一種長碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料汽車輪轂的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 汽車輪彀是高速旋轉(zhuǎn)的主承力結(jié)構(gòu)件，與車身結(jié)構(gòu)件相比，減重效益更為突出。同 時，車輪減重還會帶來汽車動力性能的躍升，如制動、加速、轉(zhuǎn)向以及降低回旋效應(yīng)等，從整 車角度來綜合考量，這些性能的改善將使汽車的綜合效能明顯提升。汽車輪彀的輕量化已 成為汽車企業(yè)追求卓越的重要表現(xiàn)。
[0002] 熱固性復(fù)合材料（FRP)輪轂被用于賽車以及小批量生產(chǎn)（short production runs)。然而，與可注射成型的熱塑性復(fù)合材料（FRT)輪轂相比，熱固性復(fù)合材料（FRP)輪 轂制造過程相對更復(fù)雜且更昂貴，因而不適合大批量量生產(chǎn)。
[0003] 澳大利亞一家碳纖維技術(shù)公司在2012年美國拉斯維加斯舉行的國際汽車零配件 展覽會（SEMA)上推出的世界上第一個整體式碳纖維熱固性復(fù)合材料輪轂。這種CR-9碳纖 維熱固性復(fù)合材料輪轂每個僅重6. 81~8. 17kg，其質(zhì)量相比合金輪轂輕40%~50%。
[0004] 2013年Smart汽車公司的新型熱塑性復(fù)合材料（CFRT)車輪輪轂，整套車輪由兩 部分組成：實(shí)際支撐組件以及輪罩。兩組部件都具有支撐功能，在行駛條件下可以承載高負(fù) 荷。該塑料復(fù)合材料（CFRT)車輪僅重6kg，比標(biāo)準(zhǔn)鋁車輪輕30%。與CR-9整體式碳纖維 熱固性復(fù)合材料輪彀和DYMG公司的碳纖維復(fù)合材料/鎂合金組合式輪彀不同，Smart公 司的全塑碳纖維熱塑性復(fù)合材料車輪采用長玻纖增強(qiáng)聚酰胺（Ultramid Structure)熱塑 性復(fù)合材料，通過注塑成型工藝制備。無論從加工成本，還是成型效率來講，這種熱塑性復(fù) 合材料輪轂的注塑成型都更具優(yōu)勢。
[0005] 汽車輪轂復(fù)合材料化的綜合效益顯著。然而，作為保證汽車行駛安全的重要部件， 汽車輪轂不僅需要承受整車重量及載重，還要傳遞驅(qū)動扭矩。同時，汽車車輪的幾何形狀復(fù) 雜，受力情況難于確切描述，這些為汽車輪轂的復(fù)合材料化帶來極強(qiáng)挑戰(zhàn)。
[0006] 1)汽車輪轂設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮復(fù)合材料的力學(xué)性能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制造整體式汽車輪轂 結(jié)構(gòu)。整體式結(jié)構(gòu)在充分挖掘復(fù)合材料強(qiáng)度特性的同時，避免了輻板和輪輞的連接問題，既 簡化了工序，也提高了汽車輪轂的整體結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，有利于提高耐久性和安全性。
[0007] 2)汽車車輪在行駛過程中，經(jīng)常會受到路邊石的高速沖擊，而復(fù)合材料對沖擊損 傷又比較敏感，因此復(fù)合材料汽車輪轂對抗沖擊性能的要求比其它結(jié)構(gòu)件高，沖擊試驗(yàn)也 是車輪性能檢測試驗(yàn)中的一種。復(fù)合材料的沖擊性能主要受復(fù)合材料體系和成型工藝的影 響，優(yōu)選復(fù)合材料體系和成型工藝是制備高抗沖擊性復(fù)合材料汽車輪轂的主要手段。
[0008] 3)作為汽車部件使用，也可以采用表面防護(hù)等方法防止路邊石直接沖擊到復(fù)合材 料汽車車輪內(nèi)表面，降低車輪沖擊損傷的風(fēng)險。制動摩擦熱的散發(fā)性能是汽車輪轂設(shè)計(jì)和 制造除力學(xué)性能外需要考慮的另一個關(guān)鍵性能。和鋼制或者鋁合金汽車輪轂相比，復(fù)合材 料的散熱性能差。為提高復(fù)合材料汽車輪轂的散熱性，可以從復(fù)合材料體系和汽車車輪結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面著手。DYMG公司的碳纖維/鎂合金組合式輪彀采用高導(dǎo)熱材料制備汽車剎 車盤和碳纖維輪輞組成整體汽車輪彀，通過高導(dǎo)熱材料剎車盤增強(qiáng)汽車輪彀散熱能力。此 外，通過汽車輪轂造型設(shè)計(jì)，靠自身旋轉(zhuǎn)散發(fā)熱量，這也給復(fù)合材料汽車輪轂的散熱設(shè)計(jì)提 供了借鑒。
[0009] 復(fù)合材料和金屬材料的力學(xué)特性完全不同，主要體現(xiàn)在兩個方面：1)復(fù)合材料為 力學(xué)性能具有明顯的各向異性，呈現(xiàn)出很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，而金屬材料則為各向同性；2)復(fù) 合材料和金屬材料的破壞模式不同，復(fù)合材料破壞模式呈現(xiàn)復(fù)雜多樣，屬于多尺度漸進(jìn)式 韌性破壞，而金屬材料的破壞為呈現(xiàn)塑性變形主導(dǎo)的屈服破壞。不同的決定源于設(shè)計(jì)理念 的不同，不同設(shè)計(jì)決定對部件的服役失效評估準(zhǔn)則不同。因此，必須將復(fù)合材料的性能特性 與復(fù)雜汽車輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)融入部件設(shè)計(jì)理念，才有可能推動先進(jìn)復(fù)合材料作為汽車主承力 輪轂結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用，從而達(dá)到汽車輪轂輕量化設(shè)計(jì)目的，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。
