片狀模塑料的複興, 凸顯了新的增強材料, 新的填料, 新的樹脂基體和新的機遇.
傳統SMC配方的一個重要變化是, 它不再由短切玻璃纖維所定義. 配混商和成型商們正在探索採用碳纖維甚至玄武岩纖維, 以及正在從短纖維配方向選擇性地使用連續纖維增強材料的方向發展. 這些連續纖維增強材料不僅包括單向粗紗, 還包括雙軸和三軸織物以及無褶皺織物, 以為部件帶來更大的剛性, 強度和抗衝擊性能, 同時還必須比標準的SMC輕很多. 作為額外的優勢, 許多情況下, 部件壁厚也可以做得更薄.
連續纖維SMC通常可與常規的不連續/短切纖維增強SMC組合使用, 這是一項被弗勞恩霍夫製造技術研究院(簡稱 'F-ICT' , 位於德國Pfinnztal)的研究人員稱之為 '量身訂製的SMC' 的技術, 其優點是, 短纖維SMC能夠填充肋骨, 而連續纖維增強材料則趨於橋接其他複雜的設計特徵. 但連續纖維的出現, 卻使得力學性能更接近於真正的預浸料, 並能夠以較低的成本做到這一點, 同時無需投資專用的加工設備, 且不影響SMC的部件整合優勢或者成型複雜的2.5D幾何形狀(比通常預浸料成型的形狀更複雜)的能力. 連續纖維SMC部件的一個例子是用在通用汽車公司雪佛蘭Spark電動汽車(EV)上的電池盒, 這一應用綜合了連續的和不連續增強材料的SMC部件, 是由美國汽車研究理事會(簡稱 'USCAR' , 位於美國密西根州Southfield)提供的結構車身底部件.
隨著碳纖維價格的下降以及更多的供應商提供大絲束(50K和25K, 主要用在汽車和工業領域)碳纖維, 對碳纖維SMC的興趣與日俱增. 自成型出2003 道奇Viper車型(產自當時的戴姆勒克萊斯勒, 現在屬於FCA US LLC)的結構擋泥板支撐件以來, 碳纖維增強SMC已實現商業化.
由Meridian汽車系統有限公司(美國密西根州艾倫帕克, 現在該公司已不存在)採用50%短切碳纖維和一種乙烯基酯樹脂成型的一對支架, 整合了以前的15~ 20個金屬組件, 相比衝壓鋼部件, 減輕了18kg的重量. 而且, 據說早在20世紀90年代初期, 碳纖維織物增強的SMC就已被用於歐洲的機車覆蓋件上.
今天, 許多配混商和成型商在提供由各種碳纖維形式增強的SMC材料, 但匹配這些材料卻面臨一些挑戰. 首先, 要找到適合乙烯基酯和乙烯基酯混合物基體材料浸潤的碳纖維, 而不是適合典型的環氧樹脂或聚氨酯浸潤的碳纖維, 以確保基體材料與增強材料之間的良好粘接性. 這類產品的缺乏, 推動了美國先進複合材料製造創新研究院(簡稱 'IACMI' , 位於美國田納西州諾克斯維爾)投入一個新的項目, 卓爾泰克(Zoltek)公司(日本東麗集團的一家子公司, 位於美國密蘇里州聖路易斯), Michelman公司(美國俄亥俄州辛辛那提)和亞什蘭都參與到了該項目之中.
