CN111469601A - 一种三维编织热塑性复合材料汽车轮圈及其制备与应用 - Google Patents

一种三维编织热塑性复合材料汽车轮圈及其制备与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三维编织热塑性复合材料汽车轮圈及其制备与应用，属于热塑性复合材料汽车结构部件领域，该汽车轮圈包括三部分组成：三维混杂纤维编织汽车轮毂、单向/三维混杂编织复合材料结构轮辐、缠绕/三维混杂编织复合材料结构轮辋。其中三维混杂纤维编织轮毂采用混杂纤维的多维度编织结构增强；单向/三维混杂编织复合材料结构轮辐其中芯部采用单向纤维热固性树脂拉挤成型骨架制备，外部利用三维混杂纤维编织结构增强；缠绕/三维混杂编织复合材料结构轮辋的芯部采用单向纤维热固性树脂缠绕成型形成骨架，外部利用三维编织结构增强。最终在织物结构整体成型后，通过热塑性树脂高温高压注射成型或采用特定低粘度热塑性树脂真空灌注一体成型。

Description

一种三维编织热塑性复合材料汽车轮圈及其制备与应用
技术领域
本发明属于一种热塑性复合材料汽车结构部件，特别涉及一种三维编织增强结构的热塑性树脂基体的复合材料汽车轮圈结构。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
目前的汽车轮圈基本为金属材料，采用轻质铝合金材料为主，仅仅在部分高性能汽车和运动型赛车中为了实现轻量化和速度要求，采用了碳纤维复合材料轮圈。随着汽车配件技术的不断发展，对于汽车的轻量化和速度提升提出了更高的研究要求，因此利用碳纤维增强的复合材料制备汽车轮圈，成为目前汽车部件研究的热点。目前轻质铝合金虽然比钢铁合金的密度小，但对于汽车轻量化的需求仍然无法满足，而二维复合材料热固性树脂复合材料作为汽车轮圈材料，无法根本解决层间强度薄弱的问题，而且在加工效率方面也无法满足大规模生产。但发明人发现：对于短切纤维采用注塑或模压工艺制备的复合材料汽车轮圈部件，制作工艺复杂，对于较大载荷和复杂工况条件下，轮圈的连接性、整体强度稳定性以及使用寿命都无法达到可靠要求。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供了一种三维编织热塑性复合材料汽车轮圈的制备结构，该汽车轮圈包括三部分组成：三维混杂纤维编织汽车轮毂、单向/三维混杂编织复合材料结构轮辐、缠绕/三维混杂编织复合材料结构轮辋。其中三维混杂纤维编织轮毂采用混杂纤维的多维度编织结构增强；单向/三维混杂编织复合材料结构轮辐其中芯部采用单向纤维热固性树脂拉挤成型骨架制备，外部利用三维混杂纤维编织结构增强；缠绕/三维混杂编织复合材料结构轮辋的芯部采用单向纤维热固性树脂缠绕成型形成骨架，外部利用三维编织结构增强。最终在织物结构整体成型后，通过热塑性树脂高温高压注射成型或采用特定低粘度热塑性树脂真空灌注一体成型。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的第一个方面，提供了一种三维编织热塑性复合材料汽车轮圈，包括：三维混杂纤维编织汽车轮毂、单向/三维混杂编织复合材料结构轮辐、缠绕/三维混杂编织复合材料结构轮辋；
所述单向/三维混杂编织复合材料结构轮辐其中芯部采用单向纤维热固性树脂拉挤成型骨架制备，外部利用三维混杂纤维编织结构增强；
所述缠绕/三维混杂编织复合材料结构轮辋的芯部采用单向纤维热固性树脂缠绕成型形成骨架，外部利用三维编织结构增强。
三维立体编织技术是采用高性能纤维在厚度方向上增加贯穿纤维的立体编织技术，该技术通过多维度空间的纤维编织，引入了厚度的连续纤维长丝，通过纤维在轴向的高强度特性，极大的增加了Z轴方向的复合材料增强织物的强度性能，利用该技术形成的复合材料具有整体各向同性的力学结构特点。同时热塑性树脂具有热固性树脂所不具备的反复模塑的可加工灵活性。
本发明的第二个方面，提供了一种三维编织热塑性复合材料汽车轮圈的制备方法，包括：
将三维混杂纤维编织汽车轮毂、单向/三维混杂编织复合材料结构轮辐、缠绕/三维混杂编织复合材料结构轮辋的三维织物结构整体编织成型；
通过热塑性树脂高温高压注射成型或采用特定低粘度热塑性树脂体系的真空灌注一体成型。
本发明的第三个方面，提供了任一上述的三维编织热塑性复合材料汽车轮圈在汽车制造中的应用。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明制备的复合材料汽车轮圈部件，于较大载荷和复杂工况条件下，轮圈的连接性、整体强度稳定性以及使用寿命都达到可靠要求。
