現(xiàn)在,由碳纖維增強SMC制成的輕量化汽車結(jié)構(gòu)件已能夠?qū)崿F(xiàn)大批量的生產(chǎn)。AOC開發(fā)的一種獨特的Daron®樹脂,令這些部件機械強度優(yōu)異、密度和排放低,且能夠經(jīng)受電泳涂裝工藝,同時還能保持復(fù)合材料特有的設(shè)計靈活性。
AOC開發(fā)出獨特的碳纖維增強SMC技術(shù)
AOC開發(fā)出獨特的碳纖維增強SMC技術(shù)
采用由AOC獨特的Daron®樹脂與碳纖維制成的SMC,能夠穩(wěn)定地生產(chǎn)出機械強度優(yōu)異、密度低、可電泳涂裝并能保持復(fù)合材料特有的設(shè)計靈活性的部件。AOC戰(zhàn)略項目經(jīng)理Luuk Groenewoud和高級研發(fā)科學家Ron Verleg介紹了這種新的CF-SMC是如何支持英國政府資助的研究項目TUCANA成功地開發(fā)出汽車結(jié)構(gòu)部件。
片狀模塑(SMC)成型工藝已被證明是最通用的復(fù)合材料部件生產(chǎn)方法之一,具有生產(chǎn)浪費少、產(chǎn)量高、設(shè)計自由度大以及可實現(xiàn)功能集成等諸多優(yōu)勢,因此,SMC被廣泛地用于大批量地制造交通運輸、電氣、建筑和消費品市場所需的堅固、耐用且輕質(zhì)的復(fù)合材料部件。
制造碳纖維的SMC部件
“近年來,基于碳纖維的新型SMC材料已實現(xiàn)商業(yè)化,現(xiàn)已完全獲得了工業(yè)化的應(yīng)用,用于生產(chǎn)性能優(yōu)于同類鋁制及鋼制部件的超輕結(jié)構(gòu)件。”Ron Verleg介紹說,“目前,有幾種熱固性樹脂系統(tǒng)可用于SMC工藝中,每一種都有其獨特的優(yōu)缺點。”
不飽和聚酯樹脂(UPRs)是適合SMC應(yīng)用的主要樹脂,基于UPR的SMC配混料具有良好的力學性能,允許使用高比例的填料(這有助于降低配混料的成本)且在型腔中具有良好的流動性。但與碳纖維一起使用時,由于UPR 對碳纖維的浸潤不完全且在碳纖維表面的附著力差,因而會導(dǎo)致成型部件的機械性能低。
乙烯基酯樹脂(VERs)的主要優(yōu)點是,可在碳纖維部件中實現(xiàn)更高的力學性能,這是由于固化的VER基體提供了較高的力學性能。然而,要將VERs增稠到SMC成型所需的水平卻是一大挑戰(zhàn)。此外,VERs的粘度通常很高,以至于不能完全浸透纖細的碳纖維,特別是在使用高體積百分量的纖維時。
得到精細調(diào)整的環(huán)氧樹脂(EPRs)能為SMC部件帶來高的力學性能。然而,要想在大批量的生產(chǎn)中低成本地實施這項工藝卻一直面臨著挑戰(zhàn)。EPR SMC系統(tǒng)的主要缺點是浸漬、熟化和成型過程困難,需要多個耗時的加熱步驟。
與碳纖維完美兼容
“為解決這些問題,AOC 開發(fā)了一種獨特的SMC技術(shù),可以采用UPR SMC和VER SMC 生產(chǎn)出具有環(huán)氧碳纖SMC 力學性能的短切碳纖維模塑件。”AOC 戰(zhàn)略項目經(jīng)理Luuk Groenewoud介紹說,“這項突破性的技術(shù)以AOC的Daron® 聚氨酯混合技術(shù)為基礎(chǔ)。”
Daron® SMC技術(shù)提供獨特的優(yōu)勢,包括:延長了配混料的存儲時間,室溫下可保存6個月;在模壓成型過程中具有良好的流動性,能夠完全充滿型腔,包括嵌件和肋。Daron® SMC 技術(shù)還采用了苯乙烯清除技術(shù),可以實現(xiàn)最佳的自由基聚合反應(yīng),極大地降低了揮發(fā)性有機物的排放。
