一种层间加强二维/三维编织复合材料汽车板簧及其制备方法.pdf

本发明公开了一种层间加强二维/三维编织复合材料汽车板簧及其制备方法。通过三维立体编织形成不同纤维材质的单层织物，可以对刚度或强度要求较高的特定部位设计特定的纤维材质和三维编织结构的单层，最终通过层间的纵向缝合将叠层后的单层结构形成整体。最后配合树脂真空传递模塑将二维/三维组合结构织物与树脂重复浸渍复合，通过梯度升温固化制备出高强度、高刚度、形变量小、抗疲劳强度大、寿命长、高低温环境适应性强的新型复合材料汽车板簧。该板簧采用的新颖的材质和结构形式能够适应不同载重量、特别是大载重量车辆的使用要求，有效避免了传统二维叠层结构复合材料板簧的疲劳载荷强度较低而出现的层间破坏问题。

权利要求书
1.  一种层间加强二维/三维编织复合材料汽车板簧，其特征是，包括多层三维编织结构单层，所述三维编织结构单层层间为二维纱线铺缝结构，所述多层编织材料间填充有树脂材料；所述的三维编织结构单层和二维纱线铺缝结构的材料为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或UHMWPE纤维中一种或多种。

2.  如权利要求1所述的汽车板簧，其特征是，所述的三维编织结构单层为三维四向、三维五向、三维六向或三维七向中一种或多种。

3.  如权利要求1所述的汽车板簧，其特征是，所述的二维纱线铺缝结构为Z向纤维铺缝结构。

4.  一种层间加强二维/三维编织复合材料汽车板簧的制作方法，其特征是，采用三维立体编织形成不同纤维材质和三维编织结构的单层；叠层后进行层间纵向缝合形成整体；再经树脂真空导入成型和梯度升温固化成型，即得。

