汽車復合材料板彈簧單向層壓板的性能研究

樊凱，丁智平，張亞新，李再軻，呂文麗

（1．湖南工業大學機械工程學院，湖南 株洲 412007；2.湖南株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

汽車復合材料板彈簧單向層壓板的性能研究

樊凱1,2，丁智平1，張亞新2，李再軻2，呂文麗2

（1．湖南工業大學機械工程學院，湖南 株洲 412007；2.湖南株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

本文研究了復合材料板彈簧用層壓板的基本力學性能、耐高低溫性能和耐油性能。結果表明：復合材料層壓板的性能滿足板彈簧實際工況的要求。復合材料層壓板的拉伸強度和彎曲強度分別為1120MPa和1329MPa，復合材料層壓板的拉伸強度在-40℃環境下保留率為94.15%，70℃環境下保留率為98%。復合材料層壓板的彎曲強度在機油、93＃汽油和0＃柴油中浸泡90天后的變化率分別為-3.25%、-2.99%和-2.05%。

板彈簧；復合材料層合板；力學性能；耐高低溫；耐油

CLC NO.: U465.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-15-03

前言

目前，全球的能源緊張、環境污染等問題，迫使人們想方設法來實現車輛的輕質化以減少油耗、保護環境。鋼板彈簧作為汽車懸架系統的一部分，其在車體自重中所占比例約為1/15～1/10[1]，如果使用復合材料，其質量可減輕60%～70%[2]。此外，復合材料的模量小、比重輕、比強度高、抗疲勞性能好，可提高駕駛的舒適性、穩定性及耐用性[3]。

美國于1981年利用纏繞技術成功制備出了玻纖復合材料板彈簧；英國GKN公司生產的復合材料板彈簧也已成功實現了產業化；德、日、法等國也都對復合材料板彈簧開展了大量的基礎性研究工作[4]。目前，我國還沒有關于汽車復合材料板彈簧產業化的相關報道，關于汽車復合材料板彈簧的研究還處于初步的探索與試驗階段。復合材料板彈簧的制造更多的利用了層壓工藝，具有生產速度快、產品致密度高、質量穩定等特點，復合材料層壓板的性能直接決定了復合材料板彈簧性能的好壞。本文主要對某型號汽車復合材料層壓板進行了力學性能研究，同時考慮到復合材料板彈簧在實際運行過程中受高低溫環境和各種油類化學介質的影響，對層壓板的耐高低溫性能和耐油性能進行了研究。

1、試驗部分

1.1 原材料

樹脂：工業級，雙酚A型環氧樹脂，環氧值為0.51～ 0.54,淡黃色粘稠液體，Huntsman有限公司；增強材料：工業級，單向E玻璃纖維，重慶國際有限公司；促進劑：DMP-30，工業級， 由上海三愛思試劑有限公司生產；胺類固化劑：IPDA，化學純99%，來自北京豐特斯化工材料有限公司。

1.2 復合材料層壓板的制備

首先將玻璃纖維和樹脂基體制備成預浸料。預浸料由纖維增強材料和樹脂基體材料通過熱熔法制備而成。其中樹脂基體由環氧樹脂、IPDA固化劑和DMP-30促進劑組成，其添加比例為100:25:1。具體制備過程是將充分混合的樹脂基體加熱到80℃，使樹脂基體熔融。然后從紗架引出纖維，調節張力，使纖維嵌入樹脂基體中，之后經過冷卻、加PE膜、切邊和收卷制成預浸料，制備的每塊預浸料的厚度為2mm。

然后采用層壓工藝成型將預浸料制備成復合材料層壓板。具體過程是將制備成的預浸料裁剪為360mm×360mm的大小共6塊，然后將裁剪完的預浸料依次平鋪在模具上，鋪層時應注意保證預浸料中間無間隙、無空隙、纖維走向均勻、平齊。按照90℃/1h+125℃/1h的固化制度固化，成型壓力為10MPa。

