一種車用混雜型復(fù)合材料能量吸收部件及其生產(chǎn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種車用混雜型復(fù)合材料能量吸收部件及其生產(chǎn)方法。所述能量吸收部件為圓形管狀部件，包括從內(nèi)至外的第一芳綸纖維層、碳纖維層、第二芳綸纖維層。生產(chǎn)方法為：依次在芯模上纏繞已浸潤基質(zhì)的芳綸纖維、碳纖維、芳綸纖維，分別形成第一芳綸纖維層、碳纖維層、第二芳綸纖維層；將纏好的能量吸收部件固化后脫去芯模即可。本發(fā)明滿足汽車輕量和安全的發(fā)展要求，且工藝路線合理，處理技術(shù)和方法成本低廉、性價比高、安全性能好，符合汽車低能耗、低污染的發(fā)展方向，順應(yīng)了節(jié)能減排、綠色環(huán)保的發(fā)展趨勢。
【專利說明】一種車用混雜型復(fù)合材料能量吸收部件及其生產(chǎn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種汽車用能量吸收部件，尤其是涉及一種碳纖維、芳綸纖維混雜型增強(qiáng)三維結(jié)構(gòu)能量吸收部件。
【背景技術(shù)】
[0002]據(jù)官方統(tǒng)計，自20世紀(jì)80年代后期以來，中國道路交通事故數(shù)量、死亡人數(shù)、萬車事故死亡率等都高居世界榜首。2009年中國汽車保有量約占世界的3%，而交通事故的死亡人數(shù)卻占到16%，提高交通工具的安全性已迫在眉睫。
[0003]目前車輛里針對碰撞時保護(hù)乘員的部件有兩種類型:高剛性框架和緩沖高能量吸收部件。高剛性材料，如保險桿和車身框架,主要在車輛發(fā)生碰撞時為乘員提供足夠的物理安全空間，因而要求剛性強(qiáng)，變形小，但對外界的沖擊能量吸收能力低，不能減少外部沖擊力對乘員的傷害；另一方面，用于緩沖的高能量吸收材，例如在車輛的保險桿與前縱梁之間放置一組管型能量吸收件，可以通過部件的形變和自身的破壞來有效吸收撞擊的能量，不僅降低對高剛性車廂體的沖擊，而且減緩減速度的過快增加，減少碰撞對乘員的生理傷害。
[0004]如圖1-2所示，通常在車輛前保險杠1的后側(cè)安裝一組金屬材質(zhì)的吸能盒2作為能量吸收部件，吸能盒2通過鉚釘鉚接固定在前縱梁上，使車輛在碰撞過程中有效的吸收撞擊的能量，充分保護(hù)乘客的人生安全。但普通金屬材料通常自身較重，主要靠金屬材料的塑性變形來吸能，例如現(xiàn)用金屬材料鋁，其比能量吸收值(單位質(zhì)量吸收的能量值)僅為44.6kJ/kg，能量吸收偏低，滿足不了汽車輕量化、低能耗和高安全性的發(fā)展趨勢。
[0005]碳纖維具有高模量、高強(qiáng)度的特性，同時芳綸斷裂伸長高達(dá)2.5-3%，通過合理設(shè)計復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)來減少中央裂紋的伸展，可達(dá)到高彎曲、多纖維斷裂破壞的目的，最大限度的吸收破壞能量，延緩沖擊速度，降低對車載乘客的危害。
[0006]復(fù)合材料是指由兩種或者兩種以上具有不同物理、化學(xué)性能的材料，以微觀、介觀或宏觀等不同的結(jié)構(gòu)層次，經(jīng)過復(fù)雜的空間組合而形成的一個材料系統(tǒng)。通過在不同尺寸、不同層次上結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化可以得到在性能和功能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其單質(zhì)組分性能與功能的新材料，目前復(fù)合材料在航空、航天、兵器、艦船等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。但作為汽車吸能部件的應(yīng)用未見相關(guān)專利或報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的是現(xiàn)有車用金屬能量吸收件能量吸收性能不理想、質(zhì)量重、不滿足安全、輕量、節(jié)能環(huán)保的要求等問題。
[0008]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種車用混雜型復(fù)合材料能量吸收部件，其特征在于，所述能量吸收部件為圓形管狀部件，包括從內(nèi)至外的第一芳綸纖維層、碳纖維
層、第二芳綸纖維層。
