CN111469446B - 一种汽车复合材料防火电池箱的快速成型方法 - Google Patents

一种汽车复合材料防火电池箱的快速成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种汽车复合材料防火电池箱的快速成型方法，属于电池应用技术领域。通过使用高性能连续纤维织物及合理的结构铺层设计，可极大程度实现电池箱体的轻量化，同时复合材料部件成型时采用防火层材料、快速固化阻燃树脂与高性能纤维织物一次性固化成型，达到更好的阻燃防火及隔热效果；通过使用高性能纤维织物及合理的结构铺层设计，可极大程度实现电池箱体的轻量化；通过RTM工艺快速固化一体成型方式，实现节拍时间短，简化工艺步骤，达到满足轻量化和防火要求的同时，成本大幅降低。

Description

一种汽车复合材料防火电池箱的快速成型方法
技术领域
本发明属于电池应用技术领域，具体涉及一种拥有耐火性能的复合材料电池箱体的快速成型方法。
背景技术
随着电动汽车市场的持续增长和电池系统安全性、能量密度比要求的不断提高，对电池箱的轻量化和防火等性能提出了更高的要求。电池箱的上盖和下箱体作为电池箱的重要组成部分，为了满足更高的轻量化要求，电池箱箱体的材质经历了钢、铝合金、玻纤SMC，以及高性能连续纤维复合材料，其中高性能连续纤维拥有更高的比强度和比模量，从而实现减重。但随着电池箱关于热失控方面的新国标要求，原先单一材质均难以同时满足轻量化和热失控防火要求，如金属材质部件表面附加涂层的方式存在易剥离风险；铝合金、玻纤SMC材质部件均难以单一材质满足热失控新国标要求。为了实现箱体部件的轻量化和热失控防火均满足要求，需要从材料选择及实施工艺上同时兼顾。
目前的解决方案较多侧重于通过单一的增加某种类型的防火功能层来实现电池箱体的防火要求，一方面较难兼顾结构减重的需求，另一方面其有限的防火性能也难以满足日益提升的防火耐温要求；另一方面，实施的工艺也较为复杂，往往需要二次成型或是较高的成型温度，带来较高的能耗、成本及较长的节拍时间，较难满足产品量产节拍和成本要求以应对不断增长的市场供应需求。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种可快速一次成型，且同时兼具更好的耐火耐温性、经济性，及轻量化的电池箱体的成型方法。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种汽车复合材料防火电池箱体，包括表面防火层与织物复合材料层；
所述织物复合材料层由阻燃树脂和结构增强材料组成，所述结构增强材料为高性能连续纤维，包括但不仅限于玻璃纤维织物、碳纤维织物或混合纤维织物，厚度为0.2mm~4mm；
所述表面防火层是以无序纤维作为载体，添加膨胀石墨、高温矿物纤维和有机粘结剂组成的毡，其厚度为0.1mm~1.5mm。
进一步地，所述无序纤维为玻璃纤维或陶瓷纤维。
上述电池箱体的成型方法，包括以下步骤：
步骤1，将结构增强材料织物和防火层按顺序铺叠，得到叠层料块；
步骤2，将步骤1的叠层料块进行处理，使两层材料连结形成连结体；
步骤3，将步骤2的连结体置于模具内进行预成型处理，得到成型的预制体；
步骤4，将步骤3的预制体置入模具中，合模后抽真空，注入预热的阻燃树脂，注完后在保温、保模压的条件下静置，得到复合材料防火电池箱体。
进一步地，步骤1中的顺序是指防火层为成型后箱体产品的表层。
进一步地，步骤2中采用局部加热的方式对叠层料块进行处理使两层材料连结形成连结体。
进一步地，步骤3中按照电池箱体形状对连结体进行预成型处理。
进一步地，步骤4中是采用RTM工艺快速固化一体成型，注入阻燃树脂材料的压力为中压5~30bar或高压30~150bar。
进一步地，步骤4中模具温度为70℃~150℃，静置时间小于6min。
本发明提供了一种复合材料电池箱体部件的成型方案，通过使用高性能连续纤维织物及合理的结构铺层设计，可极大程度实现电池箱体的轻量化，同时复合材料部件成型时采用防火层材料、快速固化阻燃树脂与高性能纤维织物一体固化成型，达到更好的阻燃防火及隔热效果；通过使用高性能纤维织物及合理的结构铺层设计，可极大程度实现电池箱体的轻量化；通过采用RTM工艺快速固化一体成型方式，实现节拍时间短，简化工艺步骤，达到满足轻量化和防火要求的同时，成本大幅降低。
采用本发明的快速成型工艺，可实现材料、结构和功能一体化，有效解决现有技术中存在的缺陷，并更好的迎合市场需求。
具体实施方式
本发明提供了一种汽车复合材料防火耐温电池箱的成型方法，所述电池箱的结构包括表面防火层与织物复合材料层，使用RTM工艺快速固化一体成型，RTM工艺为本领域所熟知的树脂转移模塑成型，包括但不仅限于HP-RTM、LP-RTM、C-RTM及S-RTM等其他同类RTM工艺形式。其中防火层为高温激活式膨胀材料，在180℃~230℃的激活温度下进行原防火层厚度≥3倍的膨胀，形成稳定的惰性材料层从而有效隔绝火焰与高温，其厚度为0.1mm~1.5mm；织物复合材料层采用高性能连续纤维织物以提供结构强度，其纤维种类包括碳纤维、玻璃纤维及混合纤维等；采用中/高压注射含阻燃成分的快速固化树脂体系浸润成型模具中的纤维织物，在一定温度和压力下实现快速固化成型达到与防火层一体成型，形成界面性能优良且具备阻燃效果的复合材料结构部件，其厚度为0.2mm~4mm。
