本發(fā)明屬于汽車零部件成型及制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種纖維增強復(fù)合材料在成型制備汽車零部件中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
汽車輕量化是當(dāng)前汽車工業(yè)研究的熱點。汽車輕量化主要涉及零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與適合特定工藝加工成型的材料。當(dāng)前碳鋼、鋁合金是汽車制造領(lǐng)域的主要材料，復(fù)合材料所占比重不超過30%，這嚴(yán)重制約了復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。
雖然汽車輕量化技術(shù)快速發(fā)展，但是限制復(fù)合材料在汽車輕量化領(lǐng)域扮演重要角色的主要因素包括：
（1）復(fù)合材料的絕對強度不如金屬材料，用復(fù)合材料簡單的替代金屬材料在力學(xué)性能上滿足不了應(yīng)用要求；
（2）復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用過程中，對零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠，沒有充分發(fā)揮復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可設(shè)計性的優(yōu)點，限制了其在汽車零部件上的進(jìn)一步應(yīng)用；
（3）傳統(tǒng)復(fù)合材料，由于其制備工藝落后，成本偏高，基本物理性能也滿足不了汽車零部件輕量化對材料高性能的要求。
由此可見，開發(fā)結(jié)構(gòu)合理、適合成型的高性能復(fù)合材料，是促進(jìn)復(fù)合材料在汽車零部件領(lǐng)域廣泛應(yīng)用、加快汽車輕量化發(fā)展的關(guān)鍵要素。
現(xiàn)有技術(shù)中有提及對后視鏡支架系統(tǒng)的改進(jìn)專利（參見申請?zhí)枮?01410222346、201420264680號的中國專利文獻(xiàn)），其主要提到后視鏡支架系統(tǒng)，且主要是以金屬材料為基礎(chǔ)的系統(tǒng)設(shè)計，沒有涉及后視鏡支架的制作工藝與復(fù)合材料的選擇；現(xiàn)有技術(shù)中還有提到車輪輪轂罩、車用迎賓踏板結(jié)構(gòu)、汽車儀表臺骨架等汽車零部件的專利（參見申請?zhí)枮?01130368116、201410183313、201020062429號的中國專利文獻(xiàn)），但這些專利文獻(xiàn)主要涉及產(chǎn)品的外觀與結(jié)構(gòu)，同樣少有涉及產(chǎn)品的選材與制備；而部分涉及到復(fù)合材料選材與制備工藝的專利文獻(xiàn)（參見申請?zhí)枮?01310459618、201410159742、201410048878號的中國專利文獻(xiàn)），又沒有涉及到復(fù)合材料的組成與復(fù)合材料的具體應(yīng)用方式。
現(xiàn)有汽車零部件多以金屬材料成型為主，成型加工方式主要是沖壓、焊接兩道工序。在汽車輕量化技術(shù)日益發(fā)展的背景下，關(guān)鍵零部件的輕量化顯得十分迫切，而以金屬材料的沖壓和焊接為代表的工藝技術(shù)已經(jīng)落后，滿足不了輕量化的技術(shù)要求，也滿足不了汽車零部件精益生產(chǎn)的技術(shù)要求。例如CN201210300260、CN201010543461、CN201110366114、CN201210118977、CN200910163728號等中國專利主要涉及短纖維增強熱塑性材料的制備方法，但所得到的零部件不能作為汽車結(jié)構(gòu)件使用，難以達(dá)到汽車零部件輕量化的效果。CN201210574838號中國專利則主要涉及包含纖維增強尼龍和聚丙烯材料混合合金材料的制備方法，尼龍和聚丙烯材料加工溫度窗口難以協(xié)調(diào)，后續(xù)加工過程中，溫度太低尼龍容易塑化不良，溫度太高會導(dǎo)致聚丙烯材料降解的情形發(fā)生。
