AOC開發出獨特的碳纖維增強SMC技術
 

    采用由AOC獨特的Daron®樹脂與碳纖維制成的SMC，能夠穩定地生產出機械強度優異、密度低、可電泳涂裝并能保持復合材料特有的設計靈活性的部件。AOC戰略項目經理Luuk Groenewoud和高級研發科學家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成功地開發出汽車結構部件。

 

    片狀模塑（SMC）成型工藝已被證明是最通用的復合材料部件生產方法之一，具有生產浪費少、產量高、設計自由度大以及可實現功能集成等諸多優勢，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、耐用且輕質的復合材料部件。

 

 

    “近年來，基于碳纖維的新型SMC材料已實現商業化，現已完全獲得了工業化的應用，用于生產性能優于同類鋁制及鋼制部件的超輕結構件。”Ron Verleg介紹說，“目前，有幾種熱固性樹脂系統可用于SMC工藝中，每一種都有其獨特的優缺點。”

 

    不飽和聚酯樹脂（UPRs）是適合SMC應用的主要樹脂，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，因而會導致成型部件的機械性能低。

 

    乙烯基酯樹脂（VERs）的主要優點是，可在碳纖維部件中實現更高的力學性能，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。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。

 

    得到精細調整的環氧樹脂（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中低成本地實施這項工藝卻一直面臨著挑戰。EPR SMC系統的主要缺點是浸漬、熟化和成型過程困難，需要多個耗時的加熱步驟。

 

 

    “為解決這些問題，AOC 開發了一種獨特的SMC技術，可以采用UPR SMC和VER SMC 生產出具有環氧碳纖SMC 力學性能的短切碳纖維模塑件。”AOC 戰略項目經理Luuk Groenewoud介紹說，“這項突破性的技術以AOC的Daron® 聚氨酯混合技術為基礎。”

 

    Daron® SMC技術提供獨特的優勢，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 技術還采用了苯乙烯清除技術，可以實現最佳的自由基聚合反應，極大地降低了揮發性有機物的排放。

 

   “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技術允許在固化的樹脂基體與碳纖維之間實現理想的物理和化學作用。”

 

    這些優勢，再結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。

 

 

    到目前為止，CF-SMC 技術在產業中的增長一直較為緩慢，這通常是由于系統成本太高。為此，碳纖維制造商Zoltek已開發了一種較低成本的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，性能明顯優于12K的纖維。

 

    TUCANA 項目由捷豹路虎領導，匯集了世界領先的學術和行業合作伙伴，旨在提供更加堅固而又輕質的車輛結構，以提高電動汽車的性能。TUCANA項目將通過具有成本效益的、可擴展的碳纖維復合材料解決方案來實現這一愿景。作為該項目的一部分，Astar正在采用Zoltek的分束（split-tow）纖維技術并結合AOC 的Daron SMC 技術來生產一種CF-SMC， 到目前為止，所生產的CF-SMC符合該項目的所有規范要求，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要求的另一個先決條件是，所生產的復合材料部件要能夠經受噴涂工藝的考驗，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℃，整個過程需要持續大約30min。在TUCANA項目中，所生產的SMC車身面板已通過了噴漆生產線，并已證明，當采用定義的成型參數加工時，基于Daron®樹脂系統的SMC沒有出現任何分層。

 

    不僅如此，Daron CF-SMC技術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（遠低于內飾應用所要求的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 還可用于生產內飾部件。

 

 

    通過整合價值鏈上的力量，Zoltek、AOC和Astar已設法按工業化的規模低成本地生產出了CF-SMC。Zoltek的分束（split-tow）纖維經Astar展開后，再加上對AOC Daron® SMC 樹脂的應用，使得生產出的CF-SMC得以被用于生產由英國政府資助的TUCANA項目作為研究用的汽車內飾結構件，所帶來的好處是機械性能優異、能在大批量的生產中實現穩定加工、成本和部件排放低，以及設計自由度高。

 

    “這種新的高性能CF-SMC的其他潛在應用包括動態承載部件，如發動機副框架和轉向節。”Luuk Groenewoud總結道，“這使得該材料系統成為滿足未來汽車大批量生產應用需求的極為理想的解決方案。”