碳纖維片狀模塑料

1、碳纖維片狀模塑料(SMC) 1、 碳纖維片狀模塑料 片狀模壓料（Sheet Molding Compound, SMC）是由樹脂糊浸漬纖維或短切纖維氈，兩邊覆蓋聚乙烯薄膜而制成的一類片狀模壓料，屬于預(yù)浸氈料范圍。是目前國際上應(yīng)用最廣泛的成型材料之一（屬于原料范疇，類似于我們常用的預(yù)浸料）。常用樹脂有：不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂等，其中不飽和聚酯樹脂較為常用，現(xiàn)以其為例介紹如下：不飽和聚酯樹脂，化工原料的一種，常用于物體表面加厚、固化，使用時如同刷油漆一般，層層加疊，固化過程釋放苯乙烯等有害氣體。不飽和聚酯樹脂是熱固性樹脂中最常用的一種，它是由飽和二元酸、不飽和二元酸和二元醇縮聚而成的線形聚合物，

2、經(jīng)過交聯(lián)單體或活性溶劑稀釋形成的具有一定黏度的樹脂溶液，簡稱UP，這是不飽和聚酯樹脂最大的優(yōu)點。可以在室溫下固化，常壓下成型，工藝性能靈活，特別適合大型和現(xiàn)場制造玻璃鋼等制品。力學(xué)性能指標(biāo)略低于環(huán)氧樹脂，但優(yōu)于酚醛樹脂。耐腐蝕性，電性能和阻燃性可以通過選擇適當(dāng)牌號的樹脂來滿足要求，樹脂顏色淺，可以制成透明制品。品種多，適應(yīng)廣泛，價格較低。缺點是固化時收縮率較大，貯存期限短。環(huán)氧樹脂較為熟悉，此處不再介紹。分類方式1：常用碳纖維按纖維連續(xù)與否可分為短切纖維和連續(xù)型纖維，連續(xù)型纖維的性能好于短切纖維。如所用樹脂為乙烯基酯樹脂，碳纖維為東麗12K PAN聚丙烯腈纖維，纖維長度為25mm，固化溫度14

3、5C-155C，生產(chǎn)的SMC性能數(shù)據(jù)如表一所示；所用樹脂為乙烯基酯樹脂（屬于變性環(huán)氧樹脂，秉承了環(huán)氧樹脂的優(yōu)良特性，固化性和成型性方面更為出色），碳纖維為東麗12K PAN聚丙烯腈纖維，纖維為連續(xù)型，固化溫度145C-155C，生產(chǎn)的SMC性能數(shù)據(jù)如表二所示。表一：短切纖維SMC性能 表二：連續(xù)型纖維SMC性能 分類方式2：SMC作為一種新型材料，根據(jù)具體用途和要求的不同又發(fā)展出一系列新品種，如BMC、TMC、HNC、XMC等。團狀模壓料（Bulk Molding Compound, BMC） 其組成與SMC極為相似，是一種改進型的預(yù)混團狀模壓料，可用于模壓和擠出成型。兩者的區(qū)別僅在于材料形態(tài)

4、和制作工藝上。BMC中纖維含量較低，纖維長度較短，約618mm，填料含料較大，因而BMC制品的強度比SMC制品的強度低，BMC比較適合于壓制小型制品，而SMC適合于大型薄壁制品。厚片狀模壓料（Thick Molding Compound, TMC） 其組成和制作與SMC相似，厚達50mm。由于TMC厚度大，玻璃纖維能隨機分布，改善了樹脂對玻璃纖維的浸潤性。此外，該材料還可以采用注射和傳遞成型。高強度模壓料（Hight Molding Compound, HMC） 和高強度片狀模壓料XMC主要用于制造汽車部件。HMC中不加或少加填料，采用短切玻璃纖維，纖維含量為65%左右，玻璃纖維定向分布，具有

5、極好的流動性和成型表面，其制品強度約是SMC制品強度的3倍。XMC用定向連續(xù)纖維，纖維含量達70%80%，不含填料。ZMC ZMC是一種模塑成型技術(shù)，ZMC三個字母并無實際含義，而是包含模塑料、注射模塑機械和模具三種含義。ZMC制品既保持了較高的強度指標(biāo)，又具有優(yōu)良的外觀和很高的生產(chǎn)效率，綜合了SMC和BMC的優(yōu)點，獲得了較快的發(fā)展。2、 性能特點及連接方式 性能特點：具有碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)點，可以根據(jù)實際使用要求調(diào)整纖維形式（短切、連續(xù)等）、等級、樹脂種類以及工藝參數(shù)（模具壓力等）等，制備出不同性能等級的產(chǎn)品，部分具體性能參見表一、二。 連接方式：SMC的連接方式大致可分為兩類，第一類為構(gòu)件

