碳纖維片狀模塑料資料

1、碳纖維片狀模塑料 (SMC)一、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(shí)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

2、聚而成的線形聚合物，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(jiǎn)稱 UP ，這是不飽和聚酯樹脂最大的優(yōu)點(diǎn)?？梢?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(chǎng)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(hào)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(jià)格較低。缺點(diǎn)是固化時(shí)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

3、腈纖維，纖維長(zhǎng)度為 25mm，固化溫度 145C-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-155 C，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(tuán)狀模壓料( Bulk Molding Compound, BMC ) 其組成與 S

4、MC 極為相似，是一種改進(jìn)型的預(yù)混 團(tuán)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)和制作工藝 上。BMC 中纖維含量較低，纖維長(zhǎng)度較短，約 618mm ，填料含料較大，因 而BMC制品的強(qiáng)度比SMC制品的強(qiáng)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(dá) 50mm 。由于TMC 厚度大，玻璃纖維 能隨機(jī)分布，改善了樹脂對(duì)玻璃纖維的浸潤(rùn)性。此外，該材料還可以采用注射 和傳遞成型。高強(qiáng)度模壓料( Hight Molding Compound, HMC ) 和高強(qiáng)

5、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，具有極好的流動(dòng)性和 成型表面，其制品強(qiáng)度約是 SMC制品強(qiáng)度的 3倍。 XMC 用定向連續(xù)纖維，纖維 含量達(dá)70% 80% ，不含填料。 ZMC ZMC 是一種模塑成型技術(shù)， ZMC三個(gè)字母并無實(shí)際含義，而是包含模塑料、注射模塑機(jī)械和模具三種含義。 ZMC 制品既保持了較高的強(qiáng)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(diǎn)，獲得了較快的發(fā)展。、性能特點(diǎn)及連接方式性能特點(diǎn) ：具有碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)實(shí)際使用要求調(diào)整纖維形 式（短切

6、、連續(xù)等）、等級(jí)、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(jí)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)件成型時(shí)連接，即 在構(gòu)件固化成型時(shí)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(shí)進(jìn)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(shí)進(jìn)行，其中 a為套接， b為搭接，試驗(yàn)表明 搭接處的強(qiáng)度與玻璃纖維材料本身強(qiáng)度接近，即接頭并沒有降低構(gòu)件的整體強(qiáng) 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(qiáng)度第二類：構(gòu)件成型后再連接 （1）膠

7、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(qiáng)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(jìn)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 45%）。（ 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(duì)連接性能的影響。圖二 風(fēng)擋截面圖優(yōu)點(diǎn)： 強(qiáng)度好， SMC能與金屬材料相抗衡，操作處理方便，增強(qiáng)材料在 生產(chǎn)與成型過

8、程中均無損傷， 制品強(qiáng)度高， 可進(jìn)行輕型化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 重現(xiàn)性好，不受操作者和外界條件的影響（自動(dòng)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(qiáng)度均勻 ; 剛 度好 ; 產(chǎn)品尺寸精確 , 受溫度影響小 ; 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(dòng)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(dòng)性好，可 成型異形制品（成型性好）；模壓工藝對(duì)溫度和壓力要求不高 （ 根據(jù)所用樹脂和成品強(qiáng)度要 求），可變范圍大，可大幅度降低設(shè)備和模具費(fèi)用； 纖維長(zhǎng)度可選范圍大 （短切至連續(xù)纖

9、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(shí)現(xiàn)全自動(dòng)機(jī)械化操作，生產(chǎn)成本相對(duì)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(dá)不到的 , 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(diǎn)： 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?jǐn)偝杀?；三、國?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

10、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(yàn)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(duì)GFSM成C品的性能研究也較多， 如纖維長(zhǎng)度的影響、 纖維走向、與手糊工藝性能對(duì)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(duì)CFSM研C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(qiáng)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

11、碳 纖維片狀模塑料生產(chǎn)線于 2013年安裝完畢。國外對(duì) CFSM有C 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?Jose M. Castro 從降低SMC 在汽車上應(yīng)用成本出發(fā)， 采用短切碳纖分層取代部分玻纖， 對(duì)比了碳纖加入后對(duì) 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.

