AOC开发出独特的碳纤维增强SMC技术

 

采用由AOC独特的Daron®树脂与碳纤维制成的SMC，能够稳定地生产出机械强度优异、密度低、可电泳涂装并能保持复合材料特有的设计灵活性的部件。AOC战略项目经理Luuk Groenewoud和高级研发科学家Ron Verleg介绍了这种新的CF-SMC是如何支持英国政府资助的研究项目TUCANA成功地开发出汽车结构部件。

片状模塑（SMC）成型工艺已被证明是最通用的复合材料部件生产方法之一，具有生产浪费少、产量高、设计自由度大以及可实现功能集成等诸多优势，因此，SMC被广泛地用于大批量地制造交通运输、电气、建筑和消费品市场所需的坚固、耐用且轻质的复合材料部件。
 

“近年来，基于碳纤维的新型SMC材料已实现商业化，现已完全获得了工业化的应用，用于生产性能优于同类铝制及钢制部件的超轻结构件。”Ron Verleg介绍说，“目前，有几种热固性树脂系统可用于SMC工艺中，每一种都有其独特的优缺点。”

不饱和聚酯树脂（UPRs）是适合SMC应用的主要树脂，基于UPR的SMC配混料具有良好的力学性能，允许使用高比例的填料（这有助于降低配混料的成本）且在型腔中具有良好的流动性。但与碳纤维一起使用时，由于UPR 对碳纤维的浸润不完全且在碳纤维表面的附着力差，因而会导致成型部件的机械性能低。

乙烯基酯树脂（VERs）的主要优点是，可在碳纤维部件中实现更高的力学性能，这是由于固化的VER基体提供了较高的力学性能。然而，要将VERs增稠到SMC成型所需的水平却是一大挑战。此外，VERs的粘度通常很高，以至于不能完全浸透纤细的碳纤维，特别是在使用高体积百分量的纤维时。

得到精细调整的环氧树脂（EPRs）能为SMC部件带来高的力学性能。然而，要想在大批量的生产中低成本地实施这项工艺却一直面临着挑战。EPR SMC系统的主要缺点是浸渍、熟化和成型过程困难，需要多个耗时的加热步骤。
 

“为解决这些问题，AOC 开发了一种独特的SMC技术，可以采用UPR SMC和VER SMC 生产出具有环氧碳纤SMC 力学性能的短切碳纤维模塑件。”AOC 战略项目经理Luuk Groenewoud介绍说，“这项突破性的技术以AOC的Daron® 聚氨酯混合技术为基础。”

Daron® SMC技术提供独特的优势，包括：延长了配混料的存储时间，室温下可保存6个月；在模压成型过程中具有良好的流动性，能够完全充满型腔，包括嵌件和肋。Daron® SMC 技术还采用了苯乙烯清除技术，可以实现最佳的自由基聚合反应，极大地降低了挥发性有机物的排放。

“基于Daron®树脂的低粘性，使得纤细的碳纤维丝束可以得到很好的浸润，因而可以使用高体积百分含量的碳纤维。”Ron Verleg说道，“此外，Daron® SMC技术允许在固化的树脂基体与碳纤维之间实现理想的物理和化学作用。”

这些优势，再结合成型过程中的良好流动性，意味着成型部件可以获得极高的力学性能， 拉伸模量可达43 GPa，拉伸强度超过300 MPa。
 

到目前为止，CF-SMC 技术在产业中的增长一直较为缓慢，这通常是由于系统成本太高。为此，碳纤维制造商Zoltek已开发了一种较低成本的50K的分束（split-tow）碳纤维。这种碳纤维能够在SMC配混过程中展开，同时又能提供小丝束（约3K）碳纤维的性能。当50K纤维展开成3K的纤维束时，强度性能提高了，性能明显优于12K的纤维。

TUCANA 项目由捷豹路虎领导，汇集了世界领先的学术和行业合作伙伴，旨在提供更加坚固而又轻质的车辆结构，以提高电动汽车的性能。TUCANA项目将通过具有成本效益的、可扩展的碳纤维复合材料解决方案来实现这一愿景。作为该项目的一部分，Astar正在采用Zoltek的分束（split-tow）纤维技术并结合AOC 的Daron SMC 技术来生产一种CF-SMC， 到目前为止，所生产的CF-SMC符合该项目的所有规范要求，包括机械强度和成型性能。

除机械性能和成本外，满足大批量汽车生产要求的另一个先决条件是，所生产的复合材料部件要能够经受喷涂工艺的考验，包括电泳涂装步骤。电泳涂装通常是在相对较高的温度下进行的，温度高达200℃，整个过程需要持续大约30min。在TUCANA项目中，所生产的SMC车身面板已通过了喷漆生产线，并已证明，当采用定义的成型参数加工时，基于Daron®树脂系统的SMC没有出现任何分层。

不仅如此，Daron CF-SMC技术具有独特的苯乙烯清除功能，因而无苯乙烯排放且总的VOC值非常低（远低于内饰应用所要求的100 µg/g）。而在VDA 270排放测试中，气味等级评价为3 级。因此，Daron CF-SMC 还可用于生产内饰部件。
 

通过整合价值链上的力量，Zoltek、AOC和Astar已设法按工业化的规模低成本地生产出了CF-SMC。Zoltek的分束（split-tow）纤维经Astar展开后，再加上对AOC Daron® SMC 树脂的应用，使得生产出的CF-SMC得以被用于生产由英国政府资助的TUCANA项目作为研究用的汽车内饰结构件，所带来的好处是机械性能优异、能在大批量的生产中实现稳定加工、成本和部件排放低，以及设计自由度高。
“这种新的高性能CF-SMC的其他潜在应用包括动态承载部件，如发动机副框架和转向节。”Luuk Groenewoud总结道，“这使得该材料系统成为满足未来汽车大批量生产应用需求的极为理想的解决方案。”