汽车前地板真空导入树脂体系的研究

2015-07-18丁小马孙泽玉韩克清余木火东华大学纤维材料改性国家重点实验室上海20620民用航空复合材料协同创新中心上海20620

中国新技术新产品 2015年2期

丁小马　孙泽玉　朱　姝*　韩克清　余木火（．东华大学纤维材料改性国家重点实验室，上海 20620；2．民用航空复合材料协同创新中心，上海 20620）

汽车前地板真空导入树脂体系的研究

丁小马1，2孙泽玉1，2朱姝*1，2韩克清1余木火1，2
（1．东华大学纤维材料改性国家重点实验室，上海 201620；2．民用航空复合材料协同创新中心，上海 201620）

摘要：本文研究了一种适用于汽车前地板真空导入成型工艺的树脂体系；具体研究了该树脂浇注体的力学和热学性能；并对该树脂体系与T700、12K东丽单向碳纤维布制备的复合材料板进行了力学测试和金相显微观察；最后对该树脂体系的真空导入过程进行了模拟和试验。

关键词：前地板；真空导入；树脂体系；碳纤维

碳纤维作为一种高强、高模、密度低、比性能高的新型材料，有着与传统金属无法替代的效果。近年来，碳纤维材料已在航天航空、体育用品、汽车行业等各个领域取得了广泛的应用。汽车前地板作为汽车的一个重要承力件，对其材料性能有着严格的要求，传统金属往往由于使用时间的延长，会发生腐蚀、疲劳性能下降、刚度减弱等现象，而碳纤维增强树脂基复合材料具有良好的抗疲劳性，而且破坏前有明显的征兆。

在碳纤维增强树脂基复合材料成型工艺中，作为一种低成本成型工艺，真空导入工艺需要对树脂体系有着一定的要求，而且在选用树脂体系时，要能保证汽车前地板的高刚度、耐疲劳性以及高的耐热性；本文在查阅大量文献以及进行大量实验的基础上，研究了一种适用于汽车前地板真空导入工艺的树脂体系，该树脂浇注体不仅与单向碳纤维结合良好，而且树脂浇注体及与单向碳纤维成型后的复合材料板力学性能和耐热性很好，在一定范围内能够满足汽车前地板的性能和使用要求。

图1　X4302树脂体系在不同温度下粘度随时间的变化

1　实验部分

1.1主要实验材料和设备：环氧树脂X4302A/B，广州博汇新材料科技有限公司；T700、12K东丽单向碳纤维布，上海裕衡贸易商行；钢化玻璃，上海雨乾建筑装饰有限公司；树脂收集器RB451，北京科拉斯科技有限公司上海分公司；干式WOB-L活塞泵，上海泰坦科技股份有限公司；真空干燥箱DZF-6250，上海比朗仪器有限公司；汽车前地板钢模，浙江台州华荣模具有限公司。

1.2主要实验检测设备：数字式旋转粘度计SNB-1，上海精天电子仪器有限公司；耐驰差示扫描量热仪204F1，德国耐驰有限公司；万能材料试验机WDW3020，长春科新试验仪器有限公司；摆锤冲击试验机DAS4000，意大利西斯特有限公司；金相显微镜Axiovert 40 MAT，德国ZEISS有限公司。

图2　X4302树脂体系在不同升温速率下的DSC特性曲线

2　实验过程及性能测试

2.1树脂体系流变性能

使用数字式旋转粘度计SNB-1测试树脂体系粘度随温度的变化以及在一定温度下粘度随时间的变化。

2.2树脂体系固化曲线

取配好的树脂体系5~10mg，使用耐驰差示扫描量热仪204F1测试其由室温以5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min的升温速率加热到200℃，推至0℃/min时的对应温度，记录数据。

2.3树脂浇注体及碳纤维复合材料板的拉伸性能

图3　X4302树脂体系的温度-升温速率曲线

参考GB/T 2567-1995树脂浇铸体、碳纤维增强树脂基复合材料拉伸性能试验方法，使用万能材料试验机测试浇铸体及碳纤维复合材料板的拉伸性能，每组测试选用5个样条，测试温度为室温，拉伸速率为2mm/min。

2.4树脂浇注体及碳纤维复合材料板的弯曲性能

参考GB/T 2570-1995树脂浇铸体、碳纤维增强树脂基复合材料弯曲性能试验方法，使用万能材料试验机测试浇铸体及碳纤维复合材料板的弯曲性能，每组测试选用5个样条，测试温度为室温，试验速率为10mm/min。

2.5树脂浇铸体及碳纤维复合材料板的冲击性能

参考GB/T 2571-1995树脂浇铸体冲击性能试验方法，使用简支梁摆锤冲击仪测试浇铸体样条的冲击性能，每组测试选用5个样条，测试温度为室温，摆锤冲击式样中心的速度为2.9 m/s。

