CN112680868A - 一种复合材料制成的汽车引擎盖及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合材料制成的汽车引擎盖及其制备方法，汽车引擎盖板体是以氰酸酯树脂为基体，引擎盖用织物为增强相所制得的复合材料；引擎盖用织物是由经纱和纬纱交织即形成的单层平纹机织物，且与引擎盖的曲面形状相同；单层平纹机织物上的所有经纱与任一呈弯曲状的经纱所在的平面平行，所有纬纱与任一呈弯曲状的纬纱所在的平面平行，且各处的经密相同，纬密相同；制备方法：建立汽车引擎盖板体的立体模型，按照模型制得单层平纹织物，将其放入到模具中，以氰酸酯树脂为主要原料进行加工，制得汽车引擎盖板体；本发明的一种复合材料制成的汽车引擎盖的制备方法，可直接织造出曲面形态的织物，简化复合成型工艺，制得的汽车引擎盖，重量轻，形变小。
Description
技术领域
本发明属于汽车组件技术领域，涉及一种复合材料制成的汽车引擎盖及其制备方法。
背景技术
随着社会的发展，汽车在人们的生活当中成了必不可少的交通工具，为人们社会的发展奠定了基础，对于在空气中高速运动的物体，气流在运动物体周边产生的空气阻力会直接影响运动轨迹和运动速度，通过引擎盖可有效调整空气相对汽车运动时的流动方向和对车产生的阻碍力作用，减小气流对车的影响。而且，在高速驾驶过程中，还存在撞击的风险，在出现交通事故时，引擎盖还起着抗撞击以保护驾驶员的作用。
目前常见的汽车引擎盖多以铝合金为材料进行制备，而随着对轻量化的要求进一步提升，使得高分子复合材料引擎盖逐渐被人们所关注。而目前许多高分子复合材料引擎盖性能不佳，不能达到预期的要求。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的汽车引擎盖轻量化及其引起的一系列技术问题，提供一种复合材料制成的汽车引擎盖及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种复合材料制成的汽车引擎盖，包括汽车引擎盖板体，汽车引擎盖板体是以氰酸酯树脂为基体，若干层引擎盖用织物为增强相所制得的复合材料；
引擎盖用织物是由经纱和纬纱交织即形成的单层平纹机织物，且与引擎盖的曲面形状相同；
单层平纹机织物上的所有经纱与任一呈弯曲状的经纱所在的平面平行；单层平纹机织物上的所有纬纱与任一呈弯曲状的纬纱所在的平面平行；单层平纹机织物上各处的经密相同，纬密相同；
汽车引擎盖板体中，氰酸酯树脂的含量为35～45wt％。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种复合材料制成的汽车引擎盖，单层平纹机织物的经密λ经和纬密λ纬均为80～160根/10cm，若干层为1～3层。
如上所述的一种复合材料制成的汽车引擎盖，经纱和纬纱的材质均为1～3k的聚丙烯腈碳纤维，聚丙烯腈碳纤维的抗拉强度为17.0～20.4cN/dtex，断裂伸长率1.5～1.8％。
如上所述的一种复合材料制成的汽车引擎盖，引擎盖用织物的贴服系数为98.2％以上。
如上所述的一种复合材料制成的汽车引擎盖，复合材料的抗拉强度达到360～380MPa(GB/T 1447-2005)，抗弯曲强度达到500～540MPa(GJB 2895-97)。
本发明还提供制备如上所述的汽车引擎盖的方法，包括如下步骤：
