ЦФСМК

CFSMC , или формовочный состав для листов из углеродного волокна (также известный как CSMC или CF-SMC ), представляет собой готовый к формованию полимерный композитный материал, армированный углеродным волокном, используемый при компрессионном формовании . В то время как в традиционном SMC используются рубленые стеклянные волокна в полимерной смоле, в CFSMC используются рубленые углеродные волокна . Длина и распределение углеродных волокон более регулярные, однородные и постоянные, чем у стандартного стекла SMC. CFSMC обеспечивает гораздо более высокую жесткость и, как правило, более высокую прочность, чем стандартный SMC, но по более высокой цене.

Производство

Схема микроструктуры CF-SMC на основе жгута.

CF-SMC состоят из кусков углеродного жгута, распределенных между двумя слоями неотвержденной термореактивной смолы . Жгуты углеродного волокна вырезаются из ленты препрега UD. Исходная лента может состоять из определенного количества волокон (нитей), что влияет на свойства конечного композита: значения могут варьироваться от 3 до 50 тысяч нитей, при этом типичные длины жгутов находятся в пределах 10–50 мм. ^{[ 1 ]} Что касается смолы, используются термореактивные смолы: возможный выбор — полиэстер , виниловый эфир или эпоксидная смола , причем первая является самой дешевой, а вторая — наиболее эффективной. Несмотря на то, что виниловый эфир не такой прочный и жесткий, как эпоксидная смола, он часто используется из-за его свойств, таких как коррозия и устойчивость к более высоким температурам. ^{[ 2 ]} Компоненты объединяются в листы препрега. Жгуты обычно падают с резака на один из двух слоев смолы, а затем покрываются вторым слоем. Листы препрега из SMC изготавливаются после уплотнения вязкой сборки роликами. На этом этапе какой-либо контроль над ориентацией волокон, как правило, невозможен, и можно считать, что волокна имеют равновероятную ориентацию во всех направлениях.

После изготовления листов препрега материал может быть подвергнут компрессионному формованию с получением конечной желаемой формы. Компрессионное формование — это технология производства, требующая двухкомпонентной формы: в первой размещается формовочный материал (шихта), а вторая устанавливается на пресс для закрытия полости при приложении высокого давления. Из-за сложной геометрии может потребоваться разрезать листы, чтобы их было легче разместить в нижней форме. Затем, пока верхняя полость формы закрывается, материал проталкивается по форме до тех пор, пока она не закроется. Давление поддерживается вместе с повышенной температурой, чтобы обеспечить отверждение смолы и низкую пористость. Этот этап оказывает сильное влияние на механические характеристики конечного продукта, поскольку вязкий поток в полость формы имеет тенденцию ориентировать волокна вдоль направления потока. Таким образом, контролируя величину и направление потока, можно влиять на ориентацию волокон, получая квазиизотропный материал (формование с низким потоком) или более высокие характеристики в желаемом направлении (формование с высоким потоком). ^{[ 3 ]}

На этапе производства также важно, по возможности, избегать дефектов, таких как сварные швы. линии. Линии сварки возникают, когда два фронта потока материала встречаются во время заполнения полости формы. Иногда это может приводить к захвату воздуха, замедлению сшивки в полимерной матрице, комкованию или отсутствию волокон. По этим причинам линии сварки могут быть такими же слабыми или слабее, чем у чистой полимерной смолы. ^{[ 4 ]}

Свойства материала

Из-за гетерогенной и анизотропной микроструктуры механические свойства CF-SMC могут значительно варьироваться в широких пределах. Параметры, оказывающие глубокое влияние на характеристики этих материалов, в основном связаны с аккуратными механическими и геометрическими свойствами волокон и матрицы (особенно волокон), а также с ориентацией и составом армирования. Модуль упругости может варьироваться от менее 20 ГПа до 60 ГПа, а значения прочности находятся в пределах 60-500 МПа. ^{[ 3 ]}

