树脂基复合材料汽车构件的研制

1、 42中国材料进展第28卷模具表面镀上一层厚度约l lllm的铜。电镀时,先在要镀铜的面上均匀的喷涂一层导电胶,形成导电层。然后把模具放入电镀槽内,模具接负极,正极接铜块,加入电解液。在直流电作用下,正极的铜失去电子,发生氧化反应,变成铜离子,进入电解液。带正电的铜离子在电场的作用下,向连接负极的模具面移动,在模具面上,发生还原反应,得到电子,变成铜原子,沉积到模具表面,这样就得到了镀铜的模具面。然后经过打磨、抛光,制得了镜面效果的汽车引擎盖模具。图3是汽车引擎盖的模具照片。图3金属化的玻纤/石膏汽车引擎盖模具照片Fig.3Photograph of glass fiber/gesso mol

2、d with metalcoated 2.3汽车引擎盖研制汽车引擎盖的主要原材料有:3K碳纤维平纹编织布,威海光威复合材料有限公司;无碱玻璃布,威海光威复合材料有限公司;不饱和真空导流树脂9231一VP,上维精细化工有限公司;硅烷偶联剂KH 一550,北京申达精细化工有限公司;强芯毡,Lantor Composites Co.,Ltd.(荷兰。铺层设计时要考虑到构件的强度、质量、外观、成本、工艺性等几个方面,该构件使用类似“三明治”的夹心结构。用3K碳纤维平纹编织布做表层,既美观又能改善构件的刚度;玻璃布用于内部铺层,可以降低成本;强心毡作为芯层,可以增加刚性,降低重量,同时作为树脂的导流层,

3、有利于树脂流通、浸润。汽车引擎盖构件没有使用传统的蜂窝板、轻木或泡沫板作为芯层材料,因为这些材料虽然可以增加刚性、减轻重量,但他们或者不利于树脂流通和浸润,或者不容易弯曲。强芯毡是一种聚酯无纺材料,其结构如图4所示。强芯毡的六边形蜂窝内是多孔材料,但树脂无法进入,类似闭孔泡沫材料;强心毡的六边形蜂窝周围是树脂流动通道,有利于树脂的流通、浸润,具有导流网的作用;强芯毡浸树脂之前,非常柔软,方便铺层。强心毡在增加刚性、减轻重量的同时,可以改善工艺性,因此汽车引擎盖构件采用强芯毡作为芯层材料。图4强芯毡结构示意图Fig.4Structure of carpet with strong cole将碳布

4、、玻璃布剪成适当大小,常温下在丙酮浸泡6h,烘干后浸于l%的KH一550水溶液中,15min后取出,再在120烘箱中烘干30min,放入干燥器中备用。模具表面先用丙酮擦洗,涂上脱模剂,然后按照铺层设计铺好增强材料,再依次铺好脱模布、导流管、真空膜,最后检查系统气密性,配好树脂,开始导人树脂。根据构件形状,采用“中心进胶,四周抽气”的导流方式。由于强芯毡有很好的导流效果,整个导流过程用时很短。固化脱模后,无需打磨,即得到A级表面的碳纤维复合材料汽车引擎盖构件,如图5所示。图5碳纤维复合材料汽车引擎盖Fig.5Carbon fiber composite automobileengine cove

5、r 复合材料汽车引擎盖构件质量仅为2.75kg,密度为0.9g/cm3,和原金属汽车引擎盖相比,减重4kg。从复合材料汽车引擎盖构件中间部位纵、横方向上分别取试样进行了测试力学性能,纵方向弯曲强度为180MPa,弯曲模量12.3GPa;横方向弯曲强度为174MPa,弯曲模量12.7GPa。测试结果表明,复合材料汽车引擎盖构件的纵、横方向性能基本一致,完全能够满足使用要求。3节能赛车车身的研制本研究的节能赛车车身是为哈尔滨工业大学威海分 校参加今年在上海举行的“Honda”节能竞技大赛而研制第6期段成金等:树脂基复合材料汽车构件的研制43的,气动外形由哈尔滨工业大学威海分校设计。根据车身形状(船

6、形,考虑到赛车的唯一性,为了节省成本,采用一种“无模快速成型技术”来制作。该工艺过程如图6所示。.删luj llj一仰睑_ Frame making Foam sheet covering 痖面AOutside shell making Taking off frame Inside shell maldng图6无模快速成型工艺流程示意图Fi8.6Process of rapid molding without mold制作过程:利用计算机,用间隔200mm的一系列平面去剖切车身,得到一系列车身剖面图,然后根据这些剖面图裁切一定形状的薄木板,最后把这些薄木板按照顺序和位置固定到平台上,即得到车

7、身的轮廓框架(图7是该赛车车身的框架照片;在框架上用泡沫板条紧密的把各个薄木板连接,即得到车身的模型;在泡沫板外边糊制一层碳纤维复合材料;固化后,碳纤维复合材料就和泡沫紧密的粘结在一起,然后去掉薄木板做成的轮廓框架,车身的形状就出来了;在车身内部再糊制一层碳纤维复合材料加固,最后经修整、打磨、抛光即得到节能赛车车身(图8。图7车身上半部分(U与下半部分(b的框架(图中左上角为相应部分的设计模型图Fi昏7Picture of ear body:(athe first half and(bthe last half(The figures on the topleft a”the model de