(1)建模：采用建模软件设计得到汽车引擎盖板体的三维立体模型，三维立体模型由平面和曲面合围而成，曲面为汽车引擎盖板体的上表面；
(2)建立空间直角坐标系：
三维立体模型的平面视为X-Y平面，且三维立体模型位于空间直角坐标系的第I卦限；
三维立体模型的平面的轮廓线所形成的形状为对称形状，该对称形状的对称轴与X轴平行，轮廓线上任意点的切线视为X轴，与X轴垂直且与轮廓线上另一点相切的直线视为Y轴；
(3)获得第i根纬纱、第j根经纱(纱线编号i、j为正整数)相交形成的组织点Pi,j的提综高度hij：
以X轴方向为经向，以Y轴方向为纬向；
以X轴第1根经纱，以经密所确定的相邻经纱的间距沿Y轴方向形成X轴的平行面，该平行面都与Y轴垂直；该平行面与曲面(即汽车引擎盖板体的上表面)形成的交线即为经纱所在的线；
以Y轴第1根纬纱，以纬密所确定的相邻纬纱的间距沿X轴方向形成Y轴的平行面，该平行面都与X轴垂直；该平行面与曲面(即汽车引擎盖板体的上表面)形成的交线即为纬纱所在的线；
经纱所在的线与纬纱所在的线形成的交点pi,j(xi,j,yi,j,zi,j)为组织点Pi,j；
组织点Pi,j的提综高度hi,j为zi,j；其中，zi,j为交点pi,j在空间直角坐标系的z值；i为纬纱的序号，j为经纱的序号，i、j为正整数；
(4)采用平纹织造工艺，并设置引擎盖用织物的织造区域，在形成引擎盖用织物织造区域内的每个组织点时，按照第i根纬纱、第j根经纱(纱线编号i、j为正整数)相交形成的组织点Pi,j的提综高度hij，且在引擎盖用织物的织造区域四周(约10cm距离)设置单层的平纹机织物作为过渡，织造完成后，裁剪掉单层的平纹机织物，制得引擎盖用织物；
引擎盖用织物织造时，在对应的织口至第一排综丝区域内放置表面呈相同曲面(即汽车引擎盖板体的上表面)形态的栅格状支撑体；栅格状支撑体由等间距排列的多个薄板连接制成，薄板的厚度方向与纬纱方向相同，相邻薄板的间距为钢筘的相邻筘齿的间距，每个薄板的厚度小于钢筘的相邻筘齿间距的1/3；多个薄板的数量可以根据相邻薄板之间的间距和薄板的厚度与整个栅格状支撑体的宽度计算得到。
引擎盖用织物织造时，在恒定张力下对每根经纱进行独立地被动送经；
(5)采用RTM工艺，先按照汽车引擎盖板体的三维立体模型制得模具，再将若干层引擎盖用织物置于模具上，以氰酸酯树脂为主要原料进行加工(依次经过密封、抽真空、注射树脂、固化、脱模、剪边、清洁、干燥)，制得汽车引擎盖板体；
(6)在汽车引擎盖板体上加装汽车引擎盖支架，得到汽车引擎盖。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种复合材料制成的汽车引擎盖的制备方法，步骤(5)中的原料中还含有固化剂(二月桂酸二丁基锡)，且氰酸酯树脂、固化剂的质量比为80～100:0.4～0.6。
如上所述的一种复合材料制成的汽车引擎盖的制备方法，所述汽车引擎盖用织物的织造方法中，在形成每个组织点时是指引纬前、引纬后或者打纬后；薄板的材质为金属；
经纱的张力为30～50cN/根；纬纱的张力为10～15cN/根；
卷绕速度为1.2～1.8cm/min，打纬速度为12～14根/分钟。
如上所述的一种复合材料制成的汽车引擎盖的制备方法，在形成每个组织点时，还设置组织点到第一排综丝的综眼的水平距离为提综高度的2～5倍；提综高度为第一排综丝的综眼相较于引纬时纬纱所在水平面的高度。