6、成型時連接，即在構(gòu)件固化成型時的連接；第二類為構(gòu)件成型后連接，主要有膠接和螺栓連接等，具體介紹如下。第一類：構(gòu)件成型與連接同時進行 圖一 a b中為碳纖維SMC料和玻璃纖維SMC料的連接方式，連接于成型同時進行，其中a為套接，b為搭接，試驗表明搭接處的強度與玻璃纖維材料本身強度接近，即接頭并沒有降低構(gòu)件的整體強度，如表三所示。 圖一 a 套接 b 搭接 表三：材料本身及連接后拉伸強度第二類：構(gòu)件成型后再連接 （1）膠接：圖二為采用SMC工藝生產(chǎn)的復(fù)合材料風(fēng)擋，所用增強材料為單向玻璃纖維和單向碳纖維，內(nèi)、外片成型后再使用結(jié)構(gòu)膠粘劑進行膠接，取得較好的力學(xué)性能（剛度提高122%）和減重效果（減重4

7、5%）。（2）螺栓連接：F.E. Devine(Bolted assembly of engineering components press moulded from sheet moulding compound)研究了玻璃SMC的螺栓連接，考察了螺栓數(shù)量、位置、大小等對連接性能的影響。圖二 風(fēng)擋截面圖優(yōu)點：強度好，SMC能與金屬材料相抗衡，操作處理方便，增強材料在 生產(chǎn)與成型過程中均無損傷，制品強度高，可進行輕型化結(jié)構(gòu)設(shè)計； 重現(xiàn)性好，不受操作者和外界條件的影響（自動化程度高）,產(chǎn)品 具有耐水性好; 高精度表面; 性能穩(wěn)定;絕緣性能好; 強度均勻; 剛 度好; 產(chǎn)品尺寸精確, 受溫度影響

8、小; 產(chǎn)品厚度容易控制等優(yōu)良性； 操作環(huán)境清潔、衛(wèi)生，改善了勞動條件； 通過改變組分的種類與配比，可改變成型工藝和制品性能，通過改 變填料的種類與加入量，可降低成本或使制品輕量化流動性好，可 成型異形制品（成型性好）； 模壓工藝對溫度和壓力要求不高(根據(jù)所用樹脂和成品強度要求)， 可變范圍大，可大幅度降低設(shè)備和模具費用； 纖維長度可選范圍大（短切至連續(xù)纖維），質(zhì)量可控性好，適宜于 各種構(gòu)件制造； 所得制品表面光潔度高，采用低收縮添加劑后，表面質(zhì)量更為理想； 生產(chǎn)效率高，成型周期短，易于實現(xiàn)全自動機械化操作，生產(chǎn)成本 相對較低SMC生產(chǎn)周期短, 平均單件產(chǎn)品成形周期1 8分鐘, 其 它工藝所達不

9、到的, 便于集約化生產(chǎn)。在美國, 汽車外板的成形周 期已降至1分鐘, 用1副模具每月能壓制20000件產(chǎn)品。 缺點：成品收縮率較大； 前期設(shè)備投入較大，包括SMC原料制備設(shè)備和模壓設(shè)備； 要求有較大產(chǎn)量來分攤成本；3、 國內(nèi)外的研究開展現(xiàn)狀1. GFSMC(玻璃纖維片狀模塑料)：玻璃纖維片狀模塑料由于應(yīng)用較早，該領(lǐng)域的的研究也較多。國內(nèi)、外在該領(lǐng)域的研究主要集中在兩方面：1）原材料的研究；2）工藝研究；3）性能研究。國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究主要集中在推廣應(yīng)用、原材料改性、工藝控制、SMC性能試驗等。國外研究較為深入，不僅有推廣應(yīng)用、原材料、工藝控制等研究，對GFSMC成品的性能研究也較多，如纖維長度

10、的影響、纖維走向、與手糊工藝性能對比、疲勞、拉伸、剪切、壓縮、沖擊等，研究得很深入和全面。2. GFSMC(玻璃纖維片狀模塑料)：國內(nèi)對CFSMC研究較少，主要見于前瞻性推廣研究等，其他方面研究很少，目前僅見碳纖維增強環(huán)氧模塑料研究一文，主要研究耐磨性，未見其他研究。生產(chǎn)領(lǐng)域，吉林市華研碳纖維制品有限公司碳纖維片狀模塑料生產(chǎn)線于2013年安裝完畢。國外對CFSMC有所研究，目前看到的論文涉及以下幾方面：E.V. Morozov SMC提出了損傷演化理論模型；Hang Li 采用短切碳纖維 ，研究了纖維走向?qū)π阅艿挠绊懀籎ose M. Castro 從降低SMC在汽車上應(yīng)用成本出發(fā)，采用短切碳纖

