本公開涉及汽車領域，具體地，涉及一種碳纖維-片狀模塑料預壓片材的制備方法、預壓片材、車頂蓋的成型方法和車頂蓋。

背景技術：

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，乘用車油耗限值強制法規(guī)越來越嚴，第三階段油耗限值標準將目標定于2015年實現(xiàn)6.9升/100公里，第四階段油耗限值標準將于2020年實現(xiàn)5.0升/100公里，油耗的降低與汽車的重量密切相關。

常見的鋼質車頂蓋是車身部件中重量較大的部件，普通A級車(不帶天窗)的重量一般在10千克左右，較重的重量也為其制造、裝配帶來諸多不便。此外，采用手糊工藝制備玻璃鋼車頂蓋，其重量與鋼質車頂蓋相當，一般亦在10千克左右，無法起到輕量化減重效果，而且手糊工藝的生產(chǎn)環(huán)境惡劣，生產(chǎn)效率低，不適合大批量生產(chǎn)。

技術實現(xiàn)要素：

本公開的目的是提供一種碳纖維-片狀模塑料預壓片材的制備方法、預壓片材、車頂蓋的成型方法和車頂蓋。

為了實現(xiàn)上述目的，本公開提供一種碳纖維-片狀模塑料預壓片材的制備方法，所述制備方法包括：將纖維材料分散于位于承載膜上的樹脂糊中，然后用涂覆有樹脂糊的薄膜覆蓋，得到樹脂糊-纖維材料-樹脂糊層；其中，所述纖維材料包括碳纖維，且包括或不包括玻璃纖維；所述碳纖維的長度為12-50毫米，所述玻璃纖維的長度為12-50毫米，所述纖維材料與所述樹脂糊的重量比為1：(1-2)；將所述樹脂糊-纖維材料-樹脂糊層依次進行碾壓排空氣處理和靜置處理，使樹脂糊稠化到可成型的粘度，得到碳纖維-片狀模塑料預壓片材。

本公開還提供一種碳纖維-片狀模塑料預壓片材，所述碳纖維-片狀模塑料預壓片材包括薄膜、承載膜、以及位于所述薄膜覆蓋和承載膜之間的樹脂糊和纖維材料；其中，所述纖維材料包括碳纖維，包括或不包括玻璃纖維；所述碳纖維的長度為12-50毫米，所述玻璃纖維的長度為12-50毫米，所述碳纖維與所述樹脂糊層的重量比為1：(1-2)。

本公開還提供一種車頂蓋的成型方法，所述車頂蓋包括車頂蓋本體以及與所述車頂蓋本體固定連接的加強件，所述車頂蓋本體包括多層疊加鋪設模壓成型的第一結構碳纖維-片狀模塑料成型片材，所述加強件包括一層或多層疊加鋪設模壓成型的第二結構碳纖維-片狀模塑料成型片材；所述成型方法包括：將本公開所提供的碳纖維-片狀模塑料預壓片材裁剪為第一結構碳纖維-片狀模塑料成型片材的形狀和第二結構碳纖維-片狀模塑料成型片材的形狀，得到第一結構碳纖維-片狀模塑料預壓片材和第二結構碳纖維-片狀模塑料預壓片材；將所述第一結構碳纖維-片狀模塑料預壓片材和第二結構碳纖維-片狀模塑料預壓片材上的薄膜和承載膜去除后疊加鋪設為所述車頂蓋的形狀，得到未模壓車頂蓋；將所述未模壓車頂蓋進行模壓成型和脫模。

本公開還提供一種車頂蓋，包括車頂蓋本體以及與所述車頂蓋本體固定連接的加強件，所述車頂蓋本體包括多層疊加鋪設模壓成型的第一結構碳纖維-片狀模塑料成型片材，所述加強件包括一層或多層疊加鋪設模壓成型的第二結構碳纖維-片狀模塑料成型片材。

本公開提供的碳纖維-片狀模塑料預壓片材應用于車頂蓋的成型中，所制備的車頂蓋重量輕，強度好。

本公開的其他特征和優(yōu)點將在隨后的具體實施方式部分予以詳細說明。

附圖說明

附圖是用來提供對本公開的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用于解釋本公開，但并不構成對本公開的限制。在附圖中：

圖1為本公開所提供的車頂蓋的一種具體實施方式的結構示意圖。

圖2為本公開提供的碳纖維-片狀模塑料預壓片材的制備流程示意圖。

附圖標記說明

1車頂蓋 2加強件 3安裝孔

具體實施方式

以下結合附圖對本公開的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用于說明和解釋本公開，并不用于限制本公開。