如上所述的一种复合材料制成的汽车引擎盖的制备方法，被动送经是指采用扭簧式张力调节装置。筒装经纱置于筒子架上，且每个筒子中引出的纱线配备有扭簧式张力调节装置，并维持送经过程中每根经纱的张力保持恒定。
每一次打纬前调整每根经纱对应的综丝的综眼高度是通过将不同的综丝各自独立地与不同的升降机构连接，控制各综丝升降一定的高度实现的。
本发明的机理如下：
现有技术中，三维织物与二维织物相比，在复合成型时不需要裁剪缝合，提高了织物的整体性，简化复合成型工艺，制得的引擎盖用织物在整体的抗分层、抗冲击及耐疲劳性能上较二维机织物复合材料而言具有很大的优越性。
本发明的三维织物与现有技术中一体成型的三维织物相比，由于现有技术中的一体成型的三维织物上，三维曲面区域的纬纱所在平面不相互平行，且织物整体呈现出不同区域的经密和纬密不均匀，这种不均匀的织物结构，会导致织物在受力时，各区域的受力不均匀；而本发明的一体成型三维织物上，设置所有经纱与三维曲面区域的经纱所在的平面均平行，且所有纬纱与三维曲面区域的纬纱所在的平面均平行，在此基础上，且还保证各区域内的经纬密度均匀，则保证了一体成型三维织物的受力均匀。
为了制得本发明中的引擎盖用织物，本发明采用栅格状支撑体织造引擎盖用织物，与异形辊卷取方法相比，异形辊卷取方法的织造过程中，位于异形辊小端区域的线速度小于于位于异形辊大端区域的线速度，致使位于异形辊小端区域的纬纱密度大于位于异形辊大端区域的纬纱密度，则异形辊卷取方法所制备的三维织物的纬纱密度无法达到均匀；而本发明所采用的栅格状支撑体，是将多个平面薄板等间距排列且组合在一起，在织造时，薄板的厚度方向与纬纱方向相同，保证薄板可顺利进入钢筘筘齿之间，相邻薄板的间距为钢筘的相邻筘齿的间距，每个薄板的厚度小于钢筘的相邻筘齿间距的1/3，以保证薄板的存在不影响纱线的交织，则打纬时可以使纬纱等间距排列，在制成织物的投影方向，纬纱呈直线状，当以恒定速率卷绕时，纬纱密度是均匀的；经密是钢筘控制的，常规钢筘以及标准穿综过程能保证经密一致。
而且，织造引擎盖用织物的织造区域四周的单层的平纹机织物时，经纱按照正常的机织物织造工艺进行交织；织造引擎盖用织物的织造区域(曲面区域)时，依据曲面区域形态，通过综眼高度和送经量的控制，且使得不同高度曲面区域所在的经纱的送经量增加量不同，总的原则是：参与曲面区域织造的经纱所穿入的综眼高度不同于参与平面区域织造的经纱所穿入的综眼高度，参与曲面区域上部区域织造的经纱所穿入的综眼高度高于参与曲面区域下部区域织造的经纱所穿入的综眼高度；织造过程中前梁和后梁的高度是一致的，也是保持不变的，当回至综平位置时的经纱所处的棕眼相对于前梁或后梁的高度为0时，经纱与纬纱交织形成平面区域，当回至综平位置时的经纱所处的棕眼相对于前梁或后梁的高度不为0时，经纱与纬纱交织形成曲面区域。
同时，本发明的栅格法所制备的曲面织物与所设计的形状的贴合度较优，栅格状支撑体的存在使得不需进行前期的设计上的优化以及后期贴合度的检测和修正，可实现贴合效果优良的同时又有更快地进行品种更换，本发明所制备的3D织物的贴服系数高，这是因为栅格状的表面形态决定了最终三维织物的形态，织造过程中纬纱被支撑体托起，经纱与纬纱交织，故可以保证经纬纱线皆完全贴服至栅格状支撑体上，故未下机是其贴服系数接近百分之百，而下机后会存在收缩、起皱等不可避免的问题，贴服系数会存在小范围的变化。
