方程 王昌斌 石海鑫

（中國第一汽車集團有限公司 研發(fā)總院，長春 130011）

主題詞：“混合”工藝 Over molding Hybrid SMC

1 前言

汽車輕量化是汽車節(jié)能減排的有效手段之一，復合材料因其具有輕質高強、抗疲勞性能優(yōu)異、可設計性強等特點，能夠有效地達到材料輕量化的目的。復合材料制品的力學特性和結構特征與其纖維類型和成型工藝密切相關，往往在汽車行業(yè)的推廣應用中凸顯出一定的不足。如短纖維可通過注塑或者模壓的方式形成復雜的結構，但是力學性能有所不足；連續(xù)纖維具有優(yōu)異的力學性能，但是又無法形成較為復雜的結構，特別是在底盤部件上拓展應用時更顯得捉襟見肘。圖1展示了復合材料結構復雜程度與纖維長度的關系[1]，從圖中可以清晰地看出隨著纖維長度的增加，產品可實現(xiàn)的結構復雜程度急劇下降，同時還會伴隨成本的上升。

圖1 結構復雜程度與纖維長度的關系[1]

為了彌補上述不足，復合材料不斷衍生出新的“混合”工藝，即是采用連續(xù)纖維和非連續(xù)纖維混合使用的方式。其中連續(xù)纖維主要提供產品強度；非連續(xù)纖維提升產品的剛度，同時提高結構復雜性、設計靈活性以及產品功能集成性?！盎旌稀惫に噷τ跓崴苄詮秃喜牧现饕膶崿F(xiàn)方式為模壓加注塑或者一步模壓的方式，對于熱固性復合材料主要以模壓為主。

2 熱塑性“混合”工藝

所述的熱塑性“混合”工藝一般稱作“Over molding”或“Hybrid molding”。其中連續(xù)纖維產品主要是連續(xù)纖維增強的熱塑性有機板或單向帶（如圖2所示），非連續(xù)纖維產品主要是非連續(xù)纖增強的注塑粒料或者是LFT-D的模塑料，因此可采用模壓加注塑或者一步模壓的工藝方式實現(xiàn)產品的成型。

圖2 有機板和單向帶展示

表1 連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料產品

近年來，對于這種熱塑性“復合”工藝技術的研究日漸增多，國際上一些著名的化工材料企業(yè)也紛紛推出自己的連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料產品，表1列出了目前較為典型的有機板或單向帶產品。另外，為匹配這種工藝的工業(yè)化以及批量化實現(xiàn)，在生產制造端，一些著名的機械裝備公司也相繼研發(fā)并推出各自的成型設備，同時冠以商品化的工藝名稱，如克勞斯瑪菲的Fiberform，恩格爾的Organomelt。另外東芝、阿博格等企業(yè)也提供相應的設備。

2.1 材料介紹

連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料的生產工藝主要有熔融浸漬、粉末浸漬、混纖編織、液體成型、懸乳浸潤等，圖3是熔融浸漬的生產工藝圖。

圖3 熔融浸漬工藝

圖3 表示的是單向帶的生產工藝，同時通過單向帶的組合形成多軸向熱塑性預浸帶，另外有機板類的產品也大量采用纖維編織物進行預浸。為了匹配制品性能，有機板或單向帶的產品可采用不同纖維種類、纖維類型以及樹脂種類。表2列舉了朗盛Tepex?系列產品的性能。

表2 Tepex?系列產品的性能[2]

2.2 制品生產工藝

采用有機板或者單向帶進行混合工藝成型時一般遵循以下幾個步驟：

（1）將坯料加熱到熔融溫度以上；

（2）將加熱的坯料輸送至模具；

（3）在模具中對加熱的坯料進行定位和固定；

（4）采用適當?shù)哪＞呒夹g，將非連續(xù)纖維熱塑性材料進行組合成型；

（5）冷卻脫模。

在實際生產中，結合部件結構特征以及設備情況可采用一步法和兩步法進行成型。一步法成型分為一步模壓加注塑和一步模壓的方式。圖4展示的是采用有機板和注塑粒料一步模壓加注塑的方式[2]。

圖4 一步模壓加注塑工藝[2]

上述工藝中，重點需要保證制品中注塑部分與有機板的界面處的粘合強度，粘合強度主要取決于有機板的加熱溫度和注射溫度。有機板的加熱溫度和注射溫度越高，粘合強度越高。一般情況下，注射溫度相對較高，一定程度上能夠保證熔體與有機板接觸面處的溫度，因此有機板的溫度低于融化溫度通常也能滿足要求。其次，有機板加熱后轉移的時間應該盡可能短，防止中途冷卻過快。注射速度對于粘合強度也有著顯著影響，注塑速度越高，對熔體的剪切作用越大，降低熔體的冷卻時間，對于遠離澆口的位置尤為明顯。另外，高的保壓壓力也對粘合強度有積極的作用。

圖5 一步模壓加注塑工藝的溫度控制[2]