現(xiàn)有技術的車頂蓋一般采用連續(xù)碳纖維復合材料編織布制備，在前風擋區(qū)域及側邊梁區(qū)域，由于曲面幾何尺寸限制，裁切時會產(chǎn)生很多邊角料，從而造成原材料的浪費，實際材料利用率偏低，導致綜合成本偏高；傳統(tǒng)的連續(xù)碳纖維復合材料編織布為預浸料模壓工藝，或熱壓罐工藝，部件制造周期偏長，無法滿足汽車工藝大規(guī)模生產(chǎn)要求。

常見的連續(xù)碳纖維布部件制造的預浸料熱壓罐工藝，預浸布鋪層費時，熱壓罐成型設備昂貴且成型周期長，適合宇航等小規(guī)模產(chǎn)品生產(chǎn)，很難滿足汽車工業(yè)大批量生產(chǎn)要求等。

本公開提供一種碳纖維-片狀模塑料預壓片材的制備方法，所述制備方法包括：將纖維材料分散于位于承載膜上的樹脂糊中，然后用涂覆有樹脂糊的薄膜覆蓋，得到樹脂糊-纖維材料-樹脂糊層；其中，所述纖維材料包括碳纖維，且包括或不包括玻璃纖維；所述碳纖維的長度為12-50毫米，所述玻璃纖維的長度為12-50毫米，所述纖維材料與所述樹脂糊的重量比為1：(1-2)；將所述樹脂糊-纖維材料-樹脂糊層依次進行碾壓排空氣處理和靜置處理，使樹脂糊稠化到可成型的粘度，得到碳纖維-片狀模塑料預壓片材。

本公開的制備方法所使用的模壓成型工藝設備要求低且價格低廉，單件制造周期可控制在5-10分鐘內，具備向汽車大規(guī)模量產(chǎn)的技術條件。另外，本公開可以將后續(xù)生產(chǎn)所產(chǎn)生的小尺寸邊角料回用到碳纖維-片狀模塑料預壓片材制備過程中，極大提高了碳纖維材料的綜合利用率，使碳纖維原材料利用率從80-90％提高到98％以上。

片狀模塑料(Sheet Molding Compounds，簡稱為SMC)是一種干法制造玻璃鋼產(chǎn)品的模壓中間材料，由不飽和聚酯樹脂、低收縮添加劑、引發(fā)劑、內脫模劑、礦物填料等預先混合成糊狀的樹脂糊，再加入增稠劑等混合均勻后，對短切玻璃纖維(Glass Fiber，簡稱玻璃纖維)進行充分浸漬，形成片狀的“夾芯”結構。片狀模塑料預壓片材的幅寬一般為0.4-2米，厚度一般為1.3-6.4毫米。片狀模塑料預壓片材可在壓機中進行模壓成型為片狀膜塑料成型片材，一般大型部件的成型周期為3-5分鐘，模壓工藝可滿足部件大生產(chǎn)節(jié)拍要求。單條片狀模塑料成型片材的模壓生產(chǎn)線可滿足年產(chǎn)20萬套以上部件生產(chǎn)的節(jié)拍要求。而手糊玻璃鋼部件成型周期為4小時，單條生產(chǎn)線僅能滿足年產(chǎn)上千套樣件規(guī)模；而一般鋼質部件沖壓成型周期僅為10-20秒，單條生產(chǎn)線可滿足年產(chǎn)30-60萬套部件規(guī)模?？傮w而言，片狀模塑料成型片材產(chǎn)品具有成本低，可一次成型，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品尺寸精度高，產(chǎn)品表面可達A級等優(yōu)點。

碳纖維復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，簡稱CFRP)具有低密度、高強度、高模量、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)勢，目前已廣泛應用在航空航天、體育休閑用品、工業(yè)領域及交通領域等。在汽車領域，賽車及高端汽車制品，如單體乘員艙、發(fā)動機引擎蓋、傳動軸等采用越來越多碳纖維材料。碳纖維與片狀模塑料片材中的玻璃纖維相比，拉伸強度及楊氏模量均為玻璃纖維的3倍以上，但密度約為其60％。因此，在同等力學性能要求下，較少份數(shù)的碳纖維即可達到玻璃纖維相同的力學性能要求，起到輕量化減重效果。碳纖維與玻璃纖維物理屬性相似，在與樹脂基材等基礎材料配方中兩者可按比例替代，碳纖維復合材料也可采用玻璃纖維復合材料的成型工藝，采用快速SMC模壓成型工藝，為后續(xù)碳纖維復合材料汽車零部件大規(guī)模制造提供了便利。

