碳纤维织物复合材料整车骨架及其制备方法

本发明涉及碳纤维织物复合材料应用技术领域，具体涉及一种碳纤维织物复合材 料整车骨架及其制备方法。

随着现代技术的迅猛发展，对材料提出了较高的要求，碳纤维具有高强度、耐高 温、耐腐蚀、耐疲劳、质量轻、能够承受很大拉力等显著高于钢、铝等的特性，属于典型的高 性能纤维，相对于传统的金属材料具有压倒性的优势。碳纤维除单独使用作为绝热保温材 料外，通常作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成碳纤维复合材料， 碳纤维复合材料在很多领域开始进行使用。

在全球节能减排的大环境下，汽车轻量化日渐成为趋势，塑料、复合材料等在汽车 上的应用越来越广泛，采用纤维复合材料替代现有的金属结构，是实现减少汽车尾气污染 并达到节能的有效途径。碳纤维是一种含碳量超过百分之九十的纤维状碳材料，具有很高 的强度和弹性模量，碳纤维复合材料可以通过基体、纤维的选择、碳纤维含量和分布的优化 设计，做成能够满足多种领域要求的各种高性能构件。

在传统汽车上，只有百分之一的汽油用于运送乘客，其余都用于汽车本身运动，用 纤维复合材料取代钢铁，能使汽车重量减轻一半以上，减重效果比金属材料请百分之五十， 比铝材轻百分之三十，此外，纤维复合材料作为汽车部件具有轻质高强、可设计性好、零部 件一体化、耐冲击性好、耐腐蚀性能好、易成型等优点。目前纤维复合材料在汽车刹车片、轮 毂等零部件上得到了实际应用，在汽车整体骨架上的应用还较少出现。

针对上述问题，本发明的目的是提供一种质轻高强的碳纤维织物复合材料整车骨 架及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

方案一：所述整车骨架，是由碳纤维织物复合材料蜂窝管和碳纤维复合材料接头插接 制备而成的立体框架制成。

所述纤维织物复合材料支撑的纤维编织物复合材料蜂窝管，指由缝合线缝合的叠 层纤维织物复合材料，以缝合线为支撑轴呈放射状支撑，形成星状支撑；或者所述纤维织物 复合材料支撑，指由缝合线缝合的叠层纤维织物复合材料，部分叠层纤维织物复合材料包 卷成包卷管，构成以缝合线为支撑轴呈放射状连接的包卷管支撑，另一部分由缝合线缝合 的叠层纤维织物复合材料，以缝合线为支撑轴呈放射状支撑，构成放射与包卷管复合支撑。

