CN114889381A - 一种热固性碳纤维玻璃纤维混合设计的复合材料控制臂及其制作方法 - Google Patents

一种热固性碳纤维玻璃纤维混合设计的复合材料控制臂及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种热固性碳纤维玻璃纤维混合设计的复合材料控制臂及其制作方法，该控制臂包括碳纤维制成的控制臂本体，控制臂本体上设置有玻璃纤维制成的加强板，控制臂本体和加强板通过模压复合成型。本发明通过提供由碳纤维/玻璃纤维复合而成的控制臂，在保证强度的同时，有效减重，同时降低了材料成本。

Description

一种热固性碳纤维玻璃纤维混合设计的复合材料控制臂及其 制作方法
技术领域
本发明涉及汽车安全领域，尤其涉及一种复合材料制成的控制臂及其制作方法。
背景技术
玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多，是以叶腊石、石英砂、石灰石、白云石、硼钙石、硼镁石七种矿石为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的，其单丝的直径为几个微米到二十几个微米，相当于一根头发丝的 1/20-1/5 ，每束纤维原丝都由数百根甚至上千根单丝组成。玻璃纤维通常用作复合材料中的增强材料，电绝缘材料和绝热保温材料，电路基板等国民经济各个领域。玻璃纤维材料具有1、拉伸强度高，伸长小(3%)；弹性系数高，刚性佳；弹性限度内伸长量大且拉伸强度高，故吸收冲击能量大；为无机纤维，不易燃烧，绝缘性好，耐化学性佳；吸水性小；尺度安定性，耐热性均佳；加工性佳，可作成股、束、毡、织布等不同形态之产品；透明可透过光线；价格便宜，可实现量产。
碳纤维是一种碳含量超过90%以上的高强度、高模量的纤维，可用聚丙烯腈、粘胶纤维、沥青纤维等原丝做原料，经高温氧化碳化制成。可以与金属、陶瓷、树脂等基质混合制成碳纤维复合材料，用途广泛。碳纤维的比重一般为1.70 g/cm3～1.80g/cm3，强度为1200MPa～7000MPa，弹性模量为200 GPa～400GPa，热膨胀系数接近于零，甚至可为负值（～1.5×10的-6次方）。碳纤维材料具有碳纤维材料比重小、比强度和比模量高；非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间；温差变化或者长时间作业无蠕变，拉伸系数小（1.6%），热膨胀系数小且具有各向异性；X射线透过性好，导电导热性能良好、电磁屏蔽性好等。可设计性强，可以通过改变铺层角度或者数量来改变碳纤维产品的力学性能；碳纤维与玻璃纤维相比，杨氏模量是其3倍多；它与凯夫拉纤维相比，杨氏模量是其2倍左右；耐腐蚀性好，在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性突出。
因碳纤维增强复合材料的优异的材料性能，越来越多的应用于汽车轻量化，但其价格高，使得很多厂商望而却步；玻璃纤维增强复合材料虽然性能上比碳纤维低，但其价格便宜，应用也很广泛，如奥迪A6的玻璃纤维增强复合材料螺旋弹簧、沃尔沃XC60的玻璃纤维增强复合材料板簧等。市场上的控制臂以金属为主，轻量化程度不高，完全使用碳纤维增强复合材料，价格高。使用玻璃纤维增强强度不够。一般以金属和工程塑料复合较多，如理想ONE、特斯拉。金属与塑料复合后随着时间的推移，因两者属于异种材料复合，容易出现分裂情况。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种热固性碳纤维玻璃纤维混合设计的复合材料控制臂及其制作方法，该控制臂由碳纤维/玻璃纤维复合而成，在保证强度的同时，有效减重，同时降低了材料成本。
本发明采用如下技术方案：
本发明首先提供了一种热固性碳纤维玻璃纤维混合设计的复合材料控制臂，包括碳纤维制成的控制臂本体，所述控制臂本体上设置有玻璃纤维制成的加强板。
控制臂本体与加强板通过模压复合成型。
所述控制臂本体包括本体板和从本体板边缘向同一侧伸出的加强缘，所述加强缘与所述本体板一体成型，所述加强缘与本体板之间形成凹槽，所述加强板就设置在该凹槽中。
所述加强板具有多块，多块加强板间隔布置在凹槽中。
所述控制臂本体的端头设置有衬套安装件。
本发明还提供了一种上述复合材料控制臂的制作方法，该方法包括所述控制臂本体与所述加强板通过模压复合成型。
具体包括如下步骤：
1）碳纤维预浸料及玻璃纤维预浸料的准备；
2）按照控制臂本体和加强板的形状分别对碳纤维预浸料及玻璃纤维预浸料进行裁剪；
