可规模化量产的高性能碳纤维SMC方案
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可规模化量产的高性能碳纤维SMC方案

2021年10月25日

AOC公司将独特的Daron®树脂与碳纤维相结合制成SMC部件,具有优异的综合性能,包括高机械强度、低密度、低排放,以及实现在线涂装,同时保持复合材料独特的设计灵活性。AOC的技术专家Luuk Groenewoud和Ron Verleg介绍了这一新的碳纤维SMC如何用于TUCANA项目中汽车结构部件的开发,该项目由英国政府资助。

片状模塑料(SMC)工艺已被证明是复合材料部件最通用的生产方法之一。它综合了生产过程低废料、规模化生产及功能模块化优点于一身,因此SMC广泛用于大批量制造坚固、耐用,且轻质的复合材料部件,应用于交通、电气、建筑和消费市场。

用碳纤维制造SMC部件

AOC高级研发科学家Ron Verleg解释道:“近年来,基于碳纤维的新型SMC材料已经商业化,目前实现了工业规模的应用,制成的超轻结构零件,其性能优于铝和钢的同类产品。”SMC工艺可使用几种热固性树脂系统,每种系统都有其特定的优缺点。

SMC最常用的是不饱和聚酯树脂(UPR),因为UPR SMC具有良好的机械性能,允许较高的填充量(从而降低制品成本),在模具内材料仍有良好的流动性。然而,当与碳纤维一起使用时,树脂浸润不完全,且与碳纤维表面附着力欠佳,导致模压件机械性能不高。

乙烯基酯树脂(VER)用于碳纤维模压件可获得更高的机械性能。然而,将乙烯基树脂片材增稠到要求的平台是个挑战。此外,乙烯基树脂粘度通常过高,无法完全浸润碳纤维细长丝,碳纤维占比高时更是如此。

经过优化的环氧树脂(EPR)也能用于SMC零件并获得高机械性能。然而EPR SMC体系最大的缺点是难浸润,熟化和成型过程需要相当耗时的升温步骤,这使得EPR SMC体系难于大规模生产,成本缺乏竞争力。

与碳纤维完美兼容

AOC战略项目经理Luuk Groenewoud补充道:“AOC开发了一种独特的SMC技术,使得短切碳纤维SMC拥有UPR SMC和VER SMC的良好工艺性,以及环氧树脂碳纤维的高机械性能。这项突破性技术基于AOC的Daron®聚氨酯杂化技术。”

Daron® SMC技术有独特的优势,储存时间长(室温下长达6个月),模压过程具有良好的流动性,能完全填充模具腔体,包括嵌件和加强筋。Daron® SMC技术还具有独特的自由基固化体系,使得生产过程挥发性有机物排放超常之低。

Ron Verleg说:“Daron®树脂粘度很低,即使高体积的碳纤维细丝束可以很好的浸润。此外,Daron® SMC技术使固化树脂基体和碳纤维之间产生了理想的物理和化学交互作用。”

这些优点,再加上成型过程良好的流动性,最终赋予部件很高的机械性能,拉伸模量达43 GPa,拉伸强度大于300 MPa。

aoc carbon smc.png

获得OEM认可

碳纤维SMC技术工业化过程一直比较缓慢,因为系统成本过高。碳纤维制造商Zoltek开发了一种成本较低的50K分束碳纤维,可在SMC模压过程中打开,打开的碳纤维性能可达到小丝束级别(约3K)。当50K纤维分成3K束时,强度增加,明显超过12K纤维。

由英国政府资助,捷豹路虎(Jaguar Land Rover)发起的图卡纳项目,旨在开发更硬、更轻的车辆结构,以提高电动汽车性能,参与者包括世界领先的学术和行业合作伙伴。图卡纳项目主攻方向是寻求成本效益高、可扩展的碳纤维复合材料解决方案。作为该项目的一部分,Astar公司使用Zoltek的分束纤维技术与AOC 的Daron SMC技术相结合,生产一种CF-SMC,它符合该项目迄今为止的所有规范,包括机械强度和模具性能。

除了机械性能和成本外,大批量汽车制造的另一个先决条件是复合材料零件能够承受涂装过程,包括在线电子涂装。后者在相对较高的温度下进行,温度可达200°C,持续约30分钟。在图卡纳项目中,样板已通过生产线喷漆车间运行,并且已经证明,基于Daron®树脂系统的SMC在使用规定的成型参数加工时不会出现任何分层。

此外,Daron CF-SMC技术包括一种独特的自由基固化技术,使得生产过程苯乙烯排放大幅减少,总VOC值非常低(远低于室内应用设定的100µg/g阈值),而气味在VDA 270排放测试中被评为3级。因此,Daron CF-SMC可用于生产内构件。

工业规模提供高性能

通过整合产业链力量,Zoltek、AOC和Astar为工业化生产CF-SMC获取成本效益找到了方案。Zoltek的分束纤维、Astar对纤维的打开技术,以及AOC的Daron® SMC树脂,三者的优势相结合,形成的CF-SMC 用于TUCANA研究项目汽车内构件的工程设计和生产,具备强大的机械性能、大规模生产的工艺稳健性、有利的成本效率和极低的VOC排放,以及设计自由度等一系列优点。

Luuk Groenewoud总结道:“这种新型高性能CF-SMC的应用方向还包括动态加载部件,如发动机副车架和转向节,这使得Daron系统将成为大批量生产未来汽车部件的理想解决方案。”

 

 

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