(2)本申请的制备方法简单、成本低、实用性强，易于规模化生产。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是三维编织热塑性复合材料汽车轮圈的结构示意图，包括三维混杂纤维编织汽车轮毂1、单向/三维混杂编织复合材料结构轮辐2、缠绕/三维混杂编织复合材料结构轮辋3三个部分，单向/三维混杂编织复合材料结构轮辐2其中芯部采用单向纤维热固性树脂拉挤成型骨架4制备，外部利用三维混杂纤维编织结构5增强；缠绕/三维混杂编织复合材料结构轮辋3的芯部采用单向纤维热固性树脂缠绕成型形成骨架6，外部利用三维编织结构7增强。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
术语解释
UHMWPE纤维是指超高分子量聚乙烯纤维。
一种三维编织热塑性复合材料汽车轮圈的制备结构，该汽车轮圈包括三部分组成：三维混杂纤维编织汽车轮毂、单向/三维混杂编织复合材料结构轮辐、缠绕/三维混杂编织复合材料结构轮辋。其中三维混杂纤维编织轮毂采用混杂纤维的多维度编织结构增强；单向/三维混杂编织复合材料结构轮辐其中芯部采用单向纤维热固性树脂拉挤成型骨架制备，外部利用三维混杂纤维编织结构增强；缠绕/三维混杂编织复合材料结构轮辋的芯部采用单向纤维热固性树脂缠绕成型形成骨架，外部利用三维编织结构增强。最终在织物结构整体成型后，通过热塑性树脂高温高压注射成型或采用特定低粘度热塑性树脂真空灌注一体成型。
所述的三维混杂纤维编织汽车轮毂可采用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向等多种编织技术进行增强织物结构成型，增强纤维丝束采用碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、UHMWPE纤维等其中的任意一种或多种进行混杂编织，混杂纤维的比例根据设计要求灵活调整。
所述的单向/三维混杂编织复合材料结构轮辐的芯部采用单向纤维热固性树脂拉挤成型骨架制备，该骨架材料的单向增强纤维采用碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等其中的任意一种，其树脂基体采用不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂等其中的任意一种，其中树脂含量控制在40-60％范围内。
所述的单向/三维混杂编织复合材料结构轮辐在芯部骨架成型基础上，在外部利用三维混杂纤维编织结构增强，所用的三维编织可选用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向等多种编织技术成型，增强纤维丝束采用碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、UHMWPE纤维等其中的任意一种或多种进行混杂编织，混杂纤维的比例根据设计要求灵活调整。
所述的缠绕/三维混杂编织复合材料结构轮辋的芯部采用单向纤维热固性树脂缠绕成型形成骨架，该骨架材料的单向缠绕增强纤维采用碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等其中的任意一种，其树脂基体采用不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂等其中的任意一种，其中树脂含量控制在40-60％范围内。
所述的缠绕/三维混杂编织复合材料结构轮辋的芯部缠绕成型骨架，可选用干法预浸带成型、湿法浸胶成型任意一种成型方式，缠绕方式可选用环向缠绕、螺旋缠绕、纵向缠绕等任意一种缠绕方式，其中环向缠绕的缠绕角控制在85-90°范围内，螺旋缠绕的缠绕角控制在45-70°，纵向缠绕的缠绕角不超过25°。
所述的缠绕/三维混杂编织复合材料结构轮辋的芯部缠绕成型骨架的外部利用三维编织结构增强，所用的三维编织可选用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向等多种编织技术成型，增强纤维丝束采用碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、UHMWPE纤维等其中的任意一种或多种进行混杂编织，混杂纤维的比例根据设计要求灵活调整。