[0009]優(yōu)選地，所述第一芳綸纖維層、第二芳綸纖維層是以芳綸纖維為增強(qiáng)體，環(huán)氧樹月旨、酚醛樹脂或者不飽和聚酯樹脂為基質(zhì)；所述碳纖維層是以碳纖維為增強(qiáng)體，環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂或者不飽和聚酯樹脂為基質(zhì)，且第一芳綸纖維層、碳纖維層、第二芳綸纖維層采用的基質(zhì)相同。
[0010]優(yōu)選地，所述第一芳綸纖維層、碳纖維層、第二芳綸纖維層的厚度比為1:10:2.5 ；所述能量吸收部件的管壁厚度與內(nèi)管直徑比為1:22。
[0011]本發(fā)明提供的車用混雜型復(fù)合材料能量吸收部件還可用玄武巖纖維層、碳纖維層、玻璃纖維層替代所述第一芳綸纖維層、第二芳綸纖維層，或/且用玄武巖纖維層、玻璃纖維層替代碳纖維層；替代第一芳綸纖維層、第二芳綸纖維層的材質(zhì)相同，且與替代碳纖維層的材質(zhì)不同。
[0012]本發(fā)明還提供了上述車用混雜型復(fù)合材料能量吸收部件的生產(chǎn)方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0013]步驟1):將芳綸纖維、碳纖維浸潤基質(zhì)備用；
[0014]步驟2):依次在芯模上纏繞步驟1)制備的芳綸纖維、碳纖維、芳綸纖維，分別形成第一芳綸纖維層、碳纖維層、第二芳綸纖維層，制成混雜型復(fù)合材料能量吸收部件；
[0015]步驟3):將步驟2)制得的混雜型復(fù)合材料能量吸收部件固化后脫去芯模即可。
[0016]優(yōu)選地，所述步驟1)纏繞的方法為:以芯軸的管軸軸向為0°，芳綸纖維的纏繞角度為75°?90°，碳纖維的纏繞角度為5°?20°。
[0017]進(jìn)一步地，所述步驟1)纏繞的方法為:以芯軸的管軸軸向為0°，芳綸纖維的纏繞角度為88°，碳纖維的纏繞角度為17.6°。
[0018]優(yōu)選地，所述步驟1)中的第一芳綸纖維層、碳纖維層、第二芳綸纖維層的厚度比為1:10:2.5 ;所述能量吸收部件的管壁厚度與內(nèi)管直徑比為1:22。
[0019]優(yōu)選地，所述步驟3)中固化的具體方法為:在溫度為20±2°C、相對濕度為65±5%的條件下固化24小時。
[0020]本發(fā)明采用互補(bǔ)性增強(qiáng)纖維為增強(qiáng)體，碳纖維具有高強(qiáng)度、高模量的特性，當(dāng)碳纖維發(fā)生斷裂時可以實現(xiàn)高吸能，芳綸纖維雖然壓縮性能明顯差于拉伸性能，但是斷裂伸長高達(dá)2.5-3%，利用三層間隔互補(bǔ)纏繞結(jié)構(gòu)，使得在壓縮過程中芳綸纖維在0°方向上壓縮，90°方向上轉(zhuǎn)化為拉伸的同時，限制碳纖維的變形以及復(fù)合材料內(nèi)部中央裂紋的擴(kuò)展，很大程度提高纖維斷裂的數(shù)量，從而吸收更大量的能量。纏繞成型工藝，由纖維直接纏繞成型，不必經(jīng)過例如經(jīng)緯交織、編織等工序，較大程度減少制造過程對纖維的損傷，提高纖維的使用性能。
[0021]本發(fā)明提供的復(fù)合材料能量吸收機(jī)理與傳統(tǒng)金屬制能量吸收部件的吸收機(jī)理不同，傳統(tǒng)的金屬材料主要靠其塑性變形來吸能，其載荷在達(dá)到最大值后很快大幅度下降，其能量吸收量偏低；本發(fā)明為管狀復(fù)合材料，其主要靠纖維斷裂、彎曲、變形、分層等方式來吸能，其載荷在達(dá)到最大值后很小幅度下降并且保持穩(wěn)定的載荷。這種特性可以進(jìn)一步降低外界沖擊對吸能部件后面車體與車體中乘員的傷害，即具有一定幅度的高頻反復(fù)沖擊減少對乘員的傷害。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為汽車上前保險杠的示意圖；
[0023]圖2為現(xiàn)有金屬材質(zhì)的吸能盒使用時的示意圖；[0024]圖3為本發(fā)明提供的車用混雜型復(fù)合材料能量吸收部件使用時的示意圖；
[0025]圖4為本發(fā)明提供的車用混雜型復(fù)合材料能量吸收部件的局部放大圖。
【具體實施方式】
[0026]為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以優(yōu)選實施例，并配合附圖作詳細(xì)說明如下。
[0027]實施例
[0028]1.原料
[0029]環(huán)氧樹脂(三菱化學(xué)株式會社，308A3801);芳綸纖維；碳纖維。
[0030]2.生產(chǎn)方法
[0031]2.1將芳綸纖維、碳纖維浸潤環(huán)氧樹脂基質(zhì)備用；
