一种轻量化连续纤维增强蜂窝夹层电池护板的制备方法与流程

本发明涉及动力电池结构部件，尤其涉及一种轻量化连续纤维增强蜂窝夹层电池护板的制备方法。

背景技术：

1、电动汽车动力电池包通常布置于车身底部，电池护板是动力电池抵御路面石子飞溅与托底磕碰的第一道防护屏障，gb38031《电动汽车用动力蓄电池安全要求》对电池包底部抗冲击能力提出了强制要求，行业普遍以落锤冲击能量不低于150j作为电池护板的验收门槛。

2、现有电池护板主要有3类材料结构：第1类为连续玻璃纤维增强聚丙烯面板加聚丙烯芯层的复合结构；第2类为连续玻璃纤维增强聚丙烯面板加聚丙烯蜂窝芯的夹层结构；第3类为连续玻璃纤维增强聚丙烯面板加0.8mm钢板再加连续玻璃纤维增强聚丙烯面板的含钢板结构。第3类结构耐冲击能量可达300j以上，但钢板引入显著增重，直接降低整车续航里程，行业因此普遍采用第2类轻量化蜂窝夹层结构替代第3类含钢板结构。

3、然而，第2类轻量化蜂窝夹层结构存在4个相互纠缠的技术瓶颈。第1，连续纤维面板与蜂窝芯的界面仅依靠胞壁棱边与面板树脂的平面熔合连接，粘接面积小，冲击载荷下面板与蜂窝芯极易剥离分层，一旦分层，面板的膜拉伸吸能与蜂窝芯的压溃吸能两条路径同时失效。第2，安装孔普遍采用板材完全固化后的钻削加工，钻削必然切断连续纤维，孔边失去纤维桥联而成为裂纹萌生源，且螺栓夹持区下方的蜂窝芯为空腔结构，夹持预紧力直接压塌胞壁，长期振动工况下夹持力持续衰减。第3，热压固结工艺存在两难：提高热压压力可保证面板自身固结密实，但熔融态蜂窝芯的胞壁刚度趋近于零，高压下蜂窝芯整体压溃；降低热压压力可保全蜂窝芯，但面板孔隙率升高、层间结合强度下降，现有工艺只能在两者之间折中，面板固结质量与芯层完整性不可兼得。第4，已有的热态流动冲孔技术虽能避免切断纤维，但需要在板材固化后独立进行二次加热，工序与能耗增加，且冲孔后孔周下方仍为空腔蜂窝，依然没有夹持承力基座。上述各类改进手段彼此割裂，属于针对单一缺陷的独立修补，均无法在轻量化、抗冲击、孔边承载三者之间取得协同。因此，亟需一种通过工序内在耦合、以单一模内热过程同步解决界面分层、芯层压溃与孔边失效的轻量化蜂窝夹层电池护板制备方法。

技术实现思路

1、本发明要解决的核心技术问题是：在不增加金属增强件且不增加独立二次加热工序的前提下，如何通过一次模内热过程，在保全蜂窝芯完整性的条件下同步实现连续纤维面板与聚丙烯蜂窝芯之间的机械锚固加树脂熔融双重连接界面，以及安装孔边连续纤维不切断的让位增强与孔周夹持基座实心化，使轻量化蜂窝夹层电池护板在满足落锤冲击能量不低于150j的同时，界面抗分层能力与孔边承载能力同步提升。次级技术问题是：纤维铺层方向与真实冲击载荷场不匹配导致的材料浪费与局部薄弱。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种轻量化连续纤维增强蜂窝夹层电池护板的制备方法，技术方案中连续玻璃纤维增强聚丙烯单向预浸带所用聚丙烯树脂与聚丙烯蜂窝芯所用聚丙烯为同一聚丙烯体系，熔融温度与结晶温度以聚丙烯蜂窝芯所用聚丙烯的实测值为准，所述方法包括以下步骤：

3、步骤1：冲击载荷场测绘与铺层图谱生成。将基准尺寸为1000mm×800mm的平板试样固定于落锤冲击试验台，落锤的冲头直径为25mm，冲头内置采样频率不低于100khz的压电力传感器，落锤质量为m，跌落高度为h，冲击能量按下式计算并逐次递增至不低于150j：

4、

5、式中g为重力加速度，取9.8m/s²。冲击过程中由压电力传感器记录载荷-时间曲线，在平板试样背面制备数字图像相关散斑场，由高速摄像机采集冲击位移场，反演得到板面的峰值应变坐标与主应力方向，生成应变场分布图；将峰值应变超过整板均值1.5倍的区域划定为局部增强区，将结构设计给定的全部安装孔位置坐标并入局部增强区，形成局部增强区坐标集合；依据主应力方向生成纤维铺层角度图谱。

6、步骤2：连续纤维面板预制体铺设。取纤维体积分数为45%-55%的连续玻璃纤维增强聚丙烯单向预浸带，纤维体积分数按gb/t2577规定的灼烧法测定；以主应力方向为0°基准，按0°、+45°、-45°、90°的顺序交叉铺设4层连续玻璃纤维增强聚丙烯单向预浸带，形成下面板预制体；在局部增强区坐标集合对应的每一个坐标处增铺2层±45°方向的连续玻璃纤维增强聚丙烯单向预浸带补丁，补丁为圆形，补丁的圆心与对应坐标重合，补丁的边缘沿径向超出对应的局部增强区外沿20mm；上面板预制体按相同方式铺设于转移治具上，转移治具设有定位销，模具设有与定位销配合的定位孔。

