在汽車(chē)行業(yè),特別是在混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)的輕量化結(jié)構(gòu)中,對(duì)部件的要求不僅要輕質(zhì),而且還要具有高剛度和高強(qiáng)度,對(duì)此,通常采用碳纖維增強(qiáng)塑料來(lái)取代鋼或者鋁。但是,這些高性能材料的制造成本高,通常不能按所要求的高產(chǎn)量進(jìn)行生產(chǎn)。
幾十年來(lái),雖然片狀模塑料(SMCs)一直在大批量的生產(chǎn)中被用于制造塑料部件,但直到目前為止,卻依然不適用于上述類(lèi)似的輕量化結(jié)構(gòu)。
不可否認(rèn),實(shí)現(xiàn)更輕結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵要素之一是塑料。
通常,與碳纖維結(jié)合使用的環(huán)氧樹(shù)脂具有高強(qiáng)度和高剛度,但卻很難應(yīng)用于SMCs中。
現(xiàn)在,采用贏創(chuàng)成功研制的Vestalite S環(huán)氧固化劑,消除了混合中的這些問(wèn)題。通過(guò)與熱固性塑料生產(chǎn)商Lorenz Kunststofftechnik公司合作,利用該公司得到市場(chǎng)驗(yàn)證的SMC配方,開(kāi)發(fā)出了一種能夠滿(mǎn)足輕量化結(jié)構(gòu)所有要求的環(huán)氧SMC材料,包括阻燃性要求。該材料還表現(xiàn)出了進(jìn)一步提升的力學(xué)性能且易于加工。
贏創(chuàng)與Lorenz Kunststofftechnik公司都希望能進(jìn)一步確定這種材料的潛在用途。
用聚酯樹(shù)脂制成的傳統(tǒng)SMCs通常擁有200 MPa 的彎曲強(qiáng)度、10000 MPa的彎曲彈性模量和90 kJ/m2的抗沖擊性能,密度在1.7 g/cm³~1.85 g/cm³之間,它們適合汽車(chē)和電氣行業(yè)的多種用途,如內(nèi)飾面板和車(chē)輪罩。然而,汽車(chē)制造業(yè)卻越來(lái)越多地需要低密度、更高力學(xué)性能的材料,如要求彎曲強(qiáng)度要大于350 MPa,彎曲彈性模量要大于18500 MPa,抗沖擊性能要大于150 kJ/m2。
Lorenz Kunststofftechnik公司銷(xiāo)售總監(jiān)Peter Ooms說(shuō):“采用環(huán)氧樹(shù)脂取代聚酯樹(shù)脂制成的SMCs可以提供這些性能,但直到目前為止,這種熱固性塑料卻很難使用,模塑時(shí)很難成型,從而極大地限制了設(shè)計(jì)自由度。因此,生產(chǎn)玻纖增強(qiáng)環(huán)氧SMCs是不可行的,從未真正達(dá)到滿(mǎn)足大批量生產(chǎn)的市場(chǎng)成熟度。”
對(duì)于要求部件非常輕質(zhì)的汽車(chē)應(yīng)用而言,通常是采用碳纖維來(lái)取代玻璃纖維,但缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴。因此,Lorenz Kunststofftechnik公司依然對(duì)玻璃纖維情有獨(dú)鐘。
Peter Ooms介紹說(shuō):“玻纖增強(qiáng)環(huán)氧SMCs的強(qiáng)度與碳纖增強(qiáng)的相似,但生產(chǎn)成本卻要低50%。”
此外,Lorenz Kunststofftechnik公司還擁有回收玻纖增強(qiáng)SMC材料的成熟工藝,這是滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)可持續(xù)性要求的一個(gè)很重要的因素。
新的玻纖環(huán)氧SMC消除以往材料的弱點(diǎn)
一種新的玻纖增強(qiáng)環(huán)氧SMC通過(guò)消除以往材料的弱點(diǎn)而滿(mǎn)足了上述要求,贏創(chuàng)最新開(kāi)發(fā)的固化劑令這成為可能。
贏創(chuàng)資源效率公司交聯(lián)劑部門(mén)負(fù)責(zé)復(fù)合材料和粘合劑銷(xiāo)售的Leif Ickert博士解釋說(shuō):“Vestalite S是一種二胺基環(huán)氧固化劑,可與環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)合創(chuàng)造出一種使用方便且加工快速的SMC。”
