用于汽车减重、量产的碳纤维/环氧树脂

IACMI 项目 3.2 评估了注入新型环氧基树脂系统的碳纤维增强复合材料，以开发具有复杂几何形状的结构复合材料部件，以在大容量乘客主体结构的高负载、安全关键应用中替代金属车辆。评估的首批应用之一是在测试车辆的 B 柱上使用碳纤维/环氧树脂预浸料。高性能预浸料直接将质量减少了 3 公斤，并能够缩小周围金属板的厚度，然后可以用更便宜的合金指定，从而提供额外的重量和成本节约。来源 |福特汽车公司

大多数地区的汽车制造商都面临着 2025 年减少尾气排放和/或提高乘用车燃油经济性的要求。然而，开发全新的汽车技术以满足这些要求的成本很高，因此许多国家正在使用允许供应链成员分担竞争前研究成本的联盟。

在美国，先进复合材料制造创新研究所（IACMI——复合材料研究所，美国田纳西州诺克斯维尔）就是这样的一个组织。在该组织的倡议中，来自工业、学术界和政府的 IACMI 成员致力于多管齐下的项目——包括集成材料/工艺开发、建模/模拟、多材料连接和回收——以解决工程问题、提高车辆质量、降低能源消费和排放，并创造新的美国就业机会。

Project 3.2 和不可能的树脂系统

项目 3.2 是 IACMI 于 2015 年 6 月成立时承担的首批项目之一，尽管该项目中使用的技术实际上在 IACMI 创建前几年已经开始开发，与福特汽车公司（密歇根州迪尔伯恩市）合作。 ，美国）以及当时的陶氏汽车公司（现为美国密歇根州米德兰市的陶氏化学公司）。当 IACMI 成立和 Project 3.2 启动时，福特和陶氏将他们之前在新型环氧树脂系统上的工作带入了该计划。加入 IACMI 后，该计划扩大到最终包括代表这种创新树脂新用途的几个阶段：预浸料 B 柱、全片状模塑料 (SMC) 行李箱盖和 SMC/铝制举升门。

陶氏为福特开发的名为 VORAFUSE 的树脂系列设计用于预浸料和 SMC，以及在北美汽车工业中广泛使用的压缩成型设备上进行加工。根据福特的要求，树脂的玻璃化转变温度 (Tg) 为 150-160°C，在 145-155°C 下成型，在 150°C 下固化不到 2 分钟（尽管不到 1 分钟的固化时间是可用），使其足够快以进行大批量（100,000 多辆/年）的汽车生产。它实现了超过 95% 的模具后固化。该系统不含溶剂和挥发性有机化合物（VOCs）。

“福特定义的 CTQ [质量关键要求] 是独一无二的，以前从未在单一商业产品中实现过，”陶氏聚氨酯研发部研究员 Dave Bank 解释说。 “因此，需要新颖的化学物质和大量非传统的产品来满足这些苛刻的规格。”

“树脂/固化剂混合物中货架稳定性和聚合的热力学分离产生了一种干燥的糊状物，可以将其注入碳纤维中，而无需推进固化并产生干燥、不粘的模塑料，”班克补充道。 “然而，当成型条件达到 150°C 时，化学物质会变得‘热’并且固化会迅速进行。”陶氏化学提交了 21 项专利申请，迄今已获得 4 项技术专利。

VORAFUSE 系统的附加功能：

• 它在室温下可稳定保存 50 天以上，但在 150°C 或更高温度下可快速固化。只要储存温度不超过 40°C，就不需要在套件切割和成型之前冷冻储存。
• 其无粘性化学物质非常适合自动化处理。由于它缺乏传统预浸料的粘性，因此不会导致机器人和其他自动处理设备的堆积和相关问题。
• 它包含一种新型内部脱模剂 (IMR)，因此加工商可以先成型 1,000 个零件，然后再将外部脱模剂应用于工具表面。环氧树脂通常与 IMR 背道而驰，因为它是一种非常有效的金属粘合剂。
• 未固化的产品可以通过切碎并将材料作为不连续的纤维增强复合材料送回成型系统来回收成高价值部件，非常适合成型复杂的几何形状，如肋条/凸台。与传统的环氧树脂预浸料和 SMC 不同，所有未固化的废料都可以重复使用，从而使材料更具可持续性，并节省会增加零件成本的废料损失。