由上可見，復(fù)合材料領(lǐng)域多數(shù)技術(shù)集中在復(fù)合材料的制備工藝和設(shè)備領(lǐng)域，對于怎樣將復(fù)合材料通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用到汽車零部件上卻很少有相關(guān)報道，即材料的制備與材料應(yīng)用聯(lián)系不密切，本發(fā)明將復(fù)合材料的制備、成型與在汽車零部件領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行結(jié)合，重點解決長纖維/連續(xù)纖維復(fù)合材料成型和在汽車輕量化中的應(yīng)用中的相關(guān)問題。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服以上背景技術(shù)中提到的不足和缺陷，提供一種對材料結(jié)構(gòu)設(shè)計性強、工藝高效簡便、產(chǎn)品性能優(yōu)異且易于產(chǎn)業(yè)化實施的纖維增強熱塑性復(fù)合材料在成型制備汽車零部件中的應(yīng)用。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種纖維增強熱塑性復(fù)合材料在成型制備汽車零部件中的應(yīng)用，其特征在于，所述纖維增強熱塑性復(fù)合材料包括長纖維增強熱塑性復(fù)合材料和連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料。
上述的應(yīng)用中，優(yōu)選的，所述汽車零部件為汽車擋泥板總成，所述汽車擋泥板總成包括擋泥板支撐桿、支撐桿底座和擋泥板懸掛支架及尾燈支架；所述連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料的增強體為三維織物結(jié)構(gòu)和/或單向帶結(jié)構(gòu)。
更優(yōu)選的，所述應(yīng)用具體包括擋泥板支撐桿的制備、支撐桿底座的制備和擋泥板懸掛支架及尾燈支架的制備。
所述擋泥板支撐桿的制備主要采用連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料。更優(yōu)選的，所述擋泥板支撐桿的制備包括以下步驟：將熱塑性樹脂充分浸漬連續(xù)纖維增強體進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度優(yōu)選為180℃-245℃；將浸漬后的連續(xù)纖維增強體纏繞在相應(yīng)的芯模上，纏繞在芯模上的纏繞速度優(yōu)選為10～500 r/s，再通過固化成型得到支撐桿預(yù)結(jié)構(gòu)；再將所得的支撐桿預(yù)結(jié)構(gòu)冷卻定型得到擋泥板支撐桿（冷卻定型溫度優(yōu)選為20℃-60℃）；所述熱塑性樹脂為聚丙烯樹脂，所述連續(xù)纖維增強體為單向帶結(jié)構(gòu)。
所述支撐桿底座的制備同時采用長纖維增強熱塑性復(fù)合材料和連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料。更優(yōu)選的，所述支撐桿底座的制備包括以下步驟：先加熱連續(xù)纖維增強體，所述連續(xù)纖維增強體為三維織物結(jié)構(gòu)；再通過熱壓預(yù)成型支撐桿底座增強骨架結(jié)構(gòu)；將預(yù)成型得到的支撐桿底座增強骨架結(jié)構(gòu)再進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為180℃-240℃，并放置于模具中；再將預(yù)先備好的長纖維增強熱塑性復(fù)合材料加熱塑化，通過注塑的方式與前述放置好的支撐桿底座增強骨架結(jié)構(gòu)復(fù)合，注塑溫度為230℃-260℃（優(yōu)選溫度機制為230℃、240℃、250℃、250℃、260℃），注塑壓力為40～90 bar，注塑速度為20%～150%，背壓為2～5 Mpa，得到支撐桿底座；所述支撐桿底座用到的樹脂基體材料為尼龍樹脂。
所述擋泥板懸掛支架及尾燈支架的制備主要采用長纖維增強熱塑性復(fù)合材料。更優(yōu)選的，所述擋泥板懸掛支架及尾燈支架的制備均是通過長纖維增強熱塑性復(fù)合材料注塑成型得到，注塑溫度為200℃-230℃（優(yōu)選溫度機制為200℃、210℃、220℃、220℃、230℃），注塑壓力為20～80 bar，注塑速度為20%～100%，背壓為1.5～3 Mpa，所述長纖維增強熱塑性復(fù)合材料為長玻纖增強尼龍材料或長玻纖增強聚丙烯復(fù)合材料。
