本發(fā)明涉及汽車零部件制造技術領域，具體是一種碳纖維復合材料汽車零部件的制備方法。
背景技術：
碳纖維是含碳量高于90％的纖維的總稱，其發(fā)展于20世紀60年代，是一種高科技新材料，是纖維狀的碳材料；碳纖維具有高比強度，高比熱模量、耐高溫、耐腐蝕、抗蠕變、震動衰減性高、導電、傳熱和熱膨脹系數小等一系列優(yōu)異性能，具有其他常見纖維無法比擬的力學性能，特別是在2000℃以上的高溫惰性環(huán)境中，是唯一能保持強度不下降的材料；碳纖維增強復合材料，即CFRP，是一種以碳纖維或碳纖維織物為增強體，以樹脂、陶瓷、金屬、水泥或橡膠等為基體所形成的復合材料，它既可作為承載負荷用的結構材料又可作為功能材料滿足一些功能性的要求；因此，碳纖維被認為是高科技領域中新型工業(yè)材料的典型代表，從最初在航空航天及軍事工業(yè)等尖端領域的應用，到目前在民用領域的普及，碳纖維意境成為一種軍民兩用的高科技纖維材料。
將碳纖維增強復合材料應用于汽車領域，一個最明顯的作用就是使汽車輕量化，通過減重降低汽車百公里油耗，進而達到節(jié)能減排，綠色環(huán)保的目的，對于車輛基數龐大的中國而言，將會明顯改善我國的惡劣空氣狀況；碳纖維增強復合材料應用于汽車領域還具有其他意義，除了可以降低油耗，減少環(huán)境污染外，還有助于改善汽車的加速性和控制穩(wěn)定性，并對汽車噪音、振動、碰撞時慣性和制動距離的減少都有著積極的作用；用碳纖維復合材料制造的發(fā)動機部件和傳動軸，具有高阻尼特性并降低振動、降低噪音而提高乘坐舒適性；碳纖維復合材料因具有良好的抗沖擊性能，在汽車保險杠部位得到廣泛應用；大大提高了安全性，然而碳纖維復合材料由于其高昂的原料成本在很長時間內制約了其在汽車行業(yè)的應用，而為了降低成本，目前碳纖維生產廠家將目光投向了大絲束碳纖維的研發(fā)，且碳纖維制品的生產制造技術具有局限性，缺乏大批量連接技術，生產周期長，且難以實現大規(guī)模生產，目前，我國碳纖維復合材料在汽車工業(yè)中年用量比例還很小，因此，開發(fā)碳纖維復合材料在汽車上的應用研究具有很大的發(fā)展和應用前景。
技術實現要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種可實現批量化自動化生產、顯著降低生產成本，能大規(guī)模應用于汽車工業(yè)中的碳纖維復合材料汽車零部件的制備方法，以解決上述背景技術中提出的問題。
為實現上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：
一種碳纖維復合材料汽車零部件的制備方法，包括以下步驟：
1)制備碳纖維織物：
1.1)將聚丙烯腈原絲在惰性氣體保護下進行高溫碳化處理，使得極性基團全部裂解逸出，碳纖維表面含碳量≥92％；
1.2)采用陽極氧化法，將步驟1.1)中經碳化處理的碳纖維置于電解質溶液中電解10-20min，在碳纖維表面引入親水基團；
1.3)將步驟1.2)中經陽極氧化處理后的碳纖維用5wt％(NH4)2HPO4溶液煮沸15-30min，用去離子水沖洗三次，并在120℃烘箱中干燥3h；
1.4)將步驟1.3)處理后的碳纖維以600-800根/束的規(guī)格制備成碳纖維束，以碳纖維束制備碳纖維織物；
2)對碳纖維織物進行表面改性：用單壁CNTs、PPEK、改性體系和上漿劑超聲混合后制備成改性上漿劑，將步驟1.4)制備得到的碳纖維織物在改性上漿劑中浸漬10-30min，120℃溫度條件下烘干熱壓得到改性碳纖維增強復合材料，改性上漿劑用量為碳纖維織物的1-3wt％；
3)制備Steel/CFRP復層：將步驟2)制備的改性碳纖維增強復合材料與鋼板復疊，先將鋼板放置在RTM模具內，接著在鋼板上面鋪設3-5層改性碳纖維增強復合材料形成Steel/CFRP復層；
4)成型：
4.1)成型工藝：采用真空樹脂傳遞模塑成型技術成型，樹脂體系選用環(huán)氧樹脂體系EpoTech167A/167B；
