碳纖維復合材料電池箱成型模具制備工藝研究

梁學楷 ，汪 浩 ，翟 華 ，王玉山 ，童祥祥

（1．浩中機械蚌埠有限公司，安徽 蚌埠 230021；2．航空結構件成形制造與裝備安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230009；3．合肥合鍛智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230123；4．合肥工業大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009；5．合肥市富華精密機械制造有限公司，安徽 合肥 231200）

1 引言

電池箱總成是提供電動汽車能源的重要部件，由于單個電池電荷較小，通常需要多組電池組合安放在電池箱內集中放電提供動力，因此電池箱總成質量較大，嚴重影響電動汽車單次充電的行駛里程。減輕電池箱重量已成為電動汽車發展的當務之急[1]。由于碳纖維復合材料具有比重小、剛度好、強度高、耐高溫、耐腐蝕等特點，因此可以作為電池箱的輕量化設計中的主要替代材料[2]。胡仁祥，周金宇[3]利用碳纖維復合材料通過自由尺寸優化和鋪層順序優化，減輕電池箱總質量66%。

模具作為復合材料成型中的重要組成部件，簡便、靈活的模具能夠提高構件的成型效率，高質量的模具能夠提高構件質量。因此針對碳纖維復合材料電池箱的高質量快速成型，根據其結構特點設計相應模具是非常有必要的。國內外對碳纖維復合材料電池箱模具的研究很少，而一般模具的研究主要集中于不同構件的模具設計以及工藝參數對模具和成型構件質量的影響，如張鑫玉[5]利用碳纖維復合材料制備船用螺旋槳，為保證螺旋槳精度，設計采用一次整體成型模具，并通過兩個相鄰斜滑塊完成槳葉成型，避免負曲率導致的加工問題；Irena Nowotynska[6]分析不同的模具幾何形狀對復合材料塑性流動的影響，通過實驗對比提出最佳模具幾何形狀，并確立最大擠壓載荷對模具角度的依賴性。李博、張尉博[7]分別采用鋁膜/鋁膜，橡膠軟膜/鋁膜，拐角區預浸料增強橡膠軟膜/鋁膜對碳纖維復合材料工型加筋結構成型質量的影響，實驗結果顯示軟膜能顯著提高模具與預浸料的貼合程度。因此本文針對碳纖維復合材料電池箱的模具設計分別從材料、成型工藝類型、模具種類、電池箱結構進行研究，并實際生產制備碳纖維復合材料電池箱，驗證其可靠性。本文工作將有助于碳纖維復合材料電池箱成型中模具設計與制備。

2 碳纖維復合材料電池箱模具工藝研究

2.1 模具材料對構件的影響

由于不同材料的物理特性如強度、剛度、導熱系數、熱膨脹系數等系數不同，其應用領域和所獲得的復合材料構件質量不同，因此模具設計過程中需要根據不同成型類型以及結構選取合適的模具材料。常見的碳纖維復合材料成型模具加工材料有陶瓷、橡膠、木材、碳纖維復合材料、鋁、鋼等。

陶瓷材料具有耐高溫、密度低，相比較碳鋼和鋁合金等材料，制備工藝簡單且耐磨性好，但陶瓷材料強度較低，因為碰撞導致破壞，因此使用存在一定局限。國內外常通過混合金屬材料的方式制備金屬陶瓷模具，使其具有耐磨性又有一定強度[8]。

橡膠材料具有較大膨脹系數，因此多被用于熱膨脹工藝，如硅膠模具通過受熱膨脹在模腔中提供一定壓力，實現不依靠外部施壓制備碳纖維復合材料構件。因此橡膠材料具有隨形好，與構件間易于配合、傳遞成型壓力可靠的特點，但是橡膠材料壽命短、成本較大，且膨脹變形不宜控制[9]。

木材模具質量輕、價格低、易于加工，但使用壽命短，且成型精度較差，通常僅能使用一次，因此常被用于工藝試驗件的成型中。碳纖維復合材料模具質量輕、模量高、剛度大，由于膨脹系數與構件一致，成型精度高，但是成本大、耐溫性差且表面容易受損，較多使用于賽車和航空等領域。

金屬模具適用于高溫固化部件的高尺寸精度制備，且適用于量化生產。通常金屬模具有鋁制和鋼制。鋁制模具導熱性和加工性好，質量輕，精度高；鋼制模具剛性大，使用溫度高，壽命長[10]。但金屬材料熱膨脹系數較大，如表1所示[11]，鋼制材料的熱膨脹系數是碳纖維材料的兩倍左右，而鋁合金的熱膨脹系數是碳纖維材料的三倍左右。研究表明，由于模具與構件的熱膨脹系數不同，碳纖維復合材料在固化過程中會與模具產生相互作用，容易造成脫模后構件的變形，因此高溫環境下的構件在必要時需要進行工藝補償[12]。