圖5 展示了一步模壓加注塑過程中有機板和模具溫度的變化過程。理想狀態(tài)下，在機板加熱-模壓-注塑的過程中要保持在熔融溫度以上，在模壓之前模具升溫到玻璃化溫度和熔融溫度之間，并保持到注塑結束，然后開始降溫，進入下一個循環(huán)[2]。

混合工藝成型時還可采用一步法模壓的方式。此種方式采用有機板和LFT-D模塑料可實現(xiàn)批量化以及自動化生產，成型工藝如圖6所示[2]。

圖6 有機板和LFT-D一步模壓工藝[2]

混合工藝的優(yōu)點在于利用連續(xù)纖維的強度保證產品的力學性能，同時利用非連續(xù)纖維優(yōu)異的成型能力來形成產品的復雜結構。但對于一些復雜程度較高的產品，一步法難以成型，則可采用兩步法的方式，即先將有機板成型，然后將其作為嵌件放置于模具中進行二次注塑成型，此種方式能夠降低模具以及裝備的復雜程度，工藝過程如圖7所示[2]。

一般情況下，單向帶在成型前需要按照設定的角度和鋪層進行鋪放，圖8展示了單向帶定制化鋪放的過程[3]。

為實現(xiàn)單向帶定制化鋪放，迪芬巴赫公司推出其Fiberforge 4.0設備[3]，如圖9所示。

圖7 分步模壓加注塑工藝[2]

圖8 單向帶定制化鋪放過程[3]

圖9 迪芬巴赫Fiberforge 4.0[3]

單向帶按要求鋪放之后，制品后續(xù)的工藝過程與上述的有機板類似，圖10更加形象地表達了單向帶自動化的生產過程。

圖10 單向帶制品自動化生產過程[4]

單向帶在模具中的固定和定位一般需要特殊的裝置。對于織物類型的層合板可以采用針狀或真空固定裝置，但這些傳統(tǒng)裝置應用于單向帶時，往往會造成纖維的變形和坯料的開裂。圖11展示了一種單向帶在模具中固定和定位的原理，能夠避免單向帶不必要的變形。當加熱的單向帶放入模具中，固定裝置移動出來接管單向帶，合模時固定裝置與單向帶在模具同步運動至最終位置。

圖11 單向帶固定和定位原理[4]

2.3 制品性能

混合工藝中制品界面處的粘合強度是重點關注的技術要點。圖12是界面處的CT圖像[5]，展示了連續(xù)纖維和非連續(xù)纖維在制品中的狀態(tài)。針對混合成型界面處的粘合強度，國外的Tri-Mack公司就對其進行了測試。測試中將混合成型試樣與層合板試樣以及粘接試樣進行比較。結果如圖13所示，混合成型試樣的界面粘合強度是完全層壓板的85%，是工業(yè)膠黏劑的2倍[6]。

圖12 混合成型界面處CT圖像[5]

圖13 混合成型試樣粘合強度比對[6]

前文中已經敘述過有機板加熱溫度對粘合強度的影響。弗勞恩霍夫研究所對PA6基材的單向帶和LFT-D混合成型的界面強度進行了研究。結果顯示，在單向帶溫度在低于80℃時界面強度低于10 MPa，單向帶的溫度在130℃時界面強度達到30 MPa～40 MPa，單向帶溫度繼續(xù)提高時，界面強度變化不大[7]。圖14對比了單向帶在130℃和275℃下的界面強度。

圖14 不同單向帶溫度下的界面強度[7]

2.4 案例介紹

朗盛與高田曾采用基材為PA有機板和PA6粒料通過一體模壓加注塑的方式生產全氣囊殼體，實現(xiàn)降重35%[2]，如圖15所示。

圖15 安全氣囊殼體[2]

圖16 展示了安全氣囊殼體中加強筋即注塑部分的設計過程。首先建立起注塑部分的設計空間作為設計變量，以位移為響應，內部壓力為載荷進行拓撲優(yōu)化，然后以拓撲優(yōu)化的結果指導加強筋的分布。

圖16 安全氣囊殼體設計過程[2]

3 熱固性“混合”工藝

所述的熱固性“混合”工藝主要采用預浸料加上SMC混合模壓的方式形成制品，預浸料和SMC如圖17所示。這兩種材料均為傳統(tǒng)材料，預浸料單獨使用時一般采用模壓、熱壓罐等工藝；SMC基本以模壓為主。目前將這兩種材料混合使用的工藝在實際產品應用中較少，多為一些研究性的成果展示。這種熱固性“混合”工藝一般稱作“Thermoset-Over molding”或“Hybrid SMC”。這種混合SMC工藝結合了不連續(xù)和連續(xù)纖維增強的優(yōu)點，可以生產出幾何形狀復雜、功能多樣和承載能力強的復合材料產品。