第二個挑戰是在SMC典型的厚漿系統中, 讓纖維得到很好的浸潤. '碳纖維在SMC加工中的浸潤是非常困難的, 特別是採用大絲束的碳纖維. ' 弗勞恩霍夫複合材料研究項目中心(簡稱 'FPC' , 加拿大安大略省倫敦)的研究工程師Daniel Park解釋說, '因此, 人們在尋找能夠分開纖維束的方法, 以便於浸潤並提高力學性能. 採用大絲束碳纖維增強的SMC, 雖然剛性提高了, 但強度通常只是類似的玻璃纖維增強SMC的一半. 與玻璃纖維300 MPa以上的拉伸強度相比, 當碳纖維只有100~ 150 MPa的拉伸強度時, 很難說這是成本合理的碳纖維. 我們已在我們的直接SMC(D-SMC)工藝中, 通過加入一種纖維展開系統來使纖維束從50K降到3K, 從而解決了這一問題. 這為我們帶來了更易於浸潤的纖維束和更均勻的材料, 強度呈指數提高. 這就是為什麼玻璃纖維合股紗(由非常少的玻璃纖維紗線製成的撚紗)在SMC應用中表現出了更快, 更徹底的浸潤, 但這些在碳纖維中還沒有出現. '
'碳纖維SMC是我們為結構和半結構應用而選擇的材料, 對於這些應用, 以前我們可能會選用預浸料. ' 麥格納外飾公司(美國密西根州特洛伊)輕量化複合材料全球產品總監Andrew Swikoski解釋說. 該公司目前擁有兩種碳纖維的產品, 都採用了改性的乙烯基酯樹脂基體, 一種是EPICBLEND CFS-Z 短切纖維級別, 一種是連續纖維增強的EPICBLEND CFS-Z 0°/90°NCF織物級別, 它可與短切級別的材料(對部件進行局部補強)一起被用於要求較高力學性能的部件上.
'我們製造短切碳纖維 '預浸料' 類型的材料的方法, 意味著我們實現了較好的纖維浸潤, 壓實和固結. ' Swikoski說, '與其他方法相比, 我們切割, 分散和存放纖維的方法有所不同. 我們可以用切割機切割更細的纖維, 在SMC生產線上改變纖維長度和纖維分布, 這有助於定向和流動. ' 通常, 直徑越小的纖維束越易於浸潤, 越易於在基體樹脂中分離和流動. '我們的纖維分布是非常隨機的, 不像其他纖維那樣呈帶狀, 這為我們帶來了很大的成本優勢, 而且還允許我們減少部件的壁厚, 並能夠以更大的一致性流動更長. '
Swikoski指出, 短切纖維SMC不能生產出A級表面. '它總是被用於內板. 它可以紋理化, 但已經擁有了一個非常 '技術' 的外觀, 這使它成為引擎罩, 車門或舉升門的內板等B級表面應用的理想之選. ' 他還表示, 麥格納可以在全碳纖維和碳纖維與玻璃纖維的混合物之間來回切換. '我們正在尋求最低的重量和最薄的壁厚, 目前我們能夠減小到1.2~ 1mm, 這是在鋼上的範圍, 但我們提供了一種具備部件整合能力的可流動的材料, 而這是金屬衝壓件所不能提供的. '
配混商A. Schulman有限公司(美國俄亥俄州費爾勞恩)有幾種新的碳纖維SMC生產方法. 其子公司Quantum複合材料有限公司(美國密西根州貝城)自1987年起就已開發出短切碳纖維SMC並實現了商業化, 起初是採用環氧樹脂基體, 後來採用乙烯基酯樹脂基體. 從2006年開始, Quantum複合材料有限公司與卡拉威高爾夫公司(美國加利福尼亞州卡爾斯巴德)展開了緊密合作, 此後不久, 與蘭博基尼汽車公司一起, 採用改性乙烯基酯樹脂基體去開發一種短切碳纖維SMC材料, 這就是所謂的 '鍛造的複合材料(Forged Composites)' . 隨後, 卡拉威高爾夫公司將鍛造的複合材料(Forged Composites)用於其Diablo Octane發球木, 蘭博基尼將該材料用於其幾款概念車以及Sesto Elemento, Aventador J, Veneno和Huracan 超級跑車的各種部件上. '最近, 卡拉威要求一種類似的產品用於其Big Bertha Fusion發球木, 它更薄更強. ' A. Schulman有限公司複合材料市場開發總監 Douglas Gries回憶道, '我們能夠做到這一點的唯一方法是採用連續纖維繫統. 幸運的是, 我們已經採用編織碳纖維織物開展了一些研究工作, 因此我們開發出了一種新的材料來滿足卡拉威的結構和外觀要求. 現在我們將這種材料展示給汽車製造商, 他們也非常感興趣. '
A. Schulman有限公司將此產品稱作 'Forged Preg' , 它於CAMX 2016展會被推出, 現已擴展到了3個級別, 每一種都採用了專利的乙烯基酯樹脂混合系統: 8575採用了一種3K絲束的三軸編織物, 8585採用了一種12K 絲束的雙軸織物, 8595採用了60K絲束的單向織物.
