汽車前地板真空導(dǎo)入樹脂體系的研究

丁小馬　孫澤玉　朱　姝*　韓克清　余木火（．東華大學(xué) 纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 20620；2．民用航空復(fù)合材料協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 20620）

汽車前地板真空導(dǎo)入樹脂體系的研究

丁小馬1，2孫澤玉1，2朱姝*1，2韓克清1余木火1，2
（1．東華大學(xué) 纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；2．民用航空復(fù)合材料協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 201620）

摘要：本文研究了一種適用于汽車前地板真空導(dǎo)入成型工藝的樹脂體系；具體研究了該樹脂澆注體的力學(xué)和熱學(xué)性能；并對(duì)該樹脂體系與T700、12K東麗單向碳纖維布制備的復(fù)合材料板進(jìn)行了力學(xué)測(cè)試和金相顯微觀察；最后對(duì)該樹脂體系的真空導(dǎo)入過程進(jìn)行了模擬和試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：前地板；真空導(dǎo)入；樹脂體系；碳纖維

碳纖維作為一種高強(qiáng)、高模、密度低、比性能高的新型材料，有著與傳統(tǒng)金屬無法替代的效果。近年來，碳纖維材料已在航天航空、體育用品、汽車行業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。汽車前地板作為汽車的一個(gè)重要承力件，對(duì)其材料性能有著嚴(yán)格的要求，傳統(tǒng)金屬往往由于使用時(shí)間的延長(zhǎng)，會(huì)發(fā)生腐蝕、疲勞性能下降、剛度減弱等現(xiàn)象，而碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有良好的抗疲勞性，而且破壞前有明顯的征兆。

在碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料成型工藝中，作為一種低成本成型工藝，真空導(dǎo)入工藝需要對(duì)樹脂體系有著一定的要求，而且在選用樹脂體系時(shí)，要能保證汽車前地板的高剛度、耐疲勞性以及高的耐熱性；本文在查閱大量文獻(xiàn)以及進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究了一種適用于汽車前地板真空導(dǎo)入工藝的樹脂體系，該樹脂澆注體不僅與單向碳纖維結(jié)合良好，而且樹脂澆注體及與單向碳纖維成型后的復(fù)合材料板力學(xué)性能和耐熱性很好，在一定范圍內(nèi)能夠滿足汽車前地板的性能和使用要求。

圖1　X4302樹脂體系在不同溫度下粘度隨時(shí)間的變化

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備：環(huán)氧樹脂X4302A/B，廣州博匯新材料科技有限公司；T700、12K東麗單向碳纖維布，上海裕衡貿(mào)易商行；鋼化玻璃，上海雨乾建筑裝飾有限公司；樹脂收集器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，上海比朗儀器有限公司；汽車前地板鋼模，浙江臺(tái)州華榮模具有限公司。

1.2主要實(shí)驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備：數(shù)字式旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)SNB-1，上海精天電子儀器有限公司；耐馳差示掃描量熱儀204F1，德國(guó)耐馳有限公司；萬能材料試驗(yàn)機(jī)WDW3020，長(zhǎng)春科新試驗(yàn)儀器有限公司；擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)DAS4000，意大利西斯特有限公司；金相顯微鏡Axiovert 40 MAT，德國(guó)ZEISS有限公司。

圖2　X4302樹脂體系在不同升溫速率下的DSC特性曲線

2　實(shí)驗(yàn)過程及性能測(cè)試

2.1樹脂體系流變性能

使用數(shù)字式旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)SNB-1測(cè)試樹脂體系粘度隨溫度的變化以及在一定溫度下粘度隨時(shí)間的變化。

2.2樹脂體系固化曲線

取配好的樹脂體系5~10mg，使用耐馳差示掃描量熱儀204F1測(cè)試其由室溫以5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min的升溫速率加熱到200℃，推至0℃/min時(shí)的對(duì)應(yīng)溫度，記錄數(shù)據(jù)。

2.3樹脂澆注體及碳纖維復(fù)合材料板的拉伸性能

圖3　X4302樹脂體系的溫度-升溫速率曲線

參考GB/T 2567-1995樹脂澆鑄體、碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料拉伸性能試驗(yàn)方法，使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試澆鑄體及碳纖維復(fù)合材料板的拉伸性能，每組測(cè)試選用5個(gè)樣條，測(cè)試溫度為室溫，拉伸速率為2mm/min。