4.2)制作纖維預成型體：采用增粘劑將步驟3)制備的Steel/CFRP復層固結成與所需制品相同形狀的半成品；
4.3)選擇RTM模具：采用多點澆口的三板式注射模具，采用100t合模液壓機作為啟模、閉模機構，模具采用鋁合金材料；
4.5)注膠：膠液溫度為50℃，RTM模具溫度為55℃，注膠流量為10-20mL/s，固化溫度為90℃，保溫時間為20min，注膠壓力≤1MPa；
5)脫模，得到制品。
作為本發(fā)明進一步的方案：所述步驟1.2)中，以石墨板或金屬板作為陰極，以碳纖維作為陽極，以有機酸、無機酸、鹽或堿類作為電解質溶液。
作為本發(fā)明再進一步的方案：所述步驟1.4)中，碳纖維束在25℃條件下，懸垂值/單絲彎曲剛度為1.4×103-4.0×103cm/Pa·cm4，碳纖維織物面密度分別為480g/m2和200g/m2，單軸向布為200g/m2。
作為本發(fā)明再進一步的方案：所述步驟2)中上漿劑以由聚乙二醇雙酚醚、環(huán)氧烷烴、順式丁烯二酐和酞酐合成的多元酯為主體聚合物制備而成。
作為本發(fā)明再進一步的方案：所述改性上漿劑中，CNTs的濃度為0.3-0.7wt％,PPEK的濃度為0.4-0.6wt％，改性體系5-10wt％；改性體系按照重量份的組成成分為：丁腈橡膠8-10份、乙酸乙酯29-36份、環(huán)己酮43-54份、增塑劑DOA 0.8-1份、硫化活性劑0.4-0.6份、硫化劑DCP0.04-0.06份、TMTD0.04-0.06份、硬脂酸0.08-0.12份。
作為本發(fā)明再進一步的方案：所述改性上漿劑中，CNTs的濃度為0.5wt％,PPEK的濃度為0.5wt％，改性體系7wt％；改性體系按照重量份的組成成分為：丁腈橡膠9份、乙酸乙酯33份、環(huán)己酮48份、增塑劑DOA 0.9份、硫化活性劑05份、硫化劑DCP0.05份、TMTD0.05份、硬脂酸0.1份。
作為本發(fā)明再進一步的方案：所述鋼板采用DC03沖壓冷軋鋼板，厚度1.0mm，鋼板中各化學成分的質量百分比限定如下：C≤0.1％、Mn≤0.45％、P≤0.035％、S≤0.035％、Al≤0.020％。
作為本發(fā)明再進一步的方案：所述步驟4.2)中，增粘劑采用Airtac2增粘劑，噴涂量為改性碳纖維增強復合材料的3-5wt％、定型加熱溫度為90-100℃、定型時間20-25min。
與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：采用本發(fā)明方法制備的碳纖維織物在成型為碳纖維增強復合材料時具有更高的流動性和高機械特性，且機械特性的偏差更小，碳纖維對精細部位的追隨性也更優(yōu)異；采用陽極氧化法對碳纖維進行預處理，能有利于碳纖維后續(xù)與上漿劑結合，也能保持碳纖維復合材料制件的層間剪切性能，可實現批量化纖維連續(xù)處理，穩(wěn)定性好，操作簡便，處理速度快且經濟環(huán)保；經過改性的上漿劑具有更高的耐熱性、表面能和表面粗糙度，且提高了與樹脂體系的浸潤性，有助于成型；本發(fā)明采用真空樹脂傳遞模塑成型技術成型，工藝特點為采用閉模成型技術，對環(huán)境無污染，可以成型雙面光滑且形狀復雜的汽車零部件構件，成本低，性能高，后處理工作量小，預成型體尺寸易于控制，可設計性強，生產周期始終，可實現半自動或自動化生產，效率高，纖維含量高，能夠應用計算機輔助設計進行模具和產品設計，可實現充模過程的模擬；本發(fā)明制備的改性碳纖維增強復合材料與鋼板復疊制成的steel/CFRP作為汽車零部件材料，采用真空RTM成型工藝，采用多點注射的快速RTM模具，制備得到的碳纖維增強復合材料汽車零部件，與現有金屬汽車零部件相比，重量顯著減輕，與現有碳纖維復合材料汽車零部件相比，制備成本顯著降低，且制備技術難度降低，實現了自動化生產，生產效率高，為碳纖維增強復合材料在汽車制造領域的批量化應用提供了可靠的技術支持，具有廣闊的應用前景。
