CN111186146A - Cfrp/高强钢烘烤硬化热冲压共固化一体化成形方法 - Google Patents

Cfrp/高强钢烘烤硬化热冲压共固化一体化成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种CFRP/高强钢烘烤硬化热冲压共固化一体化成形方法，包括以下步骤：先将具有烘烤硬化特性的高强钢板材进行表面粗糙化处理，之后将其与快速固化的碳纤维预浸料叠层，置于热冲压模具中进行第一次升温、成形及保温过程，一段时间后进行第二次升温及保温过程，同时完成CFRP/高强钢复合结构的共固化和高强钢的烘烤硬化。该方法可以实现CFRP预浸料/高强钢的一体化成形，显著提高复合结构的强度和韧性，同时有效缩短工艺流程，降低制造成本，提高生产效率。

Description

CFRP/高强钢烘烤硬化热冲压共固化一体化成形方法
技术领域
本发明涉及一种CFRP/高强钢烘烤硬化热冲压共固化一体化成形方法，具体涉及一种CFRP预浸料/高强钢复合结构烘烤硬化-热冲压共固化一体化成形方法，属于板材成形技术领域。
背景技术
随着车身轻量化和碰撞安全性标准的日益严格，高强钢在车身材料中的占比不断增加，高强钢板材强度的提升会给成形过程造成很大困难，在其冲压过程中往往存在变形抗力大、回弹严重、伸长率低、尺寸难以控制等问题。烘烤硬化是高强钢的一种材料特性，在一定温度下进行一定时间的烘烤后，钢材的屈服强度和抗拉强度得到显著提高，具有优良的抗凹陷性和吸能表现，在近年来得到了越来越多的关注和研究，其产品也广泛应用于汽车内外结构安全件。
目前常见的具有烘烤硬化性能的钢板主要包括沸腾钢、双相钢、含磷铝镇静钢、相变诱导塑性钢和超低碳烘烤硬化钢等。其烘烤硬化的机理是通过在钢中加入适量的铌或钛，使碳、氮原子绝大部分被固定为碳氮化合物，在施加一定的预变形后，钢板内的位错密度大幅增加，在随后的烤漆过程中温度升高，随机固溶的碳、氮原子热激活能增加，通过短程扩散偏聚到位错周围形成柯氏气团，钉扎位错使钢板的屈服强度得到提升。烘烤硬化过程使得钢板具有更高的强度和优良的服役性能，符合轻量化的发展要求，成为当今汽车车身用材的研究热点之一。但是由于钢材密度较大，难以实现进一步减重效果，无法满足日益苛刻的车身轻量化需求。
碳纤维复合材料预浸料是由环氧树脂基体和碳纤维增强体复合而成的结构材料，具有低密度、高比强度、高比模量、耐疲劳、耐腐蚀、良好的热稳定性与化学稳定性等优异的力学性能，能够大量减少车身结构的装配零件数量，相比其他轻质材料获得更理想的减重效果，在车身结构件及覆盖件中具有广阔的应用前景。另一方面，现有的碳纤维原丝成本较高，断裂延伸率低，碳纤维复合材料冲击韧性和碰撞吸能性差；同时传统的热压罐或RTM成形工艺设备要求高，工艺流程复杂，固化时间长，导致其生产效率无法满足车用零部件大规模工业化的生产需求。较高的材料和制造成本极大地限制了碳纤维复合材料在汽车制造领域的推广和应用，发展一种低成本高效率的成形工艺具有十分重要的意义。
据检索，现有技术中，专利文献CN106891511A中记载了一种金属与碳纤维预浸料复合材料构件的温热成形装置及方法，其记载了先对钢板和碳纤维预浸料坯分别加热，然后将钢板和碳纤维预浸料坯放入模具并使两种材料接触，然后通过同步冲压成形制备得到复合材料。该方法重点介绍了一种复合材料构件的成形装置，对成形工艺条件并未详细讨论；在成形过程中分别将碳纤维预浸料和钢板加热至成形温度，由于热固性树脂在加热时会发生交联反应固化，该方法仅适用于热塑性树脂基预浸料，并不适用于热固性树脂基预浸料；高强钢板在利用线圈进行感应加热时并未产生足够的预应变，在成形结束之后并未进行足够时间的保温阶段，很难产生明显的烘烤硬化效应，其强度无法得到进一步提高；高强钢表面未进行粗糙化处理，使得成形之后CFRP与钢板之间结合力较差，容易发生界面开裂而失效；由于高强钢板材的冲压力较大，凸模与碳纤维预浸料直接接触容易导致碳纤维受到损伤，预浸料中的树脂在冲压过程中挤出，影响成形质量。
