CN116788369A - 碳纤维织物复合材料结构件及其制备的汽车骨架和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维织物复合材料结构件及其制备的汽车骨架和方法。采用碳纤维织物复合材料结构件制备的汽车骨架质量轻、刚度高、安全性好，能够用于汽车、客车骨架，用于汽车、客车时，能够降低车辆的整备重量，不仅能够节约原材料，降低车辆生产成本，而且还能降低燃油油耗，节能环保。
Description
本案为分案申请，母案申请号为CN201710332513.6，申请日为2017-05-12，专利名称为碳纤维织物复合材料结构件及其制备的汽车骨架和方法。
技术领域
本发明涉及一种碳纤维织物复合材料结构件及其制备的汽车骨架和方法。
背景技术
碳纤维具有高强度、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、质量轻、能够承受很大拉力等显著高于钢、铝等的特性，属于典型的高性能纤维，相对于传统的金属材料具有压倒性的优势。碳纤维除单独使用作为绝热保温材料外，通常作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成碳纤维复合材料。碳纤维复合材料作为结构件使用时需要设计合理的复合材料受力结构，才能充分发挥碳纤维能够承受很大拉力这一优点。
汽车、客车的车架都为立体框架，车架的作用是承受载荷，包括汽车自身零部件的重量和行驶时所受的冲击、扭曲、惯性力等。现有技术中，汽车车架结构一般为大梁式车架和承载式车架，大梁式车架将粗壮的钢梁焊接或铆合起来成为一个钢架，然后在这个钢架上安装引擎、悬架、车身等部件，大梁式车架的钢制大梁质量沉重，车架重量占去全车总重的相当部分；承载式车架由钢（较先进的是铝）经冲压、焊接而成，对设计和生产工艺的要求都很高，产品质量不易控制，生产工序繁琐，且整个车架结构刚性强度不足。
随着节能、环保逐渐成为汽车行业关注的重要课题，人们开始考虑汽车的轻量化发展。汽车的轻量化能够降低汽车的整备质量，不仅能够节约原材料，降低汽车生产成本，而且还能降低燃油油耗，节能环保。因此，人们开始尝试用更轻质、强度更好的复合材料代替以往车架构件的材料。
发明内容
碳纤维复合材料中碳纤维最大特点是能够承受很大的拉力，树脂承受压力，现有材料制成管状内部没有支撑，制成板状的话，由于板厚太小，产生力矩小，没有充分利用碳纤维能够承受很大拉力的优点，所以需要研究怎样充分发挥碳纤维承受拉力这一优点的方法。为此需要将碳纤维复合材料制成密度轻的结构件来承受很大拉力便成为了很大的难题。再者，碳纤维复合材料不太适合快速生产，也是阻碍碳纤维复合材料发展的重要原因。
本发明就是为了解决上述问题，提供一种碳纤维织物复合材料结构件及其制备的汽车骨架和方法。
本发明采用以下技术方案：一种碳纤维织物复合材料结构件，所述碳纤维织物复合材料结构件的形状是环状，内芯是环状硬质泡沫材料，环状硬质泡沫材料外表面缠绕碳纤维织物复合材料，构成单环碳纤维织物复合材料结构件。
所述的碳纤维织物复合材料结构件，所述单环碳纤维织物复合材料结构件为束状，束中单环碳纤维织物复合材料结构件的数量至少为两个，一束单环碳纤维织物复合材料结构件外表面缠绕碳纤维织物复合材料，构成多环碳纤维织物复合材料结构件。
所述的碳纤维织物复合材料结构件，所述多环碳纤维织物复合材料结构件的外表缠绕的碳纤维织物复合材料内部充实单环碳纤维织物复合材料结构件，构成实心多环碳纤维织物复合材料结构件。
所述的碳纤维织物复合材料结构件，所述多环碳纤维织物复合材料结构件由外至内以此为外表缠绕的碳纤维织物复合材料、单环碳纤维织物复合材料结构件、空腔，构成空心多环碳纤维织物复合材料结构件。
所述的碳纤维织物复合材料结构件，所述多环碳纤维织物复合材料结构件沿轴线部分为空腔，构成部分空心多环碳纤维织物复合材料结构件。
所述的碳纤维织物复合材料结构件制备的碳纤维织物复合材料框架，所述单环碳纤维织物复合材料结构件、实心多环碳纤维织物复合材料结构件、空心多环碳纤维织物复合材料结构件及部分空心多环碳纤维织物复合材料结构件，统称为碳纤维织物复合材料结构件环，所述碳纤维织物复合材料结构件环组合为框架，框架中相邻接触构成束状部分的碳纤维织物复合材料结构件环的外表面缠绕碳纤维织物复合材料。
所述的碳纤维织物复合材料框架，所述碳纤维织物复合材料框架是未封闭的结构。
一种碳纤维织物复合材料结构件制备框架的方法，包括以下步骤：
（1）绘制框架的三维制图；
（2）根据三维制图的框架分解环状框架，包括：单环框架，根据需要，还要继续分解实心多环框架包含的单环框架、空心多环框架包含的单环框架、部分空心多环框架包含的单环框架，统称为单环环状框架；
（3）根据每个单环环状框架的形状分别制作单环环状硬质泡沫材料内芯框架，根据需要，包括单环硬质泡沫材料内芯框架，根据需要，还制作实心多环硬质泡沫材料内芯框架包含的单环硬质泡沫材料内芯框架、空心多环硬质泡沫材料内芯框架包含的单环硬质泡沫材料内芯框架、部分空心硬质泡沫材料内芯多环框架包含的单环硬质泡沫材料内芯框架；
