一種含吸能緩沖層結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料汽車防撞梁的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種含有吸能緩沖層結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料汽車防撞梁，在碳纖維防撞梁殼體內(nèi)，包含起支撐、固定作用的骨架和填充于骨架間的高彈性材料所形成的吸能緩沖層；所述的起支撐、固定作用的骨架材料彈性模量須高于填充在骨架間的高彈性材料。通過在碳纖維防撞梁殼體內(nèi)引入起支撐、固定作用的骨架材料和快速吸能的填充材料，達(dá)到快速吸能緩沖的功能。其中，骨架材料采用模量較高的柱狀或蜂窩狀支撐物，周圍填充模量較低的吸能材料，在防撞梁受到低速碰撞，在低能量沖擊情況下，低模量吸能材料通過快速形變吸收碰撞能量，并將未能快速吸收碰撞能量傳遞至高模量支撐材料以約束防撞梁發(fā)生的形變?cè)诳煽胤秶?br> 【專利說明】一種含吸能緩沖層結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料汽車防撞梁
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種汽車用防撞梁復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，特別設(shè)計(jì)一種含吸能緩沖層結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料汽車防撞梁。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，帶來許多問題如:化石能源消耗、空氣污染、交通安全等。所以節(jié)能、環(huán)保、安全越來越受到大家的關(guān)注。而節(jié)能減排最關(guān)鍵的因素在于降低汽車的自重。汽車廠商們都開始尋求輕質(zhì)高強(qiáng)的材料如碳纖維復(fù)合材料來達(dá)到輕量化的目標(biāo)。
[0003]隨著汽車用碳纖維材料的研發(fā)，越來越多的高檔汽車已開始大量使用碳纖維材料，如寶馬i3，M6、奧迪AS等。雖然碳纖維是一種高強(qiáng)度、高模量且力學(xué)性能優(yōu)異的材料，密度僅為鋼的1/4，拉伸強(qiáng)度可達(dá)3750MPa以上，為鋼的7_9倍，其拉伸模量可達(dá)到230GPa以上，但碳纖維屬于脆性纖維，韌性差，碳纖維復(fù)合材料在力學(xué)性能方面都存在韌性不足、受損后難修復(fù)的問題。以層合結(jié)構(gòu)碳纖維復(fù)合材料為例，其在受到較小的沖擊時(shí)，容易內(nèi)部層間出現(xiàn)小裂紋，在開裂區(qū)靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度都顯著下降，。而在受到較大沖擊時(shí)，更會(huì)出現(xiàn)碳纖維防撞梁碎裂飛濺的問題。
[0004]現(xiàn)有的對(duì)碳纖維汽車前防撞梁性能改進(jìn)的專利較少， 申請(qǐng)人:公開了《一種碳纖維/芳綸增強(qiáng)復(fù)合材料制備的汽車前防撞梁》(201210276329.1)，其中提到用兩層芳綸纖維復(fù)合材料覆蓋在碳纖維復(fù)合材料的里外表面，同時(shí)在碳纖維汽車前防撞梁的空腔內(nèi)填充硬質(zhì)泡沫，來達(dá)到減少碳纖維復(fù)合材料破壞碎片飛濺的問題。這一發(fā)明雖然在一定程度上解決碳纖維復(fù)合材料在受到大沖擊時(shí)，材料破碎失效導(dǎo)致的碎片飛濺問題。然而，防撞梁在服役過程中，更多時(shí)候是防止低速、低能量的碰撞，由于碳纖維復(fù)合材料防撞梁與車身直接連接，發(fā)生碰撞時(shí)，沖擊能量無法迅速的擴(kuò)散和吸收，導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料微裂紋產(chǎn)生，損傷后的防撞梁性能下降而無法保證其使用。