作為一個總的技術(shù)構(gòu)思，上述本發(fā)明的應(yīng)用中，所述汽車零部件還可以為油門踏板、剎車踏板、車橋緩沖軟墊支架及其附屬部件、座椅骨架、儀表臺骨架、后視鏡支架、發(fā)動機油管護(hù)板、車輪輪轂罩中的至少一種。所述油門踏板、剎車踏板、車橋緩沖軟墊支架及其附屬部件、座椅骨架、儀表臺骨架、后視鏡支架、發(fā)動機油管護(hù)板、車輪輪轂罩的制備均優(yōu)選同時采用長纖維增強熱塑性復(fù)合材料和連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料。更優(yōu)選的，所述油門踏板、剎車踏板的制備具體包括以下步驟：先采用連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料通過加熱模壓的方式成型踏板骨架結(jié)構(gòu)，再將踏板骨架結(jié)構(gòu)預(yù)先置于模具中，將備好的長纖維增強熱塑性復(fù)合材料加熱塑化，通過向模具注塑的方式成型得到油門踏板、剎車踏板；所述車橋緩沖軟墊支架及其附屬部件、座椅骨架、儀表臺骨架、后視鏡支架、發(fā)動機油管護(hù)板、車輪輪轂罩的制備具體包括以下步驟：先采用連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料通過加熱模壓或纏繞的方式成型骨架結(jié)構(gòu)，再通過向模具注塑的方式成型得到相應(yīng)產(chǎn)品。
上述本發(fā)明的應(yīng)用中，優(yōu)選的，所述纖維增強熱塑性復(fù)合材料的主要原料質(zhì)量配比包括纖維增強材料 10%～70%（優(yōu)選玻璃纖維）和樹脂基體材料 30%～90%（優(yōu)選聚丙烯樹脂）。更優(yōu)選的，所述纖維增強熱塑性復(fù)合材料中還添加有主要原料質(zhì)量2%～10%的相容劑和主要原料質(zhì)量0.2%～5%的功能助劑。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：本發(fā)明提供了一類纖維增強熱塑性復(fù)合材料在汽車零部件制備領(lǐng)域中的應(yīng)用，并將其替代金屬推廣應(yīng)用到汽車零部件，所制備的汽車零部件產(chǎn)品輕量化效果顯著，可滿足汽車運行所需要的工況條件；更重要的是，本發(fā)明的應(yīng)用工藝對材料結(jié)構(gòu)設(shè)計性強，制備工藝高效，簡便，可以有效地避免因簡單替代金屬材料在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用上帶來的困局。利用該類復(fù)合材料成型汽車零部件可以克服和避免使用金屬材料帶來的的沖壓、焊接等工藝的繁瑣工藝，優(yōu)化工藝流程，滿足汽車零部件精益生產(chǎn)的技術(shù)要求。
采用上述本發(fā)明改進(jìn)后的工藝制得的汽車擋泥板總成，其安裝于車橋上后，與車橋沒有共振現(xiàn)象；以0.25Hz的頻率，周期性振動10000次，未見出現(xiàn)損壞失效。裝車通過3號路8000公里強化路試和10000公里全壽命路試。
應(yīng)用上述本發(fā)明改進(jìn)后的工藝制得的油門踏板、剎車踏板，在以200KN的力加載于踏板上，以0.25Hz的頻率連續(xù)踩踏10000次，踏板未出現(xiàn)損壞失效。
應(yīng)用上述本發(fā)明改進(jìn)后的工藝制得的車橋緩沖軟墊支架及其附屬部件，（1）在以150KN的力、加載速度1KN/s作用于軟墊支架上時，其最大Z向位移不超過5mm；（2）在以80KN的力加載于軟墊支架上，以0.25Hz的頻率循環(huán)10000次，軟墊支架未出現(xiàn)損壞失效。
應(yīng)用上述本發(fā)明改進(jìn)后的工藝制得的座椅骨架、儀表臺骨架、車輪輪轂罩等，在以0.25Hz的頻率周期性振動10000次，未出現(xiàn)損壞失效，裝車通過3號路8000公里強化路試和10000公里全壽命路試。
應(yīng)用上述本發(fā)明改進(jìn)后的工藝制得的發(fā)動機油管護(hù)板、后視鏡支架等產(chǎn)品，（1）產(chǎn)品在80℃條件下放置800h，表面未出現(xiàn)粉化、粘附、開裂、褪色等現(xiàn)象；（2）產(chǎn)品在氙燈輻照、雨水噴淋等外界條件下作用500h，表面未出現(xiàn)粉化、粘附、開裂、褪色等現(xiàn)象；
