片状模塑料的复兴, 凸显了新的增强材料, 新的填料, 新的树脂基体和新的机遇.
传统SMC配方的一个重要变化是, 它不再由短切玻璃纤维所定义. 配混商和成型商们正在探索采用碳纤维甚至玄武岩纤维, 以及正在从短纤维配方向选择性地使用连续纤维增强材料的方向发展. 这些连续纤维增强材料不仅包括单向粗纱, 还包括双轴和三轴织物以及无褶皱织物, 以为部件带来更大的刚性, 强度和抗冲击性能, 同时还必须比标准的SMC轻很多. 作为额外的优势, 许多情况下, 部件壁厚也可以做得更薄.
连续纤维SMC通常可与常规的不连续/短切纤维增强SMC组合使用, 这是一项被弗劳恩霍夫制造技术研究院(简称 'F-ICT' , 位于德国Pfinnztal)的研究人员称之为 '量身订制的SMC' 的技术, 其优点是, 短纤维SMC能够填充肋骨, 而连续纤维增强材料则趋于桥接其他复杂的设计特征. 但连续纤维的出现, 却使得力学性能更接近于真正的预浸料, 并能够以较低的成本做到这一点, 同时无需投资专用的加工设备, 且不影响SMC的部件集成优势或者成型复杂的2.5D几何形状(比通常预浸料成型的形状更复杂)的能力. 连续纤维SMC部件的一个例子是用在通用汽车公司雪佛兰Spark电动汽车(EV)上的电池盒, 这一应用综合了连续的和不连续增强材料的SMC部件, 是由美国汽车研究理事会(简称 'USCAR' , 位于美国密歇根州Southfield)提供的结构车身底部件.
随着碳纤维价格的下降以及更多的供应商提供大丝束(50K和25K, 主要用在汽车和工业领域)碳纤维, 对碳纤维SMC的兴趣与日俱增. 自成型出2003 道奇Viper车型(产自当时的戴姆勒克莱斯勒, 现在属于FCA US LLC)的结构挡泥板支撑件以来, 碳纤维增强SMC已实现商业化.
由Meridian汽车系统有限公司(美国密歇根州艾伦帕克, 现在该公司已不存在)采用50%短切碳纤维和一种乙烯基酯树脂成型的一对支架, 整合了以前的15~ 20个金属组件, 相比冲压钢部件, 减轻了18kg的重量. 而且, 据说早在20世纪90年代初期, 碳纤维织物增强的SMC就已被用于欧洲的机车覆盖件上.
今天, 许多配混商和成型商在提供由各种碳纤维形式增强的SMC材料, 但匹配这些材料却面临一些挑战. 首先, 要找到适合乙烯基酯和乙烯基酯混合物基体材料浸润的碳纤维, 而不是适合典型的环氧树脂或聚氨酯浸润的碳纤维, 以确保基体材料与增强材料之间的良好粘接性. 这类产品的缺乏, 推动了美国先进复合材料制造创新研究院(简称 'IACMI' , 位于美国田纳西州诺克斯维尔)投入一个新的项目, 卓尔泰克(Zoltek)公司(日本东丽集团的一家子公司, 位于美国密苏里州圣路易斯), Michelman公司(美国俄亥俄州辛辛那提)和亚什兰都参与到了该项目之中.
第二个挑战是在SMC典型的厚浆系统中, 让纤维得到很好的浸润. '碳纤维在SMC加工中的浸润是非常困难的, 特别是采用大丝束的碳纤维. ' 弗劳恩霍夫复合材料研究项目中心(简称 'FPC' , 加拿大安大略省伦敦)的研究工程师Daniel Park解释说, '因此, 人们在寻找能够分开纤维束的方法, 以便于浸润并提高力学性能. 采用大丝束碳纤维增强的SMC, 虽然刚性提高了, 但强度通常只是类似的玻璃纤维增强SMC的一半. 与玻璃纤维300 MPa以上的拉伸强度相比, 当碳纤维只有100~ 150 MPa的拉伸强度时, 很难说这是成本合理的碳纤维. 我们已在我们的直接SMC(D-SMC)工艺中, 通过加入一种纤维展开系统来使纤维束从50K降到3K, 从而解决了这一问题. 这为我们带来了更易于浸润的纤维束和更均匀的材料, 强度呈指数提高. 这就是为什么玻璃纤维合股纱(由非常少的玻璃纤维纱线制成的捻纱)在SMC应用中表现出了更快, 更彻底的浸润, 但这些在碳纤维中还没有出现. '
'碳纤维SMC是我们为结构和半结构应用而选择的材料, 对于这些应用, 以前我们可能会选用预浸料. ' 麦格纳外饰公司(美国密歇根州特洛伊)轻量化复合材料全球产品总监Andrew Swikoski解释说. 该公司目前拥有两种碳纤维的产品, 都采用了改性的乙烯基酯树脂基体, 一种是EPICBLEND CFS-Z 短切纤维级别, 一种是连续纤维增强的EPICBLEND CFS-Z 0°/90°NCF织物级别, 它可与短切级别的材料(对部件进行局部补强)一起被用于要求较高力学性能的部件上.
