CN111907092A - 汽车复合材料电池箱三明治结构的rtm成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车复合材料电池箱体三明治结构的RTM成型方法，所述电池箱体三明治结构包括功能层、夹芯层与复合材料层压板，采用RTM工艺固化一体成型。本发明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；同时复合材料部件成型时结合防火层或电磁屏蔽层，或者防火层与电磁屏蔽层的组合，并与快速固化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与隔热效果、良好的电磁屏蔽性能；通过使用夹芯层以增加结构的厚度，从而保证在满足结构刚度要求的同时，亦保持电池箱体的轻质；通过RTM工艺固化一体成型方式，简化工艺步骤，从而缩短生产节拍时间，大幅降低成本。

Description

汽车复合材料电池箱三明治结构的RTM成型方法

技术领域

本发明属于电池应用技术领域，具体涉及一种包含特殊功能层，如防火、电磁屏蔽的复合材料电池箱体三明治结构的RTM工艺成型方法。

背景技术

随着电动汽车市场的持续增长和电池系统的安全性、能量密度比要求不断提高，对电池箱的轻量化和防火等性能提出了更高的要求。原先单一材质均难以同时满足汽车轻量化和电池箱热失控防火要求。如金属材质不符合轻量化需求，而铝合金、玻纤SMC材质均难以单一材质满足热失控要求，为了解决轻量化和热失控防火均满足要求的箱体部件，需要从材料选择及实施工艺上兼顾这两种需求；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，如部件表面添加涂层的方式还会存在易剥离的风险，因此存在较高的能耗、成本，较长的节拍时间，及性能稳定风险等问题。

而电磁波干扰也是电动汽车行驶安全的一个重要隐患。虽然传统金属电池箱体材料可以满足电磁屏蔽性，但其结构较重，不符合新能源汽车的轻量化需求；而纯复合材料电池箱虽然在结构上更加符合轻量化的需求，但是其材质并不具备足够的电磁屏蔽性，从而存在电池系统与其他电器系统的电磁波相互干扰的风险。再者，现有的具备电磁屏蔽功能的复合材料电池箱基本是通过使用某种金属材质的电磁屏蔽层以赋予结构一定的电磁屏蔽效果，一方面金属材质的电磁屏蔽层的重量较复合材料更大，一定程度上影响产品的轻量化；另一方面，尤其是针对复合材料的液体成型工艺，容易存在树脂浸润的问题，从而导致缺陷的出现，影响产品的成品率。

此外，复合材料电池箱体的结构方面，尤其是对于较大尺寸的电池箱，整体的刚度不容易满足挤压要求，而一味的通过增加层合板复合材料的厚度来提升刚度会直接导致重量的增加，从而大大影响结构轻量化的效果。

发明内容

本发明针对现有的技术问题，提供了带功能层的复合材料电池箱体三明治结构的RTM一体成型方法，所制成的复合材料电池箱壳体在满足结构刚强度要求的同时，兼具良好的耐火耐温性、电磁屏蔽性、经济性，及轻量化效果。

为了达到上述目的，本发明提供了一种汽车复合材料电池箱体三明治结构的RTM成型方法，所述电池箱体三明治结构包括功能层、夹芯层与复合材料层压板，采用RTM工艺固化一体成型；