CF-SMC также может быть в некоторой степени спроектирован так, чтобы иметь лучшие характеристики в определенном направлении, аналогично композитам с непрерывными волокнами. Этого можно достичь, тщательно контролируя стадию компрессионного формования, чтобы влиять на ориентацию волокон. ^{[ 5 ]} Когда волокна в основном ориентированы в направлении нагрузки, поведение материала в основном определяется поведением волокон, что приводит к более прочной и жесткой, но также и более хрупкой реакции. В противоположном случае, если волокна имеют тенденцию располагаться перпендикулярно направлению нагрузки, смола вносит больший вклад в выдержку нагрузки, и в целом композит будет менее жестким, менее прочным и более пластичным. Однако, поскольку контроль над ориентацией волокон в CF-SMC основан на явлениях гидродинамического переноса, он гораздо более ограничен, чем в случае непрерывных композитов, где ориентация часто точно определяется непосредственно производителем. Кроме того, в то время как композиты с непрерывными волокнами имеют определенную ориентацию, армированные короткими волокнами пластики могут иметь предпочтительную ориентацию, а это означает, что, учитывая общую систему осей, большинство волокон могут иметь более высокий компонент вдоль направления и более низкий компонент вдоль направления. другие две оси.

Прерывистая микроструктура на основе жгутов делает эти материалы еще более гетерогенными, чем стандартные композиты: сами концы волокон действуют как зоны концентрации напряжений как для смолы, так и для соседних жгутов; более того, особенно для деталей сложной формы, невозможно предотвратить появление некоторых локальных пятен с плохо выровненными жгутами (например, перпендикулярно направлению осевого напряжения) или с малым объемом волокон, таких как смоляные карманы. Несмотря на то, что эта особенность делает материал более слабым и усложняет конструкцию конструкции, он делает эти материалы совершенно нечувствительными к надрезам. ^{[ 3 ]}

В формованном состоянии CFSMC имеет совершенно другой внешний вид, чем традиционные композиты из углеродного волокна, которые традиционно имеют плетеный шахматный узор. CFSMC имеет вид черного и серого мрамора или капа .

Промышленное использование

CF SMC сочетает в себе легкие свойства углеродных композитов с производственным процессом, таким как компрессионное формование, которое обеспечивает быстрое производство и, следовательно, подходит для промышленного применения в больших объемах. По этим причинам автомобильная промышленность является одним из лучших кандидатов на использование этой технологии.

Производители автомобилей уже более 30 лет используют стандартное стекло SMC в качестве материала для панелей кузова в некоторых спортивных автомобилях, таких как Chevrolet Corvette . ^{[ 6 ]} Замена стекловолокна углеродом является недавней разработкой, которая использовалась для важных структурных компонентов Dodge Viper 2003 года . ^{[ 7 ]} многофункциональная запаска Mercedes-AMG E-Class, ^{[ 8 ]} Mercedes -Benz SLR McLaren , Lexus LFA 2009 года выпуска , ^{[ 9 ]} 2015 года Lamborghini Huracán , BMW 7 серии 2017 года. ^{[ 10 ]} и шасси McLaren 2017 года выпуска . ^{[ 11 ]} Lamborghini (совместно с Callaway Golf Company ) запатентовала усовершенствованную версию CF-SMC под названием Forged Composite . ^{[ 12 ]} Впервые они представили его в Sesto Elemento концепт-каре , и с тех пор Forged Composite является отличительным знаком автомобилей Lamborghini, используемым как в структурных, так и в эстетических целях. Использование CF-SMC в последнее время распространяется и на гораздо более широкий автомобильный сектор, не являющийся высокопроизводительным, как в случае с Toyota Prius PHV 2017 года . ^{[ 13 ]}

CF-SMC также использовался в авиационной промышленности компанией Boeing для оконных рам 787 Dreamliner , при этом производители предполагают, что использование этих материалов будет расти и в этом секторе. ^{[ 14 ]}^{[ 15 ]}^{[ 16 ]}