所述纤维织物复合材料支撑的纤维织物复合材料蜂窝管，指由缝合线缝合的叠层 纤维织物复合材料，分别包卷成包卷管，构成以缝合线为支撑轴呈放射状连接的包卷管支 撑。

所述纤维织物复合材料由支撑轴至管壁外，然后顺着管壁折弯，与管壁结合构成 管壁的一部分，使完整管壁与其内部的支撑材料通过顺着管壁折弯的纤维织物复合材料整 体连接。

所述碳纤维织物复合材料管壁内支撑轴的数量不小于2，支撑轴之间由碳纤维织 物复合材料连接支撑。

所述碳纤维复合材料接头上设有插接头，插接头通身设有碳纤维粘毛勾，碳纤维 粘毛勾向插接方向的反向倾斜。

所述碳纤维复合材料接头为“Y”字母分支状，“T”字母分支状或“十”字分支状，所 述管状结构件主管与分支管不但管壁连接，而且管内的支撑轴也连接。

包括以下步骤：1）绘制所需结构件的三维图；

2）根据三维图制作结构件芯模的模具图并制作结构件芯模，该芯模对应蜂窝孔设芯模 柱；

3）根据三维图制作结构件外模的模具图并制作结构件外模；

4）根据三维图结构件中每个用于支撑的纤维织物复合材料的空间形状，分别确定其平 面形状；

5）根据步骤4）的平面形状，裁剪纤维织物复合材料预浸料，同样，根据步骤4）和5）确定 并裁剪管壁预浸料；

6）根据三维图确定预浸料的缝合线；

7）将各个预浸料按照确定的缝合线的位置，将每个需要叠层的预浸料叠层；

8）将叠层的预浸料按照缝合线的位置缝合，可采用手工缝合或者缝纫机缝合；

9）将缝合的叠层预浸料片抖开，按照三维图使预浸料片形成的蜂窝孔对应芯模的芯模 柱，将芯模柱插入对应蜂窝孔中，外侧预浸料包覆在芯模柱外侧；

10）将管壁预浸料再将芯模包覆形成管壁；

11）将包覆管壁预浸料的芯模塞入外模；

12）将芯模加热、固化或者将外模加热、固化，或者同时将芯模和外模加热、固化，之后 取出芯模、外模，即得所需结构件。

13）将制得的碳纤维织物复合材料蜂窝管和碳纤维织物复合材料接头根据整车框 架结构插接，制得整车框架。

方案二：一种碳纤维织物复合材料整车骨架，其特征在于：所述整车骨架，是由碳 纤维织物复合材料支撑的碳纤维织物复合材料蜂窝管环接制备而成的立体框架制成，所述 蜂窝管的管内支撑为星状支撑，所述蜂窝管内的星状支撑的蜂窝孔内为空心条状体支撑， 所述空心条状体支撑由碳纤维织物复合材料制备而成。

纤维编织物复合材料蜂窝管的管内支撑，指由缝合线缝合的叠层碳纤维织物复合 材料，以缝合线为支撑轴呈放射状支撑，形成星状支撑。

所述碳纤维织物复合材料由支撑轴至蜂窝管管壁处，然后顺着管壁折弯，与管壁 结合构成管壁的一部分，使完整管壁与其内部的支撑材料通过顺着管壁折弯的碳纤维织物 复合材料整体连接。

所述碳纤维织物复合材料管壁内支撑轴的数量不小于2，支撑轴之间由碳纤维织 物复合材料连接支撑。

包括以下步骤：1）绘制所需结构件的三维图；

2）根据三维图绘制整车骨架的支撑结构，该支撑用于支撑纤维织物预浸料，该支撑为 经加热、固化后的空心条状体支撑；

3）根据三维图结构件中每个用于支撑的碳纤维织物复合材料的空间形状，分别确定其 平面形状；

4）根据步骤3）的平面形状，裁剪碳纤维织物复合材料预浸料；

5）根据三维图确定预浸料的缝合线；

6）将各个预浸料按照确定的缝合线的位置，将每个需要叠层的预浸料叠层；

7）将叠层的预浸料按照缝合线的位置缝合，可采用手工缝合或者缝纫机缝合；

8）将缝合的叠层预浸料片抖开，按照三维图在预浸料片形成的蜂窝孔对应条状体支 撑，将预浸料包覆在条状体支撑外侧；

9）将管壁预浸料再将骨架支撑包覆形成管壁；

10）将上述包覆有管壁的骨架支撑缝合在一起，制成整车骨架；

11）将上述整车骨架加热、固化

方案三：一种碳纤维织物复合材料整车骨架，其特征在于：所述整车骨架，是由碳纤维 织物复合材料支撑的碳纤维织物复合材料蜂窝管环接制备而成的立体框架制成，所述蜂窝 管的管内支撑为星状支撑，所述蜂窝管内的星状支撑的蜂窝孔内为环状支撑架，所述环状 支撑架由缠绕管或者编织管构成。

纤维编织物复合材料蜂窝管的管内支撑，指由缝合线缝合的叠层碳纤维织物复合 材料，以缝合线为支撑轴呈放射状支撑，形成星状支撑。

所述碳纤维织物复合材料由支撑轴至环状支撑架管壁外，然后顺着管壁折弯，与 管壁结合构成管壁的一部分，使完整管壁与其内部的支撑材料通过顺着管壁折弯的碳纤维 织物复合材料整体连接。

