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再生碳纤维混合复合材料实现轻量化

2018-7-30 14:25 466 0
简介
与传统的天然纤维复合材料相比,由天然纤维和再生碳纤维制成的混合复合材料明显具有更优良的机械性能。德国图林根纺织和塑料研究所(TITK)正在对该类新材料的未来应用和生产相关的问题进行研究。天然纤维增强塑料( ...

与传统的天然纤维复合材料相比,由天然纤维和再生碳纤维制成的混合复合材料明显具有更优良的机械性能。德国图林根纺织和塑料研究所(TITK)正在对该类新材料的未来应用和生产相关的问题进行研究。


天然纤维增强塑料(NFRP, Natural fibre reinforced plastics)用于制造汽车工业中的部件已经有许多年。其主要原因是NFRP具有良好的特定材料特性(刚度高且密度低)、适宜的价格、且与其他材料相比具有更积极的生态足迹。NFRP的典型应用是汽车内饰中的门板,行李箱盖和仪表板。


通常这种材料的克数约在1600-2000g/m2范围。考虑到汽车开发中轻量化的需求,减少半成品的重量是必须的。单单采用目前使用的天然纤维复合材料,且不降低机械值(刚度,冲击强度),是无法实现这一点的。具有再循环碳纤维(rCF,recycled carbon fibres)的混合复合材料,保持相同或更好的机械性能的同时能够显着降低组件重量,成为天然纤维复合材料的一种替代方案。

天然纤维半成品的制造

NFRP的加工主要以压缩成型工艺的形式进行。通常使用由40至60mm长的天然纤维(亚麻,大麻,洋麻等)制成无纺天然纤维毡。此外,木纤维复合材料也在很大程度上得到应用。根据所使用的基质材料,天然纤维复合材料可细分为:▸热固性基质(如PUR,环氧树脂,丙烯酸树脂,酚醛树脂)▸热塑性基质(如PP)。

热固性天然纤维复合材料首先是选用100%天然纤维垫,并在随后的步骤中浸渍树脂,然后在热工具中压制成组件形状。热固性天然纤维复合材料中的典型纤维含量为60至80%(按重量计算)。

对于热塑性天然纤维复合材料,这种热塑性纤维和天然纤维的混合物用于生产非织造织物。两者的混合比可以调整复合材料的纤维含量和机械性能。相比热固性天然纤维复合材料,热塑性天然纤维材料具有较低的纤维含量,通常为40-60%(按重量计算)。因此,天然纤维增强热塑性塑料的机械性能不那么好。

可以通过以下方式实现复合材料属性的优化:

▸基质材料(热塑性塑料或热固性塑料)的变化 ▸纤维基质粘附的优化(偶联剂的利用) ▸天然纤维类型的变化(具有不同机械性能的纤维) ▸混合其他纤维材料(例如玻璃纤维或再生碳纤维)。

早期研究表明,具有高拉伸强度的纤维混合物能够带来冲击强度的显著改善。 另一方面,高刚度值可以通过混合具有高弹性模量的纤维来实现,例如, 玻璃纤维或碳纤维。出于成本原因,可以使用来自切割和预成型工艺的再循环碳纤维。高质量的纤维可以通过碳纤维截留的特殊纺织工艺获得。

用再生碳纤维制造半成品

可以以不同的方式实现将再循环碳纤维整合到天然纤维复合材料中。

第一种方式,图1,是碳纤维在梳理过程中与天然纤维和PP纤维一起直接加工成纤维-纤维混合物。 将所需的碳纤维量与其他组分混合并进料到非织造机中。 在工业上可用设备技术(开纤机,混合和梳理机),但必须根据碳纤维的加工要求进行调整(调整梳理机上的针脚等)。如果给出这些条件,则可以有效且经济地实施纤维的直接混合。

Figure 1 Non woven natural fibre, rCF and PP fibre (© TITK)

第二种方式,图2,是在天然纤维半成品的顶部加上具有碳纤维的薄覆盖层(例如通过针刺或热固定)。 因此,第二种方式可以实现层结构,这种层结构允许之后对天然纤维增强塑料的性质优化。 该工作步骤也可以在部件制造商处进行,并且对于设备技术的要求低于对碳纤维混合物的处理。用于外层的热塑性碳纤维半成品必须在单独的生产线上生产。 位于Wackersdorf的SGL / ACF公司已经生产了这种带有再生碳纤维的半成品,可用于生产层状结构。

Figure 2 Layer construction of natural fibre, rCF and PP fibre (© TITK)