（4）将每个环状硬质泡沫材料内芯框架外表面缠绕连续碳纤维织物预浸料，构成单环碳纤维织物预浸料复合材料结构件；根据需要，包括实心多环碳纤维织物复合材料结构件包含的单环碳纤维织物预浸料复合材料结构件、空心多环碳纤维织物复合材料结构件包含的单环碳纤维织物预浸料复合材料结构件及部分空心多环碳纤维织物复合材料结构件包含的单环碳纤维织物预浸料复合材料结构件；
（5）根据需要，
将实心多环碳纤维织物复合材料结构件包含的单环碳纤维织物预浸料复合材料结构件组合为裸实心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件束，并将裸实心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件束外表面缠绕连续碳纤维织物预浸料，构成实心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件；
将空心多环碳纤维织物复合材料结构件包含的单环碳纤维织物预浸料复合材料结构件组合为裸空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件束，并将裸空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件束外表面缠绕连续碳纤维织物预浸料，构成空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件；
将部分空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件包含的单环碳纤维织物预浸料复合材料结构件组合为裸部分空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件束，并将裸部分空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件束外表面缠绕连续碳纤维织物预浸料，构成部分空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件；
（6）将单环碳纤维织物预浸料复合材料结构件、实心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件、空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件、部分空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件四种之一种或者多种组合为框架，框架中相邻接触构成束状部分的外表面缠绕碳纤维织物预浸料，构成碳纤维织物预浸料复合材料框架；
（7）将碳纤维织物预浸料复合材料框架置于模具加热固化，脱模，即为碳纤维织物复合材料框架。
所述的碳纤维织物复合材料结构件制备框架的方法，所述碳纤维织物复合材料框架为汽车骨架、飞机骨架、火车骨架及集装箱骨架。
碳纤维能够承受很大拉力，且不会变形，但是做成实心的话，不仅会浪费材料，增加重量，而且性能提高也不大，因此本发明将蜂窝杆内填充硬质泡沫材料，从而达到最优发挥碳纤维承受很大拉力这一性能；采用碳纤维织物缠绕结构件制备的汽车等骨架质量轻、强度高，再者，能够用环体缠绕包装机成型，适合机械化生产。
附图说明
图1是汽车骨架的结构示意图。
图2是一段单环碳纤维织物复合材料结构件。
图3是一段实心多环碳纤维织物复合材料结构件。
图4是一段空心多环碳纤维织物复合材料结构件。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
一种碳纤维织物复合材料结构件，如图1-4，图1所示框架100的汽车骨架由碳纤维织物复合材料结构件环110组合而成，碳纤维织物复合材料结构件环110可以是单环碳纤维织物复合材料结构件111如图2，单环碳纤维织物复合材料结构件111的内芯是环状硬质泡沫材料112，环状硬质泡沫材料112外表面缠绕碳纤维织物复合材料113。缠绕就像环体缠绕包装机一样将碳纤维织物复合材料113缠绕包装在硬质泡沫材料112外表面；碳纤维织物复合材料113就是碳纤维织物与树脂、金属等基体复合制成结构材料；环状硬质泡沫材料112可以是整体成型结构，也可以是分段拼接结构；硬质泡沫材料112可以是硬质泡沫塑料如聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）、硬质泡沫金属如泡沫铝或者其它。
所述的碳纤维织物复合材料结构件，所述单环碳纤维织物复合材料结构件为束状如图3，束中单环碳纤维织物复合材料结构件111的数量至少为两个，一束单环碳纤维织物复合材料结构件外表面缠绕碳纤维织物复合材料113（为了表达束状结构，图中没有示出），构成多环碳纤维织物复合材料结构件。 所述多环碳纤维织物复合材料结构件的外表缠绕的碳纤维织物复合材料内部充实单环碳纤维织物复合材料结构件111，构成实心多环碳纤维织物复合材料结构件120如图3。充实就是内部单环碳纤维织物复合材料结构件之间尽可能不留或者少留间隙。图4所述多环碳纤维织物复合材料结构件由外至内以此为外表缠绕的碳纤维织物复合材料113（为了表达束状结构，图中没有示出）、单环碳纤维织物复合材料结构件111、空腔131，构成空心多环碳纤维织物复合材料结构件130。空腔的位置可以位于空心多环碳纤维织物复合材料结构件的轴心，也可以位于偏离空心多环碳纤维织物复合材料结构件的轴心。