3）将碳纤维预浸料及玻璃纤维预浸料进行铺层，铺层完成后预埋衬套安装件；
4）模压成型；
5）固化后处理。
其中，所述碳纤维预浸料为3K平纹布预浸料，每层厚度为0.2-0.3mm，共15-25层，铺层角度为±45°；所述玻璃纤维预浸料为单项玻璃纤维预浸料，每层厚度为0.1-0.2mm，单一铺层角度为0°，铺层次数为50-70次。
优选的，3K平纹布预浸料，每层厚度为0.25mm，共20层，铺层角度为±45°；单项玻璃纤维预浸料，每层厚度为0.15mm，单一铺层角度为0°，铺层次数为60次。
其中，所述模压成型是指完成铺层和预埋后的预浸料在模具中进行热模压成型，热模压的温度为110-130℃，时长为1.5-2.5小时。
优选的，热模压的温度为120℃，时长为2小时。
其中，所述固化后处理包括固化完成后钻孔及表面哑光处理。
本发明的有益效果在于：
在控制臂采用Qste500TM高强钢，厚度5.00mm的情况下，其重量为2.8kg，采用本发明所述的复合材料控制臂后，碳纤维控制臂本体的重量为0.8kg，玻璃纤维加强板的重量为1.1kg，复合材料控制臂的总重量为1.9kg，比金属焊接控制臂的重量轻了约32.4%，减重效果明显。实现了两种复合材料复合设计，一方面利用了碳纤维复合材料的高强度、高模量性能，另一方面利用了玻璃纤维的价格便宜，通过两者混合设计减少了碳纤维复合材料的使用量，降低材料成本。
附图说明
以下结合附图对本发明作进一步说明。
图1为本发明所述复合材料控制臂的整体结构示意图；
图2为图1中控制臂主体的结构示意图；
图3为图1中衬套安装件的结构示意图；
图4为本发明所述复合材料控制臂制作方法的流程图。
其中：
10-控制臂主体；11-本体板；12-加强缘；20-加强板；30-衬套安装件；40-衬套；50-金属球头。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明首先提供了一种热固性碳纤维玻璃纤维混合设计的复合材料控制臂，如图1所示，该复合材料控制臂包括由碳纤维复合材料制成的控制臂主体10及设置在控制臂主体10上的玻璃纤维制成的加强板20，控制臂主体10与加强板20通过模压复合成型。该控制臂由碳纤维/玻璃纤维复合而成，一方面利用了碳纤维复合材料的高强度、高模量性能，另一方面利用了玻璃纤维的价格便宜，通过两者混合设计降低成本。
控制臂主体10具有三个安装端，其中两个安装端通过预埋的方式设置有衬套安装件30，衬套安装件30中用于安装衬套40，另外一端安装金属球头50。衬套安装件30在模压前提前预埋在控制臂主体10对应的端部，控制臂主体10上安装金属球头50的端头开设有安装孔，安装孔用于固定金属球头50。 该安装孔在模压成型后通过钻孔的方式成型。
如图2所示，控制臂本体10包括本体板11和从本体板11边缘向一侧伸出的加强缘12，加强缘12与本体板11一体成型，加强缘12与本体板10之间形成凹槽，加强板20就设置在该凹槽中，加强板20具有多个，多个加强板在凹槽中间隔布置。
本发明还提供了上述复合材料控制臂的制作方法，该方法包括碳纤维制成的控制臂主体10与玻璃纤维制成的加强板20通过模压复合成型
如图4所示，该方法具体包括如下步骤：
1）碳纤维预浸料及玻璃纤维预浸料的准备；
2）按照控制臂本体和加强板的形状分别对碳纤维预浸料及玻璃纤维预浸料进行裁剪；
3）将碳纤维预浸料及玻璃纤维预浸料进行铺层，铺层完成后预埋金属衬套安装件；
4）模压成型；
5）固化后处理。
下面通过具体实施例描述该复合材料控制的制作方法：
实施例1
(1)准备碳纤维预浸料，控制臂本体的碳纤维厚度5.0mm,采用3K平纹布预浸料，材料型号C6442P1,由成都鲁晨新材料提供；准备玻璃纤维加强板预浸料，玻璃纤维加强板的厚度为9.0mm，采用单向玻璃纤维预浸料，材料型号G6437U0，由成都鲁晨新材料提供；
(2) 按照控制臂本体和加强板的形状分别对碳纤维预浸料及玻璃纤维预浸料进行裁剪；
(3)进行铺层及预埋处理：3K平纹布预浸料，每层厚度0.25mm，共20层，铺层角度为±45°依次铺叠加10次，可以保障汽车在屈曲或外部冲击式起到抗冲击，提供高刚度，高强度的作用；玻璃纤维加强板单层0.15mm , 单一铺层角度0°，铺层次数60次；铺叠完成后预埋金属安装件。
(4)模压成型：在模具中进行热模压成型，温度 120度 2小时。
(5)后处理：固化完成后钻孔，表面哑光处理。
制成后对控制臂进行检测，其中，碳纤维控制臂本体的重量为0.8kg，玻璃纤维加强板的重量为1.1kg，复合材料控制臂的总重量为1.9kg，比金属焊接控制臂的重量轻了约32.4%，减重效果明显。
