新材料与工艺手册

汽车用SMC材料性能分散性研究

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发表于 2020-9-22 14:12:07 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】汽车用SMC材料性能分散性研究
周波 李波 郑挺 李书鹏
(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广州 511434)
摘要:随着节能减排及轻量化设计理念的普及,具备良好轻量化效果的SMC材料已广泛应用于新能源汽车电池包上壳体。通过对SMC材料加工及成型工艺特点分析,研究了原材料生产、成型工艺、结构特征等不同因素对SMC材料性能分散性的影响,并阐述了材料性能分散性对SMC产品开发的要求。结果表明,SMC片料加工方向及垂直加工存在各项异性;由于成型工艺及结构特征的影响,产品不同区域机械性能存在极大的分散性。
关键词:电池包上壳体 轻量化 SMC材料 分散性 各向异性
1 前言

SMC是一种先进的玻璃纤维增强热固性复合材料。其轻质高强、绝缘隔热、耐腐蚀、设计自由度大,尺寸稳定性好[1],且其制造工艺简单,可用于生产几何形状复杂、表面质量要求高的产品,广泛应用于汽车轻量化开发过程中,目前已成功应用于汽车外覆盖件和新能源电池包上壳体等。

SMC片料指玻璃纤维增强片状模塑料,主要由玻璃纤维、不饱和聚酯树脂、填料、低收缩添加剂及各种助剂组成。在通常情况下,SMC片状模塑料可通过模压成型制成复杂的复合材料产品[2]。与传统建筑行业SMC材料相比,汽车对材料性能有更严格的要求,原材料供应商通常可通过调整各组分配比,制造出满足主机厂要求的材料。研究表明,树脂配方、玻纤含量、玻纤长度及方向分布、片料流动等对SMC力学性能及其分散性有较大影响[3]。通过不同方向拉伸、弯曲性能对比确定片料生产对SMC材料性能分散性的影响,并通过电池包上壳体不同区域玻纤含量及拉伸、弯曲性能对比分析产品结构和片料流动引起的材料性能的分散性。

2 制样及试验方法2.1 制样

为了方便对比,统一采用电池包上壳体用SMC材料进行制样。由于电池包上壳体厚度为2.5 mm,所有拉伸、弯曲样条均采用厚度为2.5 mm的非仲裁样条。所涉及样条包括平板样条及产品上取样样条,所有样条表面应平整、无气泡、无分层、无明显杂质和加工损伤。

SMC片状模塑生产过程中传送带运动方向为片料加工方向,如图1所示[4]。制作平板时,片料裁切和铺叠以加工方向为平板模具横向(X向),垂直加工方向为平板模具纵向(Y向)。平板制作完成后,分别在其X和Y向切取拉伸弯曲样条进行试验。

图1 SMC片状模塑料加工示意[4]

产品上取样样条直接从SMC电池包上壳体切取。取样位置应为平面,且尺寸应满足制样要求。取样方向可参考整车坐标系,分别切取横向和纵向样条进行试验。取样位置见图2,由于电池包上壳体结构及成型时堆叠方式对称,可在其左右两侧分别选取不同方向样条进行试验。

图2 SMC电池包上壳体取样位置示意

2.2 试验方法

SMC复合材料玻璃纤维及树脂含量试验方法参考GB/T 2577—2005《玻璃纤维增强塑料树脂含量试验方法》方法B;拉伸性能试验方法参考GB/T 1447—2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》,样条尺寸按Ⅰ型样条,厚度为2.5 mm,拉伸模量及断裂延伸率试验加载速度为2 mm/min,拉伸强度试验加载速度为10 mm/min;弯曲性能试验方法参考GB/T 1449—2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》,样条尺寸为50 mm×15 mm×2.5 mm,弯曲强度性能试验加载速率为10 mm/min。

