CN114512753A - 一种超混杂复合材料电池箱及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超混杂复合材料电池箱及其制备方法，超混杂复合材料电池箱包括内层金属壳、外层金属壳以及片状模塑料，所述内层金属壳套设在所述外层金属壳内，所述片状模塑料连接在所述内层金属壳和外层金属壳之间。通过本发明的电池箱，采用金属‑片状模塑料(SMC，Sheet molding compound)‑金属的层合结构，两层外表面的金属壳体在提供一定的强度的同时，还具有电磁屏蔽和阻燃效果，同时可以直接过电泳涂装。中间的片状模塑料复合材料为电池箱减轻重量、提供更高的强度和刚度，易于成型，并与金属有较高的粘接强度。

Description

一种超混杂复合材料电池箱及其制备方法
技术领域
本发明涉及汽车轻量化技术领域，具体涉及一种超混杂复合材料电池箱及其制备方法。
背景技术
近些年来，由于能源与环保问题日趋严重，我国大力推行新能源汽车，其中电动汽车行业得到了快速发展。材料轻量化是提高电动汽车的行车里程数的重要途径。电池箱作为承载电池的载体，在满足性能的前提下，减轻其重量对电动汽车的轻量化具有重要意义。目前电动汽车的电池箱使用的材料主要是钢、铝合金和复合材料。其中钢制的电池箱重量大，耗能高。铝合金的电池箱虽然容易加工，具有美观的外表，但减重效果还是有限。复合材料的电池箱主要由连续纤维增强树脂基复合材料和片状模塑料(Sheet MoldingCompound，简称SMC)两类复合材料制成。连续纤维增强树脂基复合材料的电池箱成本较高，成型周期长；SMC具有质量轻、成本低、生产效率高和生产周期短等优点，但是SMC中使用短切纤维和大量的填料，其制品的力学性能较低。同时由于SMC的电绝缘性能，应用于汽车零部件时，无法直接过电泳池进行涂装，需要在SMC中加入颜料、在SMC表面打磨后喷漆或在表面涂覆一层金属粉后过电泳池进行涂装，施工环境差，且生产效率低。再者SMC制品上漆后随着使用时间的增加，会出现表面光洁度变差的问题。此外，随着电动汽车的普及和无人驾驶汽车的出现，防电磁辐射和实现电磁屏蔽也将会成为车用零部件功能的一项新要求，SMC制品还无法实现上述功能。
发明内容
本发明为了解决现有技术问题中的一种或几种，提供了一种超混杂复合材料电池箱及其制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种超混杂复合材料电池箱，包括内层金属壳、外层金属壳以及片状模塑料，所述内层金属壳套设在所述外层金属壳内，所述片状模塑料连接在所述内层金属壳和外层金属壳之间。
本发明的有益效果是：通过本发明的电池箱，采用金属-片状模塑料(SMC，Sheetmolding compound)-金属的层合结构，两层外表面的金属在提供一定的强度的同时，还具有电磁屏蔽和阻燃效果，同时可以让电池箱直接过电泳涂装。中间的片状模塑料可以为电池箱减轻重量、提供更高的强度和刚度，易于成型，并与金属有较高的粘接强度。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述片状模塑料的两表面分别通过浸渍胶液与所述内层金属壳和所述外层金属壳粘接固定。
采用上述进一步方案的有益效果是：片状模塑料通过浸渍胶液与金属壳体粘接(即胶接)固定，界面结合效果好，结构稳定可靠。
进一步，粘接时使用的胶液为环氧树脂或不饱和聚酯。
进一步，所述片状模塑料的成分以重量份计，包括20～40份不饱和聚酯或乙烯基树脂、20～40份增强体、20～40份填料和10～20份的辅料；
所述增强体包括直径为9～13μm、长度为3～30mm的短切纤维，所述短切纤维包括玻璃纤维或玄武岩纤维或碳纤维；
所述辅料包括引发剂、表面处理剂、增稠剂、低收缩添加剂、交联剂中的一种或几种。
采用上述进一步方案的有益效果是：可以根据不同的需要选用不同组分比例的片状模塑料。
进一步，所述内层金属壳和外层金属壳的材质采用铝合金、镁合金、钢中的一种或者两种的组合。
采用上述进一步方案的有益效果是:通过对铝合金、镁合金、钢等材料进行选择，可以在兼顾强度的基础上，减轻重量。