实施例2
(1)准备碳纤维预浸料，控制臂本体的碳纤维厚度5.0mm,采用3K平纹布预浸料，材料型号C6442P1,由成都鲁晨新材料提供；准备玻璃纤维加强板预浸料，玻璃纤维加强板的厚度为10.0mm，采用单向玻璃纤维预浸料，材料型号G6437U0，由成都鲁晨新材料提供；
(2)按照控制臂本体和加强板的形状分别对碳纤维预浸料及玻璃纤维预浸料进行裁剪；
(3)进行铺层及预埋处理：3K平纹布预浸料，每层厚度0.20mm，共25层，铺层角度为±45°依次铺叠加，可以保障汽车在屈曲或外部冲击式起到抗冲击，提供高刚度，高强度的作用；玻璃纤维加强板单层0.2mm , 单一铺层角度0°，铺层次数50次；铺叠完成后预埋金属安装件。
(4)模压成型：在模具中进行热模压成型，温度 130度 1.5小时。
(5)后处理：固化完成后钻孔，表面哑光处理。
制成后对控制臂进行称重，比金属焊接控制臂的重量轻了约32 %，减重效果明显。
实施例3
(1)准备碳纤维预浸料，控制臂本体的碳纤维厚度6.0mm,采用3K平纹布预浸料，材料型号C6442P1,由成都鲁晨新材料提供；准备玻璃纤维加强板预浸料，玻璃纤维加强板的厚度为7.0mm，采用单向玻璃纤维预浸料，材料型号G6437U0，由成都鲁晨新材料提供；
(2)按照控制臂本体和加强板的形状分别对碳纤维预浸料及玻璃纤维预浸料进行裁剪；
(3)进行铺层及预埋处理：3K平纹布预浸料，每层厚度0.30mm，共20层，铺层角度为±45°依次铺叠加，可以保障汽车在屈曲或外部冲击式起到抗冲击，提供高刚度，高强度的作用；玻璃纤维加强板单层0.1mm , 单一铺层角度0°，铺层次数70次；铺叠完成后预埋金属安装件。
(4)模压成型：在模具中进行热模压成型，温度 110度 2.5小时。
(5)后处理：固化完成后钻孔，表面哑光处理。
制成后对控制臂进行检测，比金属焊接控制臂的重量轻了约34 %，减重效果明显。
以上具体实施方式描述了本发明的基本原理和主要特征。本行业的技术人员应该了解，本发明的保护范围不受上述实施例的限制，任何不经过创造性劳动想到的变化或者替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种热固性碳纤维玻璃纤维混合设计的复合材料控制臂，包括碳纤维制成的控制臂本体，其特征在于，所述控制臂本体上设置有玻璃纤维制成的加强板。
2.如权利要求1所述的一种热固性碳纤维玻璃纤维混合设计的复合材料控制臂，其特征在于，所述控制臂本体与加强板通过模压复合成型。
3.如权利要求1所述的一种热固性碳纤维玻璃纤维混合设计的复合材料控制臂，其特征在于，所述控制臂本体包括本体板和从本体板边缘向同一侧伸出的加强缘，所述加强缘与所述本体板一体成型，所述加强缘与本体板之间形成凹槽，所述加强板就设置在该凹槽中。
4.如权利要求3所述的一种热固性碳纤维玻璃纤维混合设计的复合材料控制臂，其特征在于，所述加强板具有多块，多块加强板间隔布置在凹槽中。
5.如权利要求1所述的一种热固性碳纤维玻璃纤维混合设计的复合材料控制臂，其特征在于，所述控制臂本体的端头设置有衬套安装件。
6.一种权利要求1所述复合材料控制臂的制作方法，其特征在于，所述控制臂本体与所述加强板通过模压复合成型。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1）碳纤维预浸料及玻璃纤维预浸料的准备；
2）按照控制臂本体和加强板的形状分别对碳纤维预浸料及玻璃纤维预浸料进行裁剪；
3）将碳纤维预浸料及玻璃纤维预浸料进行铺层，铺层完成后预埋衬套安装件；
4）模压成型；
5）固化后处理。
8.如权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述碳纤维预浸料为3K平纹布预浸料，每层厚度为0.2-0.3mm，共15-25层，铺层角度为±45°；所述玻璃纤维预浸料为单项玻璃纤维预浸料，每层厚度为0.1-0.2mm，单一铺层角度为0°，铺层次数为50-70次。
9.如权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述模压成型是指完成铺层和预埋后的预浸料在模具中进行热模压成型，热模压的温度为110-130℃，时长为1.5-2.5小时。
10.如权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述固化后处理包括固化完成后钻孔及表面哑光处理。
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