這一類低能量的碰撞沖擊導(dǎo)致的防撞梁性能下降，目前仍沒有很好的解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是提供含吸能緩沖層結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料汽車防撞梁，通過設(shè)有填充于碳纖維汽車前防撞梁空腔與硬質(zhì)泡沫間的緩沖材料，使防撞梁具有高彈性，快速吸能的特點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種含有吸能緩沖層結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料汽車防撞梁，在碳纖維防撞梁殼體內(nèi)，填充支撐、固定作用的骨架和填充于骨架間的高彈性材料所形成的吸能緩沖層。
[0007]所述的支撐、固定作用的骨架材料彈性模量須高于填充在骨架間的。
[0008]所述的支撐、固定作用的骨架材料形狀是均勻分布的圓柱、方柱，或正五邊形、菱形的蜂窩狀。
[0009]所述的圓柱、方柱形支撐、固定作用的骨架材料是高彈性橡膠。[0010]所述的正五邊形、菱形的蜂窩狀支撐、固定作用的骨架材料是橡膠制備的正五邊形或菱形的蜂窩。
[0011]所述的支撐、固定作用的骨架材料，高彈性橡膠、橡膠蜂窩材料是氯丁橡膠、丁苯橡膠、順丁橡膠、異戊橡膠中的一種或兩種以上制成。
[0012]所述的圓柱或方柱形支撐骨架間填充的高彈性材料是熱塑性聚氨酯彈性體橡膠。
[0013]所述的正五邊形、菱形橡膠蜂窩材料填充的是硅橡膠或熱塑性橡膠。
[0014]所述的熱塑性橡膠是熱塑性聚氨酯彈性體橡膠、熱塑性聚酯彈性體橡膠和苯乙烯類彈性體橡膠中的一種或多種。
[0015]所述的緩沖層與碳纖維防撞梁殼體之間通過聚氨酯膠黏劑粘接，膠黏劑厚度為
0.2-lmm。
[0016]吸能緩沖層是碳纖維防撞梁殼體厚度的1.2-3倍。
[0017]本發(fā)明通過在汽車前防撞梁殼體內(nèi)增加快速吸能緩沖材料，在汽車受到快速?zèng)_擊時(shí)，可以通過自身形變快速吸收沖擊能量，然后形成回彈，在一段時(shí)間內(nèi)較溫和的釋放能量?？梢詼p少?zèng)_擊能量對(duì)碳纖維汽車前防撞梁的傷害，延長(zhǎng)其使用壽命，加速碳纖維汽車防撞梁的推廣。
[0018]所述的起支撐、固定作用的骨架和填充于骨架間的高彈性材料所形成的吸能緩沖層，所述的起支撐、固定作用的骨架材料彈性模量高于填充在骨架間的高彈性材料。
[0019]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明在碳纖維汽車前防撞梁的骨架與填充硬質(zhì)泡沫層之間，添加了一個(gè)吸能緩沖帶，在遇到較小的沖擊時(shí)，通過這個(gè)高彈性緩沖帶的快速形變，然后在一段時(shí)間內(nèi)放出，從而起到削弱沖擊能量的作用，減小沖擊帶來的破壞，這是由于低模量吸能材料通過快速形變吸收碰撞能量，并將未能快速吸收碰撞能量傳遞至高模量支撐材料以約束防撞梁發(fā)生的形變?cè)诳煽胤秶?。與不含該型吸能緩沖層的碳纖維汽車防撞梁相t匕，能夠顯著減小低速碰撞時(shí)沖擊能量對(duì)碳纖維復(fù)合材料基體的損傷，提高碳纖維復(fù)合材料汽車防撞梁的服役可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命。保護(hù)了脆性的碳纖維復(fù)合材料。
[0020]本發(fā)明所采用的吸能緩沖層，使用普通橡膠產(chǎn)品作為骨架材料，具有固定形態(tài)的同時(shí)也具有高彈性，在填充材料的選擇中，運(yùn)用了熱塑性彈性體橡膠，大大簡(jiǎn)單了加工工藝的同時(shí)保持緩沖層的高彈性，加大其快速吸能作用。固定作用的骨架材料和快速吸能的填充材料，達(dá)到快速吸能緩沖的功能。其中，骨架材料采用模量較高的柱狀或蜂窩狀支撐物，周圍填充模量較低的吸能材料。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1 (a)、(b)分別為支撐、固定材料分別為柱形和蜂窩結(jié)構(gòu)(未填充熱塑型橡膠)的典型側(cè)切面(橫截面)架構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為支撐固定材料為柱形的吸能緩沖層(已填充熱塑型橡膠)典型結(jié)構(gòu)(a)側(cè)切面的示意圖，切面位置圖1 (a)標(biāo)出。