所述氙燈輻照要求：氙燈功率6KW，數(shù)量1個，溫度40℃～85℃，相對濕度70%～95%，氙燈中心到產(chǎn)品表面的距離為330～350 mm，試樣旋轉(zhuǎn)速度1～2 r/min；
所述雨水噴淋要求：水壓，0.078～0.12 MPa，水量2～2.2 L/min，每小時噴水量12min，水的pH值為6.0～8.0的去離子水。
具體實施方式
為了便于理解本發(fā)明，下文將結(jié)合較佳的實施例對本發(fā)明作更全面、細(xì)致地描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于以下具體的實施例。
需要特別說明的是，當(dāng)某一元件被描述為“固定于、固接于、連接于或連通于”另一元件上時，它可以是直接固定、固接、連接或連通在另一元件上，也可以是通過其他中間連接件間接固定、固接、連接或連通在另一元件上。
除非另有定義，下文中所使用的所有專業(yè)術(shù)語與本領(lǐng)域技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中所使用的專業(yè)術(shù)語只是為了描述具體實施例的目的，并不是旨在限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
除非另有特別說明，本發(fā)明中用到的各種原材料、試劑、儀器和設(shè)備等均可通過市場購買得到或者可通過現(xiàn)有方法制備得到。
實施例1：
一種本發(fā)明的纖維增強熱塑性復(fù)合材料在成型制備汽車擋泥板總成中的應(yīng)用，該汽車擋泥板總成包括擋泥板支撐桿、支撐桿底座和擋泥板懸掛支架及尾燈支架，纖維增強熱塑性復(fù)合材料包括長纖維增強熱塑性復(fù)合材料和連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料。
本實施例的應(yīng)用具體包括擋泥板支撐桿的制備、支撐桿底座的制備和擋泥板懸掛支架及尾燈支架的制備。
擋泥板支撐桿的制備主要采用連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料；其制備具體包括以下步驟：將熱塑性樹脂（本實施例選用聚丙烯樹脂）充分浸漬連續(xù)纖維增強體（連續(xù)纖維增強體為單向帶結(jié)構(gòu)）進(jìn)行預(yù)熱，將浸漬后的連續(xù)纖維增強體纏繞在相應(yīng)的芯模上，再通過固化成型得到支撐桿預(yù)結(jié)構(gòu)；再將所得的支撐桿預(yù)結(jié)構(gòu)冷卻定型得到擋泥板支撐桿；前述纖維增強體的預(yù)熱溫度為240℃-245℃，纏繞在芯模上的纏繞速度為200Rad/s，冷卻定型溫度為40℃。
支撐桿底座的制備同時采用長纖維增強熱塑性復(fù)合材料和連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料；支撐桿底座的制備具體包括以下步驟：先加熱連續(xù)纖維增強體，連續(xù)纖維增強體為三維織物結(jié)構(gòu)；再通過熱壓預(yù)成型支撐桿底座增強骨架結(jié)構(gòu)；將預(yù)成型得到的支撐桿底座增強骨架結(jié)構(gòu)再進(jìn)行預(yù)熱（預(yù)熱溫度為240℃），并放置于模具中；再將預(yù)先備好的長纖維增強熱塑性復(fù)合材料加熱塑化（注塑溫度可為230℃、240℃、250℃、250℃、260℃，注塑壓力為40/50/60/80 bar，注塑速度為20%/50%/50%/50%，背壓為3Mpa），通過注塑的方式與前述放置好的支撐桿底座增強骨架結(jié)構(gòu)復(fù)合，得到支撐桿底座；支撐桿底座用到的樹脂基體材料為尼龍樹脂。
擋泥板懸掛支架及尾燈支架的制備主要采用長纖維增強熱塑性復(fù)合材料。擋泥板懸掛支架及尾燈支架的制備均是通過長纖維增強熱塑性復(fù)合材料注塑成型得到（注塑溫度為200℃、210℃、220℃、220℃、230℃），注塑壓力為20/30/50/50 bar，注塑速度為20%/30%/40%/40%，背壓為1.8 Mpa），長纖維增強熱塑性復(fù)合材料為長玻纖增強聚丙烯復(fù)合材料。
本實施例用到的纖維增強熱塑性復(fù)合材料的主要原料質(zhì)量配比包括玻璃纖維（或長玻璃纖維）增強材料 30%和聚丙烯（或尼龍）樹脂基體材料 70%，還添加有主要原料質(zhì)量5%～8%的相容劑和主要原料質(zhì)量0.2%～0.5%的功能助劑；將這些原料按前述比例混合、熔融塑化即可，塑化溫度為200℃、210℃、220℃、220℃、230℃。