发明内容
本发明的目的是针对以上问题，提供一种CFRP/高强钢烘烤硬化热冲压共固化一体化成形方法，具体为一种CFRP/高强钢复合结构烘烤硬化-热冲压共固化一体化的成形方法，提高CFRP/高强钢复合结构的刚度和强度，同时缩短工艺流程，降低制造成本，提高生产效率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种CFRP/高强钢烘烤硬化热冲压共固化一体化成形方法，包括以下步骤：
S1、将高强钢板材进行表面粗糙化处理；
S2、将碳纤维预浸料与高强钢板材按照高强钢/预浸料/高强钢的顺序叠层，使碳纤维预浸料的上下面分别与高强钢板材粗糙化处理后的表面接触；
S3、将步骤S2形成的高强钢/预浸料/高强钢层合板放置入模具中，适当闭合模具，使模具的压力圈与层合板相接触即可；
S4、对模具进行加热，使模具温度达到60-90℃时合模，保温成形；
S5、继续对模具加热，使模具的温度达到100-250℃，再保温，完成高强钢/预浸料/高强钢层合板的共固化过程以及高强钢的烘烤硬化过程；
S6、将步骤S5处理后得到的CFRP/高强钢制件从模具中取出空冷，即得所述CFRP/高强钢复合结构。
优选地，步骤S1中，所述高强钢板材为具有烘烤硬化特性的高强钢板材，具体包括沸腾钢、双相钢、含磷铝镇静钢、相变诱导塑性钢、超低碳烘烤硬化钢。
优选地，步骤S1中，所述粗糙化处理包括表面喷砂处理、阳极氧化处理中的至少一种。
优选地，步骤S2中，所述碳纤维预浸料为快速固化碳纤维预浸料，指固化时间在15min以内的碳纤维预浸料，例如山东江山纤维科技有限公司生产的型号为CFSJ-1000Z的碳纤维预浸料。
优选地，步骤S3中，所述高强钢/预浸料/高强钢层合板放入模具时，使上下两层高强钢板材的外表面分别与模具的压边圈和下模表面接触。
优选地，步骤S3中，所述升温速率为3-5℃/min，60-90℃的条件下保温3-5min。
优选地，步骤S4中，所述升温速率为3-5℃/min，所述100-250℃的条件下保温10-30min。
优选地，步骤S4中，所述继续加热模具时，保持模具压力为0.3-0.7MPa。
本发明还提供了一种根据前述的成形方法制备的CFRP/高强钢复合结构。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)CFRP/高强钢复合结构可以综合CFRP与高强钢两种材料的优点。CFRP在保证复合结构具有良好的刚度和强度的同时，可以显著降低复合结构的整体质量；高强钢可以有效改善复合结构的断裂韧性和碰撞吸能特性；
(2)热冲压共固化工艺可以实现CFRP与高强钢之间的快速一体化成形，预浸料中的基体树脂可以作为粘接剂完成CFRP与高强钢的无损连接；
(3)高强钢表面进行粗糙化处理可以增大高强钢与树脂之间的接触面积，同时在两者的界面间形成一定的机械啮合作用，有效提升高强钢与树脂之间的结合强度；
(4)在预浸料上方和下方各有一层高强钢板，一方面可以使加热过程中沿厚度方向温度分布更为均匀，避免因局部过热影响CFRP的综合力学性能，另一方面上下两层高强刚板对中间层的预浸料也会起到一定的保护作用，避免预浸料在冲压成形过程中受到损伤；
(5)通过模具表面的热传递来加热高强钢/预浸料/高强钢层合板可以保证模具表面与层合板表面始终处于热平衡状态，避免在成形过程中模具与层合板发生剧烈的热交换影响成形质量；
