汽车复合材料板弹簧单向层压板的性能研究

樊凯，丁智平，张亚新，李再轲，吕文丽

（1．湖南工业大学机械工程学院，湖南 株洲 412007；2.湖南株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

汽车复合材料板弹簧单向层压板的性能研究

樊凯1,2，丁智平1，张亚新2，李再轲2，吕文丽2

（1．湖南工业大学机械工程学院，湖南 株洲 412007；2.湖南株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

本文研究了复合材料板弹簧用层压板的基本力学性能、耐高低温性能和耐油性能。结果表明：复合材料层压板的性能满足板弹簧实际工况的要求。复合材料层压板的拉伸强度和弯曲强度分别为1120MPa和1329MPa，复合材料层压板的拉伸强度在-40℃环境下保留率为94.15%，70℃环境下保留率为98%。复合材料层压板的弯曲强度在机油、93＃汽油和0＃柴油中浸泡90天后的变化率分别为-3.25%、-2.99%和-2.05%。

板弹簧；复合材料层合板；力学性能；耐高低温；耐油

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

前言

目前，全球的能源紧张、环境污染等问题，迫使人们想方设法来实现车辆的轻质化以减少油耗、保护环境。钢板弹簧作为汽车悬架系统的一部分，其在车体自重中所占比例约为1/15～1/10[1]，如果使用复合材料，其质量可减轻60%～70%[2]。此外，复合材料的模量小、比重轻、比强度高、抗疲劳性能好，可提高驾驶的舒适性、稳定性及耐用性[3]。

美国于1981年利用缠绕技术成功制备出了玻纤复合材料板弹簧；英国GKN公司生产的复合材料板弹簧也已成功实现了产业化；德、日、法等国也都对复合材料板弹簧开展了大量的基础性研究工作[4]。目前，我国还没有关于汽车复合材料板弹簧产业化的相关报道，关于汽车复合材料板弹簧的研究还处于初步的探索与试验阶段。复合材料板弹簧的制造更多的利用了层压工艺，具有生产速度快、产品致密度高、质量稳定等特点，复合材料层压板的性能直接决定了复合材料板弹簧性能的好坏。本文主要对某型号汽车复合材料层压板进行了力学性能研究，同时考虑到复合材料板弹簧在实际运行过程中受高低温环境和各种油类化学介质的影响，对层压板的耐高低温性能和耐油性能进行了研究。

1、试验部分

1.1 原材料

树脂：工业级，双酚A型环氧树脂，环氧值为0.51～ 0.54,淡黄色粘稠液体，Huntsman有限公司；增强材料：工业级，单向E玻璃纤维，重庆国际有限公司；促进剂：DMP-30，工业级， 由上海三爱思试剂有限公司生产；胺类固化剂：IPDA，化学纯99%，来自北京丰特斯化工材料有限公司。

1.2 复合材料层压板的制备

首先将玻璃纤维和树脂基体制备成预浸料。预浸料由纤维增强材料和树脂基体材料通过热熔法制备而成。其中树脂基体由环氧树脂、IPDA固化剂和DMP-30促进剂组成，其添加比例为100:25:1。具体制备过程是将充分混合的树脂基体加热到80℃，使树脂基体熔融。然后从纱架引出纤维，调节张力，使纤维嵌入树脂基体中，之后经过冷却、加PE膜、切边和收卷制成预浸料，制备的每块预浸料的厚度为2mm。

然后采用层压工艺成型将预浸料制备成复合材料层压板。具体过程是将制备成的预浸料裁剪为360mm×360mm的大小共6块，然后将裁剪完的预浸料依次平铺在模具上，铺层时应注意保证预浸料中间无间隙、无空隙、纤维走向均匀、平齐。按照90℃/1h+125℃/1h的固化制度固化，成型压力为10MPa。

1.3 测试和表征

1.3.1 拉伸性能[5]

采用JYT-19CMT 5305微机控制电子万能试验机测量，根据GB/T 1447-2005 纤维增强塑料拉伸性能测试方法进行拉伸性能测试，试样规格为250mm×25mm×2mm，实验加载速度为2mm/min。每组拉伸样品取五个样，结果取平均值。

1.3.2 弯曲性能

采用JYW-67GP-TS 2000S电子万能试验机测量，根据GB/T 1449-2005 纤维增强塑料弯曲性能测试方法进行弯曲性能测试，试样规格为100mm×15mm×4mm，实验加载速度为2mm/min。每组弯曲样品取五个样，结果取平均值。

1.3.3 高低温力学性能测试[6-8]

采用JYT-19CMT 5305微机控制电子万能试验机测量，根据GB/T 9979-2005纤维增强塑料高低温力学性能方法进行高低温力学性能测试。试样放置于70℃及-40℃环境下30min，从环境箱取出后6min内完成力学性能试验。

1.3.4 耐油性能测试

采用JYT-19CMT 5305微机控制电子万能试验机测量，根据GB/T 1690-2006纤维增强塑料高低温力学性能方法进行高低温力学性能测试。将复合材料板弹簧层压板分别浸泡在机油、93＃汽油和0＃柴油中30d，60d和90d，取出后按标准制成试样测试其弯曲性能。