第一阶段：预浸料 B 柱

在 VORAFUSE 进入项目 3.2 后，IACMI 开始开发一个汽车应用程序，该应用程序将成为整个项目的第 1 阶段。团队成员包括福特、陶氏、DowAksa US LLC（DowAksa BV 位于亚利桑那州图森的美国分公司，陶氏化学与土耳其 Çiftlikköy-Yalova 的 Aksa Akrilik Kimya Sanayii A.Ş. 以 50/50 的比例成立的合资企业）;密歇根州立大学（美国密歇根州东兰辛）；普渡大学（美国印第安纳州西拉斐特）；田纳西大学诺克斯维尔分校（美国田纳西州诺克斯维尔）； Continental Structural Plastics（CSP，美国密歇根州奥本山市）；和橡树岭国家实验室（美国田纳西州橡树岭）。

在第一阶段，研究人员开发了用环氧树脂浸渍的连续（编织和非卷曲织物）碳纤维增强预浸料。 VORAFUSE P6300 树脂的配方与 DowAksa A42 D012 24K 标准模量碳纤维兼容。该团队的目标是使用碳纤维/环氧树脂预浸料开发具有复杂几何形状的复合结构部件，以在大容量车辆主体结构的高负载、安全关键应用中替代冲压金属。

对于技术演示者，福特 Fusion 一侧的 B 柱 使用了测试车辆。首先通过模拟评估可行性，然后对物理部件进行模制并进行所有必需的测试——包括全面的车辆碰撞。零件以优异的成绩通过，与现有金属相比，每边减少了 3 公斤的质量。未固化的废料被回收以形成支柱的复杂肋结构。高性能复合材料允许降低周围金属板的厚度，然后可以指定为更便宜的合金，从而提供额外的重量和成本节约。

在通过了福特的所有要求后，该材料的第一个商业用途是用于碳复合材料密集型福特 GT 上的前车顶顶梁和前地板收尾板 超级跑车。

毫不奇怪，碳纤维/环氧树脂预浸料具有成本溢价，因此最适合具有显着减重要求的车辆，可以为显着的减重机会支付溢价。

第 2 阶段/工作流程 1：全 SMC 行李箱盖

在预浸料成功的基础上，项目研究人员接下来在具有安全关键功能的复杂 3D 结构中探索了具有新型环氧树脂的不连续碳纤维增强 SMC。在一个演示器中，碳纤维/环氧树脂 SMC 被用作粘合行李箱盖（行李箱盖）的内部/结构面板，而在另一台演示器中，它被用于更大、更复杂的粘合举升门的内部/结构面板（包含车窗玻璃、雨刮器电机、灯等的后舱盖/车门）。在这两个工作流中，原始设计约束、硬件、连接技术和结构粘合剂都保持不变。使用了超过 300 MPa 拉伸强度和超过 40 GPa 拉伸刚度的具有挑战性的机械目标——与现有的铸造镁和铝相当——被使用。 SMC 还需要比预浸料更高的流动性，因此开发了一种略有不同的等级 VORAFUSE M6400。

对于行李箱盖演示器，它代表了当前玻璃/SMC 技术的渐进式进步，碳纤维/环氧树脂 SMC 取代了传统的结构玻璃纤维增​​强不饱和聚酯 SMC，用于 Lincoln MKS 上的行李箱盖内部 原型车。碳纤维/环氧树脂 SMC 内板与低密度 (LD, 1.25 SG) 玻璃纤维/聚酯 SMC 外板粘合，取代了现有的标准密度 (1.9 SG) 玻璃纤维/聚酯 SMC。新旧外板材料均为 A 级兼容。原始工具被重新用于模制碳纤维/环氧树脂 SMC 内板和玻璃纤维/聚酯外板。收缩率——虽然两种树脂系统之间略有不同——但足够接近，不会导致贴合和光洁度问题（换句话说，没有观察到显着的尺寸变化）。