具體實施方式
下面結合具體實施方式對本專利的技術方案作進一步詳細地說明。
實施例1
一種碳纖維復合材料汽車零部件的制備方法，包括以下步驟：
1)制備碳纖維織物：
1.1)將聚丙烯腈原絲在惰性氣體保護下進行高溫碳化處理，使得極性基團全部裂解逸出，碳纖維表面含碳量≥92％；
1.2)采用陽極氧化法，將步驟1.1)中經碳化處理的碳纖維置于電解質溶液中電解10min，以石墨板或金屬板作為陰極，以碳纖維作為陽極，以有機酸、無機酸、鹽或堿類作為電解質溶液，在碳纖維表面引入親水基團；
1.3)將步驟1.2)中經陽極氧化處理后的碳纖維用5wt％(NH4)2HPO4溶液煮沸15min，用去離子水沖洗三次，并在120℃烘箱中干燥3h；
1.4)將步驟1.3)處理后的碳纖維以600-800根/束的規(guī)格制備成碳纖維束，碳纖維束在25℃條件下，懸垂值/單絲彎曲剛度為1.4×103-4.0×103cm/Pa·cm4，以碳纖維束制備碳纖維織物，碳纖維織物面密度分別為480g/m2和200g/m2，單軸向布為200g/m2；
2)對碳纖維織物進行表面改性：用單壁CNTs、PPEK、改性體系和上漿劑超聲混合后制備成改性上漿劑；其中上漿劑以由聚乙二醇雙酚醚、環(huán)氧烷烴、順式丁烯二酐和酞酐合成的多元酯為主體聚合物制備而成；CNTs的濃度為0.3wt％，PPEK的濃度為0.4wt％，改性體系5wt％；改性體系按照重量份的組成成分為：丁腈橡膠8份、乙酸乙酯29份、環(huán)己酮43份、增塑劑DOA 0.8份、硫化活性劑0.4份、硫化劑DCP0.04份、TMTD0.04份、硬脂酸0.08份；將步驟1.4)制備得到的碳纖維織物在改性上漿劑中浸漬10min，120℃溫度條件下烘干熱壓得到改性碳纖維增強復合材料，改性上漿劑用量為碳纖維織物的3wt％；
3)制備Steel/CFRP復層：將步驟2)制備的改性碳纖維增強復合材料與鋼板復疊，鋼板采用DC03沖壓冷軋鋼板，厚度1.0mm，鋼板中各化學成分的質量百分比限定如下：C≤0.1％、Mn≤0.45％、P≤0.035％、S≤0.035％、Al≤0.020％；先將鋼板放置在RTM模具內，接著在鋼板上面鋪設3層改性碳纖維增強復合材料形成Steel/CFRP復層；
4)成型：
4.1)成型工藝：采用真空樹脂傳遞模塑成型技術成型，樹脂體系選用環(huán)氧樹脂體系EpoTech167A/167B；
4.2)制作纖維預成型體：采用增粘劑將步驟3)制備的Steel/CFRP復層固結成與所需制品相同形狀的半成品；增粘劑采用Airtac2增粘劑，噴涂量為改性碳纖維增強復合材料的3wt％、定型加熱溫度為90℃、定型時間20min；
4.3)選擇RTM模具：采用多點澆口的三板式注射模具，采用100t合模液壓機作為啟模、閉模機構，模具采用鋁合金材料；
4.5)注膠：膠液溫度為50℃，RTM模具溫度為55℃，注膠流量為10mL/s，固化溫度為90℃，保溫時間為20min，注膠壓力≤1MPa；
5)脫模，得到制品。
實施例2
一種碳纖維復合材料汽車零部件的制備方法，包括以下步驟：
1)制備碳纖維織物：
1.1)將聚丙烯腈原絲在惰性氣體保護下進行高溫碳化處理，使得極性基團全部裂解逸出，碳纖維表面含碳量≥92％；
1.2)采用陽極氧化法，將步驟1.1)中經碳化處理的碳纖維置于電解質溶液中電解15min，以石墨板或金屬板作為陰極，以碳纖維作為陽極，以有機酸、無機酸、鹽或堿類作為電解質溶液，在碳纖維表面引入親水基團；
1.3)將步驟1.2)中經陽極氧化處理后的碳纖維用5wt％(NH4)2HPO4溶液煮沸22min，用去離子水沖洗三次，并在120℃烘箱中干燥3h；
1.4)將步驟1.3)處理后的碳纖維以600-800根/束的規(guī)格制備成碳纖維束，碳纖維束在25℃條件下，懸垂值/單絲彎曲剛度為1.4×103-4.0×103cm/Pa·cm4，以碳纖維束制備碳纖維織物，碳纖維織物面密度分別為480g/m2和200g/m2，單軸向布為200g/m2；