所述的三维混杂纤维编织汽车轮毂、单向/三维混杂编织复合材料结构轮辐、缠绕/三维混杂编织复合材料结构轮辋的三维织物结构整体编织成型后，通过热塑性树脂高温高压注射成型或采用特定低粘度热塑性树脂体系的真空灌注一体成型，其中的热塑性树脂可采用聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚酰胺(PA)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚醚酮(PEEK)、环形对苯二甲酸丁二醇酯(CBT)其中的任意一种，所用的树脂成型方式和成型具体参数根据设计要求灵活调整，最终的热塑性树脂基体含量控制在40-60％范围内。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
一种三维编织热塑性复合材料汽车轮圈的制备结构，具体制备方式如下：
首先采用三维四向编织方式的碳纤维和玻璃纤维的混杂纤维三维增强织物结构形成混杂纤维编织汽车轮毂1，其中两种纤维的混杂比控制在1:1。在轮毂1与轮辋3之间制备单向/三维混杂编织复合材料结构轮辐2，该轮辐2芯部采用含量40％的不饱和聚酯树脂为基体、单向碳纤维增强的复合材料为骨架4，在骨架4外部采用三维四向编织方式的碳纤维和玻璃纤维的混杂纤维三维增强织物结构形成外部增强结构5，其中两种纤维的混杂比控制在1:1。复合材料轮辋3采用缠绕/三维混杂编织复合材料结构，其芯部采用含量45％的不饱和聚酯树脂为基体、缠绕玻璃纤维增强的复合材料为骨架6，其中该骨架6缠绕结构的制备选用湿法浸胶成型方式，选用环向缠绕成型，其中缠绕角控制在85°。复合材料轮辋3芯部骨架的外层采用三维七向编织方式的碳纤维和玄武岩纤维的混杂纤维三维增强织物结构形成外部增强结构7，其中两种纤维的混杂比控制在1:1。最终在织物结构整体成型后，通过含量60％的聚丙烯(PP)采用高温高压注射成型。
实施例2
一种三维编织热塑性复合材料汽车轮圈的制备结构，具体制备方式如下：
首先采用三维七向编织方式的芳纶纤维和碳纤维的混杂纤维三维增强织物结构形成混杂纤维编织汽车轮毂1，其中两种纤维的混杂比控制在2:1。在轮毂1与轮辋3之间制备单向/三维混杂编织复合材料结构轮辐2，该轮辐2芯部采用含量60％的乙烯基酯树脂为基体、单向碳纤维增强的复合材料为骨架4，在骨架4外部采用三维七向编织方式的芳纶纤维的混杂纤维三维增强织物结构形成外部增强结构5，其中两种纤维的混杂比控制在1:1。复合材料轮辋3采用缠绕/三维混杂编织复合材料结构，其芯部采用含量40％的环氧树脂为基体、缠绕碳纤维增强的复合材料为骨架6，其中该骨架6缠绕结构的制备选用湿法浸胶成型方式，选用螺旋缠绕成型，其中缠绕角控制在45°。复合材料轮辋3芯部骨架的外层采用三维六向编织方式的玻璃纤维和碳纤维的混杂纤维三维增强织物结构形成外部增强结构7，其中两种纤维的混杂比控制在4:1。最终在织物结构整体成型后，通过含量40％的聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)树脂采用高温高压注射成型。
实施例3
一种三维编织热塑性复合材料汽车轮圈的制备结构，具体制备方式如下：
首先采用三维六向编织方式的玄武岩纤维和碳纤维的混杂纤维三维增强织物结构形成混杂纤维编织汽车轮毂1，其中两种纤维的混杂比控制在1:4。在轮毂1与轮辋3之间制备单向/三维混杂编织复合材料结构轮辐2，该轮辐2芯部采用含量40％的环氧树脂为基体、单向玻璃纤维增强的复合材料为骨架4，在骨架外部采用三维五向编织方式的碳纤维和UHMWPE纤维的混杂纤维三维增强织物结构形成外部增强结构5，其中两种纤维的混杂比控制在3:1。复合材料轮辋3采用缠绕/三维混杂编织复合材料结构，其芯部采用含量50％的酚醛树脂为基体、缠绕碳纤维增强的复合材料为骨架6，其中该骨架6缠绕结构的制备选用湿法浸胶成型方式，选用纵向缠绕方式成型，其中缠绕角为15°。复合材料轮辋3芯部骨架的外层采用三维六向编织方式的玻璃纤维和碳纤维的混杂三维增强织物结构形成外部增强结构7，其中两种纤维的混杂比控制在1.5:1。最终在织物结构整体成型后，通过含量55％的聚苯硫醚(PPS)树脂采用特定低粘度真空灌注一体成型。
实施例4
一种三维编织热塑性复合材料汽车轮圈的制备结构，具体制备方式如下：