[0023]圖3為碳纖維汽車前防撞梁與吸能緩沖層、硬質(zhì)泡沫的復(fù)合圖。
【具體實(shí)施方式】:
[0024]如圖所示，骨架結(jié)構(gòu)橡膠柱1、聚氨酯粘結(jié)劑2、熱塑性彈性體橡膠3、碳纖維復(fù)合材料4、吸能緩沖層5、硬質(zhì)泡沫6
[0025]實(shí)施例一:
[0026]采用預(yù)浸料鋪疊-熱壓罐共固化成型工藝制備碳纖維汽車防撞梁殼體，C型橫截面，使用單向碳纖維環(huán)氧樹脂預(yù)浸料(光威USG12503)，鋪層方式[45/0/-45/90]2s，經(jīng)過1200C 2小時(shí)，1600C I小時(shí)加熱固化成型后，在碳纖維防撞梁殼體內(nèi)涂覆一層聚氨酯膠黏劑(鄭氏力泰膠業(yè)公司ZSLT-802),然后將圓柱形橡膠小棒(高4mm,直徑5mm)均勻排布(每個(gè)相間2.5mm)如圖1 (a)所示，然后將聚醚型熱塑性聚氨酯彈性體(深圳市華順興業(yè)貿(mào)易有限公司Desmopan DP9370AU)加熱至150°C，澆注在型腔內(nèi)，直至熱塑性聚氨酯彈性體厚度超過橡膠小棒2mm。待冷卻至40°C左右，繼續(xù)涂覆一層聚氨酯膠黏劑，最后填充硬質(zhì)泡沫。
[0027]所述吸能緩沖層各組分含量體積百分比組成為:橡膠小棒19.94%，熱塑性聚氨酯彈性體為:65.78%，聚氨酯粘結(jié)劑14.28%。
[0028]構(gòu)成圖3所示，汽車前防撞梁的空腔與填充硬質(zhì)泡沫之間，構(gòu)成吸能緩沖層。
[0029]實(shí)施例二:
[0030]采用預(yù)浸料鋪疊-熱壓罐共固化成型工藝制備碳纖維汽車防撞梁殼體，C型橫截面，使用碳纖維尼龍預(yù)浸料織物(德國Bond TEPEX dynalite carbon/PA12),鋪層方式[45/0/-45/90]2s，經(jīng)過120°C 2小時(shí)，160°C I小時(shí)加熱固化成型后，在碳纖維防撞梁殼體內(nèi)在碳纖維汽車防撞梁型腔的底部，涂覆一層聚氨酯膠黏劑(鄭氏力泰膠業(yè)公司ZSLT-802)，然后將蜂窩橡膠(廣州市力本橡膠原料貿(mào)易有限公司)，厚度為4_，平鋪在膠黏劑上如圖1 (b)所示，然后將聚醚型熱塑型聚氨酯彈性體(深圳市華順興業(yè)貿(mào)易有限公司DesmopanDP9370AU)加熱至150°C，澆注的型腔內(nèi)，直至熱塑型聚氨酯彈性體厚度超過蜂窩橡膠2mm。待冷卻至40°C時(shí)，繼續(xù)涂覆一層聚氨酯膠黏劑，最后填充硬質(zhì)泡沫，直至完全填滿前防撞梁空腔。
[0031]此吸能緩沖層各組分含量體積百分比組成為:蜂窩橡膠為13.56%，熱塑性聚氨酯彈性體體積含量為72.16%，聚氨酯粘結(jié)劑體積為14.28%。
[0032]實(shí)施例三:
[0033]采用預(yù)浸料鋪疊-熱壓罐共固化成型工藝制備碳纖維汽車防撞梁殼體，C型橫截面，碳纖維尼龍預(yù)浸料織物(德國Bond TEPEX dynalite carbon/PA12),鋪層方式[0]8,經(jīng)過120°C 2小時(shí)，1600C I小時(shí)加熱固化成型后，在碳纖維防撞梁殼體內(nèi)涂覆一層聚氨酯膠黏齊U (鄭氏力泰膠業(yè)公司ZSLT-802)，然后將蜂窩橡膠(廣州市力本橡膠原料貿(mào)易有限公司)，厚度為4mm，平鋪在膠黏劑上如圖1 (b)所示，然后將熱塑性聚酯彈性體加熱至130°C，澆注的型腔內(nèi)，直至熱塑型聚氨酯彈性體厚度超過蜂窩橡膠2mm。待冷卻至40°C時(shí)，繼續(xù)涂覆一層聚氨酯膠黏劑，最后填充硬質(zhì)泡沫，直至完全填滿前防撞梁空腔。
