合成自然纖維材料性能分析

呂崇建，蔣志軍，王如德，張明，李隆欣

（北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300）

前言

當(dāng)今，汽車已經(jīng)成為人們無可替代的交通工具之一，傳統(tǒng)汽車一般采用鋼材料制備，重量大，燃油效率低，不利于節(jié)能和環(huán)保[1]。為了減輕汽車重量，提供燃油效率，一個有效途徑就是使用合成自然纖維材料。合成自然纖維材料由于其較好的力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點[2]，在汽車輕量化過程中起到舉足輕重的作用，它是指將一種或幾種木質(zhì)纖維料以不同的物理形態(tài)重新組合[3]，或者向其中添加一種或幾種化學(xué)纖維材料以微觀或宏觀的形式組合而成的非常重要的環(huán)保材料[4]，在國內(nèi)外近年蓬勃興起的一類新型合成材料[5]，對于同一產(chǎn)品而言，使用該材料比熱塑性材料可減重30%以上[6]。通過對其性能的分析，考察該材料的拉伸強度和低溫落球及剛性力學(xué)性能，為后期產(chǎn)品設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

1 合成自然纖維飾板成型設(shè)備和工藝

1.1 根據(jù)板材尺寸

長度300mm*寬度200mm*厚度2.0mm，選用了320T熱壓機(見圖 1）。

圖1 熱壓機

1.2 木纖維飾板成型工藝

根據(jù)試驗?zāi)康奈覀冞x擇了密度為 0.85g/cm3合成自然纖維毛氈，用裁切機和刀模將其裁切成 A4紙張大小，然后放入烘箱中烘干（溫度85℃，8小時以上），取出測試含水量，如果含水量過高，必須再放入烘箱內(nèi)烘干，含水量測試達標(biāo)后，通過熱壓設(shè)備和模具壓成 2.0±0.2mm試驗板材（必須控制好熱壓時間和纖維毛氈含水量及排氣等）。（見圖2）

圖2 合成纖維板材

2 材料性能試驗

2.1 為了分析材料性能

我們根據(jù)該材料的試驗方法和要求選用了 Z010萬能試驗機（見圖3）。

圖3 萬能拉力試驗機

2.2 試驗所需的試驗樣條參照圖4制作。

圖4 試驗樣條

2.3 測試項目及結(jié)果：（見表1）

表1

3 低溫落球沖擊試驗分析（結(jié)果見表2和見圖5）

表2

圖5 低溫落球試驗前后對比

4 合成自然纖維飾板低溫落球CAE驗證分析（見圖6和圖7及圖8）

4.1 選擇的 CAE仿真研究分析軟件是 HYPERMESH V 12.0-LSDYNA。

4.2 分析過程

圖6 分析流程圖

圖7 有限元模型

圖8 碰撞數(shù)據(jù)

5 CAE驗證結(jié)果

通過CAE仿真和低溫落球試驗后的產(chǎn)品的比對，發(fā)現(xiàn)都沒出現(xiàn)碎裂和尖銳的棱角及碎屑飛出的問題，結(jié)果是安全可靠的，試驗結(jié)果和CAE仿真可以很好的匹配起來。

6 合成自然纖維材料剛性驗證分析

6.1 為了驗證分析合成自然纖維材料的剛性

我們選擇了某SUV車的PP材料吹塑工藝制成的行李廂蓋板，通過對其外形和結(jié)構(gòu)進行分析研究，我們用合成自然纖維板材復(fù)制了一件類似的產(chǎn)品，通過這兩個產(chǎn)品的剛性試驗，來判斷其性能是否低于傳統(tǒng)材料PP熱塑性材料。

6.2 剛性試驗設(shè)備和條件及方法

6.2.1 剛性測試設(shè)備：20KN的拉力試驗機和500g鋼球。（見圖8）

圖8 剛性試驗

6.2.2 測試條件

試樣厚度：24mm、樣件大?。篈4紙大小、測試的標(biāo)本數(shù)：各1件。

6.2.3 測試方法

用500g的鋼球以50mm/min勻速度，分別在測試產(chǎn)品上靜置加載490N和784N及980N，測得位移變化值。

6.2.4 測試結(jié)果：（見表3）

表3

7 結(jié)論

通過低溫落球試驗和剛性試驗驗證分析，合成自然木纖維材料性能要優(yōu)于傳統(tǒng)熱塑性材料，可以滿足汽車內(nèi)飾件的要求，并可以廣泛應(yīng)用于汽車內(nèi)飾領(lǐng)域。

圖9 PP材質(zhì)的產(chǎn)品

圖10 合成纖維材質(zhì)的產(chǎn)品

[1] 常燕,王兆增,安運成等.車用天然纖維復(fù)合材料的研究進展及其應(yīng)用.山東化工.2015年第44卷.

[2] 任強.無機纖維/木纖維MDF復(fù)合材料制備及性能研究.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報.2008.

[3] 任強,李建章,鹿振友.木纖維/巖棉纖維纖維復(fù)合材料研究.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報.2007,29（2）:161-164.

[4] 楊學(xué)通.木纖維/麻纖維/聚丙烯纖維復(fù)合材料阻燃性能研究.中國林業(yè)科學(xué)研究院.2015年.

[5] 倪靜.廢舊塑料/木纖維復(fù)合材料研究.同濟大學(xué).2007:1-67.

[6] 羅衛(wèi)華,王正良,陶偉康等.原位增容 HDPE/木纖維復(fù)合材料研究.全國生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)術(shù)研討會.2011.