骤2、在PVC泡沫板上打上边长为2-3mm的圆形通孔，圆形通孔按间距为20-30mm的矩形阵列，从四周以对角线为长轴分别向内开出半个椭圆形的缺口；
步骤3、在模具上刷上一层环氧树脂胶，把步骤2中准备好的预浸料铺在模具上，用滚轮将多余的气泡挤出，使得预浸料完全贴合在模具上，第一层预浸料铺上后，继续刷一层环氧树脂胶，铺下一层预浸料，重复上述步骤；按照下表层从外到内逐层铺到步骤二确定好的下表层层数；
步骤4、下表层铺完后，铺上PVC泡沫板，随后刷上环氧树脂胶，确保圆形通孔内充满环氧树脂胶，表面也涂有树脂胶；重复步骤3的操作，直至将上表层铺完，上表层预浸料层数与下表层层数相同，预浸料顺序关于中间PVC泡沫版位置对称；
步骤5、将步骤2处理过的脱模布铺在上表层上，将步骤2处理过的毛毡铺在脱模布上，将整个车身装入PE真空袋，用3M的蛇胶密封住PE真空袋，留出2-3个小孔连接抽气泵的导管，小孔与抽气泵导管也用蛇胶粘住密封；启动抽气泵，将真空袋抽真空，大气压将各层预浸料、PVC泡沫板、脱模布、毛毡与模具贴合在一起，压紧粘合；
步骤6、将步骤5处理好的车身搬出烤箱，冷却12小时以上，等到环氧树脂胶完全硬化，脱模得到最终车身。
在进一步的实施例中，所述步骤2进一步包括：准备好比模具面积大的PVC泡沫板，无法采用整块泡沫板的地方采用小块泡沫板拼接，多余泡沫板按照车身模具表面进行裁切，将泡沫板通过热风枪高温处理，使得泡沫板弯曲基本贴合模具；将碳纤维预浸料层和玻璃纤维预浸料层裁剪成能包裹整个车身的大小和形状，确定此次制造车身需要的预浸料层数，并准备好能包裹车身的脱模布与毛毡。
在进一步的实施例中，所述步骤5进一步包括：在抽真空的过程中，将整个车身搬运到烤箱以60℃的温度下整体加热120分钟以上，确保环氧树脂胶流动性，能够充满预浸料与泡沫板的每一个角落，起到完全黏贴粘合的目的，通过加温加压的方法制备车身，令碳纤维复合夹层材料压实，提高力学性能。
有益效果：本发明涉及一种碳纤维复合材料夹层以及采用该夹层制造车身的方法，中间层的PVC泡沫夹层板上的圆形通孔能够让流动的环氧树脂胶填充，等到环氧树脂胶完全固化，支撑上表层和下表层，起到加强筋的作用，提高了整体夹层的抗压性。在上表层、中间层、下表层以及各个预浸料之间设有热塑树脂，热塑树脂在PVC泡沫板的圆形通孔内固化起到加强筋的作用，在PVC泡沫板和两侧预浸料之间起到黏贴压合的目的。PVC泡沫板的截面矩和其中加强筋在作用，使其本身有着较为理想的力学性能。在抽真空的过程中，将整个车身以60℃的温度整体加热120分钟以上，确保环氧树脂胶流动性，能够充满预浸料与PVC泡沫板的每一个角落，起到完全黏贴粘合的目的，通过加温加压的方法制备车身，令碳纤维复合夹层材料压实，提高力学性能。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明中碳纤维复合材料夹层的结构示意图。
图3是本发明中车身的主视图。
图4是图3中沿A-A剖切线的剖面图。
图5是本发明采用碳纤维复合材料夹层制造车身的工艺图。
图6是本发明采用碳纤维复合材料夹层制造车身的具体工序步骤。
图中各附图标记为：下表层1、中间层2、PVC泡沫板2a、圆形通孔21、缺口22、上表层3、车身4、碳纤维预浸料层5a、玻璃纤维预浸料层5b。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