进一步，所述内层金属壳和外层金属壳的厚度分别为0.1～1mm，所述内层金属壳和外层金属壳采用冲压工艺成型；所述内层金属壳的外表面和外层金属壳的内表面分别经过喷砂、氧化处理或化学溶液处理。
采用上述进一步方案的有益效果是:通过对内层金属壳的外表面和外层金属壳的内表面进行喷砂或氧化处理，能够与片状模塑料通过胶液粘合后具有很强的界面结合力。
一种所述的超混杂复合材料电池箱的制备方法，包括以下步骤：
S1，对两块金属板进分别进行冲压形成内层金属壳和外层金属壳；
S2，将内层金属壳放在下模具上，然后在内层金属壳上铺设片状模塑料，再将外层金属壳放在片状模塑料的上面，使外层金属壳分别与上模具的中心对齐。
S3，开启压机，使上模具在预设压力下与下模具合模，然后开启加热装置以对上模具和下模具在预设温度下加热预设时间；
S4，打开上模具和下模具，取出成型好的电池箱，清理后获得超混杂复合材料电池箱。
本发明的有益效果是：本发明的制备方法，将金属板冲压成电池箱体形状的金属壳，然后利用模压工艺，在两个金属壳体之间加入SMC复合材料并固化，制备成金属-SMC-金属的层合结构，两层外表面的金属在提供一定强度的同时，还具有电磁屏蔽和阻燃效果，同时也可以让电池箱直接过电泳涂装；中间的SMC复合材料可以为电池箱减轻重量、提供更高的强度和刚度，易于成型，并与金属有较高的粘接强度。
进一步，S2中，对片状模塑料的两个表面分别浸渍胶液，并将浸胶后的片状模塑料铺设在内层金属壳上。
采用上述进一步方案的有益效果是：片状模塑料通过浸渍胶液与金属壳粘接(即胶接)固定，界面结合效果好，结构稳定可靠。
进一步，S1中，对内层金属壳的外表面和外层金属壳的内表面分别分别经过喷砂、氧化处理或化学溶液处理。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过对内层金属壳的外表面和外层金属壳的内表面进行喷砂或氧化处理，能够与片状模塑料通过胶液粘合后具有很强的界面结合力。
进一步，S3中，所述预设压力为3～15MPa，固化温度为80～200℃，固化时间为2～15min。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置合适的预设压力，可以使上模具和下模具之间的压力合理，有利于片状模塑料的成型以及与金属壳体的界面连接，过小的预设压力会造成模具与片状模塑料之间的结合力度不够，片状模塑料与金属壳体之间形成空腔缺陷，过大的预设压力会造成片状模塑料挤出过多，产品厚度不均匀。通过设置合适的固化温度，有利于提高生产效率，过低的固化温度导致片状模塑料固化速度慢，生产效率低，过高的固化温度会造成片状模塑料力学性能下降。通过设置合适的固化时间，有利于内层金属壳和外层金属壳与片状模塑料连接的稳定性，过短的固化时间会造成片状模塑料固化不完全，成型的产品稳定性差，过长的固化时间会降低生产效率。
附图说明
图1为本发明超混杂复合材料电池箱的制备工艺示意图；
图2为本发明超混杂复合材料电池箱的立体结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、内层金属壳；2、片状模塑料；3、外层金属壳；4、下模具；5、上模具。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1和图2所示，一种超混杂复合材料电池箱，包括内层金属壳1、外层金属壳3以及片状模塑料2，所述内层金属壳1套设在所述外层金属壳3内，所述片状模塑料2连接在所述内层金属壳1和外层金属壳3之间。
本发明的一个具体方案为，所述片状模塑料2的两面分别通过浸渍胶液与所述内层金属壳1和所述外层金属壳3粘接固定，界面结合效果好，结构稳定可靠。其中，粘接时使用的胶液为环氧树脂或不饱和聚酯，即所述片状模塑料的两面浸渍的胶液为环氧树脂或不饱和聚酯。
本发明的一个可选方案为，所述片状模塑料2的成分以重量份计，包括20～40份不饱和聚酯或乙烯基树脂、20～40份增强体、20～40份填料和10～20份的辅料；所述增强体包括直径为9～13μm、长度为3～30mm的短切纤维，所述短切纤维包括玻璃纤维或玄武岩纤维或碳纤维；所述辅料包括引发剂、表面处理剂、增稠剂、低收缩添加剂、交联剂中的一种或几种。在选取片状模塑料时，可以根据上述片状模塑料的成分选择。
