碳纤维片状模塑料

1、碳纤维片状模塑料(SMC) 1、 碳纤维片状模塑料 片状模压料（Sheet Molding Compound, SMC）是由树脂糊浸渍纤维或短切纤维毡，两边覆盖聚乙烯薄膜而制成的一类片状模压料，属于预浸毡料范围。是目前国际上应用最广泛的成型材料之一（属于原料范畴，类似于我们常用的预浸料）。常用树脂有：不饱和聚酯树脂、环氧树脂等，其中不饱和聚酯树脂较为常用，现以其为例介绍如下：不饱和聚酯树脂，化工原料的一种，常用于物体表面加厚、固化，使用时如同刷油漆一般，层层加叠，固化过程释放苯乙烯等有害气体。不饱和聚酯树脂是热固性树脂中最常用的一种，它是由饱和二元酸、不饱和二元酸和二元醇缩聚而成的线形聚合物，

2、经过交联单体或活性溶剂稀释形成的具有一定黏度的树脂溶液，简称UP，这是不饱和聚酯树脂最大的优点。可以在室温下固化，常压下成型，工艺性能灵活，特别适合大型和现场制造玻璃钢等制品。力学性能指标略低于环氧树脂，但优于酚醛树脂。耐腐蚀性，电性能和阻燃性可以通过选择适当牌号的树脂来满足要求，树脂颜色浅，可以制成透明制品。品种多，适应广泛，价格较低。缺点是固化时收缩率较大，贮存期限短。环氧树脂较为熟悉，此处不再介绍。分类方式1：常用碳纤维按纤维连续与否可分为短切纤维和连续型纤维，连续型纤维的性能好于短切纤维。如所用树脂为乙烯基酯树脂，碳纤维为东丽12K PAN聚丙烯腈纤维，纤维长度为25mm，固化温度14

3、5°C-155°C，生产的SMC性能数据如表一所示；所用树脂为乙烯基酯树脂（属于变性环氧树脂，秉承了环氧树脂的优良特性，固化性和成型性方面更为出色），碳纤维为东丽12K PAN聚丙烯腈纤维，纤维为连续型，固化温度145°C-155°C，生产的SMC性能数据如表二所示。表一：短切纤维SMC性能 表二：连续型纤维SMC性能 分类方式2：SMC作为一种新型材料，根据具体用途和要求的不同又发展出一系列新品种，如BMC、TMC、HNC、XMC等。团状模压料（Bulk Molding Compound, BMC） 其组成与SMC极为相似，是一种改进型的预混团状模压料

4、，可用于模压和挤出成型。两者的区别仅在于材料形态和制作工艺上。BMC中纤维含量较低，纤维长度较短，约618mm，填料含料较大，因而BMC制品的强度比SMC制品的强度低，BMC比较适合于压制小型制品，而SMC适合于大型薄壁制品。厚片状模压料（Thick Molding Compound, TMC） 其组成和制作与SMC相似，厚达50mm。由于TMC厚度大，玻璃纤维能随机分布，改善了树脂对玻璃纤维的浸润性。此外，该材料还可以采用注射和传递成型。高强度模压料（Hight Molding Compound, HMC） 和高强度片状模压料XMC主要用于制造汽车部件。HMC中不加或少加填料，采用短切玻璃纤

5、维，纤维含量为65%左右，玻璃纤维定向分布，具有极好的流动性和成型表面，其制品强度约是SMC制品强度的3倍。XMC用定向连续纤维，纤维含量达70%80%，不含填料。ZMC ZMC是一种模塑成型技术，ZMC三个字母并无实际含义，而是包含模塑料、注射模塑机械和模具三种含义。ZMC制品既保持了较高的强度指标，又具有优良的外观和很高的生产效率，综合了SMC和BMC的优点，获得了较快的发展。2、 性能特点及连接方式 性能特点：具有碳纤维复合材料的优点，可以根据实际使用要求调整纤维形式（短切、连续等）、等级、树脂种类以及工艺参数（模具压力等）等，制备出不同性能等级的产品，部分具体性能参见表一、二。 连接方

