CN117985131A - 一种结构件、汽车及结构件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结构件、汽车及结构件的制造方法，属于汽车结构件技术领域。结构件包括：支撑件、轻量化块体和注塑层；支撑件包括多层热压在一起的预浸料纤维板，轻量化块体包括设定形状的泡沫材料，泡沫材料表面包覆有包裹层，包裹层包括预浸料纤维布；泡沫材料下表面的包裹层中的预浸料纤维布的树脂基体，与支撑件中预浸料纤维板的树脂基体熔为一体；注塑层包覆于支撑件、轻量化块体和包裹层的外侧，形成结构件的完整外壳。本发明在满足行人保护要求的前提下克服了尺寸稳定性差和刚强度差的问题，轻量化块体可以阻止注塑层在高温注塑阶段的坍陷，保证产品结构的尺寸稳定性，具有较高的冲击吸收能力；通过注塑层在外部整体包裹轻量化块体和复合材料板，解决了粘接材料失效导致的分层解离问题。

Description

一种结构件、汽车及结构件的制造方法

技术领域

本发明属于汽车结构件技术领域，具体涉及一种结构件、汽车及结构件的制造方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

汽车的结构件设计要考虑多种因素，例如行人法规保护要求、尺寸稳定性要求、刚强度要求、抗冲击性能要求、轻量化等。机舱盖作为最重要的结构件之一，用于封盖机舱内的设备，其不仅作为发动机舱的罩体，是汽车外观的重要组成部分，也是保护行人碰撞后减少行人冲击的重要缓冲零件。

目前的电动汽车为了满足轻量化的要求，有采用复合材料制备机舱盖的技术方案，如授权公告号为CN210101778U(一种汽车机舱盖内外板粘接结构)的技术文件，公开了一种通过胶粘方式连接多层复合板，来制备机舱盖的技术方案。但其采用纯胶水粘结的方式，在温度变化较大的情况下仍然存在脱胶的风险。另一方面，其未考虑行人保护的设计要求：在人、车碰撞过程中，行人头部主要的接触区域是发动机罩盖，因此应尽可能的减少在碰撞过程中发动机罩盖对头部的伤害，对行人的人身安全具有重要意义。行人保护要求机舱盖的大部分区域具有较高的韧性或具有大面积吸收冲击能量的功能以保护行人，特别是机舱盖中间约1m²左右的范围无法通过高刚性结构进行加强，因此该区域的表面在生产过程中即容易坍陷或变形。但是尺寸稳定性又要求机舱盖具有足够的强度和刚度，以防止机舱盖在生产过程中变形严重而无法制备出合格产品，并且要保证机舱盖在日常非碰撞情况下也不会坍陷。因此，目前对于需要同时满足行人保护、尺寸稳定性和轻量化的结构件仍然缺乏设计方案。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种吸收冲击的轻量化高强度结构件及其制造方法，结合预浸料热压工艺和模内注塑工艺，获得能够同时满足行人保护、尺寸稳定性和轻量化的结构件。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

第一方面，一种结构件，包括：支撑件、轻量化块体和注塑层；

所述支撑件包括多层热压在一起的预浸料纤维板，

所述轻量化块体包括设定形状的泡沫材料，所述泡沫材料表面包覆有包裹层，所述包裹层包括预浸料纤维布；

所述泡沫材料下表面的包裹层中的预浸料纤维布的树脂基体，与支撑件中预浸料纤维板的树脂基体熔为一体；

所述注塑层包覆于支撑件、轻量化块体和包裹层的外侧，形成结构件的完整外壳。

第二方面，一种汽车，使用了上述的结构件，并将所述结构件作为机舱盖使用。

第三方面，上述结构件的制备方法，包括以下步骤：

S1、将预浸料纤维布分为相连的热压部分和预留部分，将所述热压部分与多层预浸料纤维板热压在一起成为支撑件，所述预留部分不经过热压保持柔性；

S2、在轻量化块体的泡沫材料表面涂覆胶粘层，之后使用所述支撑件上附着的的预浸料纤维布的预留部分包覆泡沫材料，将包裹有泡沫材料的支撑件热压成形，获得整体；

S3、将S2中获得的整体放入注塑模具中注塑，获得表面包覆有注塑层的整体，即为结构件。

本发明的有益效果为：

1.本发明在满足行人保护要求的前提下克服了尺寸稳定性差和刚强度差的问题；轻量化块体填充于机舱盖的无法通过高刚性结构进行结构加强的部位，可以阻止注塑层在高温注塑阶段的坍陷问题，保证所生产的产品结构的尺寸稳定性，同时在注塑层固化之后的汽车日常使用阶段也能提供较好的尺寸稳定性；表面包覆有轻薄的预浸料纤维布的泡沫材料具有较高的冲击吸收能力，与行人碰撞接触时能够及时收冲击能量，满足行人保护要求；通过注塑层在外部整体包裹轻量化块体和复合材料板，解决了粘接材料失效导致的分层解离问题。