具体的，片状模塑料2可以市售获得，例如，可以选择河南东海复合材料有限公司生产的片状模塑料。
本发明的一个可选方案为，所述内层金属壳1和外层金属壳3的材质采用铝合金、镁合金、钢中的一种或者两种的组合。通过对铝合金、镁合金、钢的选材等进行选择，可以在兼顾强度的基础上，减轻重量。
其中，所述内层金属壳1和外层金属壳3的厚度分别为0.1～1mm，可选的厚度为：0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm以及1mm。所述内层金属壳1和外层金属壳3采用冲压工艺成型；所述内层金属壳1的外表面和外层金属壳3的内表面分别经过喷砂、氧化处理或化学溶液处理。通过对内层金属壳的外表面和外层金属壳的内表面进行喷砂或氧化处理，能够与片状模塑料通过胶液粘合后具有很强的界面结合力。
本发明的电池箱，采用金属-片状模塑料(SMC，Sheet molding compound)-金属的层合结构，两层外表面的金属在提供一定的强度的同时，还具有电磁屏蔽和阻燃效果，同时可以让电池箱直接过电泳涂装。中间的片状模塑料可以为电池箱减轻重量、提供更高的强度和刚度，易于成型，并与金属有较高的粘接强度。
一种所述的超混杂复合材料电池箱的制备方法，包括以下步骤：
S1，对两块金属板进分别进行冲压形成内层金属壳1和外层金属壳3；
S2，将内层金属壳1放在下模具4上，然后在内层金属壳1上铺设片状模塑料2，再将外层金属壳3放在片状模塑料2的上面，使外层金属壳3分别与上模具5的中心对齐。
S3，开启压机，使上模具5在预设压力下与下模具4合模，然后开启加热装置对上模具5和下模具6在预设温度下加热预设时间；
S4，打开上模具5和下模具4，取出成型好的电池箱坯壳，清理后获得超混杂复合材料电池箱。
其中，S2中，对片状模塑料2的两个表面分别浸渍胶液，并将浸胶后的片状模塑料2铺设在内层金属壳1上。片状模塑料2通过浸渍胶液与金属板粘接(即胶接)固定，界面结合效果好，结构稳定可靠。
S1中，对内层金属壳1的外表面和外层金属壳3的内表面分别经过喷砂、氧化处理或化学溶液处理。通过对内层金属壳的外表面和外层金属壳的内表面进行喷砂或氧化处理，能够与片状模塑料通过胶液粘合后具有很强的界面结合力。
S2中，所述预设压力为3～15MPa，固化温度为80～200℃，固化时间为2～15min。可选预设压力为3Mpa、4Mpa、5Mpa、6Mpa、7Mpa、8Mpa、9Mpa、10Mpa、11Mpa、12Mpa、13Mpa、14Mpa、15Mpa；可选的固化温度为80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃；可选的固化时间为2min、3min、4min、5min、6min、7min、8min、9min、10min、11min、12min、13min、14min、15min。通过设置合适的预设压力，可以使上模具和下模具之间的压力合理，有利于片状模塑料的成型以及与金属壳体的界面结合，过小的预设压力会造成模具与片状模塑料之间的结合力度不够，片状模塑料与金属壳体之间形成空腔缺陷，过大的预设压力会造成片状模塑料挤出过多，产品厚度不均匀。通过设置合适的固化温度，有利于提高生产效率，过低的固化温度导致片状模塑料固化速度慢，生产效率低，过高的固化温度会造成片状模塑料力学性能下降。通过设置合适的固化时间，有利于内层金属壳和外层金属壳与片状模塑料连接的稳定性，过短的固化时间会造成片状模塑料固化不完全，成型的产品稳定性差，过长的固化时间会降低生产效率。
本发明的制备方法，将金属板冲压成电池箱体形状的金属壳，然后利用模压的工艺，在两个金属壳体之间加入SMC复合材料并固化，制备成金属-SMC-金属的层合结构，两层外表面的金属在提供一定强度的同时，还具有电磁屏蔽和阻燃效果，同时也可以让零部件直接过电泳涂装；中间的SMC复合材料可以为电池箱减轻重量、提供更高的强度和刚度，易于成型，并与金属有较高的粘接强度。
实施例1
如图1所示，一种超混杂复合材料电池箱，包括内层金属壳1、外层金属壳3以及片状模塑料2，所述内层金属壳1套设在所述外层金属壳3内，所述片状模塑料2连接在所述内层金属壳1和外层金属壳3之间。