2)對碳纖維織物進行表面改性：用單壁CNTs、PPEK、改性體系和上漿劑超聲混合后制備成改性上漿劑；其中上漿劑以由聚乙二醇雙酚醚、環(huán)氧烷烴、順式丁烯二酐和酞酐合成的多元酯為主體聚合物制備而成；所述改性上漿劑中，CNTs的濃度為0.5wt％，PPEK的濃度為0.5wt％，改性體系7wt％；改性體系按照重量份的組成成分為：丁腈橡膠9份、乙酸乙酯33份、環(huán)己酮48份、增塑劑DOA 0.9份、硫化活性劑05份、硫化劑DCP0.05份、TMTD0.05份、硬脂酸0.1份；將步驟1.4)制備得到的碳纖維織物在改性上漿劑中浸漬20min，120℃溫度條件下烘干熱壓得到改性碳纖維增強復合材料，改性上漿劑用量為碳纖維織物的2wt％；
3)制備Steel/CFRP復層：將步驟2)制備的改性碳纖維增強復合材料與鋼板復疊，鋼板采用DC03沖壓冷軋鋼板，厚度1.0mm，鋼板中各化學成分的質量百分比限定如下：C≤0.1％、Mn≤0.45％、P≤0.035％、S≤0.035％、Al≤0.020％；先將鋼板放置在RTM模具內，接著在鋼板上面鋪設4層改性碳纖維增強復合材料形成Steel/CFRP復層；
4)成型：
4.1)成型工藝：采用真空樹脂傳遞模塑成型技術成型，樹脂體系選用環(huán)氧樹脂體系EpoTech167A/167B；
4.2)制作纖維預成型體：采用增粘劑將步驟3)制備的Steel/CFRP復層固結成與所需制品相同形狀的半成品；增粘劑采用Airtac2增粘劑，噴涂量為改性碳纖維增強復合材料的4wt％、定型加熱溫度為95℃、定型時間22min；
4.3)選擇RTM模具：采用多點澆口的三板式注射模具，采用100t合模液壓機作為啟模、閉模機構，模具采用鋁合金材料；
4.5)注膠：膠液溫度為50℃，RTM模具溫度為55℃，注膠流量為15mL/s，固化溫度為90℃，保溫時間為20min，注膠壓力≤1MPa；
5)脫模，得到制品。
實施例3
一種碳纖維復合材料汽車零部件的制備方法，包括以下步驟：
1)制備碳纖維織物：
1.1)將聚丙烯腈原絲在惰性氣體保護下進行高溫碳化處理，使得極性基團全部裂解逸出，碳纖維表面含碳量≥92％；
1.2)采用陽極氧化法，將步驟1.1)中經碳化處理的碳纖維置于電解質溶液中電解20min，以石墨板或金屬板作為陰極，以碳纖維作為陽極，以有機酸、無機酸、鹽或堿類作為電解質溶液，在碳纖維表面引入親水基團；
1.3)將步驟1.2)中經陽極氧化處理后的碳纖維用5wt％(NH4)2HPO4溶液煮沸30min，用去離子水沖洗三次，并在120℃烘箱中干燥3h；
1.4)將步驟1.3)處理后的碳纖維以600-800根/束的規(guī)格制備成碳纖維束，碳纖維束在25℃條件下，懸垂值/單絲彎曲剛度為1.4×103-4.0×103cm/Pa·cm4，以碳纖維束制備碳纖維織物，碳纖維織物面密度分別為480g/m2和200g/m2，單軸向布為200g/m2；
2)對碳纖維織物進行表面改性：用單壁CNTs、PPEK、改性體系和上漿劑超聲混合后制備成改性上漿劑；其中上漿劑以由聚乙二醇雙酚醚、環(huán)氧烷烴、順式丁烯二酐和酞酐合成的多元酯為主體聚合物制備而成；CNTs的濃度為0.7wt％，PPEK的濃度為0.6wt％，改性體系10wt％；改性體系按照重量份的組成成分為：丁腈橡膠10份、乙酸乙酯36份、環(huán)己酮54份、增塑劑DOA1份、硫化活性劑0.6份、硫化劑DCP0.06份、TMTD0.06份、硬脂酸0.12份；將步驟1.4)制備得到的碳纖維織物在改性上漿劑中浸漬10min，120℃溫度條件下烘干熱壓得到改性碳纖維增強復合材料，改性上漿劑用量為碳纖維織物的1wt％；
3)制備Steel/CFRP復層：將步驟2)制備的改性碳纖維增強復合材料與鋼板復疊，鋼板采用DC03沖壓冷軋鋼板，厚度1.0mm，鋼板中各化學成分的質量百分比限定如下：C≤0.1％、Mn≤0.45％、P≤0.035％、S≤0.035％、Al≤0.020％；先將鋼板放置在RTM模具內，接著在鋼板上面鋪設5層改性碳纖維增強復合材料形成Steel/CFRP復層；