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。
实施例1
一种汽车复合材料电池箱防火箱体，由复合材料层和防火层构成。
电池防火箱体包含阻燃树脂作为基体材料，在本实施例中采用磷系无卤阻燃聚氨酯快速固化树脂作为基体材料；
复合材料层由玻璃纤维织物或碳纤维织物或混合纤维织物作为复合材料层的结构增强材料，其厚度为0.2mm~4mm；
防火层是由无序纤维作为载体，包括玻璃纤维或陶瓷纤维等，添加膨胀石墨、高温矿物纤维，并配合少量的有机粘结剂组成的毡，其厚度为0.1mm~1.5mm。
其工艺制备方法包括以下步骤：
S1：备料：将上述纤维织物及防火层按制定的铺叠顺序装置在料卷辊上，其中防火层按铺叠顺序应为成型后产品的表层；
S2：叠层及裁切：将料卷辊上织物的在展料台上进行对齐、展料和叠放，而后裁切为料块；
S3：料块连结：将裁切好的叠层料块用局部加热的各层材料连结为一个可抓取的整体；
S4：预成型：将上述的整体料块抓取至已预热的平台上进行加热，温度达到织物上撒粉材料的熔融温度，随后将其抓取至预成型模具内而后合模并进行冷压预成型，再将成型的预制体抓取至预成型工装上并对余边进行裁剪；
S5：中/高压注射：将裁剪好的预制体置入温度为70℃~150℃的恒温压机模具中，依次进行合模、锁模和抽真空，并注射入按比例充分预热混合的树脂、固化剂及内脱模剂，在本实施例中，配比为100：（90~120）：（1~4），其注射压力可为高压30~150bar，或中压5~30bar；
S6：固化：待上述的注射步骤完成后保持合模，保温，保模压≤6min以使模具内的注射料进行固化；
S7：上述步骤完成后进行冷却和顶出，并取出完成的电池箱体产品。
上述步骤均可选择自动化生产以最大程度的实现去人工化操作，从而缩短生产节拍，大幅度提高了生产效率，同时也提升了生产的稳定性和产品质量。上述S1~S7为一个件的生产节拍，时间为≤10min。
从产品的防火层表面进行烧蚀，在经受1000℃/5min的烧蚀后仍不会出现烧穿、纤维断裂、结构坍塌等现象，且产品外侧的表面温度维持在＜300℃。
实施例2
一种汽车复合材料电池箱防火箱体，由复合材料层和防火层构成。
电池防火箱体包含快速固化树脂添加阻燃剂作为基体材料，在本实施例中采用快速固化环氧树脂添加氢氧化铝作为基体材料，环氧树脂与氢氧化铝的配比为100：（3~10）；
复合材料层由玻璃纤维织物或碳纤维织物或混合纤维织物作为复合材料层的结构增强材料，其厚度为0.2mm~4mm;
防火层是由无序纤维作为载体，包括玻璃纤维或陶瓷纤维等，添加膨胀石墨、高温矿物纤维，并配合少量的有机粘结剂组成的毡，其厚度为0.1mm~1.5mm。
其工艺制备方法包括以下步骤：
S1：备料：将上述纤维织物及防火层按制定的铺叠顺序装置在料卷辊上，其中防火层按铺叠顺序应为成型后产品的表层；
S2：叠层及裁切：将料卷辊上织物的在展料台上进行对齐、展料和叠放，而后裁切为料块；
S3：料块连结：将裁切好的叠层料块用局部加热的各层材料连结为一个可抓取的整体；
S4：预成型：将上述的整体料块抓取至已预热的平台上进行加热，温度达到织物上撒粉材料的熔融温度，随后将其抓取至预成型模具内而后合模并进行冷压预成型，再将成型的预制体抓取至预成型工装上并对余边进行裁剪；
S5：中/高压注射：将裁剪好的预制体置入温度为70℃~150℃的恒温压机模具中，依次进行合模、锁模和抽真空，并注入按充分预热混合的环氧树脂、氢氧化铝、固化剂及内脱模剂，配比为100：（3~10）：（20~40）：（1~4），其注射压力可为高压30~150bar，或中压5~30bar;
将裁剪好的预制体置入温度为70℃~150℃的恒温压机模具中，依次进行合模、锁模和抽真空，并注入按充分预热混合的环氧树脂、氢氧化铝、固化剂及内脱模剂，配比为100：（3~10）：（20~40）：（1~4），其注射压力可为高压30~150bar，或中压5~30bar;
S6：待上述注射的树脂充模完成后则保持＜10min的时间以待树脂固化；
S7：上述步骤完成后进行冷却和顶出，并取出完成的电池箱体产品。
上述步骤均可选择自动化生产以最大程度的实现去人工化操作，从而缩短生产节拍，大幅度提高了生产效率，同时也提升了生产的稳定性和产品质量。上述S1~S7为一个件的生产节拍，时间为≤10min。
从产品的防火层表面进行烧蚀，在经受1000℃/5min的烧蚀后仍不会出现烧穿、纤维断裂、结构坍塌等现象，且产品外侧的表面温度维持在＜300℃。