6、式：SMC的连接方式大致可分为两类，第一类为构件成型时连接，即在构件固化成型时的连接；第二类为构件成型后连接，主要有胶接和螺栓连接等，具体介绍如下。第一类：构件成型与连接同时进行 图一 a b中为碳纤维SMC料和玻璃纤维SMC料的连接方式，连接于成型同时进行，其中a为套接，b为搭接，试验表明搭接处的强度与玻璃纤维材料本身强度接近，即接头并没有降低构件的整体强度，如表三所示。 图一 a 套接 b 搭接 表三：材料本身及连接后拉伸强度第二类：构件成型后再连接 （1）胶接：图二为采用SMC工艺生产的复合材料风挡，所用增强材料为单向玻璃纤维和单向碳纤维，内、外片成型后再使用结构胶粘剂进行胶接，取得较好

7、的力学性能（刚度提高122%）和减重效果（减重45%）。（2）螺栓连接：F.E. Devine(Bolted assembly of engineering components press moulded from sheet moulding compound)研究了玻璃SMC的螺栓连接，考察了螺栓数量、位置、大小等对连接性能的影响。图二 风挡截面图优点：强度好，SMC能与金属材料相抗衡，操作处理方便，增强材料在 生产与成型过程中均无损伤，制品强度高，可进行轻型化结构设计； 重现性好，不受操作者和外界条件的影响（自动化程度高）,产品 具有耐水性好; 高精度表面; 性能稳定;绝缘性能好; 强

8、度均匀; 刚 度好; 产品尺寸精确, 受温度影响小; 产品厚度容易控制等优良性； 操作环境清洁、卫生，改善了劳动条件； 通过改变组分的种类与配比，可改变成型工艺和制品性能，通过改 变填料的种类与加入量，可降低成本或使制品轻量化流动性好，可 成型异形制品（成型性好）； 模压工艺对温度和压力要求不高(根据所用树脂和成品强度要求)， 可变范围大，可大幅度降低设备和模具费用； 纤维长度可选范围大（短切至连续纤维），质量可控性好，适宜于 各种构件制造； 所得制品表面光洁度高，采用低收缩添加剂后，表面质量更为理想； 生产效率高，成型周期短，易于实现全自动机械化操作，生产成本 相对较低SMC生产周期短, 平

9、均单件产品成形周期1 8分钟, 其 它工艺所达不到的, 便于集约化生产。在美国, 汽车外板的成形周 期已降至1分钟, 用1副模具每月能压制20000件产品。 缺点：成品收缩率较大； 前期设备投入较大，包括SMC原料制备设备和模压设备； 要求有较大产量来分摊成本；3、 国内外的研究开展现状1. GFSMC(玻璃纤维片状模塑料)：玻璃纤维片状模塑料由于应用较早，该领域的的研究也较多。国内、外在该领域的研究主要集中在两方面：1）原材料的研究；2）工艺研究；3）性能研究。国内在该领域的研究主要集中在推广应用、原材料改性、工艺控制、SMC性能试验等。国外研究较为深入，不仅有推广应用、原材料、工艺控制等研

10、究，对GFSMC成品的性能研究也较多，如纤维长度的影响、纤维走向、与手糊工艺性能对比、疲劳、拉伸、剪切、压缩、冲击等，研究得很深入和全面。2. GFSMC(玻璃纤维片状模塑料)：国内对CFSMC研究较少，主要见于前瞻性推广研究等，其他方面研究很少，目前仅见碳纤维增强环氧模塑料研究一文，主要研究耐磨性，未见其他研究。生产领域，吉林市华研碳纤维制品有限公司碳纤维片状模塑料生产线于2013年安装完毕。国外对CFSMC有所研究，目前看到的论文涉及以下几方面：E.V. Morozov SMC提出了损伤演化理论模型；Hang Li 采用短切碳纤维 ，研究了纤维走向对性能的影响；Jose´ M.