圖17 預浸料和SMC展示

3.1 材料介紹

預浸料和SMC均為傳統(tǒng)材料，在面向汽車的應用中各自都有一定的局限。傳統(tǒng)的預浸料模壓成型或者熱壓罐成型生產周期長，難以滿足汽車的批量生產需求。而SMC所用的增強纖維大多為玻纖，對于一些結構件其力學性能稍有不足。近年來隨著材料技術的不斷進步，預浸料和SMC都有著新的發(fā)展。美國Hexcel公司就推出一款快速固化成型的預浸料，商品名為HexPly?M77，能夠在150℃下實現(xiàn)2 min固化，玻璃化溫度達到125℃。寶馬7系B柱加強部件采用的就是此產品。HexPly?M77系列預浸料力學性能見表3[8]。

表3 HexPly?M77系列產品的性能[8]

SMC在汽車上的應用其實較為廣泛，特別在商用車上，如導流罩、腳踏板、保險杠等。為了拓展SMC的應用范圍，碳纖維SMC（CF-SMC）也漸漸應用到一些力學性能要求較高的部件上。表4展示的是典型的CF-SMC力學性能。

表4 典型CF-SMC產品的性能

3.2 制品生產工藝

混合SMC工藝也可分為一步法和兩步法。一步法的工藝如圖18所示[9]。首先進行預浸料的切割以及前序準備，其次進行堆疊鋪放，接著放置于加熱的模具中，然后合模加壓成型，最后固化脫模進行修邊以及表面處理。由于一步法是采用共固化的方式，因此預浸料和SMC最好采用同種體系的樹脂，以保證良好的界面性能。

圖18 混合SMC一步法成型工藝[9]

兩步法的成型工藝如圖19所示[10]。主要區(qū)別就是預浸料先固化成型，然后將固化的預浸料部件與SMC再次模壓成型。對于兩步法，預浸料和SMC樹脂體系的選擇相對靈活，但是對于固化的預浸料部件需要進行表面處理。

圖19 混合SMC兩步法成型工藝[10]

3.3 制品性能

圖20 展示的是混合SMC工藝界面處的微觀圖片，采用的是乙烯基樹脂一步法共固化成型[11]。從圖20可以看出，在界面處預浸料的纖維有所變形，這種變形使得界面處的面外力學性能有所提升，但是會降低面內力學性能。

前文敘述到，對于兩步法成型需要對固化的預浸料部件進行表面處理?？湛凸镜难芯咳藛T就針對不同的表面處理方式，對比了各自的界面性能。表面處理方式有如下幾種：

圖20 混合SMC界面圖片[11]

●僅通過溶劑和脫脂劑進行表面清潔（Only refined）

●表面清潔和高壓等離子氣體（APP）

●打磨和表面清潔（Grinded）

●打磨、表面清潔和高壓等離子體（Grinded+APP）

試驗中采用兩種樹脂體系的SMC進行相互比對，分別為環(huán)氧樹脂體系的SMCarbon 90 CF-3K和乙烯基樹脂體系的SMCarbon 24 CF60-12K。通過以上不同表面處理后進行剪切強度的測試，結果如圖21所示[10]。從中可以看出，與乙烯基酯SMC相比，環(huán)氧基SMC的界面強度更高，且組合的表面處理方式具有更佳的效果。

圖21 不同表面處理的剪切測試[10]

3.4 案例介紹

福特公司聯(lián)合華威大學和海斯坦普公司采用上述混合SMC工藝開發(fā)了一種碳纖維復合材料縱臂，如圖22所示[12]，實現(xiàn)降重50%。

圖22 碳纖維復合材料縱臂[12]

最初的開發(fā)思路是采用單純的SMC，但是材料用量超過了SMC制品的典型厚度，于是采用預浸料和SMC結合的方案，并在與轉向節(jié)連接的區(qū)域增加金屬嵌件。整體的用材分布如圖23所示[12]。

圖23 用材分布情況[12]

金屬嵌件的使用增加了技術難度，于是在金屬嵌件上加工出蜂窩狀孔洞，目的是為了降低不同材料之間熱膨脹系數(shù)的差異，同時能夠降低質量。另外，為了提高材料之間的粘合強度，對金屬嵌件進行了涂覆處理。

4 熱塑-熱固“混合”工藝

熱固性復合材料具有高剛性、低蠕變和良好的表面質量；熱塑性復合材料具有良好的韌性，而且通過注塑的方式能夠實現(xiàn)復雜的產品結構。將兩種材料進行混合使用，能夠滿足某些特定的要求。德國亞琛大學在其“OPTP-Light”項目中就嘗試將預浸料模壓之后的中間制品再進行注塑，獲得最終制品，在注塑之前采用激光對熱固性材料進行表面處理，以提高兩者的結合力。完整的工藝路線如圖24所示[13]。

圖24 熱塑-熱固“混合”工藝路線[13]

上述的熱塑-熱固“混合”工藝技術，相比采用濕法模壓和單個嵌件粘接的方案能夠降低成本30%[12]。

5 結論及啟示

（1）復合材料在汽車零部件的應用過程中不斷誕生出新的技術來匹配產品需求，并不斷朝著材料再“復合”和工藝再“復合”的方向發(fā)展。

（2）復合材料的“混合”工藝能夠進一步降低復合材料車身部件的質量，同時能夠拓展復合材料在底盤部件上的應用。