表1 不同材料熱膨脹系數

碳纖維復合材料電池箱作為電池模組的承載部件，需要保證內部尺寸精度，且為實現碳纖維電池箱的低成本量化生產實現實際應用，一般模具采用金屬模具最合適。

2.2 模具種類對構件的影響

不同碳纖維復合材料成型工藝對構件要求存在一定限制，因此模具的類型存在差異，如纏繞成型工藝多用于圓柱形或球形構件，其模具可以為石膏模。碳纖維復合材料電池箱結構較大，一般多采用樹脂傳遞模塑工藝（RTM）、模壓成型、熱壓罐成型工藝等實現批量化生產。RTM工藝、模壓成型工藝通常采用雙模成型，而熱壓罐工藝采用單模成型。按照模具類型不同可分為陽模和陰模，如圖1[13]。

圖1 陽模和陰模

根據模具造型不同，凸形模腔模具為陽模，凹形模腔模具為陰模。由于陽模和陰模的成型工藝不同，使得利用兩種模具加工出的構件各具優勢。

陽模是一種模仿零件形狀的原模，結構簡單，成型速度快，由于構件內表面與模具貼合，因此構件內部能夠獲得較好精度。陰模通常更加昂貴，由于構件外表面貼合模具，因此能夠獲得較好表面質量，但是在內部精度上有所欠缺。

3 碳纖維復合材料電池箱模具設計

3.1 模具選擇

針對某公司設計的碳纖維復合材料電池箱進行模具設計，如圖2所示碳纖維復合材料電池箱，整體尺寸為 1050mm×630mm×240mm,下箱體高125mm，底部厚度為8mm,其余位置均為1mm。電池箱結構包括上箱體、下箱體、鋁合金組件（阻隔梁、鋁合金支架）組成，兩側和中間位置通過預埋泡沫夾心件和T型螺母用于固定電池模組。由于該碳纖維復合材料電池箱結構較為復雜，且四周壁厚僅為1mm，RTM工藝和模壓成型工藝對樹脂流動性要求較大，因此并不適用，最終采用熱壓罐工藝制備碳纖維復合材料電池箱。

圖2 碳纖維復合材料電池箱

熱壓罐工藝制備構件為單模制備，由于下箱體內部需要安裝電池模組、水冷板以及大量結構組件，需要滿足一定精度要求，因此采用陽模制備。上箱體主要作用是通過螺栓與下箱體連接，形成密閉空間，因此采用陰模制備，以獲取較好的外觀。

為實現電池箱的量化生產，采用金屬制模具。由于鋁合金加工性好，能夠獲得更高質量的模具，保證碳纖維電池箱的整體精度，因此最終采用鋁制模具用于制備電池箱。

3.2 模具設計

如圖2所示，碳纖維復合材料電池箱側壁較高且內部存在凸形預埋件，在脫模時會產生過大摩擦力。由于箱體側壁僅為1mm，容易由于脫模困難造成側壁破裂現象，因此模具采用分模設計。

如圖3所示，上下箱體模具均分為五部分組成，四側模具結構用于保證箱體側壁精度，同時四側模具與中間腔體模具通過螺栓連接，能夠通過拆卸向內取模的方式保證順利脫模。同時下模側壁和內部預埋件設計中采用箱內拔模5°，上箱體模具側壁向外拔模5°，更近一步保證取模順利。利用三維軟件實現模具設計，采用數控機床對模具進行加工，最終模具如圖4所示。

圖3 碳纖維復合材料電池箱模具設計

圖4 碳纖維復合材料電池箱模具

3.3 電池箱制備

熱壓罐工藝是利用罐內高溫壓縮氣體對復合材料坯料進行加熱、加壓以完成固化成型的方法。碳纖維復合材料電池箱整體工藝流程包括預浸料制備、采用[0/90/0/90/0]鋪疊、固化成型。坯料在真空薄膜作用下密封在模具上，受到罐內均勻壓力和溫度得到較好質量的構件。最終碳纖維復合材料電池箱試件如圖5所示。

圖5 碳纖維復合材料電池箱

由于模具采用分模設計，因此該碳纖維復合材料電池箱順利脫模，經檢測箱體無分層、孔隙等問題。通過激光測量，箱體尺寸與設計尺寸一致，并沒有因為熱膨脹系數不同而導致的固化變形問題，符合電池箱廠商制造要求，驗證了所設計碳纖維復合材料電池箱模具的可靠性。

4 總結

碳纖維復合材料電池箱的生產過程中，模具作為必要部件，其工藝研究具有重要意義。本文從模具材料、成形工藝類型、模具種類等方面對模具工藝設計進行了闡述和分析，并實際結合某款碳纖維復合材料電池箱結構特點，從模具種類選擇、材料選型，成型工藝選擇，模具設計等方面成功設計了一款碳纖維復合材料電池箱模具，并采用熱壓罐工藝得到較好質量的構件。本文研究將對碳纖維復合材料電池箱的模具工藝設計具有重要指導意義。