1.3 測試和表征

1.3.1 拉伸性能[5]

采用JYT-19CMT 5305微機控制電子萬能試驗機測量，根據GB/T 1447-2005 纖維增強塑料拉伸性能測試方法進行拉伸性能測試，試樣規格為250mm×25mm×2mm，實驗加載速度為2mm/min。每組拉伸樣品取五個樣，結果取平均值。

1.3.2 彎曲性能

采用JYW-67GP-TS 2000S電子萬能試驗機測量，根據GB/T 1449-2005 纖維增強塑料彎曲性能測試方法進行彎曲性能測試，試樣規格為100mm×15mm×4mm，實驗加載速度為2mm/min。每組彎曲樣品取五個樣，結果取平均值。

1.3.3 高低溫力學性能測試[6-8]

采用JYT-19CMT 5305微機控制電子萬能試驗機測量，根據GB/T 9979-2005纖維增強塑料高低溫力學性能方法進行高低溫力學性能測試。試樣放置于70℃及-40℃環境下30min，從環境箱取出后6min內完成力學性能試驗。

1.3.4 耐油性能測試

采用JYT-19CMT 5305微機控制電子萬能試驗機測量，根據GB/T 1690-2006纖維增強塑料高低溫力學性能方法進行高低溫力學性能測試。將復合材料板彈簧層壓板分別浸泡在機油、93＃汽油和0＃柴油中30d，60d和90d，取出后按標準制成試樣測試其彎曲性能。

2、結果與討論

2.1 復合材料層壓板的力學性能

復合材料層壓板的基本力學性能直接決定了板彈簧在使用的過程中性能的好壞，因此本文對復合材料層壓板的基本力學性能進行了分析。其中復合材料層壓板的拉伸應力-應變曲線圖和三點彎曲載荷下復合材料層壓板的載荷-位移曲線圖分別如圖1和2所示。取平均值可知復合材料層壓板在常溫環境下的拉伸強度和拉伸模量分別為1220MPa和46.3GPa，彎曲強度和彎曲模量分別為1329MPa和43.47GPa。目前復合材料板彈簧用于替代鋼板簧，優質合金鋼的斷裂強度一般在1000MPa～1300MPa，由測試結果可知層壓板的基本力學性能滿足板彈簧的產品性能要求。復合材料層壓板表現出良好的力學性能是因為玻璃纖維增強體本身力學性能優異，所選用的環氧樹脂基體交聯密度高[9]，同時環氧樹脂與玻璃纖維具有良好的浸潤性，優異的黏結性能提高了復合材料的密實度，層與層之間的空隙少，這些特征都賦予了復合材料層壓板優異的力學性能[10]。

2.2 復合材料層壓板的高低溫力學性能

由于板彈簧在實際運行過程中長期暴露于大自然環境中，自然環境中的溫度變化范圍大，因此本文對單向復合材料層壓板的高低溫拉伸性能進行了研究，主要取板彈簧在使用過程中的兩個極值溫度：-40℃和70℃。其中優選復合材料層壓板的拉伸應力-應變曲線如圖3所示。-40℃環境下復合材料的拉伸強度和拉伸模量分別為1050.99MPa和43.46GPa；70℃環境下復合材料的拉伸強度和拉伸模量分別為1093.88MPa和44.74GPa。

從復合材料層壓板的高低溫力學性能數據可以看出，橫向拉伸強度在-40℃環境下保留率為94.15%，在70℃環境下保留率為98%。根據復合材料層壓板的性能要求，高低溫前后試樣拉伸強度保留率大于80%，由測試結果可知復合材料層壓板的高低溫力學性能滿足在板彈簧在實際工況中的應用。復合材料具有優異耐高低溫性能是由于復合材料的拉伸性能主要取決于纖維增強體的力學性能，而玻璃纖維用作復合材料中的增強材料，最大的特征是抗拉強度大，所以復合材料層壓板的高低溫拉伸強度變化不大。