2.本发明通过预浸料纤维布的预留部分包覆泡沫材料形成轻量化块体，预浸料纤维布的热压部分提前与支撑件以热压的方式牢固地结合在一起，提高了轻量化块体和支撑件的结合能力，防止内部层状缺陷的产生；并且在已经定型的支撑件上添加轻量化块体，通过制备工序提高了尺寸稳定性，。

3.本发明通过控制复合材料板、轻量化块体的分布与厚度，能够提供不同的冲击吸收和刚度性能，设计灵活性更高。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为实施例1中的结构件的结构示意图。

图2为图1中的A部分。

图3为图1中的B部分。

图4为实施例2中机舱盖的制备方法流程图。

其中，1、支撑件；11、纤维层；12、树脂层；13、热压部分；14、预留部分；2、泡沫材料；21、胶粘层；3、注塑层。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1

一种结构件，如图1所示，包括：支撑件1、泡沫材料2和注塑层3；

支撑件1包括多层热压在一起的预浸料纤维板；

轻量化块体包括设定形状的泡沫材料2，泡沫材料2表面包覆有包裹层，所述包裹层包括预浸料纤维布；

泡沫材料2下表面的包裹层中的预浸料纤维布的树脂基体，与支撑件1中预浸料纤维板的树脂基体熔为一体；

注塑层3包覆于支撑件1和轻量化块体的外侧，形成结构件的完整外壳。

如此设置，能够解决刚强度与行人保护这两个相互矛盾的设计要求，其轻量化块体可以阻止高温注塑过程中流动状态的注塑层3的坍陷，保证所生产的产品结构的尺寸的稳定性，同时在注塑层3固化之后的日常服役阶段也能提供较好的尺寸稳定性。泡沫材料2提供较高的冲击能量吸收能力，满足行人保护要求；又通过注塑层3在外部整体包裹轻量化块体和支撑件1，解决了粘接材料失效导致的分层解离问题。

可选的，轻量化块体与预浸料纤维布之间通过胶粘的方式连接。

可选的，支撑件1起力学支撑并保持高强度高刚度的作用，包括多层热压在一起的预浸料纤维板，如图2所示，单层的预浸料纤维板中包含复合在一起的纤维层11与树脂层12，则热压之后的支撑件1中呈现出：纤维层11与树脂层12在层厚方向交替排列的状态。

可选的，纤维层11包括单向带或编织纤维；可选的，纤维层11的总层数为1～20层，优选为1～5层；

可选的，每个纤维层11可按照需要设计成各种单向带或编制纺织结构；纤维排列方向角度可按要求自由设计。

可选的，单层单向带厚度为0.1-0.25mm，优选0.2-0.25mm；

可选的，单层编织纤维厚度为0.05-0.5mm，优选0.25-0.5mm。

可选的，纤维层11中的纤维材料包括：棉纤维、玻璃纤维、碳纤维、麻纤维、竹纤维、kevlar纤维中的一种或多种；

树脂层12的树脂包括热塑性树脂和热固性树脂：热塑性树脂包括聚丙烯PP、聚酰胺PA、聚碳酸酯PC，和它们的衍生物中的一种或多种；热固性树脂包括环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂，和它们的衍生物中的一种或多种；

预浸料纤维布的厚度比预浸料纤维板的厚度薄，为柔性材料，能够弯折，用于包覆泡沫块2，预浸料纤维布同样包括复合在一起的纤维部分与树脂部分，树脂部分的成分与复合材料板的树脂成分相同；可选的，支撑件1也可以由多层预浸料纤维布热压获得。

可选的，预浸料纤维布包括相连的两部分：热压部分13和预留部分14；热压部分13和多层预浸料纤维板热压在一起，同样起力学支撑并保持高强度高刚度的作用；预留部分14不与多层预浸料纤维板热压在一起，因此预留部分14为支撑件1的表面向外伸出的部分；热压部分13和预留部分14仅是功能上的不同，是一张预浸料纤维布的不同区域，则热压部分13和预留部分14之间分布有连续的纤维。

