一種低成本工藝成型的碳纖維復合材料地鐵車身及其制造方法與流程

本發明涉及地鐵車輛技術領域，特別是一種低成本工藝成型的碳纖維復合材料地鐵車身及其制造方法，以達到地鐵車體輕量化的目的。

背景技術：

地鐵車體是用于容納旅客、司乘人員、行李等和安裝各種設備的部件，由轉向架支撐，主要起承載作用，是軌道車輛的主要組成部分。現有的地鐵車體多使用金屬材料，車身由兩側墻和車頂三部分組成，它存在重量大，成本高，耗能大，耐腐蝕性差，使用周期短等缺點；一般車體承載結構的重量約占車輛總重的20%-25%，因此，有效的減輕車體的重量，達到車體輕量化的目的具有重要意義。

碳纖維復合材料由于具有高比強度和高比模量，密度小，耐高溫，耐腐蝕，抗腐蝕，熱膨脹系數低等優點，在軌道交通領域的應用得到了很大的發展。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明提供一種低成本工藝成型的碳纖維復合材料地鐵車身及其制造方法，解決了現有車身重量大，耐腐蝕性差，抗疲勞性能差，使用周期短等缺點，達到車體輕量化的目的。

為了達到上述目的，本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明是一種低成本工藝成型的碳纖維復合材料地鐵車身，包括碳纖維外蒙皮、碳纖維內蒙皮、鋪設在碳纖維外蒙皮與碳纖維內蒙皮之間的蜂窩夾芯層，夾芯層為蜂窩、泡沫與數個縱橫加強筋、門框、窗框拼接而成，夾芯層與碳纖維外蒙皮和碳纖維內蒙皮通過膠膜連接采用ooa工藝整體固化成型。

本發明的進一步改進在于：碳纖維外蒙皮、碳纖維內蒙皮、縱橫加強筋、門框和窗框均為碳纖維織物預浸料。

本發明的進一步改進在于：所述碳纖維織物預浸料和膠膜具有阻燃性能。

本發明是一種低成本工藝成型的碳纖維復合材料地鐵車身，所述碳纖維復合材料地鐵車身成型包括以下步驟：

（1）碳纖維外蒙皮ooa工藝成型：按鋪貼角度及鋪層數設計順序，以激光投影線為鋪貼基準線，將裁剪成特定形狀的碳纖維織物預浸料依次鋪貼在車身模具上，碳纖維外蒙皮鋪貼厚度3mm-5mm,利用定制的車身模具的自加熱系統固化成型碳纖維外蒙皮；

（2）夾芯層ooa工藝成型：打磨處理碳纖維外蒙皮、門框、窗框及縱橫加強筋膠接面，將門框和窗框放置在定位區域，按照激光投影定位的區域將蜂窩、泡沫與縱橫加強筋進行拼接，檢測拼接位置以及尺寸情況，拼接完成后，利用定制的車身模具的自加熱系統及鼓風加熱設備固化成型夾芯層；

（3）碳纖維內蒙皮ooa工藝成型：按鋪貼角度及鋪層數設計順序，以激光投影線為鋪貼基準線，將裁剪成特定形狀的碳纖維織物預浸料依次鋪貼在車身模具上，碳纖維內蒙皮鋪貼厚度3mm-5mm,利用定制的車身模具的自加熱系統及鼓風加熱設備固化成型碳纖維內蒙皮，即完成車身整體成型。

本發明的進一步改進在于：碳纖維內蒙皮和碳纖維外蒙皮均為碳纖維織物預浸料鋪貼并采用ooa工藝成型，碳纖維內蒙皮鋪貼厚度3mm-5mm,碳纖維外蒙皮鋪貼厚度3mm-5mm,在碳纖維織物預浸料鋪貼過程中，第一層需進行預壓實，后續過程中每3-4層需進行一次預壓實。