5.  如权利要求4所述的方法，其特征是，所述树脂真空导入成型为真空袋膜密封树脂导入成型法。

6.  如权利要求4所述的方法，其特征是，所述树脂真空导入成型过程中，树脂含量占纤维材料总重量的40％-50％，真空度控制为0.6-1.0MPa。

7.  如权利要求4所述的方法，其特征是，所述梯度升温固化成型的条件为：70-80℃保温30min-1h，之后温度提高至100-160℃保温20min-2h。

8.  权利要求4-7任一所述的方法制备的汽车板簧。

9.  权利要求1或2所述汽车板簧或权利要求8所述的汽车板簧在制造轻型载重卡车和重型载重卡车中的应用。

说明书一种层间加强二维/三维编织复合材料汽车板簧及其制备方法
技术领域
本发明属于板式弹簧的制备技术领域，涉及一种层间加强二维/三维编织复合材料汽车板簧及其制备方法。
背景技术
目前载重卡车所用的板式弹簧大多都是金属材质，而且多为多片结构组合而成，在卡车底部悬架部位通过多层板之间的摩擦从而使其具有较高的缓冲和减震性能，在载重量比较大的客车、轨道车辆或者大型货车等交通设备中大量应用。但是传统板簧的金属材质自重较大，当装配在重型车辆底部时，虽具有较好的减震性能，但是其较大的重量必然带来车辆的载重空间压缩，同时其疲劳载荷作用下的安全性能也有所降低。
随着交通运输车辆部件轻量化研究的不断深入，对于新型材质的板式弹簧的研究也有较多成果，目前碳纤维及其它高性能纤维与树脂基体制备的复合材料材质，以重量轻、强度高、刚度大、抗疲劳性能优异以及使用寿命较长，成为替代传统板式弹簧的颇具竞争力的新型材质。因此有关复合材料材质新型汽车板式弹簧的成型技术及其制备结构设计的研究和成果不断出现，为汽车轻量化带来了较大的发展空间。
目前高性能纤维复合材料的板式弹簧大都是采用高性能树脂作为基体，使用高性能的碳纤维或玻璃纤维以及其他具有较高强度的特种纤维为增强体制备，成型技术一般采用模压成型、树脂真空导入成型或者纤维缠绕成型等。其中树脂真空导入也就是目前复合材料成型所常用的真空袋压法，这种制备工艺可适用于不同外型的板簧结构，设计灵活性较大，然而由于成型真空度带来的压力条件有限，必然造成树脂含量较高，而且导入过程中不可避免带来树脂分布不均匀的现象而导致孔隙率较高，而目前常用的纤维增强结构为二维织物叠层结构，孔隙率的提高必然带来了层间结合薄弱，从而造成板簧制品在长期疲劳载荷下的层间强度降低，严重时会对车辆安全性造成影响。
所以如何克服纤维复合材料板簧在载重要求较高车辆的疲劳加载条件下的层间结合强度较弱的问题，成为汽车复合材料板簧研究的重点内容。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供一种二维/三维混杂编织结构的复合材料板式弹簧的制备方法，同时为了发挥不同高性能纤维的强度、刚度以及抗疲劳特性的综合优势，设计了一种三维立体编织织物多层结构叠层外加层间高密度铺缝强化形成二维/三维组合式织物结构，同时通过树脂真空传递模塑复合和梯度升温固化的成型技术，制备出高强度、高刚度、 形变量小、抗疲劳强度大、寿命长、高低温环境适应性强的新型复合材料汽车板簧，该板簧采用的新颖的材质和结构形式能够适应不同载重量、特别是大载重量车辆的使用要求，有效避免了传统二维叠层结构复合材料板簧的疲劳载荷强度较低而出现的层间破坏问题。
本发明采取的技术方案为：
一种层间加强二维/三维编织复合材料汽车板簧，包括多层三维编织结构单层，所述三维编织结构单层层间为二维纱线铺缝结构；所述多层编织材料间填充有树脂材料。
进一步地，所述的三维编织结构单层为三维四向、三维五向、三维六向或三维七向中一种或多种。将以上制备的混合纱线进行三维立体编织处理，其中根据板式弹簧的载重使用要求，设计不同层部位的混合纱线材质、编织结构以及外型规格。将板簧的结构根据层间不同部位的力学特性要求进行划分，其中板簧厚度的中间层位置选用碳纤维和玻璃纤维混杂纱线进行三维织物制备，织物结构选用三维四向、三维五向、三维六向或三维七向中的一种或多种，该单层的厚度在4-40mm之间可调。板簧厚度的上下表面层选用碳纤维、芳纶纤维或UHMWPE纤维混杂纱线进行三维立体织物制备，织物结构选用三维五向、三维六向或三维七向中的一种或多种，每个单层的厚度在3-30mm之间可调。
进一步地，所述的三维编织结构单层的材料为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或UHMWPE纤维中一种或多种。根据车辆的载重要求选定提供强度和刚度的主要增强纤维类型，一般选用高强度碳纤维、高强度玻璃纤维、高性能芳纶纤维或高强度UHMWPE纤维中的一种或多种进行混杂制备纱线，混合纱线中各种材质纤维的用量根据实际载重使用要求进行调整。不同材质的丝束制备的组合纱线经过不同纤维重量比例匹配之后进行表面处理，表面处理通常采用真空环境或惰性气氛环境高温灼烧完成，充分将丝束表面的上浆剂除去，之后卷绕备用。
