CN206938911U - 用于替换金属零部件的复合材料汽车零部件 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于替换金属零部件的复合材料汽车零部件，包括：芯材(1)；多个Z‑Pin销钉(2)，每个所述Z‑Pin销钉包括植入所述芯材(1)中的植入部分和凸出所述芯材(1)的凸出部分；编织层(3)，编织在所述芯材(1)的表面，每个所述Z‑Pin销钉(2)的凸出部分分别插入到所述编织层的不同网眼中；固化成型层(4)，包裹在所述芯材(1)、Z‑Pin销钉(2)和编织层(3)外侧。本公开提供的汽车零部件强度和刚度性能好，耐冲击性能强。

Description

用于替换金属零部件的复合材料汽车零部件

技术领域

本公开涉及汽车技术领域，具体地，涉及一种汽车零部件。

背景技术

Z-pin增强是将针状细杆Z-pin销钉植入到未固化的复合材料层合构件进行三维增强，从而提高其层间性能的技术。常用的Z-pin销钉材料是直径为0.2～1.0mm的高强度、高模量碳纤维针或钛合金针等。在摩擦力和材料对Z-pin销钉约束的双重作用下，Z-pin销钉像钉子一样将层合板的各个子层联结在一起。

Z-pin技术的具体操作方式为借鉴缝合复合材料技术中不连续缝针方法，在层合板的预浸件中直接嵌入固化好的纤维短棒或金属短棒，然后再固化预浸件形成层合板的工艺过程。常规的Z-pin技术是将Z-Pin销钉植入泡沫材料，再通过超声等方式植入到铺层织物内的方式。

现有技术是将Z-Pin销钉通过物理手段打入到纤维织物中，容易对连续纤维造成损伤，虽然可提高层间剪切性能，但会降低面内性能。

实用新型内容

本公开的目的是提供一种用于替换金属零部件的复合材料汽车零部件，该汽车零部件强度和刚度性能好，耐冲击性能强。

为了实现上述目的，本公开提供一种用于替换金属零部件的复合材料汽车零部件，包括：芯材；多个Z-Pin销钉，每个所述Z-Pin销钉包括植入所述芯材中的植入部分和凸出所述芯材的凸出部分；编织层，编织在所述芯材的表面，每个所述Z-Pin销钉的凸出部分分别插入到所述编织层的不同网眼中；固化成型层，包裹在所述芯材、Z-Pin销钉和编织层外侧。

可选的，所述Z-Pin销钉的凸出部分的长度和编织层的厚度的比例为1： (0.9-1.1)。

可选的，所述Z-Pin销钉的直径与植入部分长度的比例为1：(1-30)。

可选的，所述编织层和芯材的厚度比例为1：(0.1-10)。

可选的，所述多个Z-Pin销钉呈矩阵结构均匀分布。

可选的，所述汽车零部件为选自结构件、覆盖件和底盘件中的至少一种。

可选的，所述芯材的材料为选自聚甲基丙烯酰亚胺、聚丙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、丁苯橡胶和氯丁橡胶中的至少一种，所述 Z-Pin销钉的材料为选自铝钛合金、铁、铝合金、碳纤维增强复合材料和玻璃纤维增强塑料中的至少一种，所述编织的材料为选自碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维中的至少一种，所述固化成型层的材料为选自环氧树脂、聚氨酯树脂和有机硅树脂中的至少一种。

可选的，所述编织层与所述固化成型层的重量比为(30:70)-(70:30)。

可选的，所述编织层的编织方式包括二维二向编织和/或二维三向编织。

可选的，所述编织层包括1-20层编织单层。

本公开的汽车零部件包括芯材、Z-Pin销钉、编织层和固化成型层并使编织层的编织网眼分隔Z-Pin销钉，防止Z-Pin销钉二次植入所造成的结构损坏。本公开的汽车零部件对零部件内层的破坏性小，具有优良的强度和刚度性能，且层间性能好，抗冲击性能更高，可有效替代传统金属零部件，实现汽车轻量化，是钣金件和冲压件的良好替代品。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本公开汽车零部件一种具体实施方式的结构示意图。

图2-6是本公开汽车零部件的制备方法的一种具体实施方式的流程示意图。

图7是本公开二维二向编织层一种具体实施方式的结构示意图。

图8是本公开二维三向编织层一种具体实施方式的结构示意图。

附图标记说明

1 芯材 2 Z-Pin销钉

3 编织层 4 固化成型层

5 模具

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

如图1所示，本公开提供一种用于替换金属零部件的复合材料汽车零部件，包括：芯材1；多个Z-Pin销钉2，每个所述Z-Pin销钉包括植入所述芯材1中的植入部分和凸出所述芯材1的凸出部分；编织层3，编织在所述芯材1的表面并，每个所述Z-Pin销钉2的凸出部分分别插入到所述编织层的不同网眼中；固化成型层4，包裹在所述芯材1、Z-Pin销钉2和编织层3外侧。在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“内、外”是指部件轮廓的内外。