所述碳纤维织物复合材料管壁内支撑轴的数量不小于2，支撑轴之间由碳纤维织 物复合材料连接支撑。

包括以下步骤：1）绘制所需结构件的三维图；

2）根据三维图绘制整车骨架的支撑结构图并制作骨架支撑，该支撑用于支撑纤维织物 预浸料，该支撑为经加热、固化后的缠绕管或者编织管；

3）根据三维图结构件中每个用于支撑的碳纤维织物复合材料的空间形状，分别确定其 平面形状；

4）根据步骤3）的平面形状，裁剪碳纤维织物复合材料预浸料；

5）根据三维图确定预浸料的缝合线；

6）将各个预浸料按照确定的缝合线的位置，将每个需要叠层的预浸料叠层；

7）将叠层的预浸料按照缝合线的位置缝合，可采用手工缝合或者缝纫机缝合；

8）将缝合的叠层预浸料片抖开，按照三维图在预浸料片形成的蜂窝孔对应骨架支撑， 外侧预浸料包覆在骨架支撑外侧；

9）将管壁预浸料再将骨架支撑包覆形成管壁；

10）将上述包覆有管壁的骨架支撑缝合在一起，制成整车骨架；

11）将上述整车骨架加热、固化。

本发明将碳纤维织物复合材料制成的蜂窝状支撑的管状结构件和接头插接形成 整车骨架，可以使车骨架在受力时，将所承受的力分布于蜂窝状的各个支路，均匀分布于结 构件上，增强了结构件整体的受力程度，普通的碳纤维复合材料能够承受很强的压力，但是 承受压力的能力较差，将结构件的管内支撑采用蜂窝状的碳纤维织物复合材料支撑，可以 使结构件在一定程度上承受压力，增大了结构件的受力范围和受力方向。本发明将结构件 支撑蜂窝状，较实心结构件减少了材料和重量，节约了成本，同时相较于空心结构件具有更 强的受力能力。

同时，由本发明的碳纤维织物复合材料结构件制备而成的车骨架，与传统车或者 飞机相比，具有质量轻、受力强度大、耐高温、耐冲击性好等优点。

图1为放射状支撑的结构示意图1。

图2为放射状支撑的结构示意图2。

图3为放射状支撑的结构示意图3。

图4为放射状支撑的结构示意图4。

图5为放射与包卷管复合支撑的结构示意图1。

图6为放射与包卷管复合支撑的结构示意图2。

图7为包卷管状支撑的结构示意图。

图8为带模具的放射状支撑的结构示意图1。

图9为带模具的放射状支撑的结构示意图2。

图10为带模具的放射与包卷管复合支撑的结构示意图。

图11为带模具的包卷管状支撑的结构示意图。

图12为车身骨架的结构示意图1。

图13为车身骨架的结构示意图2。

图14为环状骨架支撑的结构示意图。

图15为图13中A部位的放大示意图。

图16为纤维复合材料接头结构示意图1。

图17为纤维复合材料接头结构示意图2。

图18为车身骨架的结构示意图3。

图19为空心条状体支撑块的结构示意图1。

图20为空心条状体支撑块的结构示意图2。

图21为多层蜂窝孔的蜂窝管的结构示意图。

为使本领域的技术人员对本发明更好地理解，下面结合具体实施方式对本发明做 进一步说明：

如图1至图7所示，一种碳纤维织物复合材料结构件，该结构件的外形成管状，所述管状 结构件为碳纤维织物复合材料支撑的碳纤维织物复合材料蜂窝管；其中的碳纤维织物复合 材料包括直纹编织和斜纹编织，所述碳纤维织物复合材料为碳纤维或者玻璃纤维。

如图1至图4所示，所述碳纤维织物复合材料支撑的纤维编织物复合材料蜂窝管， 指由缝合线缝合的叠层碳纤维织物复合材料，以缝合线为支撑轴呈放射状支撑，形成星状 支撑，然后再星状支撑外层包覆一层碳纤维织物复合材料作为管壁，构成蜂窝管；或者，如 图5和图6所示，所述碳纤维织物复合材料支撑，指由缝合线缝合的叠层碳纤维织物复合材 料，部分叠层碳纤维织物复合材料包卷成包卷管，构成以缝合线为支撑轴呈放射状连接的 包卷管支撑，另一部分由缝合线缝合的叠层碳纤维织物复合材料，以缝合线为支撑轴呈放 射状支撑，构成放射与包卷管复合支撑。放射状支撑或者放射与包卷管复合支撑可以使结 构件在受力时，将所受的力通过与管壁连接的放射状叠层支路传递至整个支撑上，可以使 受力在结构件上均匀分布，避免了结构件因受力不平衡导致变形或折断；将支撑制作成放 射状较空心管材具有更强的耐力强度，同时较实心管材节省材料，节约成本。