【背景技術(shù)】
[0010] 現(xiàn)有國內(nèi)外生產(chǎn)的復(fù)合材料輪轂通常采用碳纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料制作，熱固 性復(fù)合材料輪轂普遍存在比重大、吸潮易變形、不耐低溫、抗沖擊性差、成本高的不足或缺 陷，使用不能滿足特殊要求。
[0011] 本實(shí)用新型發(fā)明采用采用精密注塑成形工藝制造長碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料 汽車輪轂，其中所用的長碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（粒料）的長度尺寸為：l〇-25mm， 所含有的長碳纖維長度尺寸為：l〇-25mm，碳纖維（重量）含量為：30-75wt%。新型長碳 纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料輪轂中所含有的碳纖維保留（尺寸）長度呈現(xiàn)較長，可達(dá)到： 2. 43-8. 97mm，并且形成碳纖維相互纏結(jié)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特征，從而使復(fù)合材料汽車輪轂具有 較高的抗沖擊性能。復(fù)合材料輪轂精密注塑成形技術(shù)生產(chǎn)工藝簡單，制品具有成本低、使用 壽命長、比重小、翅曲變形小、尺寸穩(wěn)定、吸水吸潮低、強(qiáng)度高、散熱性好、低溫耐沖擊性好、 抗劃痕、抗紫外光老化、耐化學(xué)溶劑腐蝕等顯著良好性能，故在新能源純電動汽車領(lǐng)域具有 廣泛應(yīng)用，符合國家低碳經(jīng)濟(jì)與節(jié)能減排、可回收環(huán)保耍求。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0012] 本實(shí)用新型解決了現(xiàn)有低成本、高性能的碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料汽車輪轂成 形生產(chǎn)工藝技術(shù)，產(chǎn)品具有生產(chǎn)工藝簡單、成本低、使用壽命長、比重小、翅曲變形小、尺寸 穩(wěn)定、吸水吸潮低、強(qiáng)度高、散熱性好、低溫耐沖擊性好、抗劃痕、抗紫外光老化、耐化學(xué)溶劑 腐蝕等顯著良好性能，故在新能源純電動汽車領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，符合國家低碳經(jīng)濟(jì)與節(jié) 能減排、可回收環(huán)保耍求。
[0013] 本實(shí)用新型提供了一種用于新能源純電動汽車中使用的低成本、高性能的長碳纖 維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料汽車輪轂，由碳纖維熱塑性復(fù)合材料汽車輪轂支架、金屬鋼緊固件、 工程塑料外飾罩殼件、金屬鋼嵌件等系列零部（配）件組成。新型長碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù) 合材料汽車輪轂的輪轂支架、外飾罩殼件上噴涂有底漆層，并在底漆層上再噴涂UV光固化 的光亮罩面高抗劃痕面漆。
[0014] 本實(shí)用新型提供的一種長碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料汽車輪轂，具有生產(chǎn)工藝簡 單、成本低、使用壽命長、比重低、翅曲變形小、尺寸穩(wěn)定、吸水吸潮低、強(qiáng)度高、散熱性好、低 溫耐沖擊性好、抗劃痕、抗紫外光老化、耐化學(xué)溶劑腐等顯著良好性能。圖2是本實(shí)用新型 提供的復(fù)合材料輪轂的外形圖。
【附圖說明】
[0015] 圖1為長碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料汽車輪轂正面外形圖；
[0016] 圖2為長碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料汽車輪轂反面外形圖；
【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖2及【具體實(shí)施方式】，對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0018] 1. 一種用于新能源純電動汽車中使用的低成本、高性能的長碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù) 合材料汽車輪轂，由碳纖維熱塑性復(fù)合材料汽車輪轂支架、金屬鋼緊固件、工程塑料外飾罩 殼件、金屬鋼嵌件等系列零部（配）件組成。復(fù)合材料輪轂支架、工程塑料外飾罩殼件上噴 涂有底漆層，并在底漆層上再噴涂UV光固化的光亮罩面高抗劃痕面漆。