[0032]2.2依次在芯模上纏繞步驟2.1制備的芳綸纖維、碳纖維、芳綸纖維，分別形成第一芳綸纖維層4、碳纖維層5、第二芳綸纖維層6，制成混雜型復(fù)合材料能量吸收部件2’ ；以芯模的管軸軸向為0°，控制芳綸纖維的纏繞角度為88°，碳纖維的纏繞角度為17.6° ;纏繞時，第一芳綸纖維層4、碳纖維層5、第二芳綸纖維層6的厚度比為1:10:2.5 ;能量吸收部件2’的管壁厚度與內(nèi)管直徑比為1:22。
[0033]2.3將步驟2.2制得的混雜型復(fù)合材料能量吸收部件2’在溫度為20°C、相對濕度為65%的條件下固化24小時后脫去芯模即可。
[0034]3.性能測試
[0035]將上述方法制得的混雜型復(fù)合材料能量吸收部件2’及傳統(tǒng)金屬材料鋁質(zhì)的吸能盒2準(zhǔn)靜態(tài)壓縮測試對比，測試使用型號為WDW3100的電子萬能試驗機(jī)，壓縮速度為:5mm/min。對比結(jié)果如表1所示:
[0036]表1
【權(quán)利要求】
1.一種車用混雜型復(fù)合材料能量吸收部件，其特征在于，所述能量吸收部件(2’)為圓形管狀部件，包括從內(nèi)至外的第一芳綸纖維層(4)、碳纖維層(5)、第二芳綸纖維層(6)。
2.如權(quán)利要求1所述的車用混雜型復(fù)合材料能量吸收部件，其特征在于，所述第一芳綸纖維層(4)、第二芳綸纖維層(6)是以芳綸纖維為增強(qiáng)體，環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂或者不飽和聚酯樹脂為基質(zhì)；所述碳纖維層(5)是以碳纖維為增強(qiáng)體，環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂或者不飽和聚酯樹脂為基質(zhì)，且第一芳綸纖維層(4)、碳纖維層(5)、第二芳綸纖維層(6)采用的基質(zhì)相同。
3.如權(quán)利要求1所述的車用混雜型復(fù)合材料能量吸收部件，其特征在于，所述第一芳綸纖維層(4)、碳纖維層(5)、第二芳綸纖維層(6)的厚度比為1:10:2.5 ;所述能量吸收部件(2’ )的管壁厚度與內(nèi)管直徑比為1:22。
4.權(quán)利要求1所述的車用混雜型復(fù)合材料能量吸收部件，其特征在于，用玄武巖纖維層、碳纖維層、玻璃纖維層替代所述第一芳綸纖維層(4)、第二芳綸纖維層(6)，或/且用玄武巖纖維層、玻璃纖維層替代碳纖維層(5);替代第一芳綸纖維層(4)、第二芳綸纖維層(6)的材質(zhì)相同，且與替代碳纖維層(5)的材質(zhì)不同。
5.權(quán)利要求1所述的車用混雜型復(fù)合材料能量吸收部件的生產(chǎn)方法，其特征在于，包括以下步驟:步驟1):將芳綸纖維、碳纖維浸潤基質(zhì)備用；步驟2):依次在芯模上纏繞步驟1)制備的芳綸纖維、碳纖維、芳綸纖維，分別形成第一芳綸纖維層(4)、碳纖維層(5)、第二芳綸纖維層(6)，制成混雜型復(fù)合材料能量吸收部件(2，)；步驟3):將步驟2)制得的混雜型復(fù)合材料能量吸收部件(2’ )固化后脫去芯模即可。
6.如權(quán)利要求5所述的車用混雜型復(fù)合材料能量吸收部件的生產(chǎn)方法，其特征在于，所述步驟1)纏繞的方法為:以芯軸的管軸軸向為0°，芳綸纖維的纏繞角度為75°~90°，碳纖維的纏繞角度為5°~20°。
7.如權(quán)利要求5所述的車用混雜型復(fù)合材料能量吸收部件的生產(chǎn)方法，其特征在于，所述步驟1)纏繞的方法為:以芯軸的管軸軸向為0°，芳綸纖維的纏繞角度為88°，碳纖維的纏繞角度為17.6°。
8.如權(quán)利要求5所述的車用混雜型復(fù)合材料能量吸收部件的生產(chǎn)方法，其特征在于，所述步驟1)中的第一芳綸纖維層(4)、碳纖維層(5)、第二芳綸纖維層(6)的厚度比為1:10:2.5 ;所述能量吸收部件的管壁厚度與內(nèi)管直徑比為1:22。
9.如權(quán)利要求5所述的車用混雜型復(fù)合材料能量吸收部件的生產(chǎn)方法，其特征在于，所述步驟3)中固化的具體方法為:在溫度為20±2°C、相對濕度為65±5%的條件下固化24小時。
【文檔編號】B32B33/00GK103661183SQ201310680430
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月12日
【發(fā)明者】陽玉球, 馬巖, 張前錦, 楊佳慧, 于利超, 劉夏慧, 徐芝蘭, 孔徐潔, 肖冰 申請人:東華大學(xué)