申请人认为，传统的碳纤维复合材料截面惯性矩偏低导致强度不足，容易将碳纤维夹层板压塌、变形，难以加装在车身上；同时，上述材料在制造车身时由于工艺问题导致碳纤维复合夹层压得不实，反映在最终成型的车身质量上，并且力学性能也不够。
为此，本发明通过设计一种碳纤维复合材料夹层，旨在保证刚度和强度的前提下节省成本。中间层的PVC泡沫夹层板上的圆形通孔能够让流动的环氧树脂胶填充，等到环氧树脂胶完全固化，支撑上表层和下表层，起到加强筋的作用，提高了整体夹层的抗压性。借助中间PVC泡沫板的截面惯性矩，极大提高了复合材料的力学性能。提高了碳纤维复合材料夹层制作车身的安全性。
下面结合附图对该发明做出具体说明：
实施例一：
如图1和图2，本发明运用碳纤维复合夹层材料在制造车身4，其中碳纤维复合夹层材料结构包含上表层3，其中上表层3分别有玻璃纤维层和碳纤维层、带圆形形通孔的PVC泡沫板2a作为中间层2，上表层3也有玻璃纤维层和碳纤维层，在上表层3、中间层2、下表层1以及各个预浸料之间含有热塑树脂。热塑树脂为环氧树脂胶，在PVC泡沫板2a的圆形通孔21内固化起到加强筋的作用，在PVC泡沫板2a和两侧预浸料之间起到黏贴压合的目的，在各层预浸料之间也起到黏贴压合的目的。
需要说明的是，上述碳纤维复合夹层材料在制造车身4的过程中，PVC泡沫板2a的截面矩和其中加强筋在作用，使其本身有着较为理想的力学性能，使用螺栓连接时，不会被螺栓压塌，变形。在PVC泡沫板2a从四周以对角线为长轴分别向内开出半个椭圆形的缺口22是为了方便PVC泡沫板2a的折叠和弯曲，为下面制作车身4做准备。
上述碳纤维复合夹层材料在制造车身4时需要经历以下步骤，如图5和图6：
步骤一，制作出车身4的模具，将模具表面用无水酒精擦拭干净，涂上脱模蜡，方便车身4制造完成后的脱模步骤。
步骤二，在PVC泡沫板2a上打上边长为2-3mm的圆形通孔21，所述圆形通孔21在所述PVC泡沫板2a上按间距为20-30mm的矩形阵列排列，从四周以对角线为长轴分别向内开出半个椭圆形的缺口22。准备好与模具面积略大的PVC泡沫板2a，一些没法用整块PVC泡沫板2a的地方用小块PVC泡沫板2a拼接起来；一些多余的PVC泡沫板2a尽量按照车身4磨具表面进行裁剪。将PVC泡沫板2a通过热风枪高温处理，使得PVC泡沫板2a弯曲基本贴合模具。将碳纤维预浸料层5a和玻璃纤维预浸料层5b裁剪成能包裹整个车身4的大小和形状，确定此次制造车身4需要的预浸料层数。准备好能包裹车身4的脱模布与毛毡。
步骤三，在模具上刷上一层环氧树脂胶，把步骤二准备好的预浸料铺在模具上，用滚轮将多余的气泡挤出，使得预浸料完全贴合在模具上，第一层预浸料铺上后，继续刷一层环氧树脂胶，铺下一层预浸料，重复上述步骤。按照下表层1从外到内逐层铺到步骤二确定好的下表层1层数。
步骤四，下表层1铺完后，由于挤出了全部的气泡，预浸料很薄，步骤二准备的带圆形通孔21的PVC泡沫版基本还是能贴合模具，铺上PVC泡沫板2a后刷上比步骤三多的环氧树脂胶，确保圆形通孔21内充满环氧树脂胶，表面也涂有树脂胶。重复步骤三的操作，直至将上表层3铺完，上表层3预浸料层数与下表层1层数相同，预浸料顺序关于中间PVC泡沫版位置对称。
