方程 王昌斌 石海鑫

（中國第一汽車集團(tuán)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(fù)合材料因其具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗疲勞性能優(yōu)異、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠有效地達(dá)到材料輕量化的目的。復(fù)合材料制品的力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)特征與其纖維類型和成型工藝密切相關(guān)，往往在汽車行業(yè)的推廣應(yīng)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)，但是力學(xué)性能有所不足；連續(xù)纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能，但是又無法形成較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，特別是在底盤部件上拓展應(yīng)用時(shí)更顯得捉襟見肘。圖1展示了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度與纖維長度的關(guān)系[1]，從圖中可以清晰地看出隨著纖維長度的增加，產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度急劇下降，同時(shí)還會伴隨成本的上升。

圖1 結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度與纖維長度的關(guān)系[1]

為了彌補(bǔ)上述不足，復(fù)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(chǎn)品強(qiáng)度；非連續(xù)纖維提升產(chǎn)品的剛度，同時(shí)提高結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、設(shè)計(jì)靈活性以及產(chǎn)品功能集成性?！盎旌稀惫に噷τ跓崴苄詮?fù)合材料主要的實(shí)現(xiàn)方式為模壓加注塑或者一步模壓的方式，對于熱固性復(fù)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(chǎn)品主要是連續(xù)纖維增強(qiáng)的熱塑性有機(jī)板或單向帶（如圖2所示），非連續(xù)纖維產(chǎn)品主要是非連續(xù)纖增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的成型。

圖2 有機(jī)板和單向帶展示

表1 連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料產(chǎn)品

近年來，對于這種熱塑性“復(fù)合”工藝技術(shù)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(qiáng)熱塑性復(fù)合材料產(chǎn)品，表1列出了目前較為典型的有機(jī)板或單向帶產(chǎn)品。另外，為匹配這種工藝的工業(yè)化以及批量化實(shí)現(xiàn)，在生產(chǎn)制造端，一些著名的機(jī)械裝備公司也相繼研發(fā)并推出各自的成型設(shè)備，同時(shí)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(yīng)的設(shè)備。

2.1 材料介紹

連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的生產(chǎn)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(chǎn)工藝圖。

圖3 熔融浸漬工藝

圖3 表示的是單向帶的生產(chǎn)工藝，同時(shí)通過單向帶的組合形成多軸向熱塑性預(yù)浸帶，另外有機(jī)板類的產(chǎn)品也大量采用纖維編織物進(jìn)行預(yù)浸。為了匹配制品性能，有機(jī)板或單向帶的產(chǎn)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(chǎn)品的性能。

表2 Tepex?系列產(chǎn)品的性能[2]

2.2 制品生產(chǎn)工藝

采用有機(jī)板或者單向帶進(jìn)行混合工藝成型時(shí)一般遵循以下幾個(gè)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(jìn)行定位和固定；

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

（5）冷卻脫模。

在實(shí)際生產(chǎn)中，結(jié)合部件結(jié)構(gòu)特征以及設(shè)備情況可采用一步法和兩步法進(jìn)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(jī)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(diǎn)需要保證制品中注塑部分與有機(jī)板的界面處的粘合強(qiáng)度，粘合強(qiáng)度主要取決于有機(jī)板的加熱溫度和注射溫度。有機(jī)板的加熱溫度和注射溫度越高，粘合強(qiáng)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(jī)板接觸面處的溫度，因此有機(jī)板的溫度低于融化溫度通常也能滿足要求。其次，有機(jī)板加熱后轉(zhuǎn)移的時(shí)間應(yīng)該盡可能短，防止中途冷卻過快。注射速度對于粘合強(qiáng)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(shí)間，對于遠(yuǎn)離澆口的位置尤為明顯。另外，高的保壓壓力也對粘合強(qiáng)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(jī)板和模具溫度的變化過程。理想狀態(tài)下，在機(jī)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(jié)束，然后開始降溫，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)[2]。

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

圖6 有機(jī)板和LFT-D一步模壓工藝[2]

混合工藝的優(yōu)點(diǎn)在于利用連續(xù)纖維的強(qiáng)度保證產(chǎn)品的力學(xué)性能，同時(shí)利用非連續(xù)纖維優(yōu)異的成型能力來形成產(chǎn)品的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。但對于一些復(fù)雜程度較高的產(chǎn)品，一步法難以成型，則可采用兩步法的方式，即先將有機(jī)板成型，然后將其作為嵌件放置于模具中進(jìn)行二次注塑成型，此種方式能夠降低模具以及裝備的復(fù)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(shè)定的角度和鋪層進(jìn)行鋪放，圖8展示了單向帶定制化鋪放的過程[3]。

為實(shí)現(xiàn)單向帶定制化鋪放，迪芬巴赫公司推出其Fiberforge 4.0設(shè)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(jī)板類似，圖10更加形象地表達(dá)了單向帶自動化的生產(chǎn)過程。