如图7所示，所述碳纤维织物复合材料支撑的碳纤维织物复合材料蜂窝管，指由缝 合线缝合的叠层碳纤维织物复合材料，分别包卷成包卷管，构成以缝合线为支撑轴呈放射 状连接的包卷管支撑107，然后在星状支撑外层包覆一层碳纤维织物复合材料作为管壁 207，构成蜂窝管；将包卷管支撑的管材用作为传动轴或者支撑柱，可以较大程度的增强传 动轴或者支撑柱的受力强度，使其不易弯曲变形或折断。

如图21所示，所述蜂窝管的截面以轴心为中心，，向外构成多层蜂窝孔16，最外层 为管壁15。包括多层蜂窝孔16的蜂窝管可以作为传动轴或者支撑柱应用，不仅具有质量轻 的优点，而且，在管壁15受力时，可以将所受力通过边缘的放射状支路传递，使受力均匀的 分布于整个支撑，这种蜂窝状的支撑可以相应的减少管壁受力，与传统结构的传动轴或者 支撑柱相比，在相同受力情况下，边缘为放射状的碳纤维织物复合材料蜂窝支撑的管壁不 易弯曲变形，延长了传动轴或者支撑柱的使用寿命。

如图1所示，所述碳纤维织物复合材料由支撑轴至管壁201，然后顺着管壁201折 弯，与管壁结合构成管壁的一部分，使完整管壁与其内部的支撑材料101通过顺着管壁折弯 的碳纤维织物复合材料整体连接。将碳纤维织物复合材料伸至管壁并顺着管壁折弯，可以 将管壁所受力传至管内的碳纤维织物复合材料支撑件上，从而增强管材的受力能力。

所述碳纤维织物复合材料由支撑轴至管壁处后，继续伸出管壁，作为结构件对外 连接的部件，使对外连接部件的受力能够传递至支撑材料，使支撑材料整体受力，提高了结 构件的机械强度。如图2所示，管内支撑轴102为放射状支撑，管内支撑轴102有两端伸出管 壁202，构成两个对外连接的部件302，图6中所示，管内支撑轴106为放射-包卷管复合状支 撑，管内支撑轴106有两端伸出管壁206，构成两个对外连接的部件306；如图3所示，管内支 撑轴103一端伸出管壁203，构成的结构件包含一个对外连接的部件303，图5中所示，管内支 撑轴105为放射-包卷管复合状支撑，管内支撑轴105一端伸出管壁205，构成一个对外连接 的部件305。

如图4所示，所述碳纤维织物复合材料由支撑轴104伸至管壁204，然后顺着管壁 204折弯，构成管壁的一部分，当折弯至伸出管壁的支撑材料后与该支撑材料共同再伸出管 壁，构成结构件对外连接的部件304，可使对外连接部件的受力能够传递至管壁和其内的支 撑材料，使整体受力均匀，从而增强管材的受力强度。

所述管壁内支撑轴的数量不小于2，支撑轴之间由碳纤维织物复合材料连接支撑， 多个支撑轴可以更好的保证受力的均匀性，提高结构件的受力强度。

根据需要，所述结构件可设计为沿管的轴线的不同部位的横截面的外轮廓形状不 同，或者外轮廓形状相同但大小不同。

如图15所示，所述碳纤维织物复合材料蜂窝管801的蜂窝孔内沿支撑轴方向分隔 在横截面设置支撑802，横截面上的支撑可以加强在轴向的受力强度，使结构件沿轴向不易 变形或折弯。

根据连接部件的需要，所述管状结构件可设计为分支状，分别为“Y”字母分支状， “T”字母分支状或“十”字分支状，所述管状结构件主管与分支管不但管壁连接，而且管内的 支撑轴也连接；所述管内支撑轴或者管壁的连接部位均为缝合连接。主管和分支管的管壁 和支撑轴都相互连接，可以保证内外受力的一致性，避免结构件内外受力不一致而错位进 而导致变形或损坏。