复合材料制造和机械性能

天然纤维垫的生产在TITK的实验室的梳理机上进行。再生碳纤维通过均匀的纤维混合物以及层结构整合到天然纤维复合材料中。碳纤维的混合物在10-30%(重量)之间。复合材料中增强纤维的总含量总是50%(重量)。

将纺织半成品压制成密度为0.8g / cm3和1.0g / cm3的平板。复合材料分两步生产:▸通过接触板加热,210°C,加热时间2分钟。▸在30°C,1分钟的压制时间内在工具内固结。

从复合板材中铣削出用于复合材料试验的样品,并根据以下标准进行测试:▸拉伸试验DIN EN ISO 527-4 ▸弯曲试验DIN EN ISO 178 ▸在恒定轴承距离(30 mm)和2 mm偏转,10 mm / min测试速度下确定弯曲力 ▸冲击试验DIN EN ISO 179-1。


图3和图4显示了具有不同rCF含量的混合非织造织物的NF/rCF/PP化合物的弯曲性质。没有优化的纤维基质粘合,随着碳纤维含量的增加,弯曲强度和弯曲模量仅有略微增加。更高压实(1.0g/cm3与0.8g/cm3相比)的复合材料具有更好的机械性能。改性PP纤维(包括马来酸酐)的使用引起机械性能的显着增加,因此碳纤维含量的增加也显示出对强度和模量的更明显的增加效果。

Figure 3 Bending strength depending on rCF — content (© TITK)

Figure 4 Bending modulus depending on rCF — content (© TITK)

研究人员进行了具有恒定轴承距离的附加弯曲试验,并且将具有天然和碳纤维的复合材料的机械性能与由具有约克重为1800g/m2的非织造垫(参考材料)制成的天然纤维复合材料的值进行比较,图5。

Figure 5 Bending strength of natural composites depending on grammage (© TITK)

考虑到不同密度复合材料的测试结果,测试中设定了1.0g/cm3的高密度。 在较轻的半成品的情况下,这导致较低的片材厚度,厚度在1.4至1.5mm的范围内。 在恒定的轴承距离下的弯曲试验结果表明,具有碳纤维的半成品的克重可以降低至约1300g/m2,且在2mm偏差时没有减小弯曲力。 这相当于减轻了约30%的重量。不同的集成选择(均匀混合的无纺布与层结构)对弯曲模量的影响可以在图6中看到。

Figure 6 Bending modulus of sheets made of different composite constructions (© TITK)

再生碳纤维的复合材料具有比纯天然纤维复合材料具有更高的抗弯刚度值。使用层结构可以实现更高的机械性能。机械值可通过覆盖层中的rCF进行调整。偶联剂的使用主要引起弯曲值的改善。在混合改性的情况下,还可以通过优化纤维基质粘合来增加弯曲性能。

组件制造和测试

样件试制是与来自汽车供应商行业(Boshoku Automotive Europe)的工业合作伙伴共同生产的。图7中的门板由不同的半成品(层结构和混合结构)组成,并进行机械性能测试。组件研究证实,与纯天然纤维复合材料(1800 g / m2)相比,添加再生碳纤维(1250至1300g/m2)的组件明显更轻,同时具有相同或更好的组件强度和刚度。

Figure 7 Door panel made of NF/RCF/PP composite (© SGL ACF Wackersdorf)

图8显示了压制过程后组分重量的比较。 与参考材料相比 - 由亚麻纤维增强PP制成 - 可以实现30%至40%的重量减轻。 根据OEM的交付规范,重量优化组件的机械性能满足所有要求。

Figure 8 Component weight regarding different composite constructions (© TITK)

总结与展望

与传统的天然纤维复合材料相比,由天然纤维和再生碳纤维制成的混合复合材料具有明显更好的机械性能。碳纤维的混合物可以通过纤维 - 纤维混合物(非织造织物的生产)以及层结构(在非织造制造或进一步加工期间的组合)来实现。部件制造可以通过压缩成型进行,并且如果需要,可以与注射成型结合进行。

基于天然纤维/碳纤维混合物的较高机械性能,可以将天然纤维增强的半成品和组件的克重减少约30%且没有任何机械性能损失。良好的纤维基质粘合性和高复合密度对于充分利用碳纤维的机械性能的最佳机械值是至关重要的。

天然纤维 - 碳纤维混合物可用于汽车工业中的内部部件。典型应用是门板,仪表板和其他具有更高机械要求的部件。 TITK目前正在与工业合作伙伴一起致力于新材料的优化和工业实施。

来源:Springer

作者:Renate Lützkendorf,Thomas Reussmann,Martin Danzer

汽车轻量化在线翻译整理



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