进一步地，所述的二维纱线铺缝结构为Z向纤维铺缝结构。根据载重车辆的板簧受力工况条件，将中间层和上下表面层的三维立体织物叠层之后，采用Z向高强度纤维缝合技术将叠层三维织物形成整体，缝合选用的纱线为碳纤维、芳纶纤维或UHMWPE纤维中的一种或多种组合，层间二维铺缝纱线的总体重量为以上中间层和上下表面层纤维重量的30-50％之间可调。其中，中间层主要提高板簧整体的刚度、上下表面层主要提高板簧整体的抵抗破坏的强度。
进一步地，所述的二维纱线铺缝结构的材料为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或UHMWPE纤维中一种或多种
本发明还提供了一种层间加强二维/三维编织复合材料汽车板簧的制作方法，其特征是，采用三维立体编织形成不同纤维材质和三维编织结构的单层；叠层后进行层间纵向缝 合形成整体；再经树脂真空导入成型和梯度升温固化成型，即得。
进一步地，所述树脂真空导入成型为真空袋膜密封树脂导入成型法。
树脂真空导入成型是在模具型面上铺放增强材料，将型腔边缘密封严密，然后在型腔内抽真空，再将树脂通过精心设计的树脂分配体系在真空作用下注入模腔内，逐渐浸渍增强材料，真空压力一直保持至树脂凝胶。其要求树脂仅在真空力作用下能够完全浸渍增强材料。而不同的真空条件对凝胶时间有不同要求，为实现凝胶时间的可变易控，本发明对树脂材料的用量和真空度进行了优选。最优的条件为：所述树脂真空导入成型过程中，树脂含量为纤维材料的40％-50％(w/w)，真空度控制为0.6-1.0MPa。
根据过程诱导应力和变形产生机理可将影响固化变形的因素分为热应力、固化收缩应力、温度梯度与树脂固化度、压力分布和树脂流动、模具与零件的相互作用等，一般而言，热固性树脂的化学反应速率与其所处环境温度有关。如结构件各部位温度在固化过程中始终保持均匀分布，各部位基体树脂的反应程度也将保持同步进一步地。本发明采用梯度固化升温的方式，使各部位的树脂形成非同步固化状态，从而有效改善了树脂真空导入成型过程中树脂分布不均匀，树脂孔隙率过高的问题。优选的梯度升温固化成型的条件为：70-80℃保温30min-1h，之后温度提高至100-160℃保温20min-2h。
另外，与等度升温相比，梯度升温固化成型还可以保证树脂基体的充分固化，以保证复合材料板簧整体的强度均一性。
以上通过三维编织单层织物叠层之后通过层间铺缝强化将其形成板簧二维/三维混合织物整体，织物长度根据车辆载重要求而定。本发明适用的车型为轻型载重卡车和重型载重卡车，所要求的板簧织物长度在1.2-2m范围内可调，总体厚度在10-100mm之间可调。
本发明的有益效果：
本发明制备的层间加强的二维/三维复合材料汽车板簧具有高强度、重量轻、抗疲劳、刚度大、高低温稳定性好、设计制备灵活性强、使用寿命较长等优点。本发明制备的板簧可在不同受力层选用不同材质的纤维混杂进行三维织物制备，层间通过高强度纤维铺缝强化有效避免了普通二维叠层织物的层间结合强度低的问题，大大提高了产品质量和使用寿命，适用于不同载重要求的轻型或重型卡车。
由于纤维的强度、抗疲劳性比钢材料强，车身、底盘重量上比钢板簧减轻40％-60％，仅相当于钢制重量的1/3、1/6。这样既可以增加车辆的装载能力，又可以改善车辆的运行特性，并且还可以降低车辆的燃耗，起到省油的目的。
附图说明
图1是层间加强二维三维编织复合材料汽车板簧纤维结构示意图，整个板簧由多层三 维编织织物构成，其中1、2、3为不同结构形式的三维编织结构单层，通过4的二维Z向铺缝结构形成复合材料板簧整体。
具体实施方式
本发明涉及一种应用于不同载重卡车的多层三维纤维织物层间纤维铺缝强化的复合材料板式弹簧及其制备方法，下面结合实施例进一步说明。
实施例1
(1)根据重型载重卡车的载重要求选定高强度碳纤维、高强度玻璃纤维、高性能芳纶纤维进行混杂制备纱线，不同材质的丝束制备的组合纱线经过匹配之后进行表面处理，表面处理通常真空高温灼烧完成，充分将丝束表面的上浆剂除去，之后卷绕备用。
(2)将以上制备的混合纱线进行三维立体编织处理，其中板簧厚度的中间层位置选用碳纤维和玻璃纤维混杂纱线进行三维织物制备，碳纤维与玻璃纤维的重量比为2：1，织物选用三维四向结构，该单层的厚度为40mm。板簧厚度的上下表面层选用碳纤维和芳纶纤维混杂纱线进行三维立体织物制备，碳纤维与芳纶纤维的重量比为3：1，织物选用三维五向结构编织，每个单层的厚度为30mm。
(3)根据载重车辆的板簧受力工况条件，将中间层和上下表面层的三维立体织物叠层之后，采用Z向高强度纤维缝合技术将叠层三维织物形成整体，缝合选用的纱线为高强度碳纤维合，层间二维铺缝纱线的总体重量为以上中间层和上下表面层纤维重量的30％。
(4)三维立体织物采用环氧树脂进行树脂真空传递模塑成型。树脂含量为50％，整个真空导入过程的真空度控制为1.0MPa。