采用Vestalite S固化劑配制的SMC模塑料,在固化前表現(xiàn)出高的存儲(chǔ)穩(wěn)定性,同時(shí)還允許在生產(chǎn)過(guò)程中快速固化,固化時(shí)間可控制在3min.之內(nèi)。此外,該半成品片材在加工中的流動(dòng)和變形性更好,從而確保了更高的部件質(zhì)量。
采用Vestalite S固化劑的SMCs無(wú)苯乙烯排放,只有低VOC排放,因而也適用于汽車(chē)內(nèi)飾部件。
自2018起,贏創(chuàng)與Lorenz Kunststofftechnik公司的熱固性塑料專(zhuān)家們一直在合作開(kāi)發(fā)這種SMC。
“通過(guò)這項(xiàng)合作,再加上補(bǔ)充分析和案例研究,比如與歐洲研究項(xiàng)目聯(lián)盟一起,我們想要展示我們的固化劑可以在環(huán)氧SMCs中實(shí)現(xiàn)所要求的性能。在此合作中,我們貢獻(xiàn)了環(huán)氧固化劑方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí),而我們的合作伙伴L(zhǎng)orenz Kunststofftechnik公司具備配制SMC半成品的能力,我們雙方的合資企業(yè)VESTARO公司則為材料配混提供了汽車(chē)技術(shù)和技術(shù)咨詢(xún)。” Ickert解釋說(shuō),“我們的目標(biāo)是創(chuàng)造一種混合物,以便能夠充分發(fā)揮環(huán)氧SMCs的潛力,或者說(shuō),創(chuàng)造一種擁有輕量化汽車(chē)和其他部件所需材料所有屬性的混合物,我們最終取得了成功。”
6年前,這家位于德國(guó)下薩克森州的公司就已推出了SMC 0208,這是一種比建筑等應(yīng)用中使用的其他標(biāo)準(zhǔn)SMCs 更加阻燃且更耐腐蝕的半成品材料。
Ooms解釋說(shuō):“我們將我們的基礎(chǔ)SMC配方用于環(huán)氧SMC,但作了一些改變。我們用環(huán)氧樹(shù)脂取代了UP樹(shù)脂,還置換了其他一些組分,Vestalite S是其中天然的關(guān)鍵成分。”
低密度和理想的力學(xué)性能
最終的開(kāi)發(fā)結(jié)果是:將環(huán)氧樹(shù)脂、玻璃纖維增強(qiáng)材料以及一些填料組合在一起,由此而生產(chǎn)出的材料密度在1.5~1.7 g/cm³之間,并表現(xiàn)出了良好的流動(dòng)性,且不會(huì)粘在模具上。力學(xué)性能是:
? 彎曲強(qiáng)度大于350 MPa
? 彎曲彈性模量大于18500 MPa
? 抗沖擊性能大于150 kJ/m2
相比之下,碳纖維的平均彎曲強(qiáng)度和抗沖擊性能分別是320 MPa和55 kJ/m2。
基于基礎(chǔ)配方,該新的半成品材料還擁有SMCs的共有優(yōu)勢(shì),包括非常好的流動(dòng)性。
Ooms說(shuō):“與其他塑料不同的是,這其中幾乎沒(méi)有可燃的石油衍生物。大于65%的氧指數(shù),使其阻燃性是被公認(rèn)為非常阻燃的普通塑料的兩倍。”
即使有明火,它也會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)自行熄滅,即使在高溫下,也不會(huì)變形或熔滴。該混合物在-30℃的溫度下仍可保持高抗沖擊性,因而不存在脆裂風(fēng)險(xiǎn)。
這些性能使得這種環(huán)氧SMCs非常適用于電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)中使用的電池殼。到目前為止,這些電池殼仍由鋼或鋁制成,因?yàn)樗鼈儽仨毞浅?jiān)固以支撐重的電池組,抵抗碰撞動(dòng)能,而且在發(fā)生火災(zāi)時(shí)不會(huì)有危險(xiǎn)。這種新的半成品材料滿(mǎn)足了這些要求并為高度復(fù)雜的部件和功能集成提供了足夠的設(shè)計(jì)自由度,從而使成本更低,重量更輕且安全性更高。
Ooms解釋說(shuō):“與其他SMCs一樣,這種性能的具體組合不是一成不變的,這意味著具體的阻燃和力學(xué)性能可以根據(jù)應(yīng)用的不同而得到調(diào)整。”