另外，本发明的方法中采用的栅格状支撑体的制备简单，而异形辊卷曲方法制备三维织物，与栅格状支撑体作用相对应的异形辊是三维形态的，其加工十分复杂。
引擎盖用织物的织造过程中，送经适用于被动送经，这是因为，织造时，小曲率的三维织物的每根经纱的提综高度差异小，高的提综高度的经纱不会因为被过度拉出而超出被动送经系统中的张力装置(即保持恒定张力下)的长度调整空间，工艺简单，适用范围广。被动送经的目的是为了保证送经量和张力可控且准确，从而保证织造的三维织物的密度均匀，在栅格状支撑体的支撑作用下，实现对贴服系数的技术要求。
首先，本发明采用碳纤维复合材料，其具有优良的抗弯曲、抗拉伸及良好的耐高温能力，而且质量轻，符合轻量化的需求。其次，现有技术中的引擎盖板是采用碳纤维织物的拼接方式，这导致引擎盖板在受力条件下，局部应力集中，进而导致色泽不一致和局部受损导致驾驶员受伤等风险。而本发明采用碳纤维复合材料中采用的是一体成型的3D织物，其密度均匀，贴服系数好，在层层贴合时，可以将密度均匀的的3D织物以更好的贴合在一起，避免了应力集中，因此，可以很好地解决该技术问题。
有益效果
(1)本发明的一种复合材料制成的汽车引擎盖的制备方法，可通过控制经纱送经量和提综动程实现经纬纱在曲面相互交织，可制备经密和纬密相等的三维碳纤维平纹布；
(2)本发明的一种复合材料制成的汽车引擎盖，具有优良的抗弯曲、抗拉伸及良好的耐高温能力，而且质量轻，符合轻量化的需求；
(3)本发明的一种复合材料制成的汽车引擎盖，引擎盖板在受力条件下，可以避免引擎盖板的局部应力集中。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
一种复合材料制成的汽车引擎盖的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料的准备：经纱和纬纱的材质均为2k的聚丙烯腈碳纤维，聚丙烯腈碳纤维的抗拉强度为17.9cN/dtex，断裂伸长率1.5％；
(2)建模：采用建模软件设计得到汽车引擎盖板体的三维立体模型，三维立体模型由平面和曲面合围而成，曲面为汽车引擎盖板体的上表面；
(3)建立空间直角坐标系：
三维立体模型的平面视为X-Y平面，且三维立体模型位于空间直角坐标系的第I卦限；
三维立体模型的平面的轮廓线所形成的形状为对称形状，该对称形状的对称轴与X轴平行，轮廓线上任意点的切线视为X轴，与X轴垂直且与轮廓线上另一点相切的直线视为Y轴；
(4)获得第i根纬纱、第j根经纱(纱线编号i、j为正整数)相交形成的组织点Pi,j的提综高度hij：
以X轴方向为经向，以Y轴方向为纬向；
以X轴第1根经纱，以经密λ经(122根/10cm)所确定的相邻经纱的间距沿Y轴方向形成X轴的平行面，该平行面都与Y轴垂直；该平行面与曲面(即汽车引擎盖板体的上表面)形成的交线即为经纱所在的线；
以Y轴第1根纬纱，以纬密λ纬(122根/10cm)所确定的相邻纬纱的间距沿X轴方向形成Y轴的平行面，该平行面都与X轴垂直；该平行面与曲面(即汽车引擎盖板体的上表面)形成的交线即为纬纱所在的线；
经纱所在的线与纬纱所在的线形成的交点pi,j(xi,j,yi,j,zi,j)为组织点Pi,j；
组织点Pi,j的提综高度hi,j为zi,j；其中，zi,j为交点pi,j在空间直角坐标系的z值；i为纬纱的序号，j为经纱的序号，i、j为正整数；