将所述结构件经过插接或者环接，可以构成整体立体框架结构，进而组装所需要 的整体骨架。如图12和图13所示，为碳纤维织物复合材料组装而成的整车骨架。图12为环接 制备所得的整车骨架7，环接过程中使用的环状支撑9如图14所示，所述环状支撑9为碳纤维 织物复合材料经加热、固化后制成的缠绕管或者编织管。图13为插接制备的整车骨架8，如 图15所示，整车骨架8上所使用的结构件801上沿轴向设有支撑部件802，图18为轴向未设有 支撑部件的插接而成的整车骨架，插接使用的接头为碳纤维织物复合材料接头。在结构件 上设置支撑可以进一步增强整车的机械强度。

一种由上述碳纤维织物复合材料结构件制备的越野车骨架。

一种由上述碳纤维织物复合材料结构件制备的轿车骨架。

一种由上述碳纤维织物复合材料结构件制备的客车骨架。

一种由上述碳纤维织物复合材料结构件制备的直升机骨架。

一种由上述碳纤维织物复合材料结构件制备的客机骨架。

一种由上述碳纤维织物复合材料结构件制备的传动轴或者支撑柱。

一种碳纤维织物复合材料结构件的制备方法，包括以下步骤：

1）绘制所需结构件的三维图；

2）根据三维图制作结构件芯模的模具图并制作结构件芯模，该芯模对应蜂窝孔设芯模 柱；

3）根据三维图制作结构件外模的模具图并制作结构件外模；

4）根据三维图结构件中每个用于支撑的碳纤维织物复合材料的空间形状，分别确定其 平面形状；

5）根据步骤4）的平面形状，裁剪碳纤维织物复合材料预浸料，同样，根据步骤4）和5）确 定并裁剪管壁预浸料；

6）根据三维图确定预浸料的缝合线；

7）将各个预浸料按照确定的缝合线的位置，将每个需要叠层的预浸料叠层；

8）将叠层的预浸料按照缝合线的位置缝合，可采用手工缝合或者缝纫机缝合；

9）将缝合的叠层预浸料片抖开，按照三维图使预浸料片形成的蜂窝孔对应芯模的芯模 柱，将芯模柱插入对应蜂窝孔中，外侧预浸料包覆在芯模柱外侧；

10）将管壁预浸料再将芯模包覆形成管壁；

11）将包覆管壁预浸料的芯模塞入外模；

12）将芯模加热、固化或者将外模加热、固化，或者同时将芯模和外模加热、固化。

所述步骤9）中外侧预浸料片中需要伸出管壁作为连接件，预浸料片保留不包覆芯 模柱外侧，其余包覆在芯模柱外侧。

所述需要作为连接件的管壁预浸料片与伸出管壁的支撑预浸料片叠合共同伸出 管壁。

将共同伸出管壁的叠合的预浸料片缝合在一起，塞入相互配合的外模中，继续其 它步骤。

如图8至图11所示，为本发明的管壁支撑结构件制备过程中，部分包含芯模和外模 的结构件的示意图。图8所示，将作为支撑的叠层预浸料片101插入芯模501，然后将伸出芯 模的叠层折弯，在外层包覆碳纤维织物复合材料作为管壁201，然后将包覆芯模的碳纤维织 物复合材料套入外模601，然后将其加热、固化；图9所示，将作为支撑的叠层预浸料片102插 入芯模502，然后将部分伸出芯模502的叠层折弯，部分伸出管壁202的叠层与管壁一起伸出 作为连接部件302，在外层包覆碳纤维织物复合材料作为管壁202，然后将包覆芯模的碳纤 维织物复合材料套入外模602，然后将其加热、固化；图10所示，将作为支撑的叠层预浸料片 105插入芯模505，然后将部分伸出芯模505的叠层包卷成包卷管，部分伸出管壁205的叠层 与管壁一起伸出作为连接部件305，在外层包覆碳纤维织物复合材料作为管壁205，然后将 包覆芯模的碳纤维织物复合材料套入外模605，然后将其加热、固化；图11所示，将作为支撑 的叠层预浸料片107插入芯模507，然后将伸出芯模507的叠层包卷成包卷管，在外层包覆碳 纤维织物复合材料作为管壁207，然后将包覆芯模507的碳纤维织物复合材料套入相对应结 构的外模607，然后将其加热、固化。