3 试验结果3.1 材料性能

3.1.1 拉伸性能

SMC片状模塑料加工方向(X向)及垂直加工方向(Y向)拉伸性能见表1。

表1 SMC片状模塑料拉伸性能

拉伸性能试验结果显示,SMC片状模塑料加工方向(X向)拉伸模量、拉伸强度及延伸率高于垂直加工方向(Y向),其差异分别为9.3%、18.2%和12.8%。

3.1.2 弯曲性能

SMC片状模塑料加工方向(X向)及垂直加工方向(Y向)弯曲性能见表2。

表2 SMC 片状模塑料弯曲性能

弯曲性能试验结果显示,SMC片状模塑料加工方向(X向)弯曲模量和弯曲强度高于垂直加工方向(Y向),其差异分别为10%和11.3%。

3.2 产品切取样条

3.2.1 主要组份含量

各位置玻璃纤维、树脂及填料含量见表3。

表3 各组份质量分数%

各组分含量结果显示,由于原材料、结构形式、成型工艺参数等影响,不同区域玻璃纤维、填料及树脂含量存在明显差异。

3.2.2 拉伸性能

SMC电池包上壳体不同区域及方向拉伸强度及拉伸模量见图3。A1-A10分别表示拉伸性能测试样条取样位置,X、Y、Z代表样条取样方向,并且与整车坐标系一一对应。

图3 电池包上壳体不同位置及方向拉伸强度及模量

拉伸性能试验结果显示,SMC电池包上壳体不同区域拉伸强度及模量变化极大,且同一位置不同方向拉伸强度及拉伸模量也会存在较大差异,存在明显的性能分散性。

3.2.3 弯曲性能

SMC电池包上壳体不同区域及方向弯曲强度及弯曲模量见图4。A1-A11分别表示弯曲性能测试样条取样位置,X、Y、Z代表样条取样方向,并且与整车坐标系一一对应。

图4 电池包上壳体不同位置及方向弯曲强度及模量

弯曲性能试验结果显示,SMC电池包上壳体不同区域弯曲强度及模量变化极大,且同一位置不同方向弯曲强度及拉伸模量也会存在较大差异,存在明显的性能分散性。

4 试验结果分析

引起电池包上壳体SMC材料性能变化的因素有很多,本项目主要分析片料生产过程、产品结构形态及模压过程对其机械性能的影响。

研究过程中SMC片状模塑料加工方向机械性能高于垂直于加工方向机械性能,存在明显的各项异性。分析发现,导致材料性能分散性的主要因素是生产过程中传送带运动使得玻纤分布不均匀,使更多纤维按片料加工方向分布。但半成品片料上材料性能分散性远低于产品上的材料性能分散性。

通过SMC材料电池包上壳体不同区域组份对比发现,不同区域各组分含量存在明显区别。由于填料和树脂流动性更佳,导致成型过程中流动峰末端的边缘区域玻纤含量较低,填料及树脂含量较高,如A4、A5、A6;在结构突变处易产生纤维团聚,使得相关位置纤维含量较高,如A7、A11。拉伸性能及弯曲性能试验结果表明,电池包上壳体不同区域和方向材料性能差异极大,分析原因如下。

a.SMC片料本身具有性能分散性;

b.不同区域片料堆叠方式不一致;

c.结构特征造成片料个组份不均匀分布;

d.模压过程中,流体流动使得纤维沿流体方向分布;

e.模具温度存在差异,使得不同区域材料固化程度存在差异;

f.局部区域存在熔接痕,且相关区域机械性能极低,如A6位置熔接痕效果见图5。

图5 SMC电池包上壳体成型后熔接痕(A6位置)

传统SMC产品开发过程中,通常被当作各项同性材料进行设计,但产品上确呈现极大的材料性能分散性,不同位置或方向材料机械性能差异很大。与传统行业相比,汽车行业具有更高的可靠性和质量一致性要求。因此,在汽车产品开发过程中,工程师应充分考虑材料特性及工艺特点的影响,以提高产品设计可靠性及质量稳定性。首先,结构设计阶段应充分考虑材料性能分散性及结构形式对材料工艺性的影响,仿真分析过程中应合理预留“安全系数”;其次,工艺开发过程中,工程师应充分分析片料堆叠方式对片料流动过程的影响,避免在薄弱区域出现留痕等缺陷;另外,工程师需充分定义片料裁切方法及堆叠方式,必要时可在模具及工装上增加参考特征进行辅助铺料。

5 结束语

通过实验结果证明SMC电池包上壳体上存在较大的材料性能分散性,并通过测试结果获得材料性能“安全系数”,协助设计工程师进行仿真分析,从而提高设计可靠度。并在工艺开发过程中,进行严格的片料裁切方法及堆叠方式定义,以提高产品质量稳定性。上述方法已成功应用于某项目电池包上壳体开发过程中,并成功解决前序项目中存在的一些问题,同时达到提高产品性能可靠性及质量稳定性的目的。



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