2.6金相显微镜

将碳纤维复合材料样条断面，用水砂纸打磨，除去表面多余树脂，让碳纤维露出。使用德国ZEISS公司生产的金相显微镜观察断面形貌。

3　结果与讨论

根据汽车前地板所需要的力学和热学性能指标，预先筛选了三种环氧树脂体系进行研究，通过事先比较确定了X4302A/B这一树脂体系，因为它不仅在力学和热学性能方面超过另外两种，而且完全能够满足汽车前地板的各项性能指标；接下来着重对这一树脂体系进行一系列分析。

3.1粘度测试

整个汽车前地板面积约为2m2，虽然面积不大，但是形状复杂，加上真空导入工艺中树脂体系粘度最好保持在300MPa·s附近这一原则，这在一定程度上对树脂体系的粘度大小范围有了一定的要求。通过对X4302A/B树脂体系在室温下的粘度测试，值约为750MPa·s，发现X4302A/B树脂体系在室温下不适合真空导入工艺；于是分别测试了其在30℃、40℃和50℃下的粘度随时间的变化。如图1所示，综合一下树脂脱泡、真空导入等时间的叠加，发现40℃这一曲线很符合前地板的真空导入工艺所需要的粘度范围，于是整个树脂脱泡真空导入维持在恒温40℃。

3.2固化工艺的确定

采用耐驰差示扫描量热仪扫描前地板用真空导入树脂体系在5k/min、10k/ min、15k/min和20k/min这四个不同升温速率下的固化反应曲线，图2为扫描结果。

通过对X4302树脂体系升温特性曲线的研究，可以得知不同升温速率下X4302树脂体系固化反应的峰始温度Ti、峰顶温度Tp、峰终止温度Tf；用这种方法测试树脂体系的固化温度时，固化温度会随着升温速率的不同而变化，因此将升温速率降至0k/min，采用T-β图得出固化体系的等温固化制度：

表1　三种环氧树脂浇注体力学和热学性能

由图3可知，0k/min升温速率下X4302A/B树脂体系的峰始温度Ti为77.5℃，峰顶温度Tp为107.6℃，峰终止温度Tf为138.9℃。根据Ti、Tp、Tf的值，对80℃、110℃和140℃分别进行等温DSC测试，最终确定该树脂体系固化工艺为80℃/2h+110℃/2h+140℃/2h。

3.3树脂浇注体及碳纤维增强树脂体系复合材料板性能

预先将环氧树脂X4302A与固化剂X4302B加热到40℃，并以100：45的质量比进行混合，在恒温40℃条件下搅拌并真空脱泡30min，缓慢注入拉伸、弯曲、冲击样条模具中，浇注完10min后填补部分遗漏树脂。然后以80℃/2h+110℃/2h+140℃/2h固化工艺进行固化。冷却至室温后取出样条，停留24h后测试力学性能。表1为X4302A/ B树脂体系和其他两种环氧树脂体系的力学性能和热学性能的比较：

图4　碳纤维复合材料的力学性能

从表1中可以看出，X4302A/B树脂浇注体的力学性能和热学性能均保持在一个较高的水平。接着再以单向碳纤维为增强体，X4302A/B树脂体系为基体，采用真空导入方式制备复合材料板，测试了其力学性能，并对其在不同温度下的拉伸强度进行了测试，数据如图4和图5所示：

从图4和图5中可以看到碳纤维复合材料板材的力学性能很高，而且其在180℃下的拉伸性能还能够保持72%左右；完全能满足汽车前地板的力学性能要求。

图5　碳纤维复合材料在不同温度下拉伸强度

3.4复合材料板剖面金相显微照片

图6为复合材料板剖面金相显微照片，白色圆形和白色线条分别为径向和纬向的纤维，黑色无规则形状为X4302A/ B树脂体系。由照片可以看出，界面没有明显干斑的存在，在一定程度上说明了X4302A/B树脂体系和单向碳纤维浸润性良好。但是在整个金相显微照片中可以看出，树脂基体在整个碳纤维布中的分布是不均匀的，有可能是在一个负压下树脂的流动使得碳纤维布发生了小位移移动，导致部分树脂富集，部分树脂缺陷。

3.5 汽车前地板树脂充模过程模拟

在用真空导入工艺制备汽车前地板之前，先对整个树脂充模过程进行了模拟，因为汽车前地板模具是个两边对称的形状，为了增加树脂脱泡的程度和节约充模时间，决定在前地板的中间部位进行树脂的进口，两旁边作为抽气出口。模拟过程中X4302树脂体系充模时间约为15min；之后通过实验来验证这种树脂体系的实际充模时间与模拟的匹配性，实际充模时间为18min。图7为模拟图和实验图。