所述RTM成型方法包括以下步骤：

步骤1），将纤维织物铺叠、裁切备用，上、下层压板为分别的叠层料块；

步骤2），将叠层料块进行局部加热，使其连结为一个可抓取的整体，上、下层压板为分别的连结料块；

步骤3），将步骤2）的一个连结料块置入温度为70℃~150℃的恒温压机模具中，再将夹芯层放置在设定的位置上，最后将另一个连结料块置于模具中；

步骤4），依次进行合模、锁模和抽真空，并注射入按比例充分混合的树脂、固化剂及内脱模剂，充分固化、冷却、顶出得电池箱体产品。

进一步的，所述复合材料层压板以固化树脂为基体材料、纤维织物为增强材料，其上、下层压板厚度均为0.2mm~5mm。

进一步的，所述纤维织物包括碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、混合纤维中的至少一种。

进一步的，所述功能层是防火层或电磁屏蔽层，或者防火层与电磁屏蔽层的组合。

进一步的，所述防火层为高温激活式膨胀材料，厚度为0.1mm~1.5mm。

进一步的，所述防火层在步骤1）中与纤维织物一起铺叠，可置于层压板的单侧表层或双侧表层或纤维织物之间的任意一层。

进一步的，所述电磁屏蔽层为一种带金属涂层的碳纤维毡，厚度为0.05mm~1mm。

进一步的，所述电磁屏蔽层在步骤3）放置夹芯层前，先放置在料块设定的位置上，再将连结料块置入模具中。

进一步的，所述夹芯层为泡沫材料，包括PMI、PET、PVC、PU、巴沙木中的至少一种，厚度为0.5mm~40mm。

进一步的，加热步骤2）的连结料块，温度达到织物上撒粉材料的熔融温度，随后将其合模、冷压预成型、裁剪余边，得预制体，在步骤3）中将所述预制体置于压机模具中。

本发明提供的汽车复合材料电池箱体三明治结构的成型方法，其结构包括功能层、夹芯层与复合材料层压板，使用RTM工艺固化一体成型。其中的功能层是防火层或电磁屏蔽层，或者防火层与电磁屏蔽层的组合：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；电磁屏蔽层为一种带金属涂层的碳纤维毡，其厚度为0.05mm~1mm，在频率为1~8.5GHz时的电磁屏蔽效能为30dB~120dB。夹芯层为泡沫材料，包括但不仅限于PMI、PET、PVC、PU、巴沙木，其厚度为0.5mm~40mm。复合材料层采用高性能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、玄武岩纤维、芳纶纤维、混合纤维等，其上、下层压板的厚度各为0.2mm~5mm；采用高性能树脂体系浸润成型模具中的纤维织物、功能层及夹芯层的界面，在一定温度和压力下实现固化成型达到与所述各层的一体成型，形成界面性能及整体结构刚度优良，且具备优异的防火性能、电磁屏蔽性能的复合材料三明治结构电池箱体。

本发明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；同时复合材料部件成型时结合防火层或电磁屏蔽层，或者防火层与电磁屏蔽层的组合，并与快速固化树脂与高性能纤维织物一次性固化成型，且达到更好的阻燃防火与隔热效果、良好的电磁屏蔽性能；通过使用夹芯层以增加结构的厚度，从而保证在满足结构刚度要求的同时，亦保持电池箱体的轻质；通过RTM工艺固化一体成型方式，简化工艺步骤，从而缩短生产节拍时间，故成本大幅降低。综合上述，采用这种成型工艺实现材料、结构和功能一体化，可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

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。实施例中未注明具体条件的实验方法及未说明配方的试剂均为按照本领域常规条件。

实施例1

一种汽车复合材料电池箱体，由防火功能层、夹芯层、复合材料上层压板和复合材料下层压板构成。

功能层为柔性材料，拥有良好的铺覆性和随形性。在本实施例中采用防火层作为功能层，赋予电池箱防火效果，其厚度为0.1mm~1.5mm。具体的，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。

夹芯层为泡沫材料，包括但不仅限于PMI、PET、PVC、PU、巴沙木，其厚度为0.5mm~40mm。

复合材料上、下层压板以高性能树脂作为基体材料，以高性能纤维织物为增强材料，复合材料上、下层压板的厚度均为0.2mm~5mm。具体的，高性能纤维织物包括但不仅限于碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、混合纤维；在本实施例中采用高性能快速固化树脂作为基体材料。

电池防火箱体采用RTM工艺（树脂转移模塑成型，含HP-RTM，LP-RTM，C-RTM及S-RTM等其他同类RTM工艺形式），在本实施例中，其制备方法包括以下步骤：

S1：备料：将上述上、下层压板的纤维织物及防火层按制定的铺叠顺序装置在料卷辊上，其中防火层可选择置于层压板的单侧表层或双侧表层或纤维织物之间的任意一层，其具体铺层位置应符合制定的铺叠顺序；

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，上、下层压板应为分别的叠层料块；

S3：料块连结：将裁切好的叠层料块用局部加热的方式使料块中的各层材料连结为一个可抓取的整体，上、下层压板应为分别的连结料块；

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：放置夹芯层：将上（或下）层压板预制体置入温度为70℃~150℃的恒温压机模具中，再将泡沫夹芯层放置在设定的位置上，可采用定位辅助装置以保证位置的准确，最后将下（或上）层压板预制体置于模具中；