2、结果与讨论

2.1 复合材料层压板的力学性能

复合材料层压板的基本力学性能直接决定了板弹簧在使用的过程中性能的好坏，因此本文对复合材料层压板的基本力学性能进行了分析。其中复合材料层压板的拉伸应力-应变曲线图和三点弯曲载荷下复合材料层压板的载荷-位移曲线图分别如图1和2所示。取平均值可知复合材料层压板在常温环境下的拉伸强度和拉伸模量分别为1220MPa和46.3GPa，弯曲强度和弯曲模量分别为1329MPa和43.47GPa。目前复合材料板弹簧用于替代钢板簧，优质合金钢的断裂强度一般在1000MPa～1300MPa，由测试结果可知层压板的基本力学性能满足板弹簧的产品性能要求。复合材料层压板表现出良好的力学性能是因为玻璃纤维增强体本身力学性能优异，所选用的环氧树脂基体交联密度高[9]，同时环氧树脂与玻璃纤维具有良好的浸润性，优异的黏结性能提高了复合材料的密实度，层与层之间的空隙少，这些特征都赋予了复合材料层压板优异的力学性能[10]。

2.2 复合材料层压板的高低温力学性能

由于板弹簧在实际运行过程中长期暴露于大自然环境中，自然环境中的温度变化范围大，因此本文对单向复合材料层压板的高低温拉伸性能进行了研究，主要取板弹簧在使用过程中的两个极值温度：-40℃和70℃。其中优选复合材料层压板的拉伸应力-应变曲线如图3所示。-40℃环境下复合材料的拉伸强度和拉伸模量分别为1050.99MPa和43.46GPa；70℃环境下复合材料的拉伸强度和拉伸模量分别为1093.88MPa和44.74GPa。

从复合材料层压板的高低温力学性能数据可以看出，横向拉伸强度在-40℃环境下保留率为94.15%，在70℃环境下保留率为98%。根据复合材料层压板的性能要求，高低温前后试样拉伸强度保留率大于80%，由测试结果可知复合材料层压板的高低温力学性能满足在板弹簧在实际工况中的应用。复合材料具有优异耐高低温性能是由于复合材料的拉伸性能主要取决于纤维增强体的力学性能，而玻璃纤维用作复合材料中的增强材料，最大的特征是抗拉强度大，所以复合材料层压板的高低温拉伸强度变化不大。

2.3 板弹簧层压板的耐油性能

由于板弹簧在实际运行过程中会接触到各种汽车行业的油类介质，因此本文对复合材料板弹簧层压板的耐油性能进行了研究，主要选用板弹簧在使用过程中最常接触到的机油、93＃汽油和0＃柴油三种油类介质。将复合材料板弹簧层压板分别浸泡在机油、93＃汽油和0＃柴油中30d，60d和90d，取出后按标准制成试样测试其弯曲性能。复合材料层压板在油类介质浸泡后的弯曲强度 (σf) 和弯曲模量 (Ef) 如表1所示。

从复合材料层压板的耐油性能数据可以看出，复合材料层压板在机油、93＃汽油和0＃柴油中浸泡后弯曲性能变化不大。复合材料层压板的弯曲强度和弯曲模量在机油中浸泡90d后的变化率分别为-3.25%和-8.14%，93＃汽油中浸泡90d后的变化率分别为-2.99%和2.32%，0＃柴油中浸泡90d后的变化率分别为-2.05%和-3.4%。根据复合材料层压板的性能要求，油类化学介质浸泡前后试样弯曲强度和弯曲模量的变化率不能超过20%，由测试结果可知复合材料板弹簧层压板的耐油性能满足在板弹簧在实际工况中的应用。复合材料层压板表现出优异的耐油性能是由于层压板使用的环氧树脂基体与玻璃纤维有很好的界面结合能力，使复合材料层压板的粘合性能优异，层与层之间紧密的结合使复合材料表现出优异力学性能的同时使油脂分子也难以进入层压板中。

表1 复合材料层压板的耐油性能

3、结论

对某型号复合材料板弹簧的层压板的性能进行了研究，其拉伸强度和弯曲强度分别为1220MPa和1329MPa。

复合材料层压板的拉伸强度在-40℃环境下的保留率为94.15%，70℃环境下的保留率为98%，高低温试样拉伸强度保留率都大于80%，由测试结果可知复合材料层压板的高低温力学性能满足在板弹簧在实际工况中的应用。

复合材料层压板的弯曲强度和弯曲模量在机油中浸泡90d后的变化率分别为-3.25%和-8.14%，93＃汽油中浸泡90d后的变化率分别为-2.99%和2.32%，柴油中浸泡90d后的变化率分别为-2.05%和-3.4%，在三种油类化学介质中浸泡前后复合材料板弹簧层压板的弯曲强度和弯曲模量的变化率均不超过20%，由测试结果可知复合材料板弹簧层压板的耐油性能满足在板弹簧的产品性能要求。

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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

樊凯，硕士研究生，就职于株洲时代新材料科技股份有限公司，主要从事现代机械强度理论的应用与研究。