所述的碳纤维织物复合材料结构件，所述多环碳纤维织物复合材料结构件沿轴线部分为空腔，构成部分空心多环碳纤维织物复合材料结构件。部分空心多环碳纤维织物复合材料结构件留出空腔部位是为了容纳一些零件。
所述的碳纤维织物复合材料结构件制备的碳纤维织物复合材料框架，所述单环碳纤维织物复合材料结构件111、实心多环碳纤维织物复合材料结构件120、空心多环碳纤维织物复合材料结构件130及部分空心多环碳纤维织物复合材料结构件，统称为碳纤维织物复合材料结构件环110，所述碳纤维织物复合材料结构件环110组合为框架，框架中相邻接触构成束状部分的碳纤维织物复合材料结构件环的外表面缠绕碳纤维织物复合材料（为了表达束状结构，图中没有示出）。构成碳纤维织物复合材料框架的所述单环碳纤维织物复合材料结构件、实心多环碳纤维织物复合材料结构件、空心多环碳纤维织物复合材料结构件及部分空心多环碳纤维织物复合材料结构件，至少是一种，也可以是不同种类混合组合。
所述的碳纤维织物复合材料框架，所述碳纤维织物复合材料框架是未封闭的结构140。此时可能产生悬臂结构。
一种碳纤维织物复合材料结构件制备框架的方法，包括以下步骤：
（1）绘制框架的三维制图；
（2）根据三维制图的框架分解环状框架，包括：单环框架，根据需要，还要继续分解实心多环框架包含的单环框架、空心多环框架包含的单环框架、部分空心多环框架包含的单环框架，统称为单环环状框架；
（3）根据每个单环环状框架的形状分别制作单环环状硬质泡沫材料内芯框架，根据需要，包括单环硬质泡沫材料内芯框架，根据需要，还制作实心多环硬质泡沫材料内芯框架包含的单环硬质泡沫材料内芯框架、空心多环硬质泡沫材料内芯框架包含的单环硬质泡沫材料内芯框架、部分空心硬质泡沫材料内芯多环框架包含的单环硬质泡沫材料内芯框架；
（4）将每个环状硬质泡沫材料内芯框架外表面缠绕连续碳纤维织物预浸料，构成单环碳纤维织物预浸料复合材料结构件；根据需要，包括实心多环碳纤维织物复合材料结构件包含的单环碳纤维织物预浸料复合材料结构件、空心多环碳纤维织物复合材料结构件包含的单环碳纤维织物预浸料复合材料结构件及部分空心多环碳纤维织物复合材料结构件包含的单环碳纤维织物预浸料复合材料结构件；
（5）根据需要，
将实心多环碳纤维织物复合材料结构件包含的单环碳纤维织物预浸料复合材料结构件组合为裸实心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件束，并将裸实心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件束外表面缠绕连续碳纤维织物预浸料，构成实心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件；
将空心多环碳纤维织物复合材料结构件包含的单环碳纤维织物预浸料复合材料结构件组合为裸空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件束，并将裸空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件束外表面缠绕连续碳纤维织物预浸料，构成空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件；
将部分空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件包含的单环碳纤维织物预浸料复合材料结构件组合为裸部分空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件束，并将裸部分空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件束外表面缠绕连续碳纤维织物预浸料，构成部分空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件；
（6）将单环碳纤维织物预浸料复合材料结构件、实心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件、空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件、部分空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件四种之一种或者多种组合为框架，框架中相邻接触构成束状部分的外表面缠绕碳纤维织物预浸料，构成碳纤维织物预浸料复合材料框架；
（7）将碳纤维织物预浸料复合材料框架置于模具加热固化，脱模，即为碳纤维织物复合材料框架。
所述的碳纤维织物复合材料结构件制备框架的方法，所述碳纤维织物复合材料框架为汽车骨架、飞机骨架、火车骨架及集装箱骨架。
Claims (9)
1.一种碳纤维织物复合材料结构件，其特征在于：所述碳纤维织物复合材料结构件的形状是环状，内芯是环状硬质泡沫材料，环状硬质泡沫材料外表面缠绕碳纤维织物复合材料，构成单环碳纤维织物复合材料结构件。