[0034]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種含有吸能緩沖層結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料汽車防撞梁，其特征在于，在碳纖維防撞梁殼體內(nèi)，包含起支撐、固定作用的骨架和填充于骨架間的高彈性材料所形成的吸能緩沖層；所述的起支撐、固定作用的骨架材料彈性模量須高于填充在骨架間的高彈性材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有吸能緩沖層結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料汽車防撞梁，其特征在于，起支撐、固定作用的骨架材料形狀是均勻分布的圓柱、方柱，或正五邊形、菱形的蜂窩狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有吸能緩沖層結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料汽車防撞梁，其特征在于，所述的圓柱、方柱形支撐、固定作用的骨架材料是高彈性橡膠。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有吸能緩沖層結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料汽車防撞梁，其特征在于，所述的正五邊形、菱形的蜂窩狀支撐、固定作用的骨架材料是橡膠蜂窩材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求3、4之一所述的含有吸能緩沖層結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料汽車防撞梁，其特征在于，支撐、固定作用的骨架材料是氯丁橡膠、丁苯橡膠、順丁橡膠、異戊橡膠中的一種或兩種以上制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有吸能緩沖層結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料汽車防撞梁，其特征在于，所述的圓柱或方柱形支撐骨架間填充的是熱塑性聚氨酯彈性體橡膠。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有吸能緩沖層結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料汽車防撞梁，其特征在于，所述的正五邊形、菱形橡膠蜂窩材料填充的是硅橡膠或熱塑性橡膠。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的含有吸能緩沖層結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料汽車防撞梁，其特征在于，吸能緩沖層，其特征在于，所述的熱塑性橡膠是熱塑性聚氨酯彈性體橡膠、熱塑性聚酯彈性體橡膠和苯乙烯類彈性體橡膠中的一種或多種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有吸能緩沖層結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料汽車防撞梁，其特征在于，所述的緩沖層與碳纖維防撞梁殼體之間通過聚氨酯膠黏劑粘接，膠黏劑厚度為0.2-lmm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有吸能緩沖層結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料汽車防撞梁，其特征在于，吸能緩沖層是碳纖維防撞梁殼體厚度的1.2-3倍。
【文檔編號(hào)】B60R19/22GK103754184SQ201410031102
【公開日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月22日
【發(fā)明者】任華, 仇葉云, 武婷敏, 孟祥康 申請(qǐng)人:南通南京大學(xué)材料工程技術(shù)研究院