2.3 板彈簧層壓板的耐油性能

由于板彈簧在實際運行過程中會接觸到各種汽車行業的油類介質，因此本文對復合材料板彈簧層壓板的耐油性能進行了研究，主要選用板彈簧在使用過程中最常接觸到的機油、93＃汽油和0＃柴油三種油類介質。將復合材料板彈簧層壓板分別浸泡在機油、93＃汽油和0＃柴油中30d，60d和90d，取出后按標準制成試樣測試其彎曲性能。復合材料層壓板在油類介質浸泡后的彎曲強度 (σf) 和彎曲模量 (Ef) 如表1所示。

從復合材料層壓板的耐油性能數據可以看出，復合材料層壓板在機油、93＃汽油和0＃柴油中浸泡后彎曲性能變化不大。復合材料層壓板的彎曲強度和彎曲模量在機油中浸泡90d后的變化率分別為-3.25%和-8.14%，93＃汽油中浸泡90d后的變化率分別為-2.99%和2.32%，0＃柴油中浸泡90d后的變化率分別為-2.05%和-3.4%。根據復合材料層壓板的性能要求，油類化學介質浸泡前后試樣彎曲強度和彎曲模量的變化率不能超過20%，由測試結果可知復合材料板彈簧層壓板的耐油性能滿足在板彈簧在實際工況中的應用。復合材料層壓板表現出優異的耐油性能是由于層壓板使用的環氧樹脂基體與玻璃纖維有很好的界面結合能力，使復合材料層壓板的粘合性能優異，層與層之間緊密的結合使復合材料表現出優異力學性能的同時使油脂分子也難以進入層壓板中。

表1 復合材料層壓板的耐油性能

3、結論

對某型號復合材料板彈簧的層壓板的性能進行了研究，其拉伸強度和彎曲強度分別為1220MPa和1329MPa。

復合材料層壓板的拉伸強度在-40℃環境下的保留率為94.15%，70℃環境下的保留率為98%，高低溫試樣拉伸強度保留率都大于80%，由測試結果可知復合材料層壓板的高低溫力學性能滿足在板彈簧在實際工況中的應用。

復合材料層壓板的彎曲強度和彎曲模量在機油中浸泡90d后的變化率分別為-3.25%和-8.14%，93＃汽油中浸泡90d后的變化率分別為-2.99%和2.32%，柴油中浸泡90d后的變化率分別為-2.05%和-3.4%，在三種油類化學介質中浸泡前后復合材料板彈簧層壓板的彎曲強度和彎曲模量的變化率均不超過20%，由測試結果可知復合材料板彈簧層壓板的耐油性能滿足在板彈簧的產品性能要求。

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Analysis of Laminate Used for the Composite Leaf Spring in the Automobile

Fan Kai1,2, Ding Zhiping1, Zhang Yaxin2, Li Zaike2, Lv Wenli2
(1. School of Mechanical Engineering, Hunan University of Technoligy, Hunan Zhuzhou 412007; 2. Zhuzhou Times New Material Technology Co. Ltd., Hunan Zhuzhou 412007)

This work focus on the mechanical properties，the resistance to high-low temperature and oil performance of the composite laminate for manufacturing leaf spring. It indicates that the performance of the composite laminate meet the working condition requirements of the leaf spring. The tensile strength and flexural strength of the composite laminate were 1120MPa and 1329MPa, respectively. The retention rate of tensile strength of the composite laminate was 94.15% at -40℃ and 98% at 70℃, respectively. After socked 90 days, the rate of change of flexural strength was -3.25% in engine oil, -2.99% in 93＃ gasoline and -2.05% in 0＃ diesel oil, respectively.

Leaf spring; Composite laminate; mechanical properties; high-low temperature resistance; oil resistance

U465.6

A

1671-7988(2015)02-15-03

樊凱，碩士研究生，就職于株洲時代新材料科技股份有限公司，主要從事現代機械強度理論的應用與研究。