所述内层金属壳1和外层金属壳3的牌号为6061的铝合金板，所述内层金属壳1的外表面和外层金属壳3的内表面分别经过喷砂处理。所述内层金属壳1和外层金属壳3的厚度分别为0.2mm，所述超混杂复合材料电池箱的厚度为2mm。
其中，所述片状模塑料2为市面上购得的不饱和聚酯片状模塑料，所述片状模塑料2的两面分别通过浸渍胶液与所述内层金属壳1和所述外层金属壳3粘接固定。粘接时使用的胶液为环氧树脂，即所述片状模塑料的两面浸渍的胶液为环氧树脂。
一种所述的超混杂复合材料电池箱的制备方法，包括以下步骤：
S1，取两张0.2mm厚、850mm宽、1300mm长的牌号为6061的铝合金板，将铝合金板冲压成如图1所示的长1080mm、宽610mm、高100mm的内层金属壳1和外层金属壳3，然后通过内层金属壳1的外表面和外层金属壳3的内表面进行喷砂处理。
S2，将市面上购买的不饱和聚酯片状模塑料裁剪为宽850mm，长1300mm的方块，并在两个表面均匀浸渍环氧树脂胶液。将内层金属壳1放在下模具4上，然后在内层金属壳1上铺设浸渍过环氧树脂胶液的片状模塑料2，再将外层金属壳3放在片状模塑料2的上面，使外层金属壳3分别与上模具5的中心对齐。
S3，开启压机，使上模具5在预设压力下与下模具4合模，然后开启加热装置以对上模具5和下模具4在预设温度下加热预设时间；所述预设压力为10MPa，固化温度为140℃，固化时间为5min。
S4，打开上模具5和下模具4，取出成型好的电池箱坯壳，清理后获得超混杂复合材料电池箱。
通过测量厚度，成型后的电池箱厚度为2mm，总体重量为3.5kg，相比于同等厚度的铝合金电池箱，减重29％；相比于同等厚度的钢制电池箱，减重75％。同时，使用GB/T 2048-2008《塑料燃烧性能的测定水平法和垂直法》标准测试，该种结构的垂直燃烧等为V0级，水平燃烧等级为HB级。由于外表具有铝合金层，可以过电泳涂装和具有电磁屏蔽的功能。
实施例2
在实施例1的基础上，其他条件不变，所述内层金属壳1改用0.2mm厚的B340LA冷轧钢板，则可达到如下效果：
通过测量厚度，成型后的电池箱厚度为2mm，总体重量为4.3kg，相比于同等厚度的铝合金电池箱，减重12％；相比于同等厚度的钢制电池箱，减重69％。同时，使用GB/T 2048-2008《塑料燃烧性能的测定水平法和垂直法》标准测试，该种结构的垂直燃烧等为V0级，水平燃烧等级为HB级。由于外表为钢材，可以电泳涂装和具有电磁屏蔽的功能。
实施例3
在实施例1的基础上，其他条件不变，所述内层金属壳1和外层金属壳3改用0.2mm厚的B340LA冷轧钢板，则可达到如下效果：
通过测量厚度，成型后的电池箱厚度为2mm，总体重量为5.3kg，相比于同等厚度的钢制电池箱，减重60％。同时，使用GB/T 2048-2008《塑料燃烧性能的测定水平法和垂直法》标准测试，该种结构的垂直燃烧等为V0级，水平燃烧等级为HB级。由于外表具有钢板层，可以电泳涂装和具有电磁屏蔽的功能。
实施例4
在实施例1的基础上，其他条件不变，所述内层金属壳1和外层金属壳3改用0.5mm厚的AZ31B镁合金板，则可达到如下效果：
通过测量厚度，成型后的电池箱厚度为2mm，总体重量为3.2kg，与同等厚度的镁合金电池箱体重量相当。同时，使用GB/T 2048-2008《塑料燃烧性能的测定水平法和垂直法》标准测试，该种结构的垂直燃烧等为V0级，水平燃烧等级为HB级。由于外表具有镁合金层，可以电泳涂装和具有电磁屏蔽的功能。
实施例5
在实施例1的基础上，其他条件不变，S3中，所述预设压力为3MPa，固化温度为180℃，固化时间为4min。则可达到如下效果：
通过无损检测，成型后的电池箱内部无明显缺陷，圆角过渡处片状模塑料完全充满，金属壳体与片状模塑料之间界面粘接良好。
实施例6
在实施例1的基础上，其他条件不变，S3中，所述预设压力为15MPa，固化温度为80℃，固化时间为15min。则可达到如下效果：
通过无损检测，成型后的电池箱内部无明显缺陷，圆角过渡处片状模塑料完全充满，金属壳体与片状模塑料之间界面粘接良好。
对比例1