2.4樹脂澆注體及碳纖維復(fù)合材料板的彎曲性能

參考GB/T 2570-1995樹脂澆鑄體、碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料彎曲性能試驗(yàn)方法，使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試澆鑄體及碳纖維復(fù)合材料板的彎曲性能，每組測(cè)試選用5個(gè)樣條，測(cè)試溫度為室溫，試驗(yàn)速率為10mm/min。

2.5樹脂澆鑄體及碳纖維復(fù)合材料板的沖擊性能

參考GB/T 2571-1995樹脂澆鑄體沖擊性能試驗(yàn)方法，使用簡(jiǎn)支梁擺錘沖擊儀測(cè)試澆鑄體樣條的沖擊性能，每組測(cè)試選用5個(gè)樣條，測(cè)試溫度為室溫，擺錘沖擊式樣中心的速度為2.9 m/s。

2.6金相顯微鏡

將碳纖維復(fù)合材料樣條斷面，用水砂紙打磨，除去表面多余樹脂，讓碳纖維露出。使用德國(guó)ZEISS公司生產(chǎn)的金相顯微鏡觀察斷面形貌。

3　結(jié)果與討論

根據(jù)汽車前地板所需要的力學(xué)和熱學(xué)性能指標(biāo)，預(yù)先篩選了三種環(huán)氧樹脂體系進(jìn)行研究，通過事先比較確定了X4302A/B這一樹脂體系，因?yàn)樗粌H在力學(xué)和熱學(xué)性能方面超過另外兩種，而且完全能夠滿足汽車前地板的各項(xiàng)性能指標(biāo)；接下來著重對(duì)這一樹脂體系進(jìn)行一系列分析。

3.1粘度測(cè)試

整個(gè)汽車前地板面積約為2m2，雖然面積不大，但是形狀復(fù)雜，加上真空導(dǎo)入工藝中樹脂體系粘度最好保持在300MPa·s附近這一原則，這在一定程度上對(duì)樹脂體系的粘度大小范圍有了一定的要求。通過對(duì)X4302A/B樹脂體系在室溫下的粘度測(cè)試，值約為750MPa·s，發(fā)現(xiàn)X4302A/B樹脂體系在室溫下不適合真空導(dǎo)入工藝；于是分別測(cè)試了其在30℃、40℃和50℃下的粘度隨時(shí)間的變化。如圖1所示，綜合一下樹脂脫泡、真空導(dǎo)入等時(shí)間的疊加，發(fā)現(xiàn)40℃這一曲線很符合前地板的真空導(dǎo)入工藝所需要的粘度范圍，于是整個(gè)樹脂脫泡真空導(dǎo)入維持在恒溫40℃。

3.2固化工藝的確定

采用耐馳差示掃描量熱儀掃描前地板用真空導(dǎo)入樹脂體系在5k/min、10k/ min、15k/min和20k/min這四個(gè)不同升溫速率下的固化反應(yīng)曲線，圖2為掃描結(jié)果。

通過對(duì)X4302樹脂體系升溫特性曲線的研究，可以得知不同升溫速率下X4302樹脂體系固化反應(yīng)的峰始溫度Ti、峰頂溫度Tp、峰終止溫度Tf； 用這種方法測(cè)試樹脂體系的固化溫度時(shí)，固化溫度會(huì)隨著升溫速率的不同而變化，因此將升溫速率降至0k/min，采用T-β圖得出固化體系的等溫固化制度：

表1　三種環(huán)氧樹脂澆注體力學(xué)和熱學(xué)性能

由圖3可知，0k/min升溫速率下X4302A/B樹脂體系的峰始溫度Ti為77.5℃，峰頂溫度Tp為107.6℃，峰終止溫度Tf為138.9℃。根據(jù)Ti、Tp、Tf的值，對(duì)80℃、110℃和140℃分別進(jìn)行等溫DSC測(cè)試，最終確定該樹脂體系固化工藝為80℃/2h+110℃/2h+140℃/2h。