(6)温度升高时高强钢的塑性会得到明显改善，在60-90℃条件下成形可以有效减小成形过程中的变形抗力，提升尺寸精度；另一方面在固化前树脂的粘度会随着温度的升高而降低，在60-90℃条件下树脂更容易流入高强钢粗糙表面的凹陷中，使两者界面结合更为紧密；
(7)将升温速率控制为3-5℃/min，同时采用阶梯升温的方式可以避免树脂固化反应过于激烈，在反应过程中急剧放热产生较大的热应力，影响复合结构的成形质量和力学性能；
(8)高强钢在温成形之后产生一定的预应变，位错密度增大，在共固化过程中温度升高，碳氮原子更容易偏聚到位错附近起到钉扎位错的作用，提升烘烤硬化的强化效果；
(9)预浸料基体树脂的固化和高强钢的烘烤硬化利用同一套热成形模具完成，可以避免引入多余的工序，有效提升工艺效率，缩短成形周期，降低制造成本。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为CFRP/高强钢复合结构烘烤硬化-热冲压共固化一体化成形方法的工艺流程图；
图2为不同工艺条件下制得的CFRP/DP980复合结构的界面形貌；其中，图2(a)为实施例1制得的复合结构；图2(b)为实施例2制得的复合结构；图2(c)为实施例3制得的复合结构；图2(d)为实施例4制得的复合结构。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
以下实施例提供了一种CFRP/高强钢复合结构烘烤硬化-热冲压共固化一体化成形方法，其工艺流程如图1所示，主要包括以下几个阶段：
(1)使用具有烘烤硬化特性的高强钢板材，通过表面喷砂、阳极氧化等方式对其表面进行单面粗糙化处理；
(2)使用快速固化的碳纤维预浸料，按照高强钢/预浸料/高强钢的顺序将预浸料与高强钢铺叠成层合板，同时保证预浸料与高强钢的粗糙表面相接触；
(3)将高强钢/预浸料/高强钢层合板置于热冲压模具中，适当闭合模具使压边圈与下模分别与层合板的上下表面相接触；
(4)通过加热棒等装置对模具上下模及压边圈进行加热，通过压边圈、下模与层合板表面的接触传热来加热层合板。将模具温度以3-5℃/min的速度升高至60-90℃，之后合模成形，并在60-90℃的条件下保温3-5min；
(5)保持模具压力为0.3-0.7MPa，继续将模具温度以3-5℃/min的升温速率升高至100-250℃，并在100-250℃的条件下保温10-30min，使预浸料中的树脂完全固化，将CFRP与高强钢结合在一起，同时完成高强钢的烘烤硬化过程。
(6)将制件从热冲压模具中取出空冷，得到最后的CFRP/高强钢复合结构。
以上条件下均可制备得到结合良好的CFRP/高强钢复合结构。
具体实施例如下所示。
实施例1
本实施例采用前述的方法进行，具体步骤如下：
(1)使用具有烘烤硬化特性的双相钢DP980，通过表面喷砂方式对其表面进行单面粗糙化处理；
(2)使用快速固化的碳纤维预浸料(山东江山纤维科技有限公司生产的CFSJ-1000Z)，按照高强钢/预浸料/高强钢的顺序将碳纤维预浸料与双相钢DP980铺叠成层合板，同时保证碳纤维预浸料的上下面分别与双相钢DP980的粗糙表面相接触；
(3)将步骤(2)形成的高强钢/预浸料/高强钢层合板置于热冲压模具中，适当闭合模具使压边圈与下模分别和层合板的上下表面相接触；
(4)通过加热棒等装置对模具上下模及压边圈进行加热，通过压边圈、下模与层合板表面的接触传热来加热层合板。将模具温度以5℃/min的速度升高至90℃，之后合模成形，并在90℃的条件下保温5min；
(5)保持模具压力为0.5MPa，继续将模具温度以5℃/min的升温速率升高至120℃，并在120℃的条件下保温10min，使预浸料中的树脂完全固化，将CFRP与高强钢结合在一起，同时完成高强钢的烘烤硬化过程。
