SMC与玻纤编织物共成型在货车车厢上的应用潜力

IDI Composites International与A&P Technology合作开发的预浸料共模塑复合材料，为汽车、移动出行应用提供了新的形状以及强度和弹性水平。

随着汽车电气化程度的提高，汽车OEMs 正在寻找具有最佳结构性能的轻质而又耐用的材料，以减轻重量、延长续航里程并提高燃油经济性。最近，由片状模塑料（SMC）制成的下一代皮卡车厢满足了这些核心要求。

SMC 复合材料并非是用于货车车厢的新的解决方案。由于具有耐用性、弹性和耐候性，实际上该材料已被使用了多年。然而，作为一种坚固耐用、用途广泛的工具，货车车厢则为IDI Composites International（简称IDI，美国印第安纳州诺布尔斯维尔）探索一种新的SMC增强材料共模塑方法从而获得形状复杂且无需额外加固的耐用部件提供了用武之地。

作为一家全球化的热固性模塑复合材料和混合物的配混商和制造商，IDI主要为 OEMs、一级供应商和模塑商提供服务。该公司拥有12万平方英尺的先进的生产工厂和研究中心，采用经ISO 认证的生产流程和严格的质量控制程序，与客户密切合作，针对特定应用，开发量身订制的热固性成型配方。IDI生产全系列的基于聚酯/乙烯基酯的SMC和团状模塑料 （BMC），产品以其在挑战性条件下的耐用性、弹性和性能而闻名，被用于各行各业，包括汽车、电动汽车和新能源汽车（EV、NEV）、公共交通、国防、建筑、石油和天然气、医疗和船舶。

为了探索能进一步增强SMC/BMC性能的方法，该公司与编织材料制造商 A&P Technology（美国俄亥俄州辛辛那提）合作，开发了一种名为Fortium QISO 的预浸料共模塑配混料，该材料是 IDI 的 Fortium SMC与A&P Technology 开发的三轴编织产品QISO 的组合。

据 IDI 复合材料技术及应用工程总监 Kevin Cahill介绍，他们开发Fortium QISO 的目的是实现SMC/BMC的进步。使用编织材料进行额外增强，允许使用更少的材料。“主要优点是减轻了重量。否则，你得用不连续纤维来制造更厚的部件，或者，制造带有金属嵌件的更复杂的部件。”Cahill说道。IDI 产品经理 Rob Holcombe 补充道：“我们的目标很明确，就是在确保货车车厢应用性能的情况下实现减重降本，至少要保持成本中性。”

Fortium QISO采用了40%-65% 的不连续玻纤增强材料，这种高填充性带来了具有高强度和高抗冲性能的材料，而不连续性则使材料能够通过模压成型工艺被制成复杂的形状。Fortium QISO还可以使用各种热固性树脂，包括聚酯、乙烯基酯、环氧树脂和乙烯基酯/氨基甲酸乙酯混合物，因而可以提供耐热性、韧性和耐用性，包括耐候性、抗紫外辐射性、耐化学性和常规的耐磨损性。

Holcombe表示，通过对树脂和增强材料添加量进行选择，IDI能够灵活优化Fortium QISO的成本和密度，使该材料的性能/重量比能够媲美铝和钢。目前，Fortium QISO已被用于许多小型皮卡车型的车厢。

在开发货车车厢用的共成型材料时，IDI使用了Fortium SMC，该材料采用了50%的含1英寸不连续玻璃纤维的增强材料，以及聚酯/乙烯基酯混合树脂系统。Cahill表示，通过加入添加剂，可以提供颜色、耐候性和抗紫外性，而采用阻燃材料则为电池壳带来类似的效果。

加入A&P Technology 的 QISO 进一步增强了 Fortium 的准各向同性性能。与传统的编织产品不同，QISO 的纤维按60°偏置提高了强度和悬垂性，这对于模压成型部件的复合曲率至关重要。

QISO是一种 0°/±60°平衡对称的准各向同性织物。A&P表示，与使用传统的 0°/90° 织物或无卷曲织物（NCF）增强材料设计的部件相比，使用 QISO 制造的部件更坚固，具有更好的抗冲击性和更加一致的热膨胀系数（CTE）。3个非正交编织偏置有助于 QISO 的准各向同性结构——这意味着它在每个方向上都具有相同的性能，因此，织物的取向不是一个问题。这使得铺层更简单，层数更少，废物更少。