7、步骤3：蜂窝芯预热与组坯。取胞元边长为6-8mm、芯材厚度为15-20mm、胞壁厚度为0.3-0.8mm的聚丙烯蜂窝芯，胞元边长与芯材厚度由卡尺实测，胞壁厚度由显微切片实测；预先用差示扫描量热法以10°c/min的升温速率实测聚丙烯蜂窝芯所用聚丙烯的熔融温度，以10°c/min的降温速率实测结晶温度；将聚丙烯蜂窝芯预热至以下5°c以内，平置于下面板预制体上，由转移治具将上面板预制体翻转覆盖于聚丙烯蜂窝芯上方，定位销与定位孔的配合限定上面板预制体与下面板预制体的0°基准重合，重合偏差不超过2°，构成夹层预制体。

8、步骤4：限位式两级压力模内共固结与熔渗锚固。将夹层预制体置于模腔内设有定厚限位结构的模具中，模具温度高于10-20°c；第一阶段施加0.3-0.6mpa的第一压力保压60-90s，聚丙烯蜂窝芯熔融的胞壁棱边渗入上面板预制体与下面板预制体的纤维束间隙，形成锚固深度为1-3mm的熔渗锚固层，锚固深度不小于聚丙烯蜂窝芯的胞壁厚度的3倍；第二阶段施加1.5-2.5mpa的第二压力保压120-180s，定厚限位结构限定模具闭合高度，熔融态胞壁在由上面板预制体、下面板预制体与模腔侧壁围成的封闭模腔内受约束且体积守恒，在第二压力下保持胞元结构不塌陷流动，将聚丙烯蜂窝芯的厚度压缩率限制在5%以内：

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10、式中为热压前聚丙烯蜂窝芯的实测厚度，为热压后聚丙烯蜂窝芯的实测厚度，两者均由激光测厚仪实测，得到复合板坯。

11、步骤5：降温初期热钉让位穿孔与孔周实心化。保压结束后降温，当复合板坯的实际温度满足下式时，以加热的穿孔钉在局部增强区坐标集合中的安装孔位置坐标处穿透复合板坯：

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13、穿孔钉的加热温度高于10-20°c，穿孔钉的表面设氮化钛防粘涂层；连续玻璃纤维在穿孔钉的挤推作用下沿径向滑移让位并绕孔周重排为纤维环，位于安装孔位置坐标处的补丁的±45°方向连续玻璃纤维随挤推重排为与纤维环同心的交错纤维层；穿孔钉根部的扩压台肩将孔周8-12mm环带内位于穿孔钉进入一侧的蜂窝胞壁压溃并熔合于进入一侧的面板预制体的内表面，形成位于穿孔钉进入一侧的局部实心化环带，扩压台肩的锥角为30°-45°，扩压台肩的外沿直径为穿孔钉的光杆直径的2-3倍，扩压台肩的下压深度由台肩行程限位结构控制，扩压台肩的下压深度与局部实心化环带沿芯厚方向的厚度相对应，使局部实心化环带的厚度为聚丙烯蜂窝芯的厚度的30%-50%；穿孔钉的光杆直径与目标孔径之差由回弹量标定；保压3-5s后退出穿孔钉，得到带孔复合板坯。

14、步骤6：保压冷却定型。模具维持0.8-1.2mpa的压力，冷却水路采用分区程序控温，以5-10°c/min的冷却速率将带孔复合板坯冷却至以下20°c后脱模，冷却速率由贴附式热电偶采集的温度-时间曲线计算并实时反馈调节冷却水路的分区流量。

15、有益效果：

16、本发明的步骤4与步骤5共用同一次模内热过程，穿孔动作被约束在唯一可行的工艺时序窗口内：第1，熔渗锚固依赖交叉铺层在纤维束之间保留的可渗间隙，棱边熔体渗入并包络纤维束，形成机械锚固与树脂熔融并存的双重连接界面，不增加胶膜与独立胶接工序；第2，穿孔必须晚于熔渗锚固完成，否则已让位的纤维在后续保压中二次滑移、孔形失圆，穿孔又必须早于聚丙烯开始结晶，否则纤维无法滑移让位而被切断，该窗口由步骤4的余热天然提供，无需二次加热；第3，定厚限位结构与扩压台肩构成全局保芯与局部压芯的配合，高压固结面板与保全芯层由两难变为兼得，纤维环抵抗螺栓夹持产生的面内拉应力，局部实心化环带将夹持载荷扩散至聚丙烯蜂窝芯深部，二者缺一不可。

17、针对界面分层瓶颈，熔渗锚固层使界面剥离强度较平面熔合界面提升60%以上，落锤冲击能量不低于150j且无贯穿、无分层；针对钻削断纤与夹持压塌瓶颈，孔边拉伸强度不低于面板母材的85%，振动试验后螺栓夹持力衰减率不高于5%；针对热压两难瓶颈，面板在1.5-2.5mpa下充分固结的同时聚丙烯蜂窝芯的厚度压缩率不超过5%；针对二次加热与工序割裂瓶颈，界面锚固与孔边增强共用一次模内热过程，整板面密度较同规格含0.8mm钢板结构降低35%以上。