(5)采用平纹织造工艺，并设置引擎盖用织物的织造区域，在形成引擎盖用织物织造区域内的每个组织点时(打纬后)，按照第i根纬纱、第j根经纱(纱线编号i、j为正整数)相交形成的组织点Pi,j的提综高度hij，且在引擎盖用织物的织造区域四周(约10cm距离)设置单层的平纹机织物作为过渡，织造完成后，裁剪掉单层的平纹机织物，制得引擎盖用织物；
引擎盖用织物织造时，在引擎盖用织物的织造区域所对应的织口至第一排综丝区域内放置表面呈相同曲面(即汽车引擎盖板体的上表面)形态的栅格状支撑体；栅格状支撑体由等间距排列的多个金属薄板连接制成，薄板的厚度方向与纬纱方向相同，相邻薄板的间距为钢筘的相邻筘齿的间距，每个薄板的厚度小于钢筘的相邻筘齿间距的1/3；
引擎盖用织物织造时，采用扭簧式张力调节装置，在恒定张力下对每根经纱进行独立地被动送经；经纱的张力为44cN/根；纬纱的张力为13cN/根；卷绕速度为1.3cm/min，打纬速度为13根/分钟，每一次打纬前调整每根经纱对应的综丝的综眼高度是通过将不同的综丝各自独立地与不同的升降机构连接，控制各综丝升降一定的高度实现的；在形成每个组织点时，设置组织点到第一排综丝的综眼的水平距离为提综高度的4倍；
制得的引擎盖用织物是由经纱和纬纱交织即形成的单层平纹机织物，且与引擎盖的曲面形状相同；单层平纹机织物上的所有经纱与任一呈弯曲状的经纱所在的平面平行，所有纬纱与任一呈弯曲状的纬纱所在的平面平行，且各处的经密相同，纬密相同；引擎盖用织物的贴服系数为98.3％。
(6)采用RTM工艺，先按照汽车引擎盖板体的三维立体模型制得模具，再将3层引擎盖用织物置于模具上，以氰酸酯树脂、二月桂酸二丁基锡为主要原料进行加工(依次经过密封、抽真空、注射树脂、固化、脱模、剪边、清洁、干燥)，制得汽车引擎盖板体；其中氰酸酯树脂、二月桂酸二丁基锡的质量比为90:0.5；
(7)在汽车引擎盖板体上加装汽车引擎盖支架，得到汽车引擎盖。
制得的一种复合材料制成的汽车引擎盖，包括汽车引擎盖板体，汽车引擎盖板体是以氰酸酯树脂为基体，3层引擎盖用织物为增强相所制得的复合材料；汽车引擎盖板体中，氰酸酯树脂的含量为43wt％；复合材料的抗拉强度达到375MPa(GB/T 1447-2005)，抗弯曲强度达到523MPa(GJB 2895-97)。
Claims (10)
1.一种复合材料制成的汽车引擎盖，包括汽车引擎盖板体，其特征是：汽车引擎盖板体是以氰酸酯树脂为基体，若干层引擎盖用织物为增强相所制得的复合材料；
引擎盖用织物是由经纱和纬纱交织即形成的单层平纹机织物，且与引擎盖的曲面形状相同；
单层平纹机织物上的所有经纱与任一呈弯曲状的经纱所在的平面平行；单层平纹机织物上的所有纬纱与任一呈弯曲状的纬纱所在的平面平行；单层平纹机织物上各处的经密相同，纬密相同；
汽车引擎盖板体中，氰酸酯树脂的含量为35～45wt％。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料制成的汽车引擎盖，其特征在于，单层平纹机织物的经密λ经和纬密λ纬均为80～160根/10cm，若干层为1～3层。
3.根据权利要求1所述的一种复合材料制成的汽车引擎盖，其特征在于，经纱和纬纱的材质均为1～3k的聚丙烯腈碳纤维，聚丙烯腈碳纤维的抗拉强度为17.0～20.4cN/dtex，断裂伸长率1.5～1.8％。
4.根据权利要求1所述的一种复合材料制成的汽车引擎盖，其特征在于，引擎盖用织物的贴服系数为98.2％以上。