12、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(qiáng)材料，研究了該 型材料的拉伸、剪切強(qiáng)度等； J. Palmer 研究使用回收的碳纖維作為 SMC的增強(qiáng) 材料，測(cè)定了不同纖維含量下的強(qiáng)度和吸能特性。綜上， GFSMC 由于應(yīng)用時(shí)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(duì)它的研究日益深入， 但研究盲點(diǎn)仍較多，有較好的研究和推廣前景。國內(nèi)CFSM現(xiàn)C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，

13、他們生產(chǎn)的剎車片壽命是普通剎車片的 2 倍，市場(chǎng)潛力巨大。未見其他相關(guān)報(bào)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 GFSM在C汽車領(lǐng)域的使用情況： 1）外板應(yīng)用 像發(fā)動(dòng)機(jī)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。WINDSTA微

14、R型行李車 :發(fā)動(dòng)機(jī)罩 , 27. 2 萬件/ 年, 10. 2kg/ 件;上部散熱口 , 27. 2 萬件/ 年, 2. 6kg/ 件;活動(dòng)頂蓋 , 27. 2 萬件/ 年, 0. 8kg/ 件;擋泥板, 1. 5 萬件/ 年, 15kg/ 件;LINCOLNCONTINENT汽A車L :發(fā)動(dòng)機(jī)罩 , 7. 5 萬件/ 年, 14. 4kg/ 件;活動(dòng)頂蓋 , 7. 5 萬件/ 年, 10. 0kg/ 件;擋泥板, 7. 5 萬件/ 年, 2. 3kg/ 件;后側(cè)板延伸部 , 7. 5 萬件/ 年, 1. 1kg/ 件;MUSTAN汽G車:發(fā)動(dòng)機(jī)罩 , 12 萬件/ 年, 13. 6kg/

15、件;后部進(jìn)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 。美國通用公司研制成功的 EVI 電動(dòng)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(qiáng)度高。于是采用含有空心玻璃微珠 （ 可使

16、 SMC減輕 30%） 的 SMC（ 回收SMC占10%） 加工發(fā)動(dòng)機(jī)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(xiǎn)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(xiǎn)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(gè)鋼零件組成的前臉總成 , 重量減輕 22%, 成本下降 14%。除此之外， GFSM在C發(fā)動(dòng)機(jī)

17、周邊部件也有較廣泛的應(yīng)用， 如發(fā)動(dòng)機(jī) 閥套等。歐洲 GFSM在C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(duì)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(qiáng)度部件 （ 如保險(xiǎn)杠 ） 和具有 A 級(jí)表面精度的外板 （ 如舉升門、車門和發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)罩 , 集翼子板、前

18、燈 和前臉格柵為一體 , 這是歐洲生產(chǎn)的第一個(gè)大型 SMC部件 , 具有A 級(jí)表面精度。Aif a公司推出的 Ferari F355轎車, 其前后保險(xiǎn)杠均使用 SMC。奧迪 100c3型轎車 的后保險(xiǎn)杠加強(qiáng)梁 , 采用C25/ R15的SMC制造, 彎曲強(qiáng)度大于 340MPa; 奧迪200 型轎車, 其后保險(xiǎn)杠橫梁采用 C40/ R20高含量玻纖的 SMC制造, 纖維含量達(dá) 60%,彎曲強(qiáng)度大于 810MPa; 奔馳190型轎車也采用 SMCC/ R來制造吸能型保險(xiǎn)杠。 國內(nèi)GFSMC1:987年以來 , 先后從日本、英國、德國、美國引進(jìn)了 SMC生產(chǎn)線 14條。北京251廠、常州253廠、上

19、海玻璃鋼研究所、哈爾濱玻璃鋼研究院等單位 先后自行研制成功了 SMC機(jī)組，隨著國內(nèi)乘用車生產(chǎn)技術(shù)的引進(jìn)，首先在乘用車 上采用，主要用于備胎倉和保險(xiǎn)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(jìn)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(chǎng)有待進(jìn)一步挖掘。CFSM（C碳纖維 SMC）在車上的應(yīng)用： 2003款道奇蝰蛇是首款批量運(yùn)用 CFSMC 的車型，主要運(yùn)用于車門和風(fēng)擋。作為敞篷車，對(duì)風(fēng)擋的強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度有所提升，車門下垂量得

20、到了很好的控制。四、SMC工藝從原材料到成品， SMC成型工藝主要分為兩部分： 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(jì)量、混勻后，送入 SM

21、C 機(jī)組上設(shè)置的相應(yīng)貯料容器內(nèi)，在需要時(shí)由管路計(jì)量泵計(jì)量后進(jìn)入靜態(tài)混合器，混合均勻后輸送到SMC 機(jī)組的上糊區(qū)，再涂布到聚乙烯薄膜上。 （2 ）浸漬和壓實(shí) 經(jīng)過涂布樹脂糊的下承載薄 膜在機(jī)組的牽引下進(jìn)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(dá)到要求的沉降量后，隨傳動(dòng)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(jìn)入由一系列錯(cuò)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(shí)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(jìn)行模壓成型，成 型過程中控制重點(diǎn)控制溫度和壓力等參數(shù)