本發明的進一步改進在于：門框、窗框均為碳纖維織物預浸料包纏泡沫采用熱壓罐工藝成型，其中泡沫夾芯通過膠模具與碳纖維織物預浸料進行連接。

本發明的進一步改進在于：縱橫加強筋為碳纖維織物預浸料鋪貼并采用熱壓罐工藝成型的工字梁。

本發明的進一步改進在于：夾芯層ooa工藝成型過程中，蜂窩和泡沫與縱橫加強筋、碳纖維內蒙皮、碳纖維外蒙皮通過膠膜進行連接，蜂窩與蜂窩通過帶狀發泡膠進行拼接。

本發明的進一步改進在于：碳纖維外蒙皮、碳纖維內蒙皮及夾芯層ooa工藝成型過程中，固化升溫速率控制在1-3℃/min，固化結束后降溫速率不大于2℃/min。

本發明的有益效果是：

（1）本發明提供一種低成本工藝成型的碳纖維復合材料地鐵車身及其制造方法，采用碳纖維復合材料替代金屬材料，解決了現有車身重量大，耐腐蝕性差，抗疲勞性能差、使用周期短等缺點，達到車體輕量化的目的。

（2）本發明碳纖維復合材料地鐵車身為碳纖維復合材料夾芯結構，包括碳纖維外蒙皮、碳纖維內蒙皮，鋪設在碳纖維內、外蒙皮之間的夾芯層，夾芯層與碳纖維內、外蒙皮通過膠膜膠接整體成型，不僅減少車體零部件數量和裝配工作量，而且大大提高了車身的隔音、隔熱性能。

（3）本發明碳纖維復合材料地鐵車身為夾芯結構，該結構的抗沖擊性和抗沖擊回彈變形能力增強。

（4）本發明采用的碳纖維織物預浸料及樹脂具有阻燃性能，從而增強了車身的抗阻燃性能，大大提高了車體的安全性能。

（5）本發明采用ooa成型工藝，僅在真空壓力下固化且不須采用熱壓罐設備制造出具有與熱壓罐成型相同性能和質量的復合材料車身制件，避免了熱壓罐及其運作費用的高投入，大幅降低了制造成本。

（6）本發明采用ooa成型工藝在真空甚至中低溫條件下固化成型對模具和輔助材料的要求較低，進一步降低了制造成本。

（7）本發明采用ooa成型工藝在縮短制造周期、簡化工序、靈活方便應用、減少工裝投入和運作成本、節能等方面具有明顯優勢，使用此工藝可得到與熱壓罐成型的具有同等性能和質量的大型化和超大型化復合材料制件。

本發明采用ooa成型工藝使用碳纖維復合材料替代金屬材料，不僅有效的減輕地鐵車身的重量，達到車體輕量化的目的，減小了車體耗能，延長了使用壽命，而且大大降低了制造成本。

附圖說明

圖1為本發明地鐵車身的結構示意圖。

圖2為本發明地鐵車身的斷面結構示意圖。

圖3為本發明地鐵車身的夾芯層結構示意圖。

其中，1-碳纖維外蒙皮，2-碳纖維內蒙皮，3-夾芯層，4-門框，5-窗框，6-縱橫加強筋，7-蜂窩，8-泡沫。

具體實施方式

為了加深對本發明的理解，下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步詳細描述，該實施例僅用于解釋本發明，并不對本發明的保護范圍構成限定。

如圖1-3所示，本發明是一種低成本工藝成型的碳纖維復合材料地鐵車身，所述車身包括碳纖維外蒙皮1、碳纖維內蒙皮2、鋪設在所述碳纖維外蒙皮1與所述碳纖維內蒙皮2之間的蜂窩夾芯層3，所述夾芯層3為蜂窩7、泡沫8與數個縱橫加強筋6、門框4、窗框5拼接而成，所述夾芯層3與碳纖維外蒙皮1和碳纖維內蒙皮2通過膠膜鏈接整體固化成型，所述碳纖維外蒙皮1、碳纖維內蒙皮2、縱橫加強筋6、門框4和窗框5均為碳纖維織物預浸料，所述碳纖維預浸料和膠膜具有阻燃性能。