'我们制造短切碳纤维 '预浸料' 类型的材料的方法, 意味着我们实现了较好的纤维浸润, 压实和固结. ' Swikoski说, '与其他方法相比, 我们切割, 分散和存放纤维的方法有所不同. 我们可以用切割机切割更细的纤维, 在SMC生产线上改变纤维长度和纤维分布, 这有助于定向和流动. ' 通常, 直径越小的纤维束越易于浸润, 越易于在基体树脂中分离和流动. '我们的纤维分布是非常随机的, 不像其他纤维那样呈带状, 这为我们带来了很大的成本优势, 而且还允许我们减少部件的壁厚, 并能够以更大的一致性流动更长. '
Swikoski指出, 短切纤维SMC不能生产出A级表面. '它总是被用于内板. 它可以纹理化, 但已经拥有了一个非常 '技术' 的外观, 这使它成为引擎罩, 车门或举升门的内板等B级表面应用的理想之选. ' 他还表示, 麦格纳可以在全碳纤维和碳纤维与玻璃纤维的混合物之间来回切换. '我们正在寻求最低的重量和最薄的壁厚, 目前我们能够减小到1.2~ 1mm, 这是在钢上的范围, 但我们提供了一种具备部件整合能力的可流动的材料, 而这是金属冲压件所不能提供的. '
配混商A. Schulman有限公司(美国俄亥俄州费尔劳恩)有几种新的碳纤维SMC生产方法. 其子公司Quantum复合材料有限公司(美国密歇根州贝城)自1987年起就已开发出短切碳纤维SMC并实现了商业化, 起初是采用环氧树脂基体, 后来采用乙烯基酯树脂基体. 从2006年开始, Quantum复合材料有限公司与卡拉威高尔夫公司(美国加利福尼亚州卡尔斯巴德)展开了紧密合作, 此后不久, 与兰博基尼汽车公司一起, 采用改性乙烯基酯树脂基体去开发一种短切碳纤维SMC材料, 这就是所谓的 '锻造的复合材料(Forged Composites)' . 随后, 卡拉威高尔夫公司将锻造的复合材料(Forged Composites)用于其Diablo Octane发球木, 兰博基尼将该材料用于其几款概念车以及Sesto Elemento, Aventador J, Veneno和Huracan 超级跑车的各种部件上. '最近, 卡拉威要求一种类似的产品用于其Big Bertha Fusion发球木, 它更薄更强. ' A. Schulman有限公司复合材料市场开发总监 Douglas Gries回忆道, '我们能够做到这一点的唯一方法是采用连续纤维系统. 幸运的是, 我们已经采用编织碳纤维织物开展了一些研究工作, 因此我们开发出了一种新的材料来满足卡拉威的结构和外观要求. 现在我们将这种材料展示给汽车制造商, 他们也非常感兴趣. '
A. Schulman有限公司将此产品称作 'Forged Preg' , 它于CAMX 2016展会被推出, 现已扩展到了3个级别, 每一种都采用了专利的乙烯基酯树脂混合系统: 8575采用了一种3K丝束的三轴编织物, 8585采用了一种12K 丝束的双轴织物, 8595采用了60K丝束的单向织物.
玻璃纤维技术也在进步. 重庆国际复合材料有限公司(简称 'CPIC' , 中国重庆)声称, 其产量在世界排名第三. 据说, 该公司拥有几种适合SMC的产品级别, 其中最有趣且独特的产品是一种扁平纤维, 它更易于实现各向同性的分散, 明显减少了薄壁部件的翘曲变形. 这种扁平的玻璃纤维束的其他属性, 相当于传统的圆形无碱玻璃纤维. 该公司还提供导电浆料系统和介电常数比传统无碱玻璃纤维低的一种 HL级别. 最近, CPIC实现了其 HT和TM 级别的商业化, 它们提供了更高的模量. 据说TM级别是目前市场中拥有最高拉伸模量的无碱玻璃纤维, 按照ASTM D 2343测试方法对1700m, 2400 tex粗纱进行的拉伸测试表明, 浸渍纤维束的拉伸模量为88~ 92 GPa. HT级别据说拥有更高的拉伸模量, 达到92~ 96 GPa, 数值大约处在无碱玻璃纤维和高强度玻璃纤维数值的中间位置, 但成本却低于高强度玻璃纤维.
碳纤维SMC的纤维浸润. 在SMC典型的厚浆系统中彻底浸润纤维是一项挑战, 解决这一问题的一种方法是分开纤维束以帮助浸润并改善力学性能, 特别是在汽车行业应用的大丝束碳纤维. 弗劳恩霍夫复合材料研究中心在其直接SMC工艺中, 采用一种纤维分散系统将纤维束从50K降到3K. 据介绍, 这些更小的丝束更易于浸润, 可以形成更均匀的材料, 从而极大地增加了强度. 右图所示为标准的短切碳纤维, 左图所示为首先得到分散的标准的短切碳纤维(图片来自弗劳恩霍夫复合材料研究中心)
纤维在碳纤维SMC中的分布. 麦格纳外饰业务部为其自身应用而采用改性乙烯基酯树脂开发了碳纤维SMC配方, 一种名为 'EPICBLEND CFS-Z' 的短切纤维级别提供了更好的浸润, 压实和固结, 一种独特的生产工艺实现了各向异性的纤维分布. 图中(左)为光滑表面, (右)为两种类型的纹理表面(图片来自麦格纳外饰业务部)
8575级别的材料采用了一种 3K 丝束的三轴编织物, 并在50%重量百分比时提供33090 MPa的拉伸模量. 8585级别采用一种12K丝束的双轴向织物, 并在55%重量百分比时提供55150 MPa的拉伸模量. 8595级别的材料采用60K的单向丝束, 并在55%重量百分比时提供99300 MPa的拉伸模量(图片来自A. Schulman Inc./ Quantum复合材料有限公司)
扁平纤维用于更稳定的薄壁SMC. 玻璃纤维技术可能是使用已久的增强材料技术, 但也并非没有进步. 一个例子是重庆国际复合材料公司独特的扁平玻璃纤维, 据说有助于在基体材料中实现各向同性的分散, 从而极大地减少了薄壁SMC部件的翘曲变形