[0019] 長碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料汽車輪轂選用碳纖維含量為40wt%，粒子尺寸 12-15mm，長碳纖維增強(qiáng)熱塑性聚酰胺復(fù)合材料（粒料）與適量抗氧劑、抗紫外光劑、色粉 (色母料）均勻混合后，再經(jīng)注塑機(jī)加熱注入模具后快速冷卻脫離成形，即制作復(fù)合材料汽 車輪轂。復(fù)合材料汽車輪轂中的碳纖維保留長度呈現(xiàn)較長，可達(dá)到：3. 48-8. 67mm，并且形 成相互纏結(jié)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特征，使制品具有較高的抗沖擊性，特別是耐低溫沖擊性能（-30 至-80°C)高。金屬鋼嵌件的復(fù)合材料汽車輪轂表面有底漆層，在底漆層上噴涂有UV光固 化的光亮罩面，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如下：
[0020] 表1.實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如下：
[0021] 表1.實(shí)驗(yàn)測試的結(jié)果
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種長碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料汽車輪轂，其特征在于：長碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù) 合材料汽車輪轂的輪轂支架、外飾罩殼件上噴涂有底漆層，并在底漆層上再噴涂UV光固化 的光亮罩面高抗劃痕面漆。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的長碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料汽車輪轂，其特征在于：長碳 纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料汽車輪轂產(chǎn)品采用精密注塑成形工藝制造。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的長碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料汽車輪轂，其特征在于：所用 的長碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（粒料）的長度尺寸為：1〇_25_，碳纖維（重量）含量為： 30-75wt%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的長碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料汽車輪轂，其特征在于： 長碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料輪轂中所含有的碳纖維保留尺寸長度呈現(xiàn)較長，可達(dá)到 2. 43-8. 97mm，并且形成碳纖維相互纏結(jié)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特征。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的長碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料汽車輪轂，其特征在于：長碳 纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料汽車輪轂中所用樹脂基體主要是：聚酰胺（PA)、聚碳酸酯（PC)、 聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT)、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET)、聚苯硫醚（PPS)、聚醚醚酮 (PEEK)、熱塑性聚酯（TPEE)、熱塑性聚氨酯（TPU)，以及上述聚合物中的一種或多種聚合物 經(jīng)過改性后形成的共混物合金。
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種長碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料汽車輪轂。采用精密注塑成形工藝制造長碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料汽車輪轂，其中所用的長碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(粒料)的長度尺寸為：10-25mm，碳纖維長度尺寸為：10-25mm，碳纖維(重量)含量為：30-75wt％。長碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料汽車輪轂中所含有的碳纖維保留(尺寸)長度呈現(xiàn)較長，可達(dá)到：2.43-8.97mm，并且形成相互纏結(jié)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特征。新型長碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料汽車輪轂的輪轂支架、外飾罩殼件上噴涂有底漆層，并在底漆層上再噴涂UV光固化的光亮罩面高抗劃痕面漆。
【IPC分類】B60B5-02
【公開號】CN204415020
【申請?zhí)枴緾N201420496310
【發(fā)明人】方鯤, 李玫
【申請人】北京納盛通新材料科技有限公司
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2014年9月1日