5.根据权利要求4所述的一种复合材料制成的汽车引擎盖，其特征在于，复合材料的抗拉强度达到360～380MPa，抗弯曲强度达到500～540MPa。
6.制备如权利要求1～6任一项所述的复合材料制成的汽车引擎盖的方法，其特征是包括如下步骤：
(1)建模：采用建模软件设计得到汽车引擎盖板体的三维立体模型，三维立体模型由平面和曲面合围而成，曲面为汽车引擎盖板体的上表面；
(2)建立空间直角坐标系：
三维立体模型的平面视为X-Y平面，且三维立体模型位于空间直角坐标系的第I卦限；
三维立体模型的平面的轮廓线所形成的形状为对称形状，该对称形状的对称轴与X轴平行，轮廓线上任意点的切线视为X轴，与X轴垂直且与轮廓线上另一点相切的直线视为Y轴；
(3)获得引擎盖用织物的织造区域内第i根纬纱、第j根经纱相交形成的组织点Pi,j的提综高度hij：
以X轴方向为经向，以Y轴方向为纬向；
以X轴第1根经纱，以经密所确定的相邻经纱的间距沿Y轴方向形成X轴的平行面，该平行面都与Y轴垂直；该平行面与曲面形成的交线即为经纱所在的线；
以Y轴第1根纬纱，以纬密所确定的相邻纬纱的间距沿X轴方向形成Y轴的平行面，该平行面都与X轴垂直；该平行面与曲面形成的交线即为纬纱所在的线；
经纱所在的线与纬纱所在的线形成的交点pi,j(xi,j,yi,j,zi,j)为组织点Pi,j；
组织点Pi,j的提综高度hi,j为zi,j；其中，zi,j为交点pi,j在空间直角坐标系的z值；i为纬纱的序号，j为经纱的序号，i、j为正整数；
(4)采用平纹织造工艺，并设置引擎盖用织物的织造区域，在形成引擎盖用织物织造区域内的每个组织点时，按照第i根纬纱、第j根经纱相交形成的组织点Pi,j的提综高度hij，制得引擎盖用织物；
引擎盖用织物织造时，在对应的织口至第一排综丝区域内放置表面呈相同曲面形态的栅格状支撑体；栅格状支撑体由等间距排列的多个薄板连接制成，薄板的厚度方向与纬纱方向相同，相邻薄板的间距为钢筘的相邻筘齿的间距，每个薄板的厚度小于钢筘的相邻筘齿间距的1/3；
引擎盖用织物织造时，在恒定张力下对每根经纱进行独立地被动送经；
(5)采用RTM工艺，先按照汽车引擎盖板体的三维立体模型制得模具，再将若干层引擎盖用织物置于模具上，以氰酸酯树脂为主要原料进行加工，制得汽车引擎盖板体；
(6)在汽车引擎盖板体上加装汽车引擎盖支架，得到汽车引擎盖。
7.根据权利要求6所述的一种复合材料制成的汽车引擎盖的制备方法，其特征在于，步骤(5)中的原料中还含有固化剂，且氰酸酯树脂、固化剂的质量比为80～100:0.4～0.6。
8.根据权利要求6所述的一种复合材料制成的汽车引擎盖的制备方法，其特征在于，所述汽车引擎盖用织物的织造方法中，在形成每个组织点时是指引纬前、引纬后或打纬后；薄板的材质为金属；
经纱的张力为30～50cN/根；纬纱的张力为10～15cN/根；
卷绕速度为1.2～1.8cm/min，打纬速度为12～14根/分钟。
9.根据权利要求8所述的一种复合材料制成的汽车引擎盖的制备方法，其特征在于，在形成每个组织点时，还设置组织点到第一排综丝的综眼的水平距离为提综高度的2～5倍。
10.根据权利要求8所述的一种复合材料制成的汽车引擎盖的制备方法，其特征在于，被动送经是指采用扭簧式张力调节装置。
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