4)成型：
4.1)成型工藝：采用真空樹脂傳遞模塑成型技術成型，樹脂體系選用環(huán)氧樹脂體系EpoTech167A/167B；
4.2)制作纖維預成型體：采用增粘劑將步驟3)制備的Steel/CFRP復層固結成與所需制品相同形狀的半成品；增粘劑采用Airtac2增粘劑，噴涂量為改性碳纖維增強復合材料的5wt％、定型加熱溫度為100℃、定型時間25min；
4.3)選擇RTM模具：采用多點澆口的三板式注射模具，采用100t合模液壓機作為啟模、閉模機構，模具采用鋁合金材料；
4.5)注膠：膠液溫度為50℃，RTM模具溫度為55℃，注膠流量為20mL/s，固化溫度為90℃，保溫時間為20min，注膠壓力≤1MPa；
5)脫模，得到制品。
結合實施例1-3制備的碳纖維復合材料汽車零部件的性能試驗進一步闡述本發(fā)明的優(yōu)點如下：
1.重量測試：與傳統鋼制汽車零部件相比，實施例1-3制備的碳纖維復合材料汽車零部件平均減重42％，與現有單純碳纖維復合材料相比，平均增重不超過3-5％。
2.靜態(tài)彎曲剛度測試：
將市售鋼制品作為對照組1、現有單純碳纖維復合材料制品作為對照組2、實施例1-3制備的碳纖維復合材料汽車零部件制品作為實驗組分別安裝及固定在彎曲剛度測試臺上，調平，在制品中心位置分別按照50.10kg、(50.10kg+30.45kg)、(50.10kg+30.45kg+20.30kg)三個加載塊順序加載，并記錄各個測量點的變形量；彎曲剛度測試數據如表1所示：
表1靜態(tài)彎曲剛度測試結果
其中，加載點和測量點均在制品中心位置，由上表可以看出，本發(fā)明的碳纖維復合材料汽車零部件制品相對于傳統鋼制品，變形量顯著降低，且基本能夠達到單純碳纖維復合材料制品變形性能，實施例1-3所制備的碳纖維復合材料汽車零部件制品中心在1kN載荷下，中心點垂直撓度為0.73mm。
3.扭轉剛度測試：
將市售鋼制品作為對照組1、現有單純碳纖維復合材料制品作為對照組2、實施例1-3制備的碳纖維復合材料汽車零部件制品作為實驗組安裝固定在扭轉剛度測試臺上，調平；在制品扭轉夾持桿上對應安裝布置千分表，并測量記錄各對應點千分表距中心軸的距離，扭轉加載按表2加載重量一次加載測試。
表2扭轉剛度測試加載量及結果
由表2可以看出，實施例1-3所制備的碳纖維復合材料汽車零部件制品相對于傳統鋼制品，扭轉剛度明顯得到提升，且基本能夠達到單純碳纖維復合材料制品扭轉強度，實施例1-3所制備的碳纖維復合材料汽車零部件制品扭轉剛度＞3.5×104N·m2/rad。
4.模態(tài)測試：
將實施例1-3制備的碳纖維復合材料汽車零部件制品分別安裝在振動試驗臺上，測試設備型號為V8-440(英國LDS)；設定振動加速度為0.3g(1g＝9.8m/s2)；掃頻范圍為10-500Hz；掃頻速度為10ct/min；振動掃頻測試結果如表3所示：
表3振動掃頻測試結果
實施例1-3所制備的所制備的碳纖維復合材料汽車零部件制品階模態(tài)頻率均＞24.9Hz。
采用本發(fā)明碳纖維復合材料汽車零部件的方法制備的碳纖維復合材料汽車零部件，制備成本低，性能優(yōu)越，經濟環(huán)保，且能滿足批量化自動化生產，穩(wěn)定性好，操作簡便，制備技術難度顯著降低，通過加入改性上漿劑對碳纖維復合材料截面剪切強度具有顯著增強效果，IFSS達到109MPa，比現有技術碳纖維復合材料提高了56％，層間剪切強度提高了12.0％，Ⅱ型層間斷裂韌性提高了51.3％，為碳纖維增強復合材料在汽車制造領域的批量化應用提供了可靠的技術支持，具有廣闊的應用前景。
上面對本專利的較佳實施方式作了詳細說明，但是本專利并不限于上述實施方式，在本領域的普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本專利宗旨的前提下做出各種變化。