圖10 單向帶制品自動化生產(chǎn)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(yīng)用于單向帶時(shí)，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(dāng)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(shí)固定裝置與單向帶在模具同步運(yùn)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(qiáng)度是重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)要點(diǎn)。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(qiáng)度，國外的Tri-Mack公司就對其進(jìn)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(jìn)行比較。結(jié)果如圖13所示，混合成型試樣的界面粘合強(qiáng)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(qiáng)度比對[6]

前文中已經(jīng)敘述過有機(jī)板加熱溫度對粘合強(qiáng)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(qiáng)度進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，在單向帶溫度在低于80℃時(shí)界面強(qiáng)度低于10 MPa，單向帶的溫度在130℃時(shí)界面強(qiáng)度達(dá)到30 MPa～40 MPa，單向帶溫度繼續(xù)提高時(shí)，界面強(qiáng)度變化不大[7]。圖14對比了單向帶在130℃和275℃下的界面強(qiáng)度。

圖14 不同單向帶溫度下的界面強(qiáng)度[7]

2.4 案例介紹

朗盛與高田曾采用基材為PA有機(jī)板和PA6粒料通過一體模壓加注塑的方式生產(chǎn)全氣囊殼體，實(shí)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(qiáng)筋即注塑部分的設(shè)計(jì)過程。首先建立起注塑部分的設(shè)計(jì)空間作為設(shè)計(jì)變量，以位移為響應(yīng)，內(nèi)部壓力為載荷進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，然后以拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果指導(dǎo)加強(qiáng)筋的分布。

圖16 安全氣囊殼體設(shè)計(jì)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(yù)浸料加上SMC混合模壓的方式形成制品，預(yù)浸料和SMC如圖17所示。這兩種材料均為傳統(tǒng)材料，預(yù)浸料單獨(dú)使用時(shí)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(shí)際產(chǎn)品應(yīng)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(jié)合了不連續(xù)和連續(xù)纖維增強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以生產(chǎn)出幾何形狀復(fù)雜、功能多樣和承載能力強(qiáng)的復(fù)合材料產(chǎn)品。

圖17 預(yù)浸料和SMC展示

3.1 材料介紹

預(yù)浸料和SMC均為傳統(tǒng)材料，在面向汽車的應(yīng)用中各自都有一定的局限。傳統(tǒng)的預(yù)浸料模壓成型或者熱壓罐成型生產(chǎn)周期長，難以滿足汽車的批量生產(chǎn)需求。而SMC所用的增強(qiáng)纖維大多為玻纖，對于一些結(jié)構(gòu)件其力學(xué)性能稍有不足。近年來隨著材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，預(yù)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(yù)浸料，商品名為HexPly?M77，能夠在150℃下實(shí)現(xiàn)2 min固化，玻璃化溫度達(dá)到125℃。寶馬7系B柱加強(qiáng)部件采用的就是此產(chǎn)品。HexPly?M77系列預(yù)浸料力學(xué)性能見表3[8]。

表3 HexPly?M77系列產(chǎn)品的性能[8]

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

表4 典型CF-SMC產(chǎn)品的性能

3.2 制品生產(chǎn)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(jìn)行預(yù)浸料的切割以及前序準(zhǔn)備，其次進(jìn)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(jìn)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(yù)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(yù)浸料先固化成型，然后將固化的預(yù)浸料部件與SMC再次模壓成型。對于兩步法，預(yù)浸料和SMC樹脂體系的選擇相對靈活，但是對于固化的預(yù)浸料部件需要進(jìn)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(yù)浸料的纖維有所變形，這種變形使得界面處的面外力學(xué)性能有所提升，但是會降低面內(nèi)力學(xué)性能。

前文敘述到，對于兩步法成型需要對固化的預(yù)浸料部件進(jìn)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(jìn)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(yàn)中采用兩種樹脂體系的SMC進(jìn)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(jìn)行剪切強(qiáng)度的測試，結(jié)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(qiáng)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(xué)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(fù)合材料縱臂，如圖22所示[12]，實(shí)現(xiàn)降重50%。

圖22 碳纖維復(fù)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(yù)浸料和SMC結(jié)合的方案，并在與轉(zhuǎn)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(shù)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(shí)能夠降低質(zhì)量。另外，為了提高材料之間的粘合強(qiáng)度，對金屬嵌件進(jìn)行了涂覆處理。

4 熱塑-熱固“混合”工藝

熱固性復(fù)合材料具有高剛性、低蠕變和良好的表面質(zhì)量；熱塑性復(fù)合材料具有良好的韌性，而且通過注塑的方式能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。將兩種材料進(jìn)行混合使用，能夠滿足某些特定的要求。德國亞琛大學(xué)在其“OPTP-Light”項(xiàng)目中就嘗試將預(yù)浸料模壓之后的中間制品再進(jìn)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(jìn)行表面處理，以提高兩者的結(jié)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(shù)，相比采用濕法模壓和單個(gè)嵌件粘接的方案能夠降低成本30%[12]。

5 結(jié)論及啟示

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

（2）復(fù)合材料的“混合”工藝能夠進(jìn)一步降低復(fù)合材料車身部件的質(zhì)量，同時(shí)能夠拓展復(fù)合材料在底盤部件上的應(yīng)用。