2.根据权利要求1所述的碳纤维织物复合材料结构件，其特征在于：所述单环碳纤维织物复合材料结构件为束状，束中单环碳纤维织物复合材料结构件的数量至少为两个，一束单环碳纤维织物复合材料结构件外表面缠绕碳纤维织物复合材料，构成多环碳纤维织物复合材料结构件。
3.根据权利要求2所述的碳纤维织物复合材料结构件，其特征在于：所述多环碳纤维织物复合材料结构件的外表缠绕的碳纤维织物复合材料内部充实单环碳纤维织物复合材料结构件，构成实心多环碳纤维织物复合材料结构件。
4.根据权利要求2所述的碳纤维织物复合材料结构件，其特征在于：所述多环碳纤维织物复合材料结构件由外至内以此为外表缠绕的碳纤维织物复合材料、单环碳纤维织物复合材料结构件、空腔，构成空心多环碳纤维织物复合材料结构件。
5.根据权利要求2所述的碳纤维织物复合材料结构件，其特征在于：所述多环碳纤维织物复合材料结构件沿轴线部分为空腔，构成部分空心多环碳纤维织物复合材料结构件。
6.根据权利要求1-5所述的碳纤维织物复合材料结构件制备的碳纤维织物复合材料框架，所述单环碳纤维织物复合材料结构件、实心多环碳纤维织物复合材料结构件、空心多环碳纤维织物复合材料结构件及部分空心多环碳纤维织物复合材料结构件，统称为碳纤维织物复合材料结构件环，其特征在于：所述碳纤维织物复合材料结构件环组合为框架，框架中相邻接触构成束状部分的碳纤维织物复合材料结构件环的外表面缠绕碳纤维织物复合材料。
7.根据权利要求6所述的碳纤维织物复合材料框架，其特征在于：所述碳纤维织物复合材料框架是未封闭的结构。
8.一种碳纤维织物复合材料结构件制备框架的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）绘制框架的三维制图；
（2）根据三维制图的框架分解环状框架，包括：单环框架，根据需要，还要继续分解实心多环框架包含的单环框架、空心多环框架包含的单环框架、部分空心多环框架包含的单环框架，统称为单环环状框架；
（3）根据每个单环环状框架的形状分别制作单环环状硬质泡沫材料内芯框架，根据需要，包括单环硬质泡沫材料内芯框架，根据需要，还制作实心多环硬质泡沫材料内芯框架包含的单环硬质泡沫材料内芯框架、空心多环硬质泡沫材料内芯框架包含的单环硬质泡沫材料内芯框架、部分空心硬质泡沫材料内芯多环框架包含的单环硬质泡沫材料内芯框架；
（4）将每个环状硬质泡沫材料内芯框架外表面缠绕连续碳纤维织物预浸料，构成单环碳纤维织物预浸料复合材料结构件；根据需要，包括实心多环碳纤维织物复合材料结构件包含的单环碳纤维织物预浸料复合材料结构件、空心多环碳纤维织物复合材料结构件包含的单环碳纤维织物预浸料复合材料结构件及部分空心多环碳纤维织物复合材料结构件包含的单环碳纤维织物预浸料复合材料结构件；
（5）根据需要，
将实心多环碳纤维织物复合材料结构件包含的单环碳纤维织物预浸料复合材料结构件组合为裸实心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件束，并将裸实心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件束外表面缠绕连续碳纤维织物预浸料，构成实心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件；
将空心多环碳纤维织物复合材料结构件包含的单环碳纤维织物预浸料复合材料结构件组合为裸空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件束，并将裸空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件束外表面缠绕连续碳纤维织物预浸料，构成空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件；
将部分空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件包含的单环碳纤维织物预浸料复合材料结构件组合为裸部分空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件束，并将裸部分空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件束外表面缠绕连续碳纤维织物预浸料，构成部分空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件；
（6） 将单环碳纤维织物预浸料复合材料结构件、实心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件、空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件、部分空心多环碳纤维织物预浸料复合材料结构件四种之一种或者多种组合为框架，框架中相邻接触构成束状部分的外表面缠绕碳纤维织物预浸料，构成碳纤维织物预浸料复合材料框架；
（7） 将碳纤维织物预浸料复合材料框架置于模具加热固化，脱模，即为碳纤维织物复合材料框架。
9.根据权利要求8所述的碳纤维织物复合材料框架，所述碳纤维织物复合材料框架为汽车骨架、飞机骨架、火车骨架及集装箱骨架。
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