下面結合附圖提供一種碳纖維-片狀模塑料預壓片材制備方法的具體實施方式。如圖2所示，將連續(xù)碳纖維短切成12-50mm長的短切碳纖維，沉降于承載膜上0.05mm厚的樹脂糊內，用涂敷有樹脂糊的薄膜覆蓋，形成樹脂糊-短切碳纖維-樹脂糊層；然后通過各類壓輥的揉捏作用，去除樹脂糊-短切碳纖維-樹脂糊層內的空氣，并實現(xiàn)短切碳纖維在樹脂糊內的浸漬；接著靜置碳纖維-片狀模塑料預壓片材，待樹脂糊稠化到可成型粘度，然后將所得碳纖維-片狀模塑料預壓片材收卷和貯存。本公開使樹脂稠化到可成型的粘度所述的可成型的粘度是本領域技術人員所熟知的，例如可以為1×10⁷-1.5×10⁷帕·秒。

碳纖維與玻璃纖維共同使用可降低碳纖維的使用量，從而降低成本，同時能夠保采用證碳纖維-片狀模塑料預壓片材所制備的車頂蓋的力學性能，例如，所述碳纖維與所述玻璃纖維的重量比為(10-90)：(90-10)。

本公開中承載膜和薄膜是本領域技術人員所熟知的，承載膜廣泛用于片狀模塑料成型過程，主要起到對生產(chǎn)線樹脂糊的隔離保護作用，薄膜是一種薄而軟的透明薄片，用塑料、膠粘劑、橡膠或其他材料制成，例如聚乙烯薄膜，薄膜和承載膜一起用于定型碳纖維-片狀模塑料預壓片材。

本公開還提供一種碳纖維-片狀模塑料預壓片材，所述碳纖維-片狀模塑料預壓片材包括薄膜、承載膜、以及位于所述薄膜和承載膜之間的樹脂糊和纖維材料；其中，所述纖維材料包括碳纖維，包括或不包括玻璃纖維；所述碳纖維的長度為12-50毫米，所述玻璃纖維的長度為12-50毫米，所述碳纖維與所述樹脂糊層的重量比為1：(1-2)。優(yōu)選地，所述碳纖維與所述玻璃纖維的重量比為(10-90)：(90-10)。

本公開還提供一種車頂蓋的成型方法，如圖1所示，所述車頂蓋包括車頂蓋本體1以及與所述車頂蓋本體1固定連接的加強件2，所述車頂蓋本體1包括多層疊加鋪設模壓成型的第一結構碳纖維-片狀模塑料成型片材，所述加強件2包括一層或多層疊加鋪設模壓成型的第二結構碳纖維-片狀模塑料成型片材；所述成型方法包括：將本公開所提供的碳纖維-片狀模塑料預壓片材裁剪為第一結構碳纖維-片狀模塑料成型片材的形狀和第二結構碳纖維-片狀模塑料成型片材的形狀，得到第一結構碳纖維-片狀模塑料預壓片材和第二結構碳纖維-片狀模塑料預壓片材；將所述第一結構碳纖維-片狀模塑料預壓片材和第二結構碳纖維-片狀模塑料預壓片材上的薄膜和承載膜去除后疊加鋪設為所述車頂蓋的形狀，得到未模壓車頂蓋；將所述未模壓車頂蓋進行模壓成型和脫模。

前已述及，可以講后續(xù)生產(chǎn)所產(chǎn)生的小尺寸邊角料回用到碳纖維-片狀模塑料預壓片材制備過程中，從而提升碳纖維材料利用率；具體回用方法可以包括：對第一結構碳纖維-片狀模塑料預壓片材和第二結構碳纖維-片狀模塑料預壓片材進行裁剪以產(chǎn)生邊角料，并對邊角料中碳纖維和樹脂進行分離；然后將分離后的碳纖維/玻璃纖維原材料，按一定比例添加到第二結構的碳纖維-片狀模塑料預壓片材制造工序中，并得到滿足技術要求的第二結構的碳纖維-片狀模塑料預壓片材。

車頂蓋是車廂頂部的蓋板，為了使車頂蓋具有良好的力學性能，還設置有加強件，加強件可以在車頂蓋橫梁的位置，加強件的力學性能優(yōu)于所述車頂蓋本體的強度，因此，所述第二結構碳纖維-片狀模塑料預壓片材的碳纖維含量優(yōu)選高于所述第一結構碳纖維-片狀模塑料預壓片材的碳纖維含量。