11、Castro 从降低SMC在汽车上应用成本出发，采用短切碳纤分层取代部分玻纤，对比了碳纤加入后对性能的提高； Mark Bruderick 等在2003款道奇中批量使用了利用连续玻纤和碳纤制成的SMC零部件，取得了良好的力学性能和减重效果，在汽车风挡和车门中还尝试了碳纤和玻纤的混合SMC制法和连接，都取得了良好的效果；I. Taketa使用短切碳纤维编织布（将编织布切成方形块）作为SMC增强材料，研究了该型材料的拉伸、剪切强度等；J. Palmer研究使用回收的碳纤维作为SMC的增强材料，测定了不同纤维含量下的强度和吸能特性。 综上，GFSMC由于应用时间早，工艺也较成熟，研究较为深入。CFS

12、MC的研究和使用晚于前者，由于整体性能的优异性，近年来对它的研究日益深入，但研究盲点仍较多，有较好的研究和推广前景。 国内CFSMC现状：2013年国内首条碳纤维片状模塑料生产线在吉建成，该公司生产的碳纤维片状模塑料中约 60% 是碳纤维。该公司使用碳纤维片状模塑料研发生产出了多种性能优异的产品，他们生产的刹车片寿命是普通刹车片的 2 倍，市场潜力巨大。未见其他相关报道。SMC在汽车领域已有较广泛的应用，尤其在欧美车企中。但主要采用玻璃纤维SMC,现就玻璃纤维SMC在欧美的使用情况作以下介绍。美国GFSMC在汽车领域的使用情况：1）外板应用 像发动机罩那样的大型部件使用复合材料制造, 汽车的轻

13、质化效果较明显。福特( FORD) 公司的一些外板类部件选用柔性SMC, 例如挡泥板等制品。与铝制的外板相比, 生产成本下降了50%55%, 汽车部件的平均重量下降25%, 外观质量更好。美国几大汽车公司的主要外板类SMC部件的产量和生产状况如下。WINDSTAR微型行李车:发动机罩, 27. 2万件/ 年, 10. 2kg/ 件;上部散热口, 27. 2万件/ 年, 2. 6kg/ 件;活动顶盖, 27. 2万件/ 年, 0. 8kg/ 件;挡泥板, 1. 5万件/ 年, 15kg/ 件;LINCOLNCONTINENTAL汽车:发动机罩, 7. 5万件/ 年, 14. 4kg/ 件;活动顶

14、盖, 7. 5万件/ 年, 10. 0kg/ 件;挡泥板, 7. 5万件/ 年, 2. 3kg/ 件;后侧板延伸部, 7. 5万件/ 年, 1. 1kg/ 件;MUSTANG汽车:发动机罩, 12万件/ 年, 13. 6kg/ 件;后部进气口, 12万件/ 年0. 5kg/ 件;车牌支架, 14. 5万件/ 年, 1kg/ 件;扰流板, 6. 05万件/ 年, 6. 2kg/ 件;此外，美国通用汽车( GM) 公司生产的SMC车门、由外层板、内层板与框架构成, 采用Piemix 公司提供的SMC制造, 内外板均采用含30%的短切纤维模压而成, 结构框架采用含30%的连续纤维和20%的短切纤维的

15、SMC模压而成, 比钢门减轻了18. 1kg。美国通用公司研制成功的EVI 电动汽车, 要求风阻最小、零件要求质轻、耐腐蚀、耐压痕、耐冲击强度高。于是采用含有空心玻璃微珠( 可使SMC减轻30%) 的SMC( 回收SMC占10%) 加工发动机罩, 车顶和车门。在结构材料方面，通用公司大型的V8型车的保险杠要求耐8Km/ h的冲击, 材料选用了45%玻纤含量的HMC。除此之外, 中小型车的保险杠大多使用SMC。1996年福特公司推出的FordTaurus/Sable轿车, 上、下散热器支架由SMC制造,组成SMC前脸总成、采用40%短切玻纤/ 聚酯SMC模塑成型、脱模后需喷E胶衣, 本身底漆和车