步骤五，将步骤二处理过的脱模布铺在上表层3上，将步骤二处理过的毛毡铺在脱模布上，将整个车身4装入PE真空袋，用3M的蛇胶密封住PE真空袋，留出2-3个小孔连接抽气泵的导管，小孔与抽气泵导管也用蛇胶粘住密封。启动抽气泵，真空袋内的空气被抽走，真空袋变成真空，大气压将各层预浸料，PVC泡沫板2a，脱模布，毛毡与模具贴合在一起，压紧粘合。多余的环氧树脂胶析出，被毛毡吸收，将进一步能够减轻碳纤维复合材料夹层车身4的重量。
在抽真空的过程中，将整个车身4搬运到烤箱以60℃的温度下整体加热120分钟以上，确保环氧树脂胶流动性，能够充满预浸料与PVC泡沫板2a的每一个角落，起到完全黏贴粘合的目的，通过加温加压的方法制备车身4，令碳纤维复合夹层材料压实，提高力学性能。
步骤六，将步骤五处理好的车身4搬出烤箱，冷却12小时以上，等到环氧树脂胶完全硬化，脱模得到最终车身4。表层去除多余边角料，通过打磨，抛光让表面变得更加光滑。
实施例二：
如图3和图4，本发明所提出的车身4，可以直接制造承载式车身4，打破传统纯碳纤维结构车辆都要设计车架的固有思维，其原因就是这种碳纤维夹层材料制造的车身4具有更好的力学性能，更高的强度和刚度，实验证明，用碳纤维夹层材料制造的车身4平放在地上，2个人直接站在车身4上不会有任何问题，在车身4最牢固的地方甚至站上3个人车身4都不会发生形变，这一切都得益于环氧树脂在孔中形成的加强筋、PVC泡沫本身的截面惯性矩还有碳纤维材料的强度高、重量轻。
如图3，流线型的车身4一般会使整车的风阻系数大幅度降低，一般纯碳纤维制作板材时，其力学性能是最好的，但是将碳纤维层进行弯折，制作曲面时，其强度和刚度必定会有所下降，导致制作出来的车身4虽然重量轻，但是在遭受碰撞冲击时碳纤维丝束容易发生断裂和损伤。将碳纤维层与PVC泡沫板2a组合起来使用，就可以利用PVC泡沫板2a的压缩强度高的特点，在遭受冲击时，令碳纤维夹层材料车身4不容易发生形变。完整的PVC泡沫板2a由于其本身有一定的刚度，所以想要令其弯曲也没有那么容易，所以，在制造车身4时，PVC泡沫板2a上的孔就能降低其原本的刚度，让PVC泡沫板2a能够随意弯折，配合热风枪的温度，PVC泡沫板2a就能随意塑性，这对制造流线型车身4十分重要。
本发明将碳纤维复合夹层材料运用到车身4中，用碳纤维强度高，重量轻的特点，又加入玻璃纤维和PVC夹层PVC泡沫板2a，在保证刚度和强度的前提下节省了成本。由于PVC泡沫版中打有圆形通孔21，是的环氧树脂胶能够在圆形孔内填充完全后固化，成为加强筋，有一次增加了材料的局部抗压能力，使得夹层板在普通螺栓连接时也不会被压塌和变形。运用这种材料制作车身4，使得车辆更轻，更安全，更节能。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (10)

1.一种碳纤维复合材料夹层，其特征是：从下到上依次为下表层，叠加在所述下表层上的中间层，以及叠加在所述中间层上的上表层。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料夹层，其特征在于：所述中间层为PVC泡沫板，所述PVC泡沫板上设有多个直径为2-3mm的圆形通孔，所述圆形通孔在所述PVC泡沫板上按间距为20-30mm的矩形阵列。
3.根据权利要求2所述的一种碳纤维复合材料夹层，其特征在于：所述上表层依次排列为若干层上层玻璃纤维预浸料层和若干层上层碳纤维预浸料层，所述上层玻璃纤维预浸料层与所述PVC泡沫板接触，所述上层碳纤维预浸料层与所述上层玻璃纤维预浸料层接触。