模壓成型和脫模是本領域技術人員所熟知的，本公開不再贅述，模壓成型的溫度和壓力本領域技術人員可以自行設置，例如，所述模壓成型的條件可以為：溫度為70-90℃，壓力為30-50MPa，保壓時間為1-4分鐘。

如圖1所示，本公開還提供一種車頂蓋，包括車頂蓋本體1以及與所述車頂蓋本體1固定連接的加強件2，所述車頂蓋本體1包括多層疊加鋪設模壓成型的第一結構碳纖維-片狀模塑料成型片材，所述加強件2包括一層或多層疊加鋪設模壓成型的第二結構碳纖維-片狀模塑料成型片材。

車頂蓋是車廂頂部的蓋板，為了使車頂蓋具有良好的力學性能，還設置有加強件，加強件在車頂蓋橫梁的位置，例如，加強件2可以包括平行設置的兩條，分別位于車頂蓋前后兩端。

如圖1所示，為了便于車頂蓋的安裝，所述頂蓋本體1的相對兩端可以設置有多個安裝孔3，所述安裝孔3內可以預埋有金屬螺母，可以通過安裝孔進行尺寸公差的控制。

車頂蓋本體1及加強件的形狀是本領域技術人員所熟知的，其連接關系前已述及，一種具體實施方式，如圖1所示，所述第二結構碳纖維-片狀模塑料成型片材的形狀為多邊形平面狀，所述第一結構碳纖維-片狀模塑料成型片材的形狀為長方形平面狀。

本公開發(fā)明人通過對不同的厚度碳纖維-片狀模塑料成型片材和不同層數(shù)的碳纖維-片狀模塑料成型片材疊加后進行測試，獲得分別符合車頂蓋本體1和加強件2的碳纖維-片狀模塑料成型片材的層數(shù)和厚度，例如，所述車頂蓋本體1包括2-8層所述第一結構碳纖維-片狀模塑料成型片材，所述加強件2包括1-5層所述第二結構碳纖維-片狀模塑料成型片材，所述第一結構碳纖維-片狀模塑料成型片材的厚度為0.8-2毫米，所述第二結構碳纖維-片狀模塑料成型片材的厚度為0.8-2毫米。

本公開提供的車頂蓋，滿足了車頂蓋X向、Y向、Z向強度和剛度要求，并相比鋼質車頂蓋與手糊玻璃鋼車頂蓋，能夠減重40％以上，實現(xiàn)了40％的輕量化減重目標，滿足汽車輕量化要求，實現(xiàn)單件重量降低、原材料成本降低并可降低整車油耗。本公開的車頂蓋材質為碳纖維-片狀模塑料成型片材，在SMC車頂蓋結構基礎上，結合CAE強度剛度分析，車頂蓋前后在X向可以各增加一條200mm的加強層，加強層可以與車頂蓋橫梁位置相匹配，車頂蓋與車頂蓋橫梁、白車身可以通過膠粘方式連接，其余部位僅通過碳纖維-片狀模塑料成型片材進行整體結構適度減薄、局部進行結構變更與加強，可在充分體現(xiàn)碳纖維高強度高剛性的同時，滿足車頂蓋性能要求。

下面將通過實施例來進一步說明本公開，但是本公開并不因此而受到任何限制。

本公開實施例和對比例所采用的樹脂糊的組成(以纖維材料和樹脂糊的總重量為基準)如下所示：

30％的不飽和聚酯樹脂(牌號為191)、3％的增稠劑(Mg(OH)₂)、0.5％的引發(fā)劑(過氧二異丙苯)、0.5％的交聯(lián)劑(甲基丙烯酸甲酯)、5％的低收縮添加劑(PE類低收縮添加劑)、24％的填料(空心玻璃微珠類填料，3M公司的iM30K)、1％的內脫模劑(硬脂酸鋅類)和1％的著色劑(無機顏料)。

