AOC開發(fā)出獨(dú)特的碳纖維增強(qiáng)SMC技術(shù)
 

    采用由AOC獨(dú)特的Daron®樹脂與碳纖維制成的SMC，能夠穩(wěn)定地生產(chǎn)出機(jī)械強(qiáng)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(xiàng)目經(jīng)理Luuk Groenewoud和高級研發(fā)科學(xué)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(xiàng)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(fèi)少、產(chǎn)量高、設(shè)計自由度大以及可實(shí)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(yùn)輸、電氣、建筑和消費(fèi)品市場所需的堅固、耐用且輕質(zhì)的復(fù)合材料部件。

 

 

    “近年來，基于碳纖維的新型SMC材料已實(shí)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(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)。”

 

    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(xué)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(jī)械性能低。

 

    乙烯基酯樹脂（VERs）的主要優(yōu)點(diǎn)是，可在碳纖維部件中實(shí)現(xiàn)更高的力學(xué)性能，這是由于固化的VER基體提供了較高的力學(xué)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(xì)的碳纖維，特別是在使用高體積百分量的纖維時。

 

    得到精細(xì)調(diào)整的環(huán)氧樹脂（EPRs）能為SMC部件帶來高的力學(xué)性能。然而，要想在大批量的生產(chǎn)中低成本地實(shí)施這項(xiàng)工藝卻一直面臨著挑戰(zhàn)。EPR SMC系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是浸漬、熟化和成型過程困難，需要多個耗時的加熱步驟。

 

 

    “為解決這些問題，AOC 開發(fā)了一種獨(dú)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(xué)性能的短切碳纖維模塑件。”AOC 戰(zhàn)略項(xiàng)目經(jīng)理Luuk Groenewoud介紹說，“這項(xiàng)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(dú)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(shí)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(jī)物的排放。

 

   “基于Daron®樹脂的低粘性，使得纖細(xì)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(shí)現(xiàn)理想的物理和化學(xué)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(xué)性能， 拉伸模量可達(dá)43 GPa，拉伸強(qiáng)度超過300 MPa。

 

 

    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(dāng)50K纖維展開成3K的纖維束時，強(qiáng)度性能提高了，性能明顯優(yōu)于12K的纖維。

 

    TUCANA 項(xiàng)目由捷豹路虎領(lǐng)導(dǎo)，匯集了世界領(lǐng)先的學(xué)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(xiàng)目將通過具有成本效益的、可擴(kuò)展的碳纖維復(fù)合材料解決方案來實(shí)現(xiàn)這一愿景。作為該項(xiàng)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(xiàng)目的所有規(guī)范要求，包括機(jī)械強(qiáng)度和成型性能。

 

    除機(jī)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(yàn)，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(jìn)行的，溫度高達(dá)200℃，整個過程需要持續(xù)大約30min。在TUCANA項(xiàng)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(dāng)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(dú)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(yuǎn)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。

 

 

    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(xiàng)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(jī)械性能優(yōu)異、能在大批量的生產(chǎn)中實(shí)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(jī)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。”