S6：中/高压注射：依次进行合模、锁模和抽真空，并注射入按比例充分混合的树脂、固化剂及内脱模剂，在本典型实施例中，重量比为100：（20~40）：（1~4），其注射压力可为高压30~150bar，或中压5~30bar；

S7：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充分固化；

S8：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-S8为一个件的生产节拍，时间为≤13min。

从电池箱壳体内侧进行烧蚀，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，且电池箱壳外侧温度维持在＜600℃。

实施例2

一种汽车复合材料电池箱体，由电磁屏蔽功能层、夹芯层、复合材料上层压板和复合材料下层压板构成。

功能层为柔性材料，拥有良好的铺覆性和随形性。在本实施例中采用电磁屏蔽层作为功能层，赋予电池箱电磁屏蔽效果，其厚度为0.05mm~1mm。具体的，所述电磁屏蔽层是一种由碳纤维组成的表面毡，其纤维表面含有镍、铜等金属涂层。

夹芯层为泡沫材料，包括但不仅限于PMI、PET、PVC、PU、巴沙木，其厚度为0.5mm~40mm。

复合材料上、下层压板以高性能树脂作为基体材料，以高性能纤维织物为增强材料，复合材料上、下层压板的厚度均为0.2mm~5mm。具体的，高性能纤维织物包括但不仅限于碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、混合纤维；在本实施例中采用高性能快速固化树脂作为基体材料。

电池防火箱体采用RTM工艺（树脂转移模塑成型，含HP-RTM，LP-RTM，C-RTM及S-RTM等其他同类RTM工艺形式），在本实施案例中，其制备方法包括以下步骤：

S1：备料：将上述上、下层压板的纤维织物按制定的铺叠顺序装置在料卷辊上；

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。上、下层压板应为分别的叠层料块；

S3：料块连结：将裁切好的叠层料块用局部加热的方式使料块中的各层材料连结为一个可抓取的整体。上、下层压板应为分别的连结料块；

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：放置电磁屏蔽层：将电磁屏蔽层裁剪为制定的形状，并将其放置在料块设定的位置上，可采用定位辅助装置以保证位置的准确；

S6：放置夹芯层：将上（或下）层压板预制体置入温度为70℃~150℃的恒温压机模具中，再将泡沫夹芯层放置在设定的位置上，可采用定位辅助装置以保证位置的准确，最后将下（或上）层压板预制体置于模具中；

S7：中/高压注射：依次进行合模、锁模和抽真空，并注射入按比例充分混合的树脂、固化剂及内脱模剂，在本典型实施例中，重量比为100：（20~40）：（1~4），其注射压力可为高压30~150bar，或中压5~30bar；

S8：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充分固化；

S9：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-S9为一个件的生产节拍，时间为≤13min。

产品在频率为1~8.5GHz时的电磁屏蔽效能为30dB~120dB。

实施例3

一种汽车复合材料电池箱壳体，由防火功能层、电磁屏蔽功能层、夹芯层、复合材料上层压板和复合材料下层压板构成。

功能层为柔性材料，拥有良好的铺覆性和随形性。在本实施例中采用防火层和电磁屏蔽层作为功能层，赋予电池箱防火兼具电磁屏蔽的效果，其防火层的厚度为0.1mm~1.5mm，电磁屏蔽层的厚度为0.05mm~1mm。具体的，所述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；所述电磁屏蔽层是一种由碳纤维组成的表面毡，其纤维表面含有镍、铜等金属涂层。

夹芯层为泡沫材料，包括但不仅限于PMI、PET、PVC、PU、巴沙木，其厚度为0.5mm~40mm。

复合材料上、下层压板以高性能树脂作为基体材料，以高性能纤维织物为增强材料，复合材料上、下层压板的厚度均为0.2mm~5mm。具体的，高性能纤维织物包括但不仅限于碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、混合纤维；在本实施例中采用高性能快速固化树脂作为基体材料。

电池防火箱体采用RTM工艺（树脂转移模塑成型，含HP-RTM，LP-RTM，C-RTM及S-RTM等其他同类RTM工艺形式），在本实施例中，其制备方法包括以下步骤：

S1：备料：将上述上、下层压板的纤维织物及防火层按制定的铺叠顺序装置在料卷辊上，其中防火层可选择置于层压板的单侧表层或双侧表层或纤维织物之间的任意一层，其具体铺层位置应符合制定的铺叠顺序；

