碳纤维复合材料汽车前地板的研制.pdf

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1、2016年第4期玻璃钢／复合材料51碳纤维复合材料汽车前地板的研制陈刚，涂丽艳，陈明达，刘东(浙江省机器人与智能制造装备技术重点实验室，中国科学院宁波材料技术与工程研究所，宁波315201)摘要：阐述了通过对碳纤维复合材料汽车前地板的研制，以金属白车身为设计依据确定了碳纤维复合材料前地板的结构。分析确定了材料及成型工艺，研究了预成型体制作，设计出了多点注射快速RTM模具，并成功制备了碳纤维增强热固性环氧复合材料前地板。产品经过刚度及模态测试，其结果满足汽车整车厂提出的技术要求，而且减重效果明显，说明碳纤维复合材料

2、作为主受力结构件在汽车上的应用是可行的。关键词：复合材料；汽车前地板；RTM成型中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：1003-0999(2016)04-0051-041概述随着汽车轻量化不断发展，节能、环保、安全、舒适已成为当今材料界和汽车界的研究热点。研究显示，车重每减少100kg，每百公里油耗可降低0．3～0．5L，二氧化碳的排放可以减少12g左右。车重减轻，可以提高车辆的加速度和制动效果。传统汽车钢铁材料约占车体总重的3／4，用碳纤维增强复合材料(CFRP)制造的车身和底盘在等刚度、等强度下可以减

3、重40％一60％，相当于钢结构的1／3—1／6。图1汽车白车身Fig．1Bodyinwhite因此，CFRP正日益成为汽车轻量化的首选材料，逐渐得到汽车行业越来越广泛的认可和应用¨。J。2．2性能要求2015年国内碳纤维需求总量为1．3万吨左右，减重：与金属钢制地板相比，减重不低于40％；如果保持平稳增长态势，预计2020年将达到2．5万弯曲刚度：在lkN载荷下，中心点垂直挠度应小吨。目前，我国复合材料在汽车工业中年用量比例于2mm；还很小，因此，开发碳纤维复合材料在汽车上的应用扭转刚度：≥10N·m／rad；研

4、究具有很大的发展空间和应用前景。本文以碳纤一阶模态：~>20Hz。维复合材料汽车前地板的研制为例，对其结构方案2．3碳纤维复合材料地板设计过程设计、纤维预成型体制作、成型工艺及性能测试进行由于原金属汽车前地板零部件比较多，在复合了研究。材料成型中采用一体成型比较困难，为了充分发挥碳纤维复合材料性能及适应复合材料成型工艺特2结构设计方案点，需要将原钢制地板结构进行局部的设计修改，修2．1结构设计依据改内容主要有如下几个方面：目标产品以金属白车身为设计依据，原金属汽(1)取消加强筋板及多余的复杂筋条：充分发车前地板横

5、截面呈“几”字形，外形尺寸为1．7m×挥碳纤维复合材料的比强度、比模量高和可设计性1．3m，重量为27．7kg，金属板厚为0．8mm左右，由强等的优点，根据等刚度设计原则，在前地板不同受21个板金冲压件组装焊接而成，如图1所示。力部位设计不同厚度CFRP，尽量取消加强筋板及多收稿日期：2015—11-25本文作者还有颜春，林新耀，祝颖丹和徐海兵。基金项目：宁波市重大专项(2014S10004，2015S1004)；宁波市国际合作项目(2015D10012)；中国科学院科技服务网络计划(KFJ—EW-STS-150

6、)作者简介：陈刚(1974一)，男，高级工程师，主要从事碳纤维复合材料轻量化技术的研究。通讯作者：刘东(1985一)，男，博士，高级工程师，研究方向为高性能低成本复合材料。52碳纤维复合材料汽车前地板的研审】20l6年4月余的复杂筋条；胶衣涂层即可为构件提供光滑表面，后处理工作量(2)取消工艺漏液孔：碳纤维复合材料前地板小；预成型体尺寸易控，可设计性强；生产周期适中，不同于钢制地板，产品焊接组装完成后无需在涂装可实现半自动或自动化生产，效率高；纤维含量较车间进行电泳工序，所以可以取消各工艺漏液孔；高；能够应用计算

7、机辅助设计进行模具和产品设计，(3)在碳纤维零部件设计时，对于影响铺设成可实现充模过程的模拟；无需二次粘接。型的小圆角要尽量避免，原则上内角≥3mm，以利鉴于以上技术优点，本项目选用了快速RTM成于在模具上铺设成型，个别特殊部位可以将内角设型工艺试制地板。计成R>i2mm，但会降低量产效率，应尽量避免；3．3纤维预成型体制作(4)在碳纤维零部件壁厚不同的部位，应逐渐纤维预成型技术是RTM工艺的一个重要环节。过渡，以免在成型固化过程中，因固化收缩不同而产对质量要求高、性能稳定、结构复杂、自动化程度要生较大变形。求高

8、的制品来说，这项技术显得尤为重要。其原理根据以上设计原则，重新修改设计后的前地板是采用增粘剂／定型剂或编织／缝纫等技术将增强材数模如图2所示。根据预先的有限元模拟，为了能料固结成与制品相同形状的半成品。纤维预成型技够达到与原金属汽车前地板相同的刚度值，复合材术在保证产品质量、生产工艺快速及自动化方面具料汽车前地板主板厚度为2．5mm，中央通道部分厚有重要意义，是实施RTM