可选的，如图2所示，在支撑件1的同一位置上伸出两张预浸料纤维布，即同一位置设置有两个能够贴合在一起的预留部分14，两张预浸料纤维布分别用于包裹位于伸出位置的左右两侧的泡沫材料2，则左右两侧的泡沫材料2能够拼接成轻量化层，接缝处则由预浸料纤维布的树脂部分填充。

可选的，支撑件1中，多层热压在一起的预浸料纤维板的总厚度为0.5～10.0mm，优选为2.0～5.0mm。

可选的，如图1所示，支撑件1的造型可以按照设计需求，通过热压模具成形为各种造型结构，起到支撑和保持刚度稳定性的要求，能够在适当位置设计加强筋等力学结构。

可选的，如图2所示，泡沫材料2与预浸料纤维布之间分布有胶粘层21，通过胶粘的形式与预浸料纤维布的预留部分14的包裹作用固定住泡沫材料2，用来增加强度和刚度并保有较高韧性。

优选的，用来包裹住泡沫材料2的预浸料纤维布中能够包括1～5层的纤维层11；为方便加工，优选为1层。

可选的，胶粘层21的材料包括聚氨酯胶、环氧树脂胶、丙烯酸胶、异氰酸酯胶和EVA胶中的一种或多种；

可选的，胶粘层21的厚度为0.01～1.00mm，优选为0.05-0.50mm，由于胶粘层21的原料为液体，则此处的厚度收到涂覆胶粘层21的工艺和后续热压对胶粘层21的影响；胶粘层21应该在粘接牢固的情况下尽量薄，进一步优选的为0.10-0.25mm。

可选的，泡沫材料2为预先在发泡模具中发泡成型的具有一定刚性的泡沫材料，材质包括但不限于聚丙烯PP、聚苯乙烯PS、聚酰胺PA和聚氨酯PU中的一种或多种。

可选的，泡沫材料2的邵氏硬度(A型)等级在10-40度之间，优选20-32度；泡沫材料2和支撑件1中的树脂层12的材料一致或相容性较好，有利于各个部分之间的高强度粘合。

可选的，泡沫材料2的数量可以有一个或者多个，由上文所述，多个泡沫材料2可以拼接为轻量化层，接缝处则由预浸料纤维布的预留部分14填充，轻量化块体分布于复合材料板表面1-200mm范围内，即其厚度为1-200mm,；当应用于机舱盖时，优选1-50mm；进一步优选1-10mm。

可选的，注塑层3材料为各种热塑性树脂和热固性树脂，热塑性树脂包括但不限于聚丙烯PP、聚酰胺PA、聚碳酸酯PC等及其衍生物；热固性树脂包括但不限于环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂等及其衍生物；

注塑层3材料与树脂层12树脂的相容，相容性较好为佳也是有利于各种材料的高强度界面结合。

注塑层3的材料冷却后包裹住支撑件1和轻量化层，由于内部结构与注塑层3的材料之间为分子间相互贯穿相容的状态，具有较高的界面作用能力，使整个结构件的各个部分不易分离。

可选的，注塑层3按照材料不同，可设计厚度为1.5-3mm，优选2-2.5mm；

上述吸收冲击的轻量化高强度结构件的制备方法，包括以下步骤：

S1、如图2所示，将预浸料纤维布分为相连的热压部分13和预留部分14，将热压部分13与多层的预浸料纤维板热压在一起成为支撑件1，预留部分14不经过热压，成为牢固附着在支撑件1表面的柔性材料；

S2、在轻量化块体的泡沫材料2表面涂覆胶粘层21，之后使用支撑件1的表面附着的柔性的预留部分14包覆泡沫材料2，之后热压成形，获得整体；

S3、如图1所示，将S2中获得的整体放入注塑模具中注塑，获得表面包覆有注塑层3的整体，即为结构件。

可选的，S1中，多层预浸料纤维板按照纤维方向交叉铺陈的方式铺陈。

可选的，S1中，热压温度为130～300℃，优选为150～230℃，在此温度下，热压成为形状稳定的具有较高刚度的多层预浸料纤维板，能够在后续工序中起支撑作用。

可选的，S1中，热压过程中，预留部分14从热压模具的缝隙中伸出，不经历热压。

可选的，S2中，泡沫材料2为预先在发泡模具中发泡制备获得。

可选的，S2中，热压完成后，轻量化块体位于复合材料板与其表面伸出的弯折的预浸料纤维布之间，由于预浸料纤维布的预留部分14在包覆轻量化块体时仍保持柔性，则能够保证两者的紧密结合，防止出现层状缺陷；

