CN106738999A - 一种多轴向碳纤维复合材料汽车电池盒及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于本发明属于汽车零件技术领域，一种多轴向碳纤维复合材料汽车电池盒，其材质是以利用多轴向经编工艺制备的多轴向碳纤维经编织物为增强材料，以环氧树脂为基材的复合材料；所述多轴向碳纤维经编织物包括依次排列的八层平行的铺层，所述铺层的铺层角度为0°、45°、90°和‑45°，每个铺层角度具有两个铺层。采用8层碳纤维多轴向经编织物作为纤维增强材料，所制备的电池盒较于传统钢制或者高密度塑料电池盒，质量减轻50％。编织过程可实现机械化整体成型，较于普通层合结构较繁琐的逐层铺放工艺，生产效率更高；比层合板拥有更稳定的结构性能，在保证沿纤维增强方向优异力学性能的同时，不容易出现分层现象，层间性能更好。
Description
技术领域
本发明属于本发明属于汽车零件技术领域，尤其涉及一种多轴向碳纤维复合材料汽车电池盒及其制造方法。
背景技术
汽车轻量化作为汽车现在以及未来发展的一个重要方向，越来越受到设计者们的关注，其中汽车轻量化的一个重要途径则是采用轻质材料。碳纤维复合材料具有优异的力学性能、低密度等特点，逐渐取代钢材被广泛应用于汽车产业。在汽车电池盒应用方面，CN105014988公开了一种碳纤维汽车电池盒及碳纤维汽车电池盒的制造方法，利用碳纤维层合结构复合材料代替钢制材料，在满足刚度、强度要求的同时，降低了电池盒的质量。CN104827680公开了一种电动汽车车载电池的保护外壳及其制备方法，用碳纤维层合结构复合材料代替钢制材料的同时，在铺层上采用层合多向铺层，起到了保护电池的作用，又不会影响汽车的轻量化。
但由于纤维层合结构铺层过程较繁琐，若电池盒全部采用碳纤维层合结构复合材料，制备时间将大大延长，降低生产效率，且纤维层合结构复合材料的层间性能略有不足。
发明内容
为解决现有技术存在的碳纤维层合结构铺层过程繁琐的缺陷，本发明提供一种多轴向碳纤维复合材料汽车电池盒及其制造方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种多轴向碳纤维复合材料汽车电池盒，其材质是以利用多轴向经编工艺制备的多轴向碳纤维经编织物为增强材料，以环氧树脂为基材的复合材料；
所述多轴向碳纤维经编织物包括依次排列的八层平行的铺层，所述铺层的铺层角度为0°、45°、90°和-45°，每个铺层角度具有两个铺层。
具体地，所述碳纤维为T300-3k碳纤维，拉伸模量230GPa，拉伸强度3.53Gpa，所述的环氧树脂为NPEL-128环氧树脂。
作为优选，所述的增强材料与基材体积比为1：1。
上述的多轴向碳纤维复合材料汽车电池盒的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)模具预处理：在模具表面用脱模剂擦拭，便于脱模；
(2)织物铺放：将多轴向碳纤维经编织物按照铺层角度平整的铺放在模腔内，不让其褶皱，并修掉多余的边角料；
(3)合模：将上模与下模合拢，周边密封紧固；
(4)树脂注射：将环氧树脂和固化剂混合均匀，然后从模具进胶口注入，充分浸润多轴向碳纤维经编织物；
(5)固化：将模具置于加热炉进行温控固化；
(6)脱模：分离上下模，将电池盒从模具中脱离出来并检查产品有无缺陷；
(7)后处理：用洁模剂清理模具和注胶设备。
进一步地，步骤(1)在模具表面用脱模机擦拭3遍以上，每次间隔15-20min，且按照一个方向擦拭。
作为优选，步骤(4)所述的环氧树脂和固化剂质量比为1：0.005～0.1，将环氧树脂和固化剂混合均匀后，静置20-30min。
进一步地，其特征在于：步骤(4)中从模具进胶口注入环氧树脂和固化剂的注胶压力为0.1～0.2MPa，注胶至出胶口没有气泡出现，停止注胶。
作为优选，步骤(5)所述的温控固化条件为，温度40～50℃，固化时间为1.5～2h。
作为优选，步骤(7)所述的洁模剂为丙酮。
有益效果：1、本发明提供的多轴向碳纤维复合材料汽车电池盒，采用8层碳纤维多轴向经编织物作为纤维增强材料，环氧树脂作为基体，所制备的电池盒较于传统钢制或者高密度塑料电池盒，质量减轻50％。
2、本发明提供的多轴向碳纤维复合材料汽车电池盒，采用多轴向经编织工艺，编织过程可实现机械化整体成型，较于普通层合结构较繁琐的逐层铺放工艺，生产效率更高；
3、本发明提供的多轴向经编织物比层合板拥有更稳定的结构性能，较于普通层合结构电池盒，在保证沿纤维增强方向优异力学性能的同时，不容易出现分层现象，层间性能更好。
