合成自然纤维材料性能分析

吕崇建，蒋志军，王如德，张明，李隆欣

（北京汽车股份有限公司汽车研究院，北京 101300）

前言

当今，汽车已经成为人们无可替代的交通工具之一，传统汽车一般采用钢材料制备，重量大，燃油效率低，不利于节能和环保[1]。为了减轻汽车重量，提供燃油效率，一个有效途径就是使用合成自然纤维材料。合成自然纤维材料由于其较好的力学性能和尺寸稳定性等优点[2]，在汽车轻量化过程中起到举足轻重的作用，它是指将一种或几种木质纤维料以不同的物理形态重新组合[3]，或者向其中添加一种或几种化学纤维材料以微观或宏观的形式组合而成的非常重要的环保材料[4]，在国内外近年蓬勃兴起的一类新型合成材料[5]，对于同一产品而言，使用该材料比热塑性材料可减重30%以上[6]。通过对其性能的分析，考察该材料的拉伸强度和低温落球及刚性力学性能，为后期产品设计提供科学依据。

1 合成自然纤维饰板成型设备和工艺

1.1 根据板材尺寸

长度300mm*宽度200mm*厚度2.0mm，选用了320T热压机(见图 1）。

图1 热压机

1.2 木纤维饰板成型工艺

根据试验目的我们选择了密度为 0.85g/cm³合成自然纤维毛毡，用裁切机和刀模将其裁切成 A4纸张大小，然后放入烘箱中烘干（温度85℃，8小时以上），取出测试含水量，如果含水量过高，必须再放入烘箱内烘干，含水量测试达标后，通过热压设备和模具压成 2.0±0.2mm试验板材（必须控制好热压时间和纤维毛毡含水量及排气等）。（见图2）

图2 合成纤维板材

2 材料性能试验

2.1 为了分析材料性能

我们根据该材料的试验方法和要求选用了 Z010万能试验机（见图3）。

图3 万能拉力试验机

2.2 试验所需的试验样条参照图4制作。

图4 试验样条

2.3 测试项目及结果：（见表1）

表1

3 低温落球冲击试验分析（结果见表2和见图5）

表2

图5 低温落球试验前后对比

4 合成自然纤维饰板低温落球CAE验证分析（见图6和图7及图8）

4.1 选择的 CAE仿真研究分析软件是 HYPERMESH V 12.0-LSDYNA。

4.2 分析过程

图6 分析流程图

图7 有限元模型

图8 碰撞数据

5 CAE验证结果

通过CAE仿真和低温落球试验后的产品的比对，发现都没出现碎裂和尖锐的棱角及碎屑飞出的问题，结果是安全可靠的，试验结果和CAE仿真可以很好的匹配起来。

6 合成自然纤维材料刚性验证分析

6.1 为了验证分析合成自然纤维材料的刚性

我们选择了某SUV车的PP材料吹塑工艺制成的行李厢盖板，通过对其外形和结构进行分析研究，我们用合成自然纤维板材复制了一件类似的产品，通过这两个产品的刚性试验，来判断其性能是否低于传统材料PP热塑性材料。

6.2 刚性试验设备和条件及方法

6.2.1 刚性测试设备：20KN的拉力试验机和500g钢球。（见图8）

图8 刚性试验

6.2.2 测试条件

试样厚度：24mm、样件大小：A4纸大小、测试的标本数：各1件。

6.2.3 测试方法

用500g的钢球以50mm/min匀速度，分别在测试产品上静置加载490N和784N及980N，测得位移变化值。

6.2.4 测试结果：（见表3）

表3

7 结论

通过低温落球试验和刚性试验验证分析，合成自然木纤维材料性能要优于传统热塑性材料，可以满足汽车内饰件的要求，并可以广泛应用于汽车内饰领域。

图9 PP材质的产品

图10 合成纤维材质的产品

[1] 常燕,王兆增,安运成等.车用天然纤维复合材料的研究进展及其应用.山东化工.2015年第44卷.

[2] 任强.无机纤维/木纤维MDF复合材料制备及性能研究.北京林业大学学报.2008.

[3] 任强,李建章,鹿振友.木纤维/岩棉纤维纤维复合材料研究.北京林业大学学报.2007,29（2）:161-164.

[4] 杨学通.木纤维/麻纤维/聚丙烯纤维复合材料阻燃性能研究.中国林业科学研究院.2015年.

[5] 倪静.废旧塑料/木纤维复合材料研究.同济大学.2007:1-67.

[6] 罗卫华,王正良,陶伟康等.原位增容 HDPE/木纤维复合材料研究.全国生物质材料科学与技术学术研讨会.2011.