16、身胶衣、再烤漆、取代原来由22个钢零件组成的前脸总成, 重量减轻22%, 成本下降14%。除此之外，GFSMC在发动机周边部件也有较广泛的应用，如发动机阀套等。 欧洲GFSMC在汽车领域的使用情况：SMC在欧洲汽车工业中的应用, 虽比不上美国, 但也是一种极重要的汽车用材料。对于不同用途的SMC的总产量所做的调查表明, 德国是欧洲最大的SMC生产国,占SMC总量的35%, 德国生产的SMC中有41. 7%用于汽车工业。 在欧洲, SMC部件的应用主要有三类:半结构件( 如前围板) , 高强度部件( 如保险杠) 和具有A 级表面精度的外板( 如举升门、车门和发动机罩)。Alf a公司装备的Spi

17、der 双门敞篷轿车和GTV 小轿车的SMC发动机罩, 集翼子板、前灯和前脸格栅为一体, 这是欧洲生产的第一个大型SMC部件, 具有A 级表面精度。 Aif a公司推出的Ferari F355轿车, 其前后保险杠均使用SMC。奥迪100c3型轿车的后保险杠加强梁, 采用C25/ R15的SMC制造, 弯曲强度大于340MPa; 奥迪200型轿车, 其后保险杠横梁采用C40/ R20高含量玻纤的SMC制造, 纤维含量达60%, 弯曲强度大于810MPa; 奔驰190型轿车也采用SMCC/ R来制造吸能型保险杠。国内GFSMC:1987年以来, 先后从日本、英国、德国、美国引进了SMC生产线14条

18、。北京251厂、常州253厂、上海玻璃钢研究所、哈尔滨玻璃钢研究院等单位先后自行研制成功了SMC机组，随着国内乘用车生产技术的引进，首先在乘用车上采用，主要用于备胎仓和保险杠骨架等，目前还应用在商用车上，如挺杆室盖板、膨胀水箱、线速夹、大小隔板、进气罩总成等。较国外的应用覆盖范围还有一定差距，可见SMC材料国内市场有待进一步挖掘。CFSMC（碳纤维SMC）在车上的应用：2003款道奇蝰蛇是首款批量运用CFSMC的车型，主要运用于车门和风挡。作为敞篷车，对风挡的强度要求较高，通过使用连续型碳纤和玻纤的混合，该车型的风挡强度较原有车型有较大提升。新型车门在重量下降的前提下强度有所提升，车门下垂量得

19、到了很好的控制。四、SMC工艺从原材料到成品，SMC成型工艺主要分为两部分：1）SMC片料制备；2）成型工艺，先分别介绍如下。1、 SMC片料制备：（1）树脂糊的制备及上糊操作 树脂糊的制备有两种方法-间歇法和连续法。间歇法程序如下：将不饱和聚酯树脂和苯乙烯倒入配料釜中，搅拌均匀；将引发剂倒入配料釜中，与树脂和苯乙烯混匀；在搅拌作用下加入增稠剂和脱模剂；在低速搅拌下加入填料和低收缩添加剂；在配方所列各组分分散为止，停止搅拌，静置待用。连续法是将SMC配方中的树脂糊分为两部分，即增稠剂、脱模剂、部分填料和苯乙烯为一部分，其余组分为另一部分，分别计量、混匀后，送入SMC机组上设置的相应贮料容器内，在需要时由管路计量泵计量后进入静态混合器，混合均匀后输送到SMC机组的上糊区，再涂布到聚乙烯薄膜上。（2）浸渍和压实 经过涂布树脂糊的下承载薄膜在机组的牵引下进入短切玻璃纤维沉降室，切割好的短切玻璃纤维均匀沉降在树脂糊上，达到要求的沉降量后，随传动装置离开沉降室，并和涂布有树脂糊的上承载薄膜相叠合，然后进入由一系列错落排列的锟阵中，在张力和辊的作用下，下、上承载薄膜将树脂糊和短切玻璃纤维紧紧压在一起，经过多次反复，使短切玻璃纤维浸渍树脂并赶走其中的气泡，形成密实而均匀的连续SMC片料。2、 压制成型：将1制成的SMC片料经裁剪、堆叠等步骤后进行模压成型，成型过程中控制重点控