一種低成本工藝成型的碳纖維復合材料地鐵車身，所述碳纖維復合材料地鐵車身成型包括以下步驟：

（1）碳纖維外蒙皮1ooa工藝成型：按下料圖樣裁剪預浸料，并將已裁剪的預浸料進行編號并標示0°方向，按鋪貼角度及鋪層數設計順序，以激光投影線為鋪貼基準線，將裁剪成特定形狀的碳纖維預浸料依次鋪貼在車身模具上，碳纖維外蒙皮1鋪貼厚度3mm-5mm，在碳纖維織物預浸料鋪貼過程中，第一層需進行預壓實，后續過程中每3-4層需進行一次預壓實，預壓實要求：依次鋪放一層可剝布、有孔隔離膜、透氣氈、真空袋膜，密封膠條密封，連接真空系統抽真空，預壓實真空度不低于920mbar，時間不少于15min；外蒙皮鋪貼完成后進行封裝及氣密性檢查，依次鋪放一層可剝布、無孔隔離膜、透氣氈、真空袋膜，密封膠條密封，連接真空系統抽真空，保證真空度在920mbar以上，15min后關閉真空，5min內真空壓力下降超過50mbar；氣密性滿足要求后，使用棉被將封裝后的外蒙皮進行覆蓋，棉被之間采用搭接形式以保證其保溫效果，利用定制的車身模具的自加熱系統進行固化，固化制度：以1-3℃/min的升溫速率從室溫至80℃-90℃，并在80℃-90℃下保溫120min，以1-3℃/min的升溫速率從80℃-90℃升溫至110℃-120℃，并在110℃-120℃下保溫120min，以0-2℃/min的降溫速率從110℃-120℃降溫至40℃，保溫階段的溫度和時間以滯后熱電偶為準；固化結束后拆除輔助材料，即完成碳纖維外蒙皮1成型；

（2）夾芯層3ooa工藝成型：打磨處理碳纖維外蒙皮1、門框4、窗框5及縱橫加強筋6膠接面，且需沿著纖維方向打磨，需打磨至去除膠接面樹脂層，打磨完成后用清潔白布蘸取丙酮清洗，至最后擦拭打磨面的清潔白布潔凈無異物為止；蜂窩7及泡沫8在使用前用丙酮或異丙醇清洗干凈，并在120℃±10℃中干燥至少120min，干燥后的蜂窩及泡沫進行真空密封；將門框4和窗框5放置在定位區域并膠接，按照激光投影定位的區域將蜂窩7、泡沫8與縱橫加強筋6進行拼接，檢測拼接位置以及尺寸情況，如有偏差可以適當休整蜂窩尺寸，碳纖維外蒙皮1與夾芯層3通過膠膜進行連接，蜂窩與蜂窩之間通過帶狀發泡膠進行拼接，拼接完成后，進行封裝及氣密性檢查，氣密性滿足要求后，利用定制的車身模具的自加熱系統及鼓風加熱設備進行固化，固化制度：80℃-90℃保溫120min，110℃-120℃保溫120min，固化結束后拆除輔助材料，即完成夾芯層3成型；

（3）碳纖維內蒙皮2ooa工藝成型：在夾芯層3上鋪貼一層膠膜，膠膜鋪貼采用搭接形式，搭接寬度12mm～25mm，門框4、窗框5翻邊區域膠膜鋪貼要保證壓實，膠膜鋪貼完成后需進行預壓實；按鋪貼角度及鋪層數設計順序，以激光投影線為鋪貼基準線，將裁剪成特定形狀的碳纖維織物預浸料依次鋪貼在夾芯層3上，碳纖維內蒙皮2鋪貼厚度3mm-5mm，碳纖維織物預浸料鋪貼時門框4、窗框5翻邊區域要保證壓實；在碳纖維織物預浸料鋪貼過程中，第一層需進行預壓實，后續過程中每3-4層需進行一次預壓實；碳纖維內蒙皮2鋪貼完成后，進行封裝及氣密性檢查，氣密性滿足要求后，利用定制的車身模具的自加熱系統及鼓風加熱設備進行固化，固化制度：80℃-90℃保溫120min，110℃-120℃保溫120min，固化結束后拆除輔助材料，完成碳纖維內蒙皮2成型，即完成碳纖維復合材料車身整體成型。

本發明所述的碳纖維復合材料地鐵車身，使用具有高比強度和高比模量，密度小，耐高溫，耐腐蝕，抗腐蝕，熱膨脹系數低等優點的碳纖維復合材料采用ooa工藝一體成型夾芯結構的地鐵車身，不僅可以充分發揮復合材料可設計性強、整體化程度高、疲勞性能好等優勢，而且可以有效的減輕地鐵車身的重量，達到車體輕量化的目的，減小了車體耗能，延長使用壽命，更重要的是使用低成本的ooa成型工藝，大大降低了成型碳纖維復合材料車身的成本。