4、本发明提供的多轴向碳纤维复合材料汽车电池盒，可根据不同车型电池盒的结构要求，对增强纤维的铺设角度和铺设厚度进行任意调整，可设计性强。
附图说明
图1为电池盒立体结构示意图；
图2为电池盒反面结构示意图；图1和图2中1.1为底板，2.1为纵向加强筋，2.2为横向加强筋。
图3为多轴向碳纤维经编织物结构示意图；图3中3.1为90°衬纬纱，3.2为45°衬纬纱，3.3为-45°衬纬纱，3.4为捆绑纱，3.5为0°衬经纱。
图4为实施例1多轴向碳纤维经编织物的铺层结构示意图；图4中4.1为0°方向铺层，4.2为45°方向铺层，4.3为-45°方向铺层，4.4为90°方向铺层，4.5为90°方向铺层，4.6为-45°方向铺层，4.7为45°方向铺层，4.8为0°方向铺层，4.9为捆绑纱线。
图5为实施例2多轴向碳纤维经编织物的铺层结构示意图；图5中5.1为0°方向铺层，5.2为90°方向铺层，5.3为-45°方向铺层，5.4为45°方向铺层，5.5为45°方向铺层，5.6为-45°方向铺层，5.7为90°方向铺层，5.8为0°方向铺层，5.9为捆绑纱线。
图6为实施例3层合结构织物结构示意图；图6中6.1为0°方向铺层，6.2为90°方向铺层，6.3为-45°方向铺层，6.4为45°方向铺层，6.5为45°方向铺层，6.6为-45°方向铺层，6.7为90°方向铺层，6.8为0°方向铺层。
图7为RTM系统结构示意图；图7中7.1为空压机，7.2为注塑机，7.31为固定螺栓，7.32为注胶口，7.33为上模，7.34为出胶口，7.35为下模，7.4为多轴向混杂纤维经编织物，7.5为树脂接收桶。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实例作进一步的详细描述。
实施例1
第一方面，本实例提供了一种多轴向碳纤维复合材料汽车电池盒(结构如图1，图2所示，包括底板1.1、设置在底板1.1底部的纵向加强筋2.1和横向加强筋2.2)，利用多轴向经编工艺，将碳纤维作为增强材料，制备成多轴向经编织物，通过RTM注射成型技术，将树脂浸润多轴向经编织物后成型，铺层设有8层，基体使用环氧树脂。
本发明实例提供的复合材料汽车电池盒，增强材料采用多轴向经编结构，结构形式如图3所示。多轴向经编结构中包含90°衬纬纱3.1，45°衬纬纱3.2，-45°衬纬纱3.3，捆绑纱3.4，0°衬经纱3.5。
相较于普通的单一纤维增强层合板而言，多轴向经编织物结构更加稳定、力学性能更优异、可设计性更强。具体性能如下：
(1)多轴向经编织物中的纤维呈平直分布，使织物纤维主方向上的性能得到充分发挥；
(2)多轴向经编织物引入了捆绑纱线，相较于层合结构，其层间性能更优，结构整体性能更好；
具体地，所述铺层选择标准铺层角度：0°、45°、90°、-45°，铺层顺序为[0,45,-45,90]S，具体结构如图4所示：自上而下第一层为0°方向铺层4.1，第二层为45°方向铺层4.2，第三层-45°方向铺层4.3，第四层90°方向铺层4.4，第五层90°方向铺层4.5，第六层-45°方向铺层4.6，第七层45°方向铺层4.7，第八层0°方向铺层4.8，捆绑纱线4.9。
本实例的第二方面，提供了一种多轴向碳纤维复合材料汽车电池盒制造方法，过程原理如图7所示，包括以下几个步骤：
步骤(1)准备工作
1.1)多轴向碳纤维经编织物；利用多轴向经编工艺，将碳纤维增强材料按照设计角度、铺层顺序织成所需要的多轴向碳纤维经编织物。
1.2)模具的准备；仔细检查模具有无破损，内部是否含有杂物
1.3)RTM成型设备；检查RTM注胶设备7.2，准备固化剂、脱模剂、空压机7.1等相关配件。
步骤(2)模具前处理
在模具的内表面用脱模剂擦拭4遍，按照一个方向轻轻湿润模具，不可来回擦拭，每一次擦拭间隔15分钟。
步骤(3)织物铺放
将按设计要求编织的多轴向碳纤维经编织物7.4，平整的铺放在模腔内，不让其褶皱，并修掉多余的边角料。
步骤(4)合模
将上模7.33与下模7.35合拢，周边利用固定螺栓7.31进行密封紧固。
步骤(5)树脂注射
5.1)将环氧树脂与固化剂按照1：0.05的比例调配，实验环境温度25℃，保证树脂在注胶过程中有良好的流动性和浸润性。
5.2)将环氧树脂与固化剂搅拌均匀，静置25分钟，排除混合树脂胶液中的空气。
5.3)设置空压机7.1保证注胶压力为0.15MPa，将树脂从注胶口7.32注入模具，注胶过程中在出胶口7.34可以观察到树脂和气泡冒出；注胶直至出胶口没有气泡出现，胶液充分浸润织物，停止注胶，由出胶口7.34出来的树脂用树脂接收桶收7.5收集。