通過測試，本實施例制備的汽車擋泥板總成材料物理機械性能如下：拉伸強度大于100MPa，彎曲強度大于160MPa，彎曲模量大于7000MPa，簡支梁缺口沖擊強度大于25KJ/m2。本實施例的汽車擋泥板總成滿足如下特征：安裝于車橋，與車橋沒有共振現(xiàn)象，以以0.25Hz的頻率，周期性振動10000次，不出現(xiàn)損壞失效。
實施例2：
一種本發(fā)明的纖維增強熱塑性復(fù)合材料在成型制備汽車踏板（包括油門踏板或剎車踏板）中的應(yīng)用，該纖維增強熱塑性復(fù)合材料包括長纖維增強熱塑性復(fù)合材料和連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料。
本實施例中汽車踏板的制備具體包括以下步驟：先采用連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料通過加熱模壓的方式成型踏板骨架結(jié)構(gòu)，再將踏板骨架結(jié)構(gòu)預(yù)先置于模具中，將備好的長纖維增強熱塑性復(fù)合材料加熱塑化，通過向模具注塑的方式成型得到汽車踏板。前述制備過程中，加熱模壓時的預(yù)熱溫度為240℃-245℃，熱料冷壓，壓機上模板下行速度800mm/min；汽車踏板增強骨架的預(yù)熱溫度為240℃；長纖維增強尼龍復(fù)合材料注塑溫度為230℃、240℃、250℃、250℃、260℃，注塑壓力為40/50/60/80 bar，注塑速度為20%/50%/50%/50%，背壓為2Mpa。
本實施例用到的纖維增強熱塑性復(fù)合材料的主要原料質(zhì)量配比包括連續(xù)玻璃纖維（或長玻璃纖維）增強材料 30%和聚丙烯樹脂基體材料60%，還添加有主要原料質(zhì)量5%～8%的相容劑和主要原料質(zhì)量0.2%～0.5%的功能助劑；將這些原料按前述比例混合、熔融塑化即可。
應(yīng)用上述本實施例改進(jìn)后的工藝制得的油門踏板、剎車踏板，以200KN的力加載于踏板上，以0.25Hz的頻率連續(xù)踩踏10000次，踏板不出現(xiàn)損壞失效。
實施例3：
一種本發(fā)明的纖維增強熱塑性復(fù)合材料在成型制備乘用車后視鏡支架中的應(yīng)用，該纖維增強熱塑性復(fù)合材料包括長纖維增強熱塑性復(fù)合材料和連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料。
本實施例中后視鏡支架的制備具體包括以下步驟：先采用連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料通過加熱模壓或纏繞的方式成型骨架結(jié)構(gòu)，再通過向模具注塑的方式成型得到相應(yīng)產(chǎn)品。前述的制備過程中，注塑溫度為195℃、200℃、200℃、210℃、220℃，注塑壓力為25/40/60/60 bar，注塑速度為30%/40%/45%/45%，背壓1.5Mpa。
本實施例用到的纖維增強熱塑性復(fù)合材料的主要原料質(zhì)量配比包括連續(xù)玻璃纖維（或長玻璃纖維）增強材料 40%和聚丙烯樹脂基體材料50%，還添加有主要原料質(zhì)量5%～8%的相容劑和主要原料質(zhì)量0.2%～0.5%的功能助劑；將這些原料按前述比例混合、熔融塑化即可。
經(jīng)測試，上述后視鏡支架材料物理機械性能如下：拉伸強度大于110MPa，彎曲強度大于190MPa，彎曲模量大于8000MPa，簡支梁缺口沖擊強度大于25KJ/m2。
應(yīng)用上述本實施例改進(jìn)后的工藝制得的后視鏡支架等產(chǎn)品，（1）產(chǎn)品在80℃條件下放置800h，表面未出現(xiàn)粉化、粘附、開裂、褪色等現(xiàn)象；（2）產(chǎn)品在氙燈輻照、雨水噴淋等外界條件下作用500h，表面未出現(xiàn)粉化、粘附、開裂、褪色等現(xiàn)象。氙燈輻照要求：氙燈功率6KW，數(shù)量1個，溫度40℃～85℃，相對濕度70%～95%，氙燈中心到產(chǎn)品表面的距離為330～350 mm，試樣旋轉(zhuǎn)速度1～2 r/min；雨水噴淋要求：水壓，0.078～0.12 MPa，水量2～2.2 L/min，每小時噴水量12min，水的pH值為6.0～8.0的去離子水。