Claims (4)

1.一种汽车复合材料防火电池箱体的成型方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，将结构增强材料织物和防火层按顺序铺叠，得到叠层料块；
步骤2，将步骤1的叠层料块进行处理，使两层材料连结形成连结体；
步骤3，将步骤2的连结体置于模具内进行预成型处理，得到成型的预制体；
步骤4，将步骤3的预制体置入模具中，合模后抽真空，注入预热的阻燃树脂，注完后在保温、保模压的条件下静置，得到复合材料防火电池箱体；
所述结构增强材料织物包括但不仅限于玻璃纤维织物、碳纤维织物或混合纤维织物，厚度为0.2mm~4mm；
所述防火层是以无序纤维作为载体，添加膨胀石墨、高温矿物纤维和有机粘结剂组成的毡，厚度为0.1mm~1.5mm，所述无序纤维为玻璃纤维或陶瓷纤维；
步骤4中是采用RTM工艺快速固化一体成型，注入阻燃树脂的压力为中压5~30bar或高压30~150bar，模具温度为70℃~150℃，静置时间小于6min。
2.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于：步骤1中的铺叠顺序是指防火层为成型后箱体产品的表层。
3.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于：步骤2中采用局部加热的方式对叠层料块进行处理使两层材料连结形成连结体。
4.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于：步骤3中按照电池箱体形状对连结体进行预成型处理。
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