步骤(6)固化
将模具置于加热炉中进行温控固化，固化温度控制在40℃，固化时间为2小时。
步骤(7)脱模
模具冷却后分离上下模，将电池盒从模具中脱离出来，并检查产品有无缺陷。
步骤(8)后处理
用丙酮清洗模具和RTM注胶设备。
实施例2
本实例提供的汽车电池盒的形状、材质以及制备方法基本与实施例1相同，区别在于多轴向经编织物的铺层，铺层角度为[0,90,-45,45]S，具体结构如图5所示：第一层0°方向铺层5.1，第二层90°方向铺层5.2，第三层-45°方向铺层5.3，第四层45°方向铺层5.4，第五层45°方向铺层5.5，第六层-45°方向铺层5.6，第七层90°方向铺层5.7，第八层0°方向铺层5.8。
实施例3
本实例用作对比，提供的汽车电池盒的形状、制备方法基本与实施例1相同，区别在于选用纯碳纤维层合结构织物，碳纤维层数为8层,按指定角度手动一层一层的铺上去，具体铺层角度为[0,90,-45,45]S，具体结构如图6所示：第一层0°方向铺层6.1，第二层90°方向铺层6.2，第三层-45°方向铺层6.3，第四层45°方向铺层6.4，第五层45°方向铺层6.5，第六层-45°方向铺层6.6，第七层90°方向铺层6.7，第八层0°方向铺层6.8。
分别对实施例1、实施例2和实施例3和纯金属提供的电池盒的重量以及刚度进行了测试。在各个实例提供的电池盒的重心处施加电池质量128kg，测量电池盒z向位移。
测试结果如表1所示：
通过表1对比发现，本发明实施例所提供的多轴向碳纤维复合材料汽车电池盒的两个实施例具有较高的刚度，能保证汽车在正常行驶时电池的安全性。与金属电池盒相比，多轴向碳纤维复合材料汽车电池盒因为纤维复合材料的低密度，总质量下降了50％。与纯碳纤维层合复合材料电池盒相比，采用多轴向经编工艺，使得层间性能更好，并且多轴向经编工艺铺层简单，便于实现机械化，生产效率更高。综上本发明提出的多轴向碳纤维复合材料汽车电池盒兼具轻质高强、高性能、高效率等特点。
Claims (9)
1.一种多轴向碳纤维复合材料汽车电池盒，其特征在于：其材质是以利用多轴向经编工艺制备的多轴向碳纤维经编织物为增强材料，以环氧树脂为基材的复合材料；
所述多轴向碳纤维经编织物包括依次排列的八层平行的铺层，所述铺层的铺层角度为0°、45°、90°和-45°，每个铺层角度具有两个铺层。
2.根据权利要求1所述的多轴向碳纤维复合材料汽车电池盒，其特征在于：所述碳纤维为T300-3k碳纤维，拉伸模量230GPa，拉伸强度3.53Gpa，所述的环氧树脂为NPEL-128环氧树脂。
3.根据权利要求1或2所述的多轴向碳纤维复合材料汽车电池盒，其特征在于：所述的增强材料与基材体积比为1：1。
4.根据权利要求1～3任一项所述的多轴向碳纤维复合材料汽车电池盒的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)模具预处理：在模具表面用脱模剂擦拭，便于脱模；
(2)织物铺放：将多轴向碳纤维经编织物按照铺层角度平整的铺放在模腔内，不让其褶皱，并修掉多余的边角料；
(3)合模：将上模与下模合拢，周边密封紧固；
(4)树脂注射：将环氧树脂和固化剂混合均匀，然后从模具进胶口注入，充分浸润多轴向碳纤维经编织物；
(5)固化：将模具置于加热炉进行温控固化；
(6)脱模：分离上下模，将电池盒从模具中脱离出来并检查产品有无缺陷；
(7)后处理：用洁模剂清理模具和注胶设备。
5.根据权利要求4所述的多轴向碳纤维复合材料汽车电池盒的制造方法，其特征在于：步骤(1)在模具表面用脱模机擦拭3遍以上，每次间隔15-20min，且按照一个方向擦拭。
6.根据权利要求4所述的多轴向碳纤维复合材料汽车电池盒的制造方法，其特征在于：步骤(4)所述的环氧树脂和固化剂质量比为1：0.005～0.1，将环氧树脂和固化剂混合均匀后，静置20-30min。
7.根据权利要求4或6所述的多轴向碳纤维复合材料汽车电池盒的制造方法，其特征在于：步骤(4)中从模具进胶口注入环氧树脂和固化剂的注胶压力为0.1～0.2MPa，注胶至出胶口没有气泡出现，停止注胶。
8.根据权利要求4所述的多轴向碳纤维复合材料汽车电池盒的制造方法，其特征在于：步骤(5)所述的温控固化条件为，温度40～50℃，固化时间为1.5～2h。
9.根据权利要求4所述的多轴向碳纤维复合材料汽车电池盒的制造方法，其特征在于：步骤(7)所述的洁模剂为丙酮。
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