3.3樹脂澆注體及碳纖維增強(qiáng)樹脂體系復(fù)合材料板性能

預(yù)先將環(huán)氧樹脂X4302A與固化劑X4302B加熱到40℃，并以100：45的質(zhì)量比進(jìn)行混合，在恒溫40℃條件下攪拌并真空脫泡30min，緩慢注入拉伸、彎曲、沖擊樣條模具中，澆注完10min后填補(bǔ)部分遺漏樹脂。然后以80℃/2h+110℃/2h+140℃/2h固化工藝進(jìn)行固化。冷卻至室溫后取出樣條，停留24h后測(cè)試力學(xué)性能。表1為X4302A/ B樹脂體系和其他兩種環(huán)氧樹脂體系的力學(xué)性能和熱學(xué)性能的比較：

圖4　碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能

從表1中可以看出，X4302A/B樹脂澆注體的力學(xué)性能和熱學(xué)性能均保持在一個(gè)較高的水平。接著再以單向碳纖維為增強(qiáng)體，X4302A/B樹脂體系為基體，采用真空導(dǎo)入方式制備復(fù)合材料板，測(cè)試了其力學(xué)性能，并對(duì)其在不同溫度下的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，數(shù)據(jù)如圖4和圖5所示：

從圖4和圖5中可以看到碳纖維復(fù)合材料板材的力學(xué)性能很高，而且其在180℃下的拉伸性能還能夠保持72%左右；完全能滿足汽車前地板的力學(xué)性能要求。

圖5　碳纖維復(fù)合材料在不同溫度下拉伸強(qiáng)度

3.4復(fù)合材料板剖面金相顯微照片

圖6為復(fù)合材料板剖面金相顯微照片，白色圓形和白色線條分別為徑向和緯向的纖維，黑色無規(guī)則形狀為X4302A/ B樹脂體系。由照片可以看出，界面沒有明顯干斑的存在，在一定程度上說明了X4302A/B樹脂體系和單向碳纖維浸潤(rùn)性良好。但是在整個(gè)金相顯微照片中可以看出，樹脂基體在整個(gè)碳纖維布中的分布是 不均勻的，有可能是在一個(gè)負(fù)壓下樹脂的流動(dòng)使得碳纖維布發(fā)生了小位移移動(dòng)，導(dǎo)致部分樹脂富集，部分樹脂缺陷。

3.5 汽車前地板樹脂充模過程模擬

在用真空導(dǎo)入工藝制備汽車前地板之前，先對(duì)整個(gè)樹脂充模過程進(jìn)行了模擬，因?yàn)槠嚽暗匕迥＞呤莻€(gè)兩邊對(duì)稱的形狀，為了增加樹脂脫泡的程度和節(jié)約充模時(shí)間，決定在前地板的中間部位進(jìn)行樹脂的進(jìn)口，兩旁邊作為抽氣出口。模擬過程中X4302樹脂體系充模時(shí)間約為15min；之后通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證這種樹脂體系的實(shí)際充模時(shí)間與模擬的匹配性，實(shí)際充模時(shí)間為18min。圖7為模擬圖和實(shí)驗(yàn)圖。

圖6　單向碳纖維增強(qiáng)X4302樹脂體系復(fù)合材料板材剖面金相顯微照片

結(jié)語

本文重點(diǎn)對(duì)一種適合于汽車前地板真空導(dǎo)入成型工藝的樹脂體系進(jìn)行了研究，其樹脂體系澆注體和碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)異，耐熱性良好，完全能滿足汽車前地板的性能要求；

通過對(duì)該樹脂體系充模過程的研究，發(fā)現(xiàn)模擬過程中的充模時(shí)間和實(shí)際演示時(shí)的充模時(shí)間大致相同。

圖7　汽車前地板樹脂充模過程模擬圖和實(shí)驗(yàn)圖

參考文獻(xiàn)

[1] 陳祥寶．先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展[J]．航空工程與維修，1998（03）：3-7．

[2] 屈乃琴．先進(jìn)復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用[J]．纖維復(fù)合材料，1995（01）：45-54．

[3] 趙渠森，趙攀峰．真空輔助成型工藝（VARI）研究[J]．纖維復(fù)合材料，2002，42（01）：42-46．

[4] 陳渤．復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J]．天津汽車，2002 （03）：25-28．

[5] 胡曉睿．復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)成形-降低飛行器制造成本[J]．國(guó)防制造技術(shù)，2011 （01）：16-17．

[6] 趙渠森．先進(jìn)復(fù)合材料手冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003．

中圖分類號(hào)：TQ323

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

基金項(xiàng)目：863計(jì)劃項(xiàng)目。項(xiàng)目編號(hào)：2012AA03A206 上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃項(xiàng)目，12dz1100502