现有Z-Pin技术为二次植入技术，一般通过将Z-Pin销钉植入芯材的表面，然后在芯材的表面继续铺层，接着通过空压等方式压碎芯材，将Z-Pin 销钉压入铺层内，实现Z向增强。二次植入一方面会对铺层和芯材造成破坏，降低材料性能，导致零部件用料量增加，造成材料浪费，影响了减重效果；另一方面需要专用的二次植入设备，导致制造成本升高。本公开的零部件只需一次植入即可制备，取消了二次植入步骤，有效解决了现有技术的问题。本公开的汽车零部件不需要破坏芯材，编织层和固化成型层与芯材共同制成三明治结构，起到增强结构刚度和抗压性能等作用，有效提高了材料的利用率，同时可进一步降低增强纤维的用量，降低材料成本。另外，二次植入需要保留植入时的操作空间，因此一次植入后的Z-PIN销钉只能位于零部件的单侧，而本公开的汽车零部件不需二次植入进行制备，因此可置于零部件任何部位。

根据本公开，编织层3的作用在于取消Z-Pin销钉2的第二次植入，使 Z-Pin销钉2在编织时即可与编织层3交错在一起，从而无需破坏芯材1，并能够使Z-Pin销钉2提高芯材1与编织层3以及固化成型层4之间的剪切性能，避免零部件在使用过程中出现分层。一种具体实施方式，所述Z-Pin销钉2的凸出部分的长度和编织层3的厚度的比例可以为1：(0.9-1.1)，优选为1:(1-1.1)，所述Z-Pin销钉直径与植入部分长度的比例为1：(1-30)，优选为1：(5-15)，所述凸出部分和植入部分的长度方向为所述Z-Pin销钉的轴向，所述编织层3的厚度方向也为所述Z-Pin销钉的轴向。Z-Pin销钉2 的形状和大小可以根据需要进行调整，例如直径为0.2-1.0毫米，长度为1-5 厘米，其可以为金属销钉也可以非金属销钉，材料可以为选自铝钛合金、铁、铝合金、碳纤维增强复合材料和玻璃纤维增强塑料中的至少一种。

根据本公开，所述多个Z-Pin销钉2的分布方式是本领域技术人员所熟知的，可以根据需要进行设置，例如可以在强度要求较高的区域分布更多 Z-Pin销钉2。一种具体实施方式，如图1和3所示，所述多个Z-Pin销钉2 呈矩阵结构均匀分布，矩阵结构是指Z-Pin销钉2之间的连线呈现横平竖直的90°的结构，当然，本领域技术人员也可以设置其它规整的结构，例如 Z-Pin销钉2之间的连线呈60°或120°等。规整的Z-Pin销钉分布方式有利于使汽车零部件各部分强度一致，防止出现局部断裂。

根据本公开，汽车零部件是本领域技术人员所熟知的，例如可以为选自结构件、覆盖件和底盘件中的至少一种，所述结构件例如为车骨架和车门等，所述覆盖件例如为发动机罩、前围板和后围板等，所述底盘件例如为减震器、前桥、后桥和变速器等。

根据本公开，芯材1是指汽车零部件的内部构件，具有较高抗压及抗冲击强度，可以弥补编织层抗冲击和抗压强度较差的问题，并提高零部件刚性。芯材1一般具有特殊的形状，例如汽车加强板的芯材形状为如图2所示的板形，其材料一般为高强度低密度的泡沫材料，例如为选自聚甲基丙烯酰亚胺、聚丙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、丁苯橡胶和氯丁橡胶中的至少一种。一种具体实施方式，所述编织层3和芯材1的厚度比例可以为1：(0.1-10)，优选为1：(0.5-5)，所述芯材1的厚度方向为所述Z-Pin销钉的轴向。编织层3的厚度越厚，则固化层与芯材1之间的抗剪切强度越高，根据不同汽车零部件的需要，本领域技术人员也可以进行调整。

根据本公开，固化成型层4是指通过固化成型的方式形成在汽车零部件表面的结构层，其可以包裹芯材、Z-Pin销钉和编织层的至少部分外侧，也可以将芯材、Z-Pin销钉和编织层完全包裹。固化成型层4的材料可以为选自环氧树脂、聚氨酯树脂和有机硅树脂中的至少一种，固化成型的方式可以为选自树脂传递模塑成型、高压树脂传递模塑成型、湿法模压成型和真空辅助成型等方式。

根据本公开，所述编织层3的材料可以为选自碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维中的至少一种。根据强度等力学性能的需要，本公开所述编织层3与所述固化成型层4的重量比可以为(30:70)-(70:30)，优选为(40:60)-(60:40)。编织层3编织的方式是本领域技术人员所熟知的，例如可以包括二维二向编织和/或二维三向编织，二维二向编织和二维三向编织是本领域技术人员所熟知的，如图7所示，二维二向编织为在二个方向上的编织纱进行交叉编织，如图8所示，二维三向编织为在二维二向编织的基础上加入了轴向编织纱进行编织。所述编织层3可以是一层或多层，例如可以包括1-20层编织单层，编织单层的厚度一般为 0.1-1毫米左右。根据力学性能的需要，可以在芯材1的局部调整编织层3 的层数，以实现局部增强，并可采用增加轴向纱线的方式对单个方向进行补强，满足不同部位对零部件性能的不同要求。