在实施例1的基础上，其他条件不变，S3中，所述固化时间为1min。由于固化时间太短，中间的片状模塑料固化不完全，在脱模时，金属壳体与中间层的片状模塑料会发生分层。
对比例2
在实施例1的基础上，其他条件不变，S3中，所述固化时间为20min。由于固化时间过长，产品在模具中放置时间过长，会占用模具，降低生产效率。
对比例3
在实施例1的基础上，其他条件不变，S3中，所述固化温度为60℃。由于固化温度太低，固化时间延长，会降低生产效率。
对比例4
在实施例1的基础上，其他条件不变，S3中，所述固化温度为220℃。则存在以下问题：
由于固化温度过高，中间的片状模塑料有发黄的迹象，会使产品的韧性下降，使用过程中容易导致中间的片状模塑料破碎。
对比例5
在实施例1的基础上，其他条件不变，S3中，所述预设压力为1MPa。
则存在以下问题：
因压力过小，无法压实中间的片状模塑料，在圆角过渡处，会出现空腔缺陷。
对比例6
在实施例1的基础上，其他条件不变，S3中，内层金属壳1的外表面和外层金属壳3的内表面不进行喷砂处理，则存在以下问题：
由于铝合金表面比较光滑，通过胶液与中间的片状模塑料的粘接能力下降，在后续的使用过程中，会导致分层。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种超混杂复合材料电池箱，其特征在于，包括内层金属壳、外层金属壳以及片状模塑料，所述内层金属壳套设在所述外层金属壳内，所述片状模塑料连接在所述内层金属壳和外层金属壳之间。
2.根据权利要求1所述一种超混杂复合材料电池箱，其特征在于，所述片状模塑料的两面分别通过浸渍胶液与所述内层金属壳和所述外层金属壳粘接固定。
3.根据权利要求2所述一种超混杂复合材料电池箱，其特征在于，粘接时使用的胶液为环氧树脂或不饱和聚酯。
4.根据权利要求1所述一种超混杂复合材料电池箱，其特征在于，所述片状模塑料的成分以重量份计，包括20～40份不饱和聚酯或乙烯基树脂、20～40份增强体、20～40份填料和10～20份的辅料；
所述增强体包括直径为9～13μm、长度为3～30mm的短切纤维，所述短切纤维包括玻璃纤维或玄武岩纤维或碳纤维；
所述辅料包括引发剂、表面处理剂、增稠剂、低收缩添加剂、交联剂中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述一种超混杂复合材料电池箱，其特征在于，所述内层金属壳和外层金属壳的材质采用铝合金、镁合金、钢中的一种或者两种的组合。
6.根据权利要求1所述一种超混杂复合材料电池箱，其特征在于，所述内层金属壳和外层金属壳的厚度分别为0.1～1mm，所述内层金属壳和外层金属壳采用冲压工艺成型；所述内层金属壳的外表面和外层金属壳的内表面分别经过喷砂、氧化处理或化学溶液处理。
7.一种权利要求1至6任一项所述的超混杂复合材料电池箱的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，对两块金属板分别进行冲压形成内层金属壳和外层金属壳；
S2，将内层金属壳放在下模具上，然后在内层金属壳上铺设片状模塑料，再将外层金属壳放在片状模塑料的上面，使外层金属壳分别与上模具的中心对齐；
S3，开启压机，使上模具在预设压力下与下模具合模，然后开启加热装置对上模具和下模具在预设温度下加热预设时间；
S4，打开上模具和下模具，取出成型好的电池箱坯壳，清理后获得超混杂复合材料电池箱。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，S2中，对片状模塑料的两个表面分别浸渍胶液，并将浸胶后的片状模塑料铺设在内层金属壳上。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，S1中，对内层金属壳的外表面和外层金属壳的内表面分别分别经过喷砂、氧化处理或化学溶液处理。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，S3中，所述预设压力为3～15MPa，固化温度为80～200℃，固化时间为2～15min。
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