具体的，如图1所示，当泡沫材料2位于支撑件1的中间位置时，使用预浸料纤维布的预留部分14完全包裹泡沫材料2；当泡沫材料2位于支撑件1的边缘位置时，使用预浸料纤维布的预留部分14包裹泡沫材料2的内部侧面和上表面，不必完整包裹泡沫材料2的外侧边缘。

如图3所示，当设计上需要减薄，且此位置不要求冲击吸收能力时，在支撑件1上可留出泡沫材料2的空位，此时，在空位外侧的位置只伸出一张预浸料纤维布的预留部分14，用于包裹空位外侧的泡沫材料2。

可选的，S2中，热压温度为110-180℃，优选120-130℃；温度低于S1中的热压温度，不会改变复合材料板的形状，此时泡沫材料2与预浸料纤维布和复合材料板之间通过胶粘层21结合在一起，加热的目的是提高各材料的变形能力并提高胶粘层21的流动性，使各部分紧密结合。

可选的，S3中，注塑温度为200-300℃，优选220-260℃；此时，注塑层3形成结构件的整体外壳，将复合材料板和轻量化块体完全包覆在内。

实施例2

采用实施例1中的结构件做为机舱盖，制造方法如图4所示，包括步骤：

步骤一、将5层厚度均为0.2mm的PP玻纤预浸料单层面板(玻纤含量60％wt)按照设计要求方向分别均匀铺陈在热压模具中，在第6层铺陈两张相同材质但是长度不同的PP玻纤预浸料单层面板，具体为从左右两个方向向中间铺陈，在两张PP玻纤预浸料单层面板在中间位置接触后，已经铺陈到平面的部分为热压部分13，接触后从铺陈平面竖起的部分为预留部分14，热压时，将预留部分14从热压模具的缝中穿出，使其不经历热压过程。

步骤二、将步骤一种铺陈好的多层材料进行热压，热压温度为170℃，热压过程中多层PP玻纤预浸料单层面板的总厚度有所减少，热压后获得的复合材料板包括6层PP玻纤预浸料单层面板，总厚度约为1.0mm；

步骤三、将步骤二中获得的复合材料板放入另一套热压模具中，将预先制得的具有造型结构的硬质PU泡沫(轻量化块体，邵氏硬度/A型为26-27，厚度为2mm)表面涂覆PU胶粘层，放置到步骤二中的复合材料板的热压面上，并使用预留部分14包裹住硬质PU泡沫；

其中，由于步骤一中的预留部分14包括同一位置伸出的两张预浸料，因此能够将左右两侧的硬质PU泡沫较为严密地拼合为一体；

步骤四、对步骤三中的复合材料板与硬质PU泡沫进行热压，热压温度为125℃，获得整体；

步骤五、将步骤四获得的整体放入注塑模具中，通过注塑PP材料，获得能够吸收冲击的轻量化高强度的机舱盖，注塑温度为220℃，注塑层3的单面厚度厚度为1mm，由于特定位置的结构设计，最终机舱盖表面平均厚度约为5mm，最薄厚度可以做到约为3mm；具体的，注塑层3厚度一般为1mm，支撑件1厚度为1mm，泡沫材料2组成的轻量化层的厚度可以为1mm至几十mm，因此认为最薄厚度可以为3mm，为了考虑零件装配问题及性能冗余设计等问题，轻量化层的厚度一般为4mm左右，因此平均厚度为5mm。

本实施例提供的机舱盖与非金属材料内外板粘接结构的机舱盖结构相比，克服了其尺寸稳定性差和刚强度差的问题：因行人碰撞的要求，机舱盖中间约1m²左右的范围，无法进行强结构加强，因此该区域的表面容易坍陷或变形，稳定性差；另一方面，由于缺少加强结构，机舱盖总体的刚强度很难达到金属的要求，也难以满足实际要求。采用本发明的技术方案，首先制备支撑件1，提供后续工序的骨架能够提升产品的平整度与尺寸稳定性，在支撑件1表面复合中间泡沫层，可以阻止注塑层3的坍陷，保持外表面的尺寸的稳定性，同时提供较高的冲击吸收能力。