實施例1-3用于制備碳纖維-片狀模塑料預壓片材。

實施例1

將連續(xù)碳纖維經(jīng)過切割器短切成12-50毫米長度的短纖維，沉降于0.05毫米厚的承載膜上的樹脂糊內，樹脂糊粘度為10-50帕·秒，然后用涂敷有樹脂糊的薄膜覆蓋，形成樹脂糊-纖維材料-樹脂糊層，樹脂糊-纖維材料-樹脂糊層中碳纖維的含量為35重量％，然后通過壓輥的揉捏作用，去除樹脂糊-纖維材料-樹脂糊層之內的空氣，并實現(xiàn)碳纖維的充分浸漬。然后，通過工藝控制(一般車間及加工溫度可控制在20-25℃間，空氣濕度70-80％，時間為10分鐘)，使樹脂糊-纖維材料-樹脂糊層內樹脂糊在室溫下稠化到可成型粘度(1.5×10⁷帕·秒)，得到的碳纖維-片狀模塑料預壓片材進行收卷，20℃以下進行貯存，制得35重量％碳纖維含量的碳纖維-片狀模塑料預壓片材1，單層碳纖維-片狀模塑料預壓片材1的厚度為2毫米，幅寬為1.5米。

實施例2

實施例2與實施例1的區(qū)別在于，將部分碳纖維替換為玻璃纖維，玻璃纖維與碳纖維的重量比為30：70，得到10.5重量％玻璃纖維和24.5重量％的碳纖維含量的碳纖維-片狀模塑料預壓片材卷材2。

實施例3

實施例3與實施例1的區(qū)別在于，將大部分碳纖維替換為玻璃纖維，玻璃纖維與碳纖維的重量比為70：30，得到24.5重量％玻璃纖維和10.5重量％的碳纖維含量的碳纖維-片狀模塑料預壓片材卷材3。

實施例4-6用于制備車頂蓋。

實施例4

按照圖1的形狀，將碳纖維-片狀模塑料預壓片材1和碳纖維-片狀模塑料預壓片材3分別剪裁成第一結構碳纖維-片狀模塑料預壓片材(X*Y方向為1650*1150)和第二結構碳纖維-片狀模塑料預壓片材(X*Y方向為300*1150)，揭去預壓片材的承載膜和薄膜，按照Abaqus軟件強度剛度分析的結果，將兩片一層第二結構碳纖維-片狀模塑料預壓片材分別鋪設在三層重疊鋪設的第二結構碳纖維-片狀模塑料預壓片材的兩端，得到未模壓車頂蓋。

將未模壓車頂蓋放置在模壓模具的設計位置上，按工藝參數(shù)要求，升溫至78-82℃、加壓至40MPa、保壓2min進行模壓成型，然后進行脫模，得到車頂蓋，其中，車頂蓋本體的的厚度為3mm，加強件所在區(qū)域(加強區(qū)域)的厚度為4mm。

接著對車頂蓋進行裁剪，再進行打磨、噴漆等后處理，最終制得合格產(chǎn)品，合格產(chǎn)品的尺寸為X向1600mm，Y向1100mm，車頂蓋本體的厚度為3mm，加強件所在區(qū)域的厚度為4mm，最終制成的合格產(chǎn)品，經(jīng)測試后的強度剛度達到鋼質車頂蓋性能要求，且單件重量僅5.5kg，減重45％，達到輕量化減重40％的目標要求。

實施例5

實施例5與實施例4的區(qū)別在于第二結構碳纖維-片狀模塑料預壓片材的材料為碳纖維-片狀模塑料預壓片材1，第一結構碳纖維-片狀模塑料預壓片材的材料為碳纖維-片狀模塑料預壓片材2，最終制成的合格產(chǎn)品，經(jīng)測試后的強度剛度達到鋼質車頂蓋性能要求，且單件重量僅5.7kg，減重43％，達到輕量化減重40％的目標要求。

實施例6

實施例6與實施例4的區(qū)別在于第二結構碳纖維-片狀模塑料預壓片材的材料為碳纖維-片狀模塑料預壓片材3，第一結構碳纖維-片狀模塑料預壓片材的材料為碳纖維-片狀模塑料預壓片材2，最終制成的合格產(chǎn)品，經(jīng)測試后的強度剛度達到鋼質車頂蓋性能要求，且單件重量僅5.8kg，減重42％，達到輕量化減重40％的目標要求。

從前面實施例數(shù)據(jù)可以看出，本公開進行了以下幾點改進：1、采用本公開的碳纖維-片狀模塑料預壓片材制備方法，使用碳纖維部分或全部替代強度較低的玻璃纖維，制成碳纖維-片狀模塑料預壓片材；2、采用壁厚減薄等輕量化結構優(yōu)化的同時，實現(xiàn)車頂蓋功能要求；3、通過模壓成型工藝控制生產(chǎn)周期，實現(xiàn)了車頂蓋大批量制造。通過以上改進，本公開碳纖維-片狀模塑料成型片材的車頂蓋在滿足車頂蓋剛度和強度要求的情況下，可以實現(xiàn)比普通車頂蓋重量降低40％以上的輕量化目標。