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，上、下层压板应为分别的叠层料块；

S3：料块连结：将裁切好的叠层料块用局部加热的方式使料块中的各层材料连结为一个可抓取的整体，上、下层压板应为分别的连结料块；

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：放置电磁屏蔽层：将电磁屏蔽层裁剪为制定的形状，并将其放置在料块设定的位置上，可采用定位辅助装置以保证位置的准确；

S6：放置夹芯层：将上（或下）层压板预制体置入温度为70℃~150℃的恒温压机模具中，再将泡沫夹芯层放置在设定的位置上，可采用定位辅助装置以保证位置的准确，最后将下（或上）层压板预制体置于模具中；

S7：中/高压注射：依次进行合模、锁模和抽真空，并注射入按比例充分混合的树脂、固化剂及内脱模剂，在本典型实施例中，重量比为100：（20~40）：（1~4），其注射压力可为高压30~150bar，或中压5~30bar；

S8：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充分固化；

S9：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-S8为一个件的生产节拍，时间为≤13min。

从电池箱壳体内侧进行烧蚀，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，且电池箱壳外侧温度维持在＜600℃；产品在频率为1~8.5GHz时的电磁屏蔽效能为30dB~120dB。

上述所有实施例中的预成型步骤均为可选项，如不进行该步骤，则直接将连结的料块置入压机模具中。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种汽车复合材料电池箱体三明治结构的RTM成型方法，其特征在于，

所述电池箱体三明治结构包括功能层、夹芯层与复合材料层压板，采用RTM工艺固化一体成型；

所述RTM成型方法包括以下步骤：

步骤1），将纤维织物铺叠、裁切备用，上、下层压板为分别的叠层料块；

步骤2），将叠层料块进行局部加热，使其连结为一个可抓取的整体，上、下层压板为分别的连结料块；

步骤3），将步骤2）的一个连结料块置入温度为70℃~150℃的恒温压机模具中，再将夹芯层放置在设定的位置上，最后将另一个连结料块置于模具中；

步骤4），依次进行合模、锁模和抽真空，并注射入按比例充分混合的树脂、固化剂及内脱模剂，充分固化、冷却、顶出得电池箱体产品。

2.根据权利要求1所述的汽车复合材料电池箱体三明治结构的RTM成型方法，其特征在于，所述复合材料层压板以固化树脂为基体材料、纤维织物为增强材料，其上、下层压板厚度均为0.2mm~5mm。

3.根据权利要求2所述的汽车复合材料电池箱体三明治结构的RTM成型方法，其特征在于，所述纤维织物包括碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、混合纤维中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的汽车复合材料电池箱体三明治结构的RTM成型方法，其特征在于，所述功能层是防火层或电磁屏蔽层，或者防火层与电磁屏蔽层的组合。

5.根据权利要求4所述的汽车复合材料电池箱体三明治结构的RTM成型方法，其特征在于，所述防火层为高温激活式膨胀材料，厚度为0.1mm~1.5mm。

6.根据权利要求5所述的汽车复合材料电池箱体三明治结构的RTM成型方法，其特征在于，所述防火层在步骤1）中与纤维织物一起铺叠，可置于层压板的单侧表层或双侧表层或纤维织物之间的任意一层。

7.根据权利要求4所述的汽车复合材料电池箱体三明治结构的RTM成型方法，其特征在于，所述电磁屏蔽层为一种带金属涂层的碳纤维毡，厚度为0.05mm~1mm。

8.根据权利要求7所述的汽车复合材料电池箱体三明治结构的RTM成型方法，其特征在于，所述电磁屏蔽层在步骤3）放置夹芯层前，先放置在料块设定的位置上，再将连结料块置入模具中。

9.根据权利要求1所述的汽车复合材料电池箱体三明治结构的RTM成型方法，其特征在于，所述夹芯层为泡沫材料，包括PMI、PET、PVC、PU、巴沙木中的至少一种，厚度为0.5mm~40mm。

10.根据权利要求1所述的汽车复合材料电池箱体三明治结构的RTM成型方法，其特征在于，加热步骤2）的连结料块，温度达到织物上撒粉材料的熔融温度，随后将其合模、冷压预成型、裁剪余边，得预制体，在步骤3）中将预制体置于压机模具中。