本发明提供的机舱盖通过控制中间的泡沫材料2、注塑层2和支撑件1的厚度来满足不同性能的冲击要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种结构件，其特征在于，包括：

支撑件、轻量化块体和注塑层；

所述支撑件包括多层热压在一起的预浸料纤维板；

所述轻量化块体包括设定形状的泡沫材料，所述泡沫材料表面包覆有包裹层，所述包裹层包括预浸料纤维布；

所述泡沫材料下表面的包裹层中的预浸料纤维布的树脂基体，与支撑件中预浸料纤维板的树脂基体熔为一体；

所述注塑层包覆于支撑件、轻量化块体和包裹层的外侧，形成结构件的完整外壳。

2.如权利要求1所述的结构件，其特征在于，

所述支撑件包括多层热压在一起的预浸料纤维板，单层的预浸料纤维板中包含复合在一起的纤维层与树脂层，则热压之后的支撑件中呈现出：纤维层与树脂层在层厚方向交替排列的状态；

可选的，纤维层的总层数为1～20层，优选为1～5层；

可选的，纤维层包括单向带或编织纤维；

可选的，单层单向带厚度为0.1-0.25mm，优选0.2-0.25mm；

可选的，单层编织纤维厚度为0.05-0.5mm，优选0.25-0.5mm。

3.如权利要求2所述的结构件，其特征在于，

纤维层中的纤维材料包括：棉纤维、玻璃纤维、碳纤维、麻纤维、竹纤维、kevlar纤维中的一种或多种；

树脂层的树脂包括热塑性树脂和热固性树脂：热塑性树脂包括聚丙烯PP、聚酰胺PA、聚碳酸酯PC，和它们的衍生物中的一种或多种；热固性树脂包括环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂，和它们的衍生物中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的结构件，其特征在于，

预浸料纤维布的厚度比预浸料纤维板的厚度薄，为柔性材料，预浸料纤维布包括复合在一起的纤维部分与树脂部分，部分树脂的成分与复合材料板的树脂成分相同；

可选的，复合材料板也可以由多层预浸料纤维布热压获得。

5.如权利要求1所述的结构件，其特征在于，

预浸料纤维布包括相连的两部分：热压部分和预留部分；热压部分和多层预浸料纤维板热压在一起；预留部分不与多层预浸料纤维板热压在一起；

热压部分和预留部分是一张预浸料纤维布的不同区域，则热压部分和预留部分之间分布有连续的纤维。

6.如权利要求1所述的结构件，其特征在于，

泡沫材料与预浸料纤维布之间分布有胶粘层；胶粘层的材料包括聚氨酯胶、环氧树脂胶、丙烯酸胶、异氰酸酯胶和EVA胶中的一种或多种；

可选的，泡沫材料为预先在发泡模具中发泡成型的具有一定刚性的泡沫材料，材质包括但不限于聚丙烯PP、聚苯乙烯PS、聚酰胺PA和聚氨酯PU中的一种或多种；

可选的，泡沫材料的数量有一个或者多个，多个泡沫材料拼接为轻量化层，接缝处则由预浸料纤维布的预留部分填充。

7.如权利要求1所述的结构件，其特征在于，

注塑层材料为各种热塑性树脂和热固性树脂，热塑性树脂包括但不限于聚丙烯PP、聚酰胺PA、聚碳酸酯PC等及其衍生物；热固性树脂包括但不限于环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂等及其衍生物；注塑层材料与树脂层树脂相容。

8.一种汽车，其特征在于，将权利要求1-7任一所述的结构件作为机舱盖使用。

9.一种如权利要求1-7任一所述的结构件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将预浸料纤维布分为相连的热压部分和预留部分，将所述热压部分与多层预浸料纤维板热压在一起成为支撑件，所述预留部分不经过热压保持柔性；

S2、在轻量化块体的泡沫材料表面涂覆胶粘层，之后使用所述支撑件上附着的的预浸料纤维布的预留部分包覆泡沫材料，将包覆有泡沫材料的支撑件热压成形，获得整体；

S3、将S2中获得的整体放入注塑模具中注塑，获得表面包覆有注塑层的整体，即为结构件。

10.如权利要求9所述的结构件的制备方法，其特征在于，

S1中，热压温度为130～300℃，优选为150～230℃；

S2中，热压温度为110-180℃，优选120-130℃，且温度低于S1中的热压温度；

S3中，注塑温度为200-300℃，优选220-260℃。