玻璃纖維技術也在進步. 重慶國際複合材料有限公司(簡稱 'CPIC' , 中國重慶)聲稱, 其產量在世界排名第三. 據說, 該公司擁有幾種適合SMC的產品級別, 其中最有趣且獨特的產品是一種扁平纖維, 它更易於實現各向同性的分散, 明顯減少了薄壁部件的翹曲變形. 這種扁平的玻璃纖維束的其他屬性, 相當於傳統的圓形無堿玻璃纖維. 該公司還提供導電漿料系統和介電常數比傳統無堿玻璃纖維低的一種 HL級別. 最近, CPIC實現了其 HT和TM 級別的商業化, 它們提供了更高的模量. 據說TM級別是目前市場中擁有最高拉伸模量的無堿玻璃纖維, 按照ASTM D 2343測試方法對1700m, 2400 tex粗紗進行的拉伸測試表明, 浸漬纖維束的拉伸模量為88~ 92 GPa. HT級別據說擁有更高的拉伸模量, 達到92~ 96 GPa, 數值大約處在無堿玻璃纖維和高強度玻璃纖維數值的中間位置, 但成本卻低於高強度玻璃纖維.
碳纖維SMC的纖維浸潤. 在SMC典型的厚漿系統中徹底浸潤纖維是一項挑戰, 解決這一問題的一種方法是分開纖維束以幫助浸潤並改善力學性能, 特別是在汽車行業應用的大絲束碳纖維. 弗勞恩霍夫複合材料研究中心在其直接SMC工藝中, 採用一種纖維分散系統將纖維束從50K降到3K. 據介紹, 這些更小的絲束更易於浸潤, 可以形成更均勻的材料, 從而極大地增加了強度. 右圖所示為標準的短切碳纖維, 左圖所示為首先得到分散的標準的短切碳纖維(圖片來自弗勞恩霍夫複合材料研究中心)
纖維在碳纖維SMC中的分布. 麥格納外飾業務部為其自身應用而採用改性乙烯基酯樹脂開發了碳纖維SMC配方, 一種名為 'EPICBLEND CFS-Z' 的短切纖維級別提供了更好的浸潤, 壓實和固結, 一種獨特的生產工藝實現了各向異性的纖維分布. 圖中(左)為光滑表面, (右)為兩種類型的紋理表面(圖片來自麥格納外飾業務部)
8575級別的材料採用了一種 3K 絲束的三軸編織物, 並在50%重量百分比時提供33090 MPa的拉伸模量. 8585級別採用一種12K絲束的雙軸向織物, 並在55%重量百分比時提供55150 MPa的拉伸模量. 8595級別的材料採用60K的單向絲束, 並在55%重量百分比時提供99300 MPa的拉伸模量(圖片來自A. Schulman Inc./ Quantum複合材料有限公司)
扁平纖維用於更穩定的薄壁SMC. 玻璃纖維技術可能是使用已久的增強材料技術, 但也並非沒有進步. 一個例子是重慶國際複合材料公司獨特的扁平玻璃纖維, 據說有助於在基體材料中實現各向同性的分散, 從而極大地減少了薄壁SMC部件的翹曲變形