8、signed,respectively图8节能赛车的复合材料车身照片Fi昏8Picture of the body of energyefficient car节能赛车车身长达3m,宽度约0.6m,而质量仅为4.8kg,相对于其它赛车,车身减轻了近lO kg,为节约燃料提供了必不可少的条件。装车试行,跑完12km的路程,使用汽油23.08g,折合为l L汽油374.5km,节油效果明显。由于采用无模快速成型技术,从开始制作到产品完成,仅用了两天时间,明显缩短研制时间。4结论(1以玻纤和铁丝网增强石膏制作的复合材料模具为基础,通过在模具表面电镀一层厚度约1mm的铜,然后经过打磨、抛光,可以制得具

9、有镜面效果的低成本复合材料成型模具。(2强芯毡具有密度低、工艺性好以及具有树脂流动通道等特点,使用强芯毡在增加刚性、减轻重量的同时,可以明显改善工艺性,因此强心毡是一种理想的芯层材料。(3采用真空导流工艺制备了高质量的汽车复合材料引擎盖。复合材料引擎盖固化脱模后,无需打磨即得到A 级表面,和金属引擎盖相比,具有明显的减重效果。(4无模快速成型技术可以减少复合材料构件研制周期,降低研制费用。参考文献References1Yi Xiaosu(益小苏.Research and Development ofAdvanced Cornposites(先进复合材料技术研究与发展M.Beijing:Na-t

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11、高科技纤维与应用,2004(5:1523.5Huang Hansheng(黄汉生.复合材料在飞机和汽车上的应用动向(二J.地咖一tech Fiber andApplication(高科技纤维与应用,2004(6:30一36.6He Zhihua(何志华.复合材料汽车部件制造技术新进展J.F/ber Glass Reinforced Plastics/Composite(玻璃钢/复合材料,2008(Supp:360361.7Cheo Shaojie(陈绍杰.碳纤维再聚焦J.Hightech Fiberand Application(高科技纤维与应用,2009(1:l一8.8Chang Dongy

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13、sites(复合材料实验技术M.Wuhan:Wuhan University ofTechnology Press,2006:116一119.12Wen Dijiang(闻荻江.Composites Principle(复合材料原理M.Wuhan:Wuhan University of Technology Press,1998.专栏特约编辑陈祥宝研究员陈祥宝研究员: 1956年出生,复合材料专家,工学博士、博士生导师,1984年毕业于北京航空航天大学并获得硕士学位,19891992在法国南锡一大和比利时鲁汶大学学习并获得博士学位。现任北京航空材料研究院副院长,曾任先进复合材料国家重点实验室主

14、任,兼任装备部先进材料专业组副组长,中国复合材料学会常务理事、聚合物摹复合材料分会主任委员等职。主要研究方向为高性能复合材料树脂基体、复合材料成型技术、复合材料低成本技术、功能高分子材料和复合材料、新型复合材料结构设计和制造技术等。出版主要论著多部,在国内外学术刊物和会议发表论文70余篇,获得国家技术发明二等奖、部级科技进步二等奖各1项、高性专栏特约撰稿人益小苏研究员能树脂基体专著获部级优秀图书二等奖,“无毒害低成本聚酰亚胺复合材料”等技术先后获15项国防专利授权。益小苏研究员:1953年出生,复合材料专家,工学博士、博士生导师,1980年毕业于南京航空学院并获得硕士学位,19821986年在

15、西德帕德博恩大学学习并获硕士与博士学位。现任北京航空材料研究院科技委主任、先进复合材料国家重点实验室主任,兼任国际先进材料与工艺技术学会(SAMPE北京分会主席,世界粘接技术学会(WRCAP常务理事(IOCmember,中国材料研究学会常务理事,中国复合材料学会常务理事,中国航空学会材料工程专业分会副主任等职。主要研究方向为高性能结构复合材料、功能复合材料、材专栏特约撰稿人包建文高工料工艺与工程、表面技术、材料测试、生物与天然高分子材料等,曾获国际、国家和国防发明专利约20项。主要论著有lO余部,在国内外发表学术论文250余篇。包建文高级工程师:男.1969年出生。博士。现任结构性碳纤维复合材

16、料国家工程实验摩高级T.程师,主要从事先进树脂基复合材料研究。与他人合著10余部专业书籍。申请美国专利2项,中国国家专利和国防专利9项。公开发表学术论文60余篇。获得国家科技进步二等奖1项,国防科技进步一等奖l项,中航一集团科技进步一等奖2项、三等奖2项。肖军教授:1959年出生,工学硕士,现任南京航空航天大学复合材料工程自动化技术研究中心主任、教授,博士生导师,兼任国际先专栏特约撰稿人肖军教授进材料与工艺技术学会(SAMPE会员,中国复合材料学会常务理事,国家玻璃纤维标准化技术委员会副主任等职。主要研究方向为先进复合材料自动化工艺与装备、新型复合材料/结构的设计、制备与性能分析等,曾获困家和部委科技成果二等奖2项、国防科技三等奖2项。出版著作与教材8部;国内外发表学术论文60余篇。郑威研究员,1970年出生,工学硕十,现任山东非金属材料研究所第一科研窒主任。主要研究