(6)将制件从热冲压模具中取出空冷，得到最后的CFRP/高强钢复合结构。
本实施例制备的CFRP/高强钢复合结构微观形貌如图2(a)所示，可以发现CFRP和DP980界面结合良好，经测试其界面强度范围为15.70-23.56MPa，平均强度为17.99MPa，证明该方法具有良好的可行性。
实施例2
本实施例采用前述的方法进行，具体步骤如下：
(1)使用具有烘烤硬化特性的双相钢DP980，通过表面喷砂方式对其表面进行单面粗糙化处理；
(2)使用快速固化的碳纤维预浸料(山东江山纤维科技有限公司生产的CFSJ-1000Z)，按照高强钢/预浸料/高强钢的顺序将碳纤维预浸料与双相钢DP980铺叠成层合板，同时保证碳纤维预浸料的上下面分别与双相钢DP980的粗糙表面相接触；
(3)将步骤(2)形成的高强钢/预浸料/高强钢层合板置于热冲压模具中，适当闭合模具使压边圈与下模分别和层合板的上下表面相接触；
(4)通过加热棒等装置对模具上下模及压边圈进行加热，通过压边圈、下模与层合板表面的接触传热来加热层合板。将模具温度以5℃/min的速度升高至90℃，之后合模成形，并在90℃的条件下保温5min；
(5)保持模具压力为0.3MPa，继续将模具温度以5℃/min的升温速率升高至120℃，并在120℃的条件下保温10min，使预浸料中的树脂完全固化，将CFRP与高强钢结合在一起，同时完成高强钢的烘烤硬化过程。
(6)将制件从热冲压模具中取出空冷，得到最后的CFRP/高强钢复合结构。
本实施例制备的CFRP/高强钢复合结构微观形貌如图2(b)所示，可以发现CFRP与DP980界面结合良好，经测试其界面强度范围为15.06-17.76MPa，平均强度为16.01MPa，证明该方法具有良好的可行性。
实施例3
本实施例采用前述的方法进行，具体步骤如下：
(1)使用具有烘烤硬化特性的双相钢DP980，通过表面喷砂方式对其表面进行单面粗糙化处理；
(2)使用快速固化的碳纤维预浸料(山东江山纤维科技有限公司生产的CFSJ-1000Z)，按照高强钢/预浸料/高强钢的顺序将碳纤维预浸料与双相钢DP980铺叠成层合板，同时保证碳纤维预浸料的上下面分别与双相钢DP980的粗糙表面相接触；
(3)将步骤(2)形成的高强钢/预浸料/高强钢层合板置于热冲压模具中，适当闭合模具使压边圈与下模分别和层合板的上下表面相接触；
(4)通过加热棒等装置对模具上下模及压边圈进行加热，通过压边圈、下模与层合板表面的接触传热来加热层合板。将模具温度以5℃/min的速度升高至90℃，之后合模成形，并在90℃的条件下保温5min；
(5)保持模具压力为0.7MPa，继续将模具温度以5℃/min的升温速率升高至120℃，并在120℃的条件下保温10min，使预浸料中的树脂完全固化，将CFRP与高强钢结合在一起，同时完成高强钢的烘烤硬化过程。
(6)将制件从热冲压模具中取出空冷，得到最后的CFRP/高强钢复合结构。
本实施例制备的CFRP/高强钢复合结构微观形貌如图2(c)所示，可以发现CFRP与DP980界面结合良好，经测试其界面强度范围为16.05-22.80MPa，平均强度为18.56MPa，证明该方法具有良好的可行性。
实施例4
本实施例采用前述的方法进行，具体步骤如下：
(1)使用具有烘烤硬化特性的双相钢DP980，通过表面喷砂方式对其表面进行单面粗糙化处理；
(2)使用快速固化的碳纤维预浸料(山东江山纤维科技有限公司生产的CFSJ-1000Z)，按照高强钢/预浸料/高强钢的顺序将碳纤维预浸料与双相钢DP980铺叠成层合板，同时保证碳纤维预浸料的上下面分别与双相钢DP980的粗糙表面相接触；