(5)固化过程采用梯度升温的工艺，首先在80℃保温1h，之后温度提高至120℃保温2h。
(6)后处理过程的温度为110℃，时间在4h。
以上通过三维编织单层织物叠层之后通过层间铺缝强化将其形成板簧二维/三维混合织物整体，适用的车型为重型载重卡车，所要求的板簧织物长度为2米，总体厚度为100mm。
实施例2
(1)根据重型载重卡车的载重要求选定高强度碳纤维、高强度玻璃纤维、高性能芳纶纤维进行混杂制备纱线，不同材质的丝束制备的组合纱线经过匹配之后进行表面处理，表面处理通常氮气气氛高温灼烧完成，充分将丝束表面的上浆剂除去，之后卷绕备用。
(2)将以上制备的混合纱线进行三维立体编织处理，其中板簧厚度的中间层位置选用碳纤维和玻璃纤维混杂纱线进行三维织物制备，碳纤维与玻璃纤维的重量比为4：1，织物选用三维五向结构，该单层的厚度为30mm。板簧厚度的上下表面层选用碳纤维和芳纶纤维 混杂纱线进行三维立体织物制备，碳纤维与芳纶纤维的重量比为2：1，织物选用三维六向结构编织，每个单层的厚度为20mm。
(3)根据载重车辆的板簧受力工况条件，将中间层和上下表面层的三维立体织物叠层之后，采用Z向高强度纤维缝合技术将叠层三维织物形成整体，缝合选用的纱线为高强度碳纤维合，层间二维铺缝纱线的总体重量为以上中间层和上下表面层纤维重量的40％。
(4)三维立体织物采用环氧树脂进行树脂真空传递模塑成型。树脂含量为45％，整个真空导入过程的真空度控制在0.8MPa。
(5)固化过程采用梯度升温工艺，首先在75℃保温0.5h，之后温度提高至125℃保温2.5h。
(6)后处理过程的温度为120℃，时间3h。
以上通过三维编织单层织物叠层之后通过层间铺缝强化将其形成板簧二维/三维混合织物整体，适用的车型为重型载重卡车，所要求的板簧织物长度为2米，总体厚度为70mm。
实施例3
(1)根据轻型载重卡车的载重要求选定高强度碳纤维、高强度玻璃纤维进行混杂制备纱线，不同材质的丝束制备的组合纱线经过匹配之后进行表面处理，表面处理通常真空高温灼烧完成，充分将丝束表面的上浆剂除去，之后卷绕备用。
(2)将以上制备的混合纱线进行三维立体编织处理，其中板簧厚度的中间层位置选用碳纤维和玻璃纤维混杂纱线进行三维织物制备，碳纤维与玻璃纤维的重量比为4：1，织物选用三维六向结构，该单层的厚度为20mm。板簧厚度的上下表面层选用碳纤维和玻璃纶纤维混杂纱线进行三维立体织物制备，碳纤维与芳纶纤维的重量比为3：1，织物选用三维四向结构编织，每个单层的厚度为10mm。
(3)根据载重车辆的板簧受力工况条件，将中间层和上下表面层的三维立体织物叠层之后，采用Z向高强度纤维缝合技术将叠层三维织物形成整体，缝合选用的纱线为高强度碳纤维合，层间二维铺缝纱线的总体重量为以上中间层和上下表面层纤维重量的35％。
(4)三维立体织物采用不饱和聚酯树脂进行树脂真空传递模塑成型。树脂含量为40％，整个真空导入过程的真空度控制在0.7MPa。
(5)固化过程采用梯度升温的工艺，首先在80℃保温40min，之后温度提高至125℃保温2.5h。
(6)后处理过程的温度为110℃，时间在2h。
以上通过三维编织单层织物叠层之后通过层间铺缝强化将其形成板簧二维/三维混合织物整体，适用的车型为轻型载重卡车，所要求的板簧织物长度为1.2米，总体厚度为40mm。
实施例4
(1)根据轻型载重卡车的载重要求选定高强度碳纤维、高强度玻璃纤维和UHMWPE进行混杂制备纱线，不同材质的丝束制备的纱线经过匹配之后进行表面处理，表面处理通常氩气气氛中高温灼烧完成，充分将丝束表面的上浆剂除去，之后卷绕备用。
(2)将以上制备的混合纱线进行三维立体编织处理，其中板簧厚度的中间层位置选用碳纤维和玻璃纤维混杂纱线进行三维织物制备，碳纤维与玻璃纤维的重量比为3：1，织物选用三维七向结构，该单层的厚度为25mm。板簧厚度的上下表面层选用碳纤维和UHMWPE纤维混杂纱线进行三维立体织物制备，碳纤维与芳纶纤维的重量比为1：1，织物选用三维五向结构编织，每个单层的厚度为15mm。
(3)根据载重车辆的板簧受力工况条件，将中间层和上下表面层的三维立体织物叠层之后，采用Z向高强度纤维缝合技术将叠层三维织物形成整体，缝合选用的纱线为高强度碳纤维合，层间二维铺缝纱线的总体重量为以上中间层和上下表面层纤维重量的40％。
(4)三维立体织物采用酚醛树脂进行树脂真空传递模塑成型。树脂含量为45％，整个真空导入过程的真空度控制在0.8MPa。
(5)固化过程采用梯度升温的工艺，首先在85℃保温45min，之后温度提高至135℃保温1.5h。
(6)后处理过程的温度为120℃，时间4h。
以上通过三维编织单层织物叠层之后通过层间铺缝强化将其形成板簧二维/三维混合织物整体，适用的车型为轻型载重卡车，所要求的板簧织物长度为1.5米，总体厚度为55mm。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。