所述整车骨架由碳纤维织物复合材料结构件和碳纤维织物复合材料接头插接组 装而成；如图16和17所示，所述碳纤维复合材料接头10上设有插接头11，插接头11通身设有 碳纤维粘毛勾12，碳纤维粘毛勾12向插接方向的反向倾斜；图16中所示的插接头为多个外 径相同的圆管，图17中所示的插接头为内部设有多个放射状支撑板的蜂窝状管。插接头通 身设有碳纤维粘毛勾，碳纤维粘毛勾向插接方向的反向倾斜，插接头能够顺利插入内部设 有软纤维粘毛的插接管，当反方向拔出时，碳纤维粘毛勾能够勾住软纤维粘毛，从而防止插 接管从插接头里脱落，连接牢固，不会对插接头和插接管造成损害。

所述整车骨架由碳纤维织物复合材料制备的环状骨架支撑环接而成，所述环状骨 架支撑的结构件为管内支撑为星状支撑的碳纤维织物复合材料结构件。

环接制备而成的整车骨架的制备方法，包括以下步骤：

1）绘制所需结构件的三维图；

2）根据三维图绘制整车骨架的支撑结构图并制作骨架支撑，该支撑用于支撑纤维织物 预浸料，该支撑为缠绕管或者编织管；

3）根据三维图结构件中每个用于支撑的碳纤维织物复合材料的空间形状，分别确定其 平面形状；

4）根据步骤3）的平面形状，裁剪碳纤维织物复合材料预浸料；

5）根据三维图确定预浸料的缝合线；

6）将各个预浸料按照确定的缝合线的位置，将每个需要叠层的预浸料叠层；

7）将叠层的预浸料按照缝合线的位置缝合，可采用手工缝合或者缝纫机缝合；

8）将缝合的叠层预浸料片抖开，按照三维图在预浸料片形成的蜂窝孔对应骨架支撑， 将预浸料片包裹对应蜂窝孔中，外侧预浸料包覆在骨架支撑外侧；

9）将管壁预浸料再将骨架支撑包覆形成管壁；

10）将上述包覆有管壁的骨架支撑缝合在一起，制成整车骨架；

11）将上述整车骨架加热、固化。

所述骨架支撑为碳纤维织物复合材料制备的环状缠绕管或者环状编织管，或者为 碳纤维空心条状体支撑块。如图19和图20所示，图19的碳纤维空心条状体支撑块用于直线 部分的支撑，图20的碳纤维空心条状体支撑块用去弯曲部分的过渡支撑，碳纤维空心条状 体支撑块两端为封闭结构，中心为空心结构。

所述步骤8）中所述的将蜂窝孔对应骨架支撑，指将抖开的叠层预浸料片按照三维 图结构中的空腔位置放入骨架支撑，然后将包覆的叠层预浸料片在相交处缝合，将骨架支 撑包覆空腔内，起到支撑叠层预浸料的作用。

所述设有碳纤维粘毛勾的碳纤维复合材料接头的制备方法为：

（1）将有机纤维经过热氧稳定化处理变成耐焰纤维，使纤维在高温碳化下不熔不燃，继 续保持纤维状态，然后在惰性气氛中于高温下进行焙烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其 他非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维状物即碳纤维；

（2）取一个水溶性塑料管，在塑料管周身开设斜孔；

（3）通过植毛机将碳纤维植入到塑料管的斜孔内；

（4）在塑料管外套上外模；

（5）在外模和塑料管之间加入泡沫塑料模型；

（6）将水溶性塑料管加水溶解，再插入芯模；

（7）芯模与泡沫塑料模型之间形成圆柱空腔，向圆柱空腔内浇注轻质合金，在液体金属 的热作用下，泡沫塑料模型发生热解气化；

（8）液体金属冷却固化后，取出芯模，形成带有碳纤维粘毛勾的插接头。