(3)将步骤(2)形成的高强钢/预浸料/高强钢层合板置于热冲压模具中，适当闭合模具使压边圈与下模分别和层合板的上下表面相接触；
(4)通过加热棒等装置对模具上下模及压边圈进行加热，通过压边圈、下模与层合板表面的接触传热来加热层合板。将模具温度以5℃/min的速度升高至90℃，之后合模成形，并在90℃的条件下保温5min；
(5)保持模具压力为0.5MPa，继续将模具温度以5℃/min的升温速率升高至150℃，并在150℃的条件下保温10min，使预浸料中的树脂完全固化，将CFRP与高强钢结合在一起，同时完成高强钢的烘烤硬化过程。
(6)将制件从热冲压模具中取出空冷，得到最后的CFRP/高强钢复合结构。
本实施例制备的CFRP/高强钢复合结构微观形貌如图2(d)所示，可以发现CFRP与DP980界面结合良好，经测试其界面强度范围为17.77-23.88MPa，平均强度为21.95MPa，证明该方法具有良好的可行性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种CFRP/高强钢烘烤硬化热冲压共固化一体化成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将高强钢板材进行表面粗糙化处理；
S2、将碳纤维预浸料与高强钢板材按照高强钢/预浸料/高强钢的顺序叠层，使碳纤维预浸料的上下面分别与高强钢板材粗糙化处理后的表面接触；
S3、将步骤S2形成的高强钢/预浸料/高强钢层合板放置入模具中，适当闭合模具，使模具的压力圈与层合板相接触即可；
S4、对模具进行加热，使模具温度达到60-90℃时合模，保温成形；
S5、继续对模具加热，使模具的温度达到100-250℃，再保温；
S6、将步骤S5处理后得到的CFRP/高强钢制件从模具中取出空冷，即得所述CFRP/高强钢复合结构。
2.根据权利要求1所述的CFRP/高强钢烘烤硬化热冲压共固化一体化成形方法，其特征在于，步骤S1中，所述高强钢板材为具有烘烤硬化特性的高强钢板材，具体包括沸腾钢、双相钢、含磷铝镇静钢、相变诱导塑性钢、超低碳烘烤硬化钢。
3.根据权利要求1所述的CFRP/高强钢烘烤硬化热冲压共固化一体化成形方法，其特征在于，步骤S1中，所述粗糙化处理包括表面喷砂处理、阳极氧化处理中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的CFRP/高强钢烘烤硬化热冲压共固化一体化成形方法，其特征在于，步骤S2中，所述碳纤维预浸料为快速固化碳纤维预浸料。
5.根据权利要求1所述的CFRP/高强钢烘烤硬化热冲压共固化一体化成形方法，其特征在于，步骤S3中，所述高强钢/预浸料/高强钢层合板放入模具时，使上下两层高强钢板材的外表面分别与模具的压边圈和下模表面接触。
6.根据权利要求1所述的CFRP/高强钢烘烤硬化热冲压共固化一体化成形方法，其特征在于，步骤S3中，所述升温速率为3-5℃/min，60-90℃的条件下保温3-5min。
7.根据权利要求1所述的CFRP/高强钢烘烤硬化热冲压共固化一体化成形方法，其特征在于，步骤S4中，所述升温速率为3-5℃/min，所述100-250℃的条件下保温10-30min。
8.根据权利要求1所述的CFRP/高强钢烘烤硬化热冲压共固化一体化成形方法，其特征在于，步骤S4中，所述继续加热模具时，保持模具压力为0.3-0.7MPa。
9.一种根据权利要求1-8任一项所述的成形方法制备的CFRP/高强钢复合结构。
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