11、分層取代部分玻纖，對比了碳纖加入后對性能的提高； Mark Bruderick 等在2003款道奇中批量使用了利用連續(xù)玻纖和碳纖制成的SMC零部件，取得了良好的力學(xué)性能和減重效果，在汽車風(fēng)擋和車門中還嘗試了碳纖和玻纖的混合SMC制法和連接，都取得了良好的效果；I. Taketa使用短切碳纖維編織布（將編織布切成方形塊）作為SMC增強材料，研究了該型材料的拉伸、剪切強度等；J. Palmer研究使用回收的碳纖維作為SMC的增強材料，測定了不同纖維含量下的強度和吸能特性。 綜上，GFSMC由于應(yīng)用時間早，工藝也較成熟，研究較為深入。CFSMC的研究和使用晚于前者，由于整體性能的優(yōu)異性，近年來對它的

12、研究日益深入，但研究盲點仍較多，有較好的研究和推廣前景。 國內(nèi)CFSMC現(xiàn)狀：2013年國內(nèi)首條碳纖維片狀模塑料生產(chǎn)線在吉建成，該公司生產(chǎn)的碳纖維片狀模塑料中約 60% 是碳纖維。該公司使用碳纖維片狀模塑料研發(fā)生產(chǎn)出了多種性能優(yōu)異的產(chǎn)品，他們生產(chǎn)的剎車片壽命是普通剎車片的 2 倍，市場潛力巨大。未見其他相關(guān)報道。SMC在汽車領(lǐng)域已有較廣泛的應(yīng)用，尤其在歐美車企中。但主要采用玻璃纖維SMC,現(xiàn)就玻璃纖維SMC在歐美的使用情況作以下介紹。美國GFSMC在汽車領(lǐng)域的使用情況：1）外板應(yīng)用 像發(fā)動機罩那樣的大型部件使用復(fù)合材料制造, 汽車的輕質(zhì)化效果較明顯。福特( FORD) 公司的一些外板類部件選用

13、柔性SMC, 例如擋泥板等制品。與鋁制的外板相比, 生產(chǎn)成本下降了50%55%, 汽車部件的平均重量下降25%, 外觀質(zhì)量更好。美國幾大汽車公司的主要外板類SMC部件的產(chǎn)量和生產(chǎn)狀況如下。WINDSTAR微型行李車:發(fā)動機罩, 27. 2萬件/ 年, 10. 2kg/ 件;上部散熱口, 27. 2萬件/ 年, 2. 6kg/ 件;活動頂蓋, 27. 2萬件/ 年, 0. 8kg/ 件;擋泥板, 1. 5萬件/ 年, 15kg/ 件;LINCOLNCONTINENTAL汽車:發(fā)動機罩, 7. 5萬件/ 年, 14. 4kg/ 件;活動頂蓋, 7. 5萬件/ 年, 10. 0kg/ 件;擋泥板,

14、7. 5萬件/ 年, 2. 3kg/ 件;后側(cè)板延伸部, 7. 5萬件/ 年, 1. 1kg/ 件;MUSTANG汽車:發(fā)動機罩, 12萬件/ 年, 13. 6kg/ 件;后部進氣口, 12萬件/ 年0. 5kg/ 件;車牌支架, 14. 5萬件/ 年, 1kg/ 件;擾流板, 6. 05萬件/ 年, 6. 2kg/ 件;此外，美國通用汽車( GM) 公司生產(chǎn)的SMC車門、由外層板、內(nèi)層板與框架構(gòu)成, 采用Piemix 公司提供的SMC制造, 內(nèi)外板均采用含30%的短切纖維模壓而成, 結(jié)構(gòu)框架采用含30%的連續(xù)纖維和20%的短切纖維的SMC模壓而成, 比鋼門減輕了18. 1kg。美國通用公司研

15、制成功的EVI 電動汽車, 要求風(fēng)阻最小、零件要求質(zhì)輕、耐腐蝕、耐壓痕、耐沖擊強度高。于是采用含有空心玻璃微珠( 可使SMC減輕30%) 的SMC( 回收SMC占10%) 加工發(fā)動機罩, 車頂和車門。在結(jié)構(gòu)材料方面，通用公司大型的V8型車的保險杠要求耐8Km/ h的沖擊, 材料選用了45%玻纖含量的HMC。除此之外, 中小型車的保險杠大多使用SMC。1996年福特公司推出的FordTaurus/Sable轎車, 上、下散熱器支架由SMC制造,組成SMC前臉總成、采用40%短切玻纖/ 聚酯SMC模塑成型、脫模后需噴E膠衣, 本身底漆和車身膠衣、再烤漆、取代原來由22個鋼零件組成的前臉總成, 重量