“基于Daron®樹脂的低粘性,使得纖細的碳纖維絲束可以得到很好的浸潤,因而可以使用高體積百分含量的碳纖維。”Ron Verleg說道,“此外,Daron® SMC技術(shù)允許在固化的樹脂基體與碳纖維之間實現(xiàn)理想的物理和化學作用。”
這些優(yōu)勢,再結(jié)合成型過程中的良好流動性,意味著成型部件可以獲得極高的力學性能, 拉伸模量可達43 GPa,拉伸強度超過300 MPa。
OEM 認可度
到目前為止,CF-SMC 技術(shù)在產(chǎn)業(yè)中的增長一直較為緩慢,這通常是由于系統(tǒng)成本太高。為此,碳纖維制造商Zoltek已開發(fā)了一種較低成本的50K的分束(split-tow)碳纖維。這種碳纖維能夠在SMC配混過程中展開,同時又能提供小絲束(約3K)碳纖維的性能。當50K纖維展開成3K的纖維束時,強度性能提高了,性能明顯優(yōu)于12K的纖維。
TUCANA 項目由捷豹路虎領(lǐng)導(dǎo),匯集了世界領(lǐng)先的學術(shù)和行業(yè)合作伙伴,旨在提供更加堅固而又輕質(zhì)的車輛結(jié)構(gòu),以提高電動汽車的性能。TUCANA項目將通過具有成本效益的、可擴展的碳纖維復(fù)合材料解決方案來實現(xiàn)這一愿景。作為該項目的一部分,Astar正在采用Zoltek的分束(split-tow)纖維技術(shù)并結(jié)合AOC 的Daron SMC 技術(shù)來生產(chǎn)一種CF-SMC, 到目前為止,所生產(chǎn)的CF-SMC符合該項目的所有規(guī)范要求,包括機械強度和成型性能。
除機械性能和成本外,滿足大批量汽車生產(chǎn)要求的另一個先決條件是,所生產(chǎn)的復(fù)合材料部件要能夠經(jīng)受噴涂工藝的考驗,包括電泳涂裝步驟。電泳涂裝通常是在相對較高的溫度下進行的,溫度高達200℃,整個過程需要持續(xù)大約30min。在TUCANA項目中,所生產(chǎn)的SMC車身面板已通過了噴漆生產(chǎn)線,并已證明,當采用定義的成型參數(shù)加工時,基于Daron®樹脂系統(tǒng)的SMC沒有出現(xiàn)任何分層。
不僅如此,Daron CF-SMC技術(shù)具有獨特的苯乙烯清除功能,因而無苯乙烯排放且總的VOC值非常低(遠低于內(nèi)飾應(yīng)用所要求的100 µg/g)。而在VDA 270排放測試中,氣味等級評價為3 級。因此,Daron CF-SMC 還可用于生產(chǎn)內(nèi)飾部件。
高性能產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)
通過整合價值鏈上的力量,Zoltek、AOC和Astar已設(shè)法按工業(yè)化的規(guī)模低成本地生產(chǎn)出了CF-SMC。Zoltek的分束(split-tow)纖維經(jīng)Astar展開后,再加上對AOC Daron® SMC 樹脂的應(yīng)用,使得生產(chǎn)出的CF-SMC得以被用于生產(chǎn)由英國政府資助的TUCANA項目作為研究用的汽車內(nèi)飾結(jié)構(gòu)件,所帶來的好處是機械性能優(yōu)異、能在大批量的生產(chǎn)中實現(xiàn)穩(wěn)定加工、成本和部件排放低,以及設(shè)計自由度高。
“這種新的高性能CF-SMC的其他潛在應(yīng)用包括動態(tài)承載部件,如發(fā)動機副框架和轉(zhuǎn)向節(jié)。”Luuk Groenewoud總結(jié)道,“這使得該材料系統(tǒng)成為滿足未來汽車大批量生產(chǎn)應(yīng)用需求的極為理想的解決方案。”