Ссылки

^ «SPE Automotive» (PDF) .
^ «Смолы» .
^ Jump up to: ^а ^б ^с «Квантовое резюме» (PDF) .
^ «Сварочные линии» .
^ Адвани, Суреш Г.; Такер, Чарльз Л. (ноябрь 1987 г.). «Использование тензоров для описания и прогнозирования ориентации волокон в композитах с короткими волокнами». Журнал реологии . 31 (8): 751–784. Бибкод : 1987JRheo..31..751A . дои : 10.1122/1.549945 .
^ «Материалы корпуса Corvette - прослеживание эволюции использования легких материалов в Corvette - журнал Vette» . Супер Шеви . 01.08.2011 . Проверено 25 января 2018 г.
^ «ПРИМЕНЕНИЕ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА SMC ДЛЯ DODGE VIPER» . АКСЕ . Архивировано из оригинала 26 января 2018 г. Проверено 25 января 2018 г.
^ «ASTAR Carbon Fiber SMC для многофункционального поддона запасного колеса Mercedes-AMG E-Class» .
^ «Создание суперкара Lexus LFA. Внутренний отчет, глава 2: В чистой комнате. — Правда об автомобилях» . Правда об автомобилях . 10 июля 2012 г. Проверено 25 января 2018 г.
^ Гардинер, Джинджер. «Завод BMW 7 серии: Дингольфинг, Германия» . www.compositesworld.com . Проверено 25 января 2018 г.
^ «Релизы — Медиа-сайт McLaren» . cars.mclaren.press . Проверено 25 января 2018 г.
^ «Кованые композиты®» . www.lamborghini.com (на итальянском языке) . Проверено 25 января 2018 г.
^ «SMC использован для рамы задней двери нового Prius PHV от Toyota» . Пластик сегодня . 03.04.2017 . Проверено 25 января 2018 г.
^ «Материалы Астар CSMC» . www.astar.es .
^ «Материалы HexMC | Hexcel» . www.hexcel.com . Проверено 25 января 2018 г.
^ Брозиус, Дейл. «Обновление Боинга 787» . www.compositesworld.com . Проверено 25 января 2018 г.

[1] «SPE Automotive» (PDF) .

[2] «Смолы» .

[:0-3] Jump up to: ^а ^б ^с «Квантовое резюме» (PDF) .

[4] «Сварочные линии» .

[5] Адвани, Суреш Г.; Такер, Чарльз Л. (ноябрь 1987 г.). «Использование тензоров для описания и прогнозирования ориентации волокон в композитах с короткими волокнами». Журнал реологии . 31 (8): 751–784. Бибкод : 1987JRheo..31..751A . дои : 10.1122/1.549945 .

[6] «Материалы корпуса Corvette - прослеживание эволюции использования легких материалов в Corvette - журнал Vette» . Супер Шеви . 01.08.2011 . Проверено 25 января 2018 г.

[7] «ПРИМЕНЕНИЕ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА SMC ДЛЯ DODGE VIPER» . АКСЕ . Архивировано из оригинала 26 января 2018 г. Проверено 25 января 2018 г.

[8] «ASTAR Carbon Fiber SMC для многофункционального поддона запасного колеса Mercedes-AMG E-Class» .

[9] «Создание суперкара Lexus LFA. Внутренний отчет, глава 2: В чистой комнате. — Правда об автомобилях» . Правда об автомобилях . 10 июля 2012 г. Проверено 25 января 2018 г.

[10] Гардинер, Джинджер. «Завод BMW 7 серии: Дингольфинг, Германия» . www.compositesworld.com . Проверено 25 января 2018 г.

[11] «Релизы — Медиа-сайт McLaren» . cars.mclaren.press . Проверено 25 января 2018 г.

[12] «Кованые композиты®» . www.lamborghini.com (на итальянском языке) . Проверено 25 января 2018 г.

[13] «SMC использован для рамы задней двери нового Prius PHV от Toyota» . Пластик сегодня . 03.04.2017 . Проверено 25 января 2018 г.

[14] «Материалы Астар CSMC» . www.astar.es .

[15] «Материалы HexMC | Hexcel» . www.hexcel.com . Проверено 25 января 2018 г.

[16] Брозиус, Дейл. «Обновление Боинга 787» . www.compositesworld.com . Проверено 25 января 2018 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]