首先采用三维七向编织方式的碳纤维和芳纶纤维的混杂纤维三维增强织物结构形成混杂纤维编织汽车轮毂1，其中两种纤维的混杂比控制在6:1。在轮毂1与轮辋3之间制备单向/三维混杂编织复合材料结构轮辐2，该轮辐2芯部采用含量45％的乙烯基酯树脂为基体、单向玻璃纤维增强的复合材料为骨架4，在骨架外部采用三维六向编织方式的碳纤维和玄武岩纤维的混杂纤维三维增强织物结构形成外部增强结构5，其中两种纤维的混杂比控制在3:2。复合材料轮辋3采用缠绕/三维混杂编织复合材料结构，其芯部采用含量52％的环氧树脂为基体、缠绕碳纤维增强的复合材料为骨架6，其中该骨架6缠绕结构的制备选用湿法浸胶成型方式，选用环向缠绕成型，其中缠绕角控制在87°。复合材料轮辋3芯部骨架的外层采用三维四向编织方式的碳纤维和玻璃纤维的混杂纤维三维增强织物结构形成外部增强结构7，其中两种纤维的混杂比控制在5:1。最终在织物结构整体成型后，通过含量60％的聚醚酮酮(PEKK)树脂采用高温高压注射成型。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种三维编织热塑性复合材料汽车轮圈，其特征在于，包括：三维混杂纤维编织汽车轮毂、单向/三维混杂编织复合材料结构轮辐、缠绕/三维混杂编织复合材料结构轮辋；
所述单向/三维混杂编织复合材料结构轮辐中芯部采用单向纤维热固性树脂拉挤成型骨架制备，外部利用三维混杂纤维编织结构增强；
所述缠绕/三维混杂编织复合材料结构轮辋的芯部采用单向纤维热固性树脂缠绕成型形成骨架，外部利用三维编织结构增强。
2.如权利要求1所述的三维编织热塑性复合材料汽车轮圈，其特征在于，所述的三维混杂纤维编织汽车轮毂采用三维四向、三维五向、三维六向、或三维七向编织技术进行增强织物结构成型。
3.如权利要求1所述的三维编织热塑性复合材料汽车轮圈，其特征在于，所述增强纤维丝束采用碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、UHMWPE纤维中的任意一种或多种进行混杂编织。
4.如权利要求1所述的三维编织热塑性复合材料汽车轮圈，其特征在于，所述的单向/三维混杂编织复合材料结构轮辐芯部采用单向纤维热固性树脂拉挤成型骨架制备，该骨架材料的单向增强纤维采用碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、玻璃纤维中的任意一种，其树脂基体采用不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂中的任意一种，其中树脂含量控制在40-60％范围内。
5.如权利要求1所述的三维编织热塑性复合材料汽车轮圈，其特征在于，所述的单向/三维混杂编织复合材料结构轮辐的外部利用三维混杂纤维编织结构增强，所用的三维编织可选用三维四向、三维五向、三维六向、或三维七向编织技术成型，增强纤维丝束采用碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、UHMWPE纤维中的任意一种或多种进行混杂编织。
6.如权利要求1所述的三维编织热塑性复合材料汽车轮圈，其特征在于，所述的缠绕/三维混杂编织复合材料结构轮辋的芯部采用单向纤维热固性树脂缠绕成型形成骨架，该骨架材料的单向缠绕增强纤维采用碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、玻璃纤维中的任意一种，其树脂基体采用不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂中的任意一种，其中树脂含量控制在40-60％范围内。
7.如权利要求1所述的三维编织热塑性复合材料汽车轮圈，其特征在于，所述的缠绕/三维混杂编织复合材料结构轮辋的芯部缠绕成型骨架，选用干法预浸带成型、湿法浸胶成型中任意一种成型方式，缠绕方式选用环向缠绕、螺旋缠绕、纵向缠绕中任意一种缠绕方式。
8.如权利要求1所述的三维编织热塑性复合材料汽车轮圈，其特征在于，所述的缠绕/三维混杂编织复合材料结构轮辋的芯部缠绕成型骨架的外部利用三维编织结构增强，所用的三维编织选用三维四向、三维五向、三维六向、或三维七向编织技术成型，增强纤维丝束采用碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、UHMWPE纤维中的任意一种或多种进行混杂编织。
9.一种三维编织热塑性复合材料汽车轮圈的制备方法，其特征在于，包括：
将三维混杂纤维编织汽车轮毂、单向/三维混杂编织复合材料结构轮辐、缠绕/三维混杂编织复合材料结构轮辋的三维织物结构整体编织成型；
通过热塑性树脂高温高压注射成型或采用特定低粘度热塑性树脂体系的真空灌注一体成型。
10.权利要求1-8任一项所述的三维编织热塑性复合材料汽车轮圈在汽车制造中的应用。
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