16、減輕22%, 成本下降14%。除此之外，GFSMC在發(fā)動機周邊部件也有較廣泛的應(yīng)用，如發(fā)動機閥套等。 歐洲GFSMC在汽車領(lǐng)域的使用情況：SMC在歐洲汽車工業(yè)中的應(yīng)用, 雖比不上美國, 但也是一種極重要的汽車用材料。對于不同用途的SMC的總產(chǎn)量所做的調(diào)查表明, 德國是歐洲最大的SMC生產(chǎn)國,占SMC總量的35%, 德國生產(chǎn)的SMC中有41. 7%用于汽車工業(yè)。 在歐洲, SMC部件的應(yīng)用主要有三類:半結(jié)構(gòu)件( 如前圍板) , 高強度部件( 如保險杠) 和具有A 級表面精度的外板( 如舉升門、車門和發(fā)動機罩)。Alf a公司裝備的Spider 雙門敞篷轎車和GTV 小轎車的SMC發(fā)動機罩, 集翼

17、子板、前燈和前臉格柵為一體, 這是歐洲生產(chǎn)的第一個大型SMC部件, 具有A 級表面精度。 Aif a公司推出的Ferari F355轎車, 其前后保險杠均使用SMC。奧迪100c3型轎車的后保險杠加強梁, 采用C25/ R15的SMC制造, 彎曲強度大于340MPa; 奧迪200型轎車, 其后保險杠橫梁采用C40/ R20高含量玻纖的SMC制造, 纖維含量達60%, 彎曲強度大于810MPa; 奔馳190型轎車也采用SMCC/ R來制造吸能型保險杠。國內(nèi)GFSMC:1987年以來, 先后從日本、英國、德國、美國引進了SMC生產(chǎn)線14條。北京251廠、常州253廠、上海玻璃鋼研究所、哈爾濱玻璃鋼

18、研究院等單位先后自行研制成功了SMC機組，隨著國內(nèi)乘用車生產(chǎn)技術(shù)的引進，首先在乘用車上采用，主要用于備胎倉和保險杠骨架等，目前還應(yīng)用在商用車上，如挺桿室蓋板、膨脹水箱、線速夾、大小隔板、進氣罩總成等。較國外的應(yīng)用覆蓋范圍還有一定差距，可見SMC材料國內(nèi)市場有待進一步挖掘。CFSMC（碳纖維SMC）在車上的應(yīng)用：2003款道奇蝰蛇是首款批量運用CFSMC的車型，主要運用于車門和風(fēng)擋。作為敞篷車，對風(fēng)擋的強度要求較高，通過使用連續(xù)型碳纖和玻纖的混合，該車型的風(fēng)擋強度較原有車型有較大提升。新型車門在重量下降的前提下強度有所提升，車門下垂量得到了很好的控制。四、SMC工藝從原材料到成品，SMC成型工藝

19、主要分為兩部分：1）SMC片料制備；2）成型工藝，先分別介紹如下。1、 SMC片料制備：（1）樹脂糊的制備及上糊操作 樹脂糊的制備有兩種方法-間歇法和連續(xù)法。間歇法程序如下：將不飽和聚酯樹脂和苯乙烯倒入配料釜中，攪拌均勻；將引發(fā)劑倒入配料釜中，與樹脂和苯乙烯混勻；在攪拌作用下加入增稠劑和脫模劑；在低速攪拌下加入填料和低收縮添加劑；在配方所列各組分分散為止，停止攪拌，靜置待用。連續(xù)法是將SMC配方中的樹脂糊分為兩部分，即增稠劑、脫模劑、部分填料和苯乙烯為一部分，其余組分為另一部分，分別計量、混勻后，送入SMC機組上設(shè)置的相應(yīng)貯料容器內(nèi)，在需要時由管路計量泵計量后進入靜態(tài)混合器，混合均勻后輸送到SMC機組的上糊區(qū)，再涂布到聚乙烯薄膜上。（2）浸漬和壓實 經(jīng)過涂布樹脂糊的下承載薄膜在機組的牽引下進入短切玻璃纖維沉降室，切割好的短切玻璃纖維均勻沉降在樹脂糊上，達到要求的沉降量后，隨傳動裝置離開沉降室，并和涂布有樹脂糊的上承載薄膜相疊合，然后進入由一系列錯落排列的錕陣中，在張力和輥的作用下，下、上承載薄膜將樹脂糊和短切玻璃纖維緊緊壓在一起，經(jīng)過多次反復(fù)，使短切玻璃纖維浸漬樹脂并趕走其中的氣泡，形成密實而均勻的連續(xù)SMC片料。2、 壓制成型：將1制成的SMC片料經(jīng)裁剪、堆疊等步驟后進行模壓成型，成型過程中控制重點控制溫度