下面结合附图提供本公开所提供的汽车零部件的制备方法的一种具体实施方式，但是并不因此而限制本公开。

本公开汽车零部件的制备方法包括如下步骤：

(1)如图2所示，根据零部件结构，将高强度结构泡沫制成所需的芯材形状，得到芯材1；

(2)如图3所示，将Z-Pin销钉2呈矩阵结构分布植入到芯材1表面；

(3)如图4-5所示，采用表面编织方式将增强纤维编织到已植入Z-Pin 销钉2的芯材1表面，并使增强纤维所形成编织层3的编织网眼穿过Z-Pin 销钉2，且不同的Z-Pin销钉2穿过不同的编织网眼，得到编织层3；

(4)如图6所示，将编织层3、Z-Pin销钉2与芯材1一起置于固化模具5内，通过注胶、固化等工序使编织层3、Z-Pin销钉2与芯材1外侧固化成型固化成型层4，并得到所需形状的纤维复合材料胚体，对胚体进行表面处理、裁剪、打孔等处理，得到满足装配要求的三明治结构汽车零部件，所得零部件可以装配到车体上。

下面将通过实施例来进一步说明本公开，但是并不因此而限制本公开。

实施例1

实施例1所选择的零部件为汽车加强板，芯材1的材料选择聚甲基丙烯酰亚胺结构泡沫材料(购自EVONIK公司，牌号为ROHACELL)，通过注塑工艺制成如图2形状。如图3所示，通过射钉枪将直径为0.8mm的Z-Pin 销钉2植入到泡沫芯材1表面，排布方式为5×8，其中凸出部分长度为 1.5mm。如图4-5所示，在SPIRALTEX公司的2D表面编织机上将碳纤维(购自东丽公司，牌号为T300)交叉编织在芯材表面，得到编织层3，编织层数为5层，编织单层厚度0.3mm。如图6所示，将上述预成型件置于树脂传递模塑成型模具中，在合模状态下，将熔融状态的环氧树脂(购自HUNTSMAN 公司，牌号为Araldite LY 1564)注射进模腔内，注射压力为150KPa，注射温度为80℃，固化时间20min；当温度降至室温后，开模并取出固化后的成型件，对成型件进行表面修整，得到本实施例的汽车零部件。

对比例1

与实施例1相比，本对比例在与实施例1相同材料的泡沫预制体表面植入Z-Pin销钉，在Z-Pin销钉表面包覆6层碳纤维编织布(购自东丽公司，牌号为T300，厚度0.3mm)，再通过超声波将Z-PIN植入到编织布内。固化成型等步骤与实施例1相同。

测试例

分别对实施例1和对比例1中得到的汽车零部件的重量、屈服强度、层间剪切强度进行测试，屈服强度的测试方法参照GB/T228-2002，层间剪切强度的测试方法参照GB/T3357。测试结果列于表1。

表1

项目	重量/kg	屈服强度/MPa	层间剪切强度/MPa
				实施例1	0.80	1680	55
对比例1	0.92	1620	53

据表1可见，本公开提供的汽车零部件可以采用一次植入工艺进行成型，避免了二次植入对铺层的破坏，在制得的零部件重量明显降低的情况下，零部件的屈服强度和层间剪切强度均有所提升。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (9)

1.一种用于替换金属零部件的复合材料汽车零部件，其特征在于，包括：

芯材(1)；

多个Z-Pin销钉(2)，每个所述Z-Pin销钉包括植入所述芯材(1)中的植入部分和凸出所述芯材(1)的凸出部分；

编织层(3)，编织在所述芯材(1)的表面，每个所述Z-Pin销钉(2)的凸出部分分别插入到所述编织层的不同网眼中；

固化成型层(4)，包裹在所述芯材(1)、Z-Pin销钉(2)和编织层(3)外侧。

2.根据权利要求1所述的汽车零部件，其特征在于，所述Z-Pin销钉(2)的凸出部分的长度和编织层(3)的厚度的比例为1：(0.9-1.1)。

3.根据权利要求1所述的汽车零部件，其特征在于，所述Z-Pin销钉(2)的直径与植入部分长度的比例为1：(1-30)。

4.根据权利要求1所述的汽车零部件，其特征在于，所述编织层(3)和芯材(1)的厚度比例为1：(0.1-10)。

5.根据权利要求1所述的汽车零部件，其特征在于，所述多个Z-Pin销钉(2)呈矩阵结构均匀分布。

6.根据权利要求1所述的汽车零部件，其特征在于，所述汽车零部件为选自结构件、覆盖件和底盘件中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的汽车零部件，其特征在于，所述编织层(3) 与所述固化成型层(4)的重量比为(30:70)-(70:30)。

8.根据权利要求1所述的汽车零部件，其特征在于，所述编织层(3)的编织方式包括二维二向编织和/或二维三向编织。

9.根据权利要求1所述的汽车零部件，其特征在于，所述编织层(3)包括1-20层编织单层。