Holcombe 表示，IDI 选择 QISO 是因为它的灵活性和适应性。“在成型时，即使是预浸料的成型，要使连续纤维片材成型并发挥友好性，可能是一个真正的挑战。从制造的角度来看，QISO 在复合方面非常友好，在成型方面也非常友好。由于纤维的形式，它能够很好地适应复杂的形状。

“我们得到的东西在外观、感觉和行为上都像一张非常薄的 SMC。”他继续说道，“它不流动，因为它是编织毡，但依然让人非常熟悉。它可以成型和固化，因为这两种材料之间的化学性质相同。

共成型是一种生产工艺，用此工艺，两种或多种材料可以模塑在一起，形成一个部件。此工艺允许将不同的材料或颜色组合到一个部件中。通常，该工艺是从将主料放入模具型腔中开始的，这种材料构成了最终部件的基层或结构。接着，引入具有不同特性的次级材料，它们通常在初级材料的上方或周围，两种材料通过模压成型集成到一个部件中。

使用 Fortium QISO的共成型过程涉及将 QISO 织物集成到 Fortium SMC 中，以创造出一种据称是具有无与伦比的设计灵活性和坚固性的复合材料。QISO 织物浸渍有相同的树脂系统，这确保了无缝共成型，保持了与传统 SMC 相同的纤维重量百分比和密度。同样，QISO 的准各向同性特性确保了对铺放和取向的敏感性降低，从而减少了材料废料并提高了生产效率。所获得的材料，其另一个优势是具有可回收性。“这是一种材料，没有包覆成型的钢嵌件或需要在回收前去除的东西——整个部件是50%的玻纤和50%的热固性树脂。”Cahill 说道。

为了评估 Fortium QISO 共成型复合材料的性能，开发了一个综合测试基体。测试包括拉伸测试和弯曲测试，以及使用订制的冲击试验机进行大规模的冲击试验。冲击测试涉及模拟不同的冲击场景、不同类型的飞镖和能量，以及冲击载荷下的不同铺层和构造。

Holcombe 解释说：“我们的目标是为 SMC 本身以及为 QISO 层本身构建一个有限元模型，然后利用两者的组合以及影响结果的数据来验证该模型并在实验室规模上进行验证。”

结果表明，与较厚的 SMC 面板相比，采用QISO 增强材料的共成型面板减薄了20%，展现出更好的抗穿刺性和最小的挠度。此外，QISO 的悬垂性和可塑性在复杂形状中得到了验证，表明了其在实际应用中的可行性。

在完成对复合材料面板的测试之后，IDI利用其 Fortium QISO FEM 模型优化了多个货车车厢的设计，这包括识别高应力区域并在此铺放局部编织的 QISO 增强材料。同时，为了获得更加优化的成型性能，在形状复杂区域使用不连续纤维增强的SMC。然后，IDI 制造了几个货车车厢原型。对这些原型的测试表明，在确保强度和性能的同时，成功地减轻了重量，降低了成本并减少了碳足迹。通过选择性地将连续纤维增强材料与SMC主结构相结合，这些新型货车车厢显示出重量的明显降低和抗冲击性能的增强。该方法还减少了SMC的用量，从而抵消了使用编织预浸料的较高成本，将成本影响降至最低。此外，共成型结构的增强性能还有助于延长部件的使用寿命。

虽然IDI最初在开展该项目时考虑的应用是货车车厢，但可以看出，Fortium QISO 材料在其他应用中也同样具有优势。比如，该材料具有非常好的抗动态载荷性能，这使其非常适用于承受突然冲击载荷的部件，如电池壳、车底防护板、挡泥板和保险杠。它还能够在其他的车辆系统中提供局部加固。

这种材料的另一个好处是抗蠕变性。值得一提的是，热塑性材料在承受重载以及暴露在高温下时易发生蠕变，Frunks（电动汽车的前端行李箱）就是一个例子。通常，位于这些行李箱后面的电子设备会产生热量，时间长了，就会导致承重材料发生变形。“这种材料确实有助于无限期地限制和控制这种变形。”Cahill 说道。

2021年，IDI展示了使用 Fortium QISO 的阻燃面板，该面板通过了严格的热失控测试，凸显了其在保护电池组和其他关键组件方面的潜力。这可以扩展到其他移动应用中，如先进的空中交通，其目标是减重降本，同时实现更高的产量。

来源：复材资讯 

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