4.根据权利要求3所述的一种碳纤维复合材料夹层，其特征在于：所述下表层为若干层下层玻璃纤维预浸料层和若干层下层碳纤维预浸料层，所述下层玻璃纤维预浸料层和下层碳纤维预浸料层的层数与分别与所述上层玻璃纤维预浸料层和上层碳纤维预浸料层的层数相同，并与所述上表层和PVC泡沫层对称排布。
5.根据权利要求4所述的一种碳纤维复合材料夹层，其特征在于：每两层浸料层之间均有热塑树脂，所述热塑树脂为环氧树脂胶。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料夹层，其特征在于：所述中间层从四周以对角线为长轴分别向内开出半个椭圆形的缺口。
7.根据权利要求2所述的一种碳纤维复合材料夹层，其特征在于：所述PVC泡沫板热弯成车身的形状，并使其弯曲轮廓与车身的轮廓一致。
8.一种采用碳纤维复合材料夹层制造车身的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、制作出车身的模具，将模具表面用无水酒精擦拭干净，涂上脱模蜡，方便车身制造完成后的脱模步骤；
步骤2、在PVC泡沫板上打上边长为2-3mm的圆形通孔，圆形通孔按间距为20-30mm的矩形阵列，从四周以对角线为长轴分别向内开出半个椭圆形的缺口；
步骤3、在模具上刷上一层环氧树脂胶，把步骤2中准备好的预浸料铺在模具上，用滚轮将多余的气泡挤出，使得预浸料完全贴合在模具上，第一层预浸料铺上后，继续刷一层环氧树脂胶，铺下一层预浸料，重复上述步骤；按照下表层从外到内逐层铺到步骤二确定好的下表层层数；
步骤4、下表层铺完后，铺上PVC泡沫板，随后刷上环氧树脂胶，确保圆形通孔内充满环氧树脂胶，表面也涂有树脂胶；重复步骤3的操作，直至将上表层铺完，上表层预浸料层数与下表层层数相同，预浸料顺序关于中间PVC泡沫版位置对称；
步骤5、将步骤2处理过的脱模布铺在上表层上，将步骤2处理过的毛毡铺在脱模布上，将整个车身装入PE真空袋，用3M的蛇胶密封住PE真空袋，留出2-3个小孔连接抽气泵的导管，小孔与抽气泵导管也用蛇胶粘住密封；启动抽气泵，将真空袋抽真空，大气压将各层预浸料、PVC泡沫板、脱模布、毛毡与模具贴合在一起，压紧粘合；
步骤6、将步骤5处理好的车身搬出烤箱，冷却12小时以上，等到环氧树脂胶完全硬化，脱模得到最终车身。
9.根据权利要求8所述的一种采用碳纤维复合材料夹层制造车身的方法，其特征在于，所述步骤2进一步包括：准备好比模具面积大的PVC泡沫板，无法采用整块泡沫板的地方采用小块泡沫板拼接，多余泡沫板按照车身模具表面进行裁切，将泡沫板通过热风枪高温处理，使得泡沫板弯曲基本贴合模具；将碳纤维预浸料层和玻璃纤维预浸料层裁剪成能包裹整个车身的大小和形状，确定此次制造车身需要的预浸料层数，并准备好能包裹车身的脱模布与毛毡。
10.根据权利要求8所述的一种采用碳纤维复合材料夹层制造车身的方法，其特征在于，所述步骤5进一步包括：在抽真空的过程中，将整个车身搬运到烤箱以60℃的温度下整体加热120分钟以上，确保环氧树脂胶流动性，能够充满预浸料与泡沫板的每一个角落，起到完全黏贴粘合的目的，通过加温加压的方法制备车身，令碳纤维复合夹层材料压实，提高力学性能。
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