虚拟原型使粘合组件承受许多具有挑战性的载荷情况，包括扭转刚度、前角刚度、瀑布挠度和闩锁载荷。接下来对数十块内外板进行模制、粘合和测试——包括具有挑战性的每小时 89 公里的后部碰撞。组件顺利通过了虚拟和物理测试。

与基准相比，行李箱盖质量减少了 30%（从 10.5 公斤减少到 7.33 公斤）。然而，如果预算允许对内板进行改造——考虑到与现有产品相比，它的机械性能更高，本可以设计得更薄——然后研究人员计算出，如果采用 2 毫米的壁，质量可以减少至少 35%，甚至更进一步1.5 毫米的墙壁。

碳纤维/环氧树脂SMC通过了福特的所有要求，现在可以用于商业平台，但成本会高于传统的玻璃纤维/聚酯SMC。

第 2 阶段/工作流程 2：SMC/铝制后门

对于最后一个项目，研究人员转向了一个真正具有挑战性的场景：用碳纤维/环氧树脂 SMC 代替轻质金属，为福特 蒙迪欧上更大、更复杂的举升门生产混合（金属/复合材料）粘合组件 五门/掀背车测试车。为了尽量减少对车辆制造顺序的改变，研究人员设计了在电泳防锈涂层（e-coat）处理和相关的烤漆循环之前将组件添加到白车身（BIW）中。

碳纤维/环氧树脂 SMC 取代了镁，用于粘合到现有铝制外板的结构/内板。由于必须创建新工具来生产复合板，因此重新设计了零件。面板厚度根据刚度/强度要求和添加肋条而变化。此外，金属加强件用于气撑杆、闩锁、铰链和锁的高负载连接区域，所有这些都使复合面板更厚一些——这是包装空间允许的。

福特蒙迪欧五门/掀背车版 SMC/铝制后备箱门（带金属硬件）的分解图。来源 |福特汽车公司

这些多材料组件受到严苛的要求，包括扭转和弯曲载荷、横向稳定性、耐腐蚀性、长期耐用性和后方碰撞测试。它们还必须满足关于边距和齐平度的严格尺寸稳定性要求。

虽然混合动力系统很容易通过大多数要求，但由于复合材料内板和铝外板之间的线性热膨胀系数 (CLTE) 不匹配，导致接合处残余应力积聚和冷却后面板变形向下。随后与普渡大学模拟团队合作的工作重点是改进对 1K 环氧粘合剂（因其在电泳涂层温度下的耐受能力而选择）的模量、强度和固化动力学的预测，希望对粘合剂进行逆向工程，使其效果更好。翘曲减少了一个数量级，但略微达不到目标。有几种可能的解决方案：可以尝试使用 2K/室温固化或感应固化粘合剂，或者可以开发一种新的高温粘合剂。从长远来看，在外板上用碳纤维复合材料代替铝可以解决这个问题，就像离线生产举升门并稍后在车辆制造序列中添加一样。但是，这两种选择都会增加成本。

项目 3.2 现已结束，但已经产生了一些有趣的技术，其中一些——B 柱预浸料和 SMC 行李箱盖——已准备好投入商业使用，而其中一些则指出了需要进一步工作的领域。

“与 IACMI 以及我们的工业和学术合作伙伴的合作使我们能够从第一任校长开始更深入地研究技术，开发基础科学并利用比我们单独完成的更广泛的知识库，”项目 3.2 负责人帕特里克布兰查德总结道，技术领先的先进聚合物系统，福特研究与创新。 “我们期待发现新的商业机会和研发活动，以继续与我们的 IACMI 合作伙伴合作。”