碳纤维片状模塑料

碳纤维片状模塑料(SMC)

一、碳纤维片状模塑料

片状模压料（Sheet Molding Compound, SMC）是由树脂糊浸渍纤维或短切纤维毡，两边覆盖聚乙烯薄膜而制成的一类片状模压料，属于预浸毡料范围。是目前国际上应用最广泛的成型材料之一（属于原料范畴，类似于我们常用的预浸料）。

常用树脂有：不饱和聚酯树脂、环氧树脂等，其中不饱和聚酯树脂较为常用，现以其为例介绍如下：不饱和聚酯树脂，化工原料的一种，常用于物体表面加厚、固化，使用时如同刷油漆一般，层层加叠，固化过程释放苯乙烯等有害气体。不饱和聚酯树脂是热固性树脂中最常用的一种，它是由饱和二元酸、不饱和二元酸和二元醇缩聚而成的线形聚合物，经过交联单体或活性溶剂稀释形成的具有一定黏度的树脂溶液，简称UP，这是不饱和聚酯树脂最大的优点。可以在室温下固化，常压下成型，工艺性能灵活，特别适合大型和现场制造玻璃钢等制品。力学性能指标略低于环氧树脂，但优于酚醛树脂。耐腐蚀性，电性能和阻燃性可以通过选择适当牌号的树脂来满足要求，树脂颜色浅，可以制成透明制品。品种多，适应广泛，价格较低。缺点是固化时收缩率较大，贮存期限短。环氧树脂较为熟悉，此处不再介绍。

分类方式1：常用碳纤维按纤维连续与否可分为短切纤维和连续型纤维，连续型纤维的性能好于短切纤维。如所用树脂为乙烯基酯树脂，碳纤维为东丽12K PAN聚丙烯腈纤维，纤维长度为25mm，固化温度145°C-155°C，生产的SMC性能数据如表一所示；所用树脂为乙烯基酯树脂（属于变性环氧树脂，秉承了环氧树脂的优良特性，固化性和成型性方面更为出色），碳纤维为东丽12K PAN聚丙烯腈纤维，纤维为连续型，固化温度145°C-155°C，生产的SMC性能数据如表二所示。

表一：短切纤维SMC性能

表二：连续型纤维SMC性能

分类方式2：SMC作为一种新型材料，根据具体用途和要求的不同又发展出一系列新品种，如BMC、TMC、HNC、XMC等。①团状模压料（Bulk Molding Compound, BMC）其组成与SMC极为相似，是一种改进型的预混团状模压料，可用于模压和挤出成型。两者的区别仅在于材料形态和制作工艺上。BMC中纤维含量较低，纤维长度较短，约6～18mm，填料含料较大，因而BMC制品的强度比SMC制品的强度低，BMC比较适合于压制小型制品，而SMC适合于大型薄壁制品。②厚片状模压料（Thick Molding Compound, TMC）其组成和制作与SMC相似，厚达50mm。由于TMC厚度大，玻璃纤维能随机分布，改善了树脂对玻璃纤维的浸润性。此外，该材料还可以采用注射和传递成型。③高强度模压料（Hight Molding Compound, HMC）和高强度片状模压料XMC主要用于制造汽车部件。HMC中不加或少加填料，采用短切玻璃纤维，纤维含量为65%左右，玻璃纤维定向分布，具有极好的流动性和成型表面，其制品强度约是SMC 制品强度的3倍。XMC用定向连续纤维，纤维含量达70%～80%，不含填料。④ZMC ZMC是一种模塑成型技术，ZMC三个字母并无实际含义，而是包含模塑

料、注射模塑机械和模具三种含义。ZMC制品既保持了较高的强度指标，又具有优良的外观和很高的生产效率，综合了SMC和BMC的优点，获得了较快的发展。

二、性能特点及连接方式

性能特点：具有碳纤维复合材料的优点，可以根据实际使用要求调整纤维形式（短切、连续等）、等级、树脂种类以及工艺参数（模具压力等）等，制备出不同性能等级的产品，部分具体性能参见表一、二。

连接方式：SMC的连接方式大致可分为两类，第一类为构件成型时连接，即在构件固化成型时的连接；第二类为构件成型后连接，主要有胶接和螺栓连接等，具体介绍如下。

第一类：构件成型与连接同时进行图一 a b中为碳纤维SMC料和玻璃纤维SMC料的连接方式，连接于成型同时进行，其中a为套接，b为搭接，试验表明搭接处的强度与玻璃纤维材料本身强度接近，即接头并没有降低构件的整体强度，如表三所示。

图一a 套接 b 搭接

表三：材料本身及连接后拉伸强度

第二类：构件成型后再连接（1）胶接：图二为采用SMC工艺生产的复合材料风挡，所用增强材料为单向玻璃纤维和单向碳纤维，内、外片成型后再使用结构胶粘剂进行胶接，取得较好的力学性能（刚度提高122%）和减重效果（减重45%）。（2）螺栓连接：F.E. Devine(B olted assembly of engineering components press moulded from sheet moulding compound)研究了玻璃SMC的螺栓连接，考察了螺栓数量、位置、大小等对连接性能的影响。

图二风挡截面图

优点：①强度好，SMC能与金属材料相抗衡，操作处理方便，增强材料在生产与成型过程中均无损伤，制品强度高，可进行轻型化结构设计；

②重现性好，不受操作者和外界条件的影响（自动化程度高）,产品

具有耐水性好; 高精度表面; 性能稳定;绝缘性能好; 强度均匀; 刚

度好; 产品尺寸精确, 受温度影响小; 产品厚度容易控制等优良性；

③操作环境清洁、卫生，改善了劳动条件；

④通过改变组分的种类与配比，可改变成型工艺和制品性能，通过改

变填料的种类与加入量，可降低成本或使制品轻量化流动性好，可

成型异形制品（成型性好）；

⑤模压工艺对温度和压力要求不高(根据所用树脂和成品强度要求)，

可变范围大，可大幅度降低设备和模具费用；

⑥纤维长度可选范围大（短切至连续纤维），质量可控性好，适宜于

各种构件制造；

⑦所得制品表面光洁度高，采用低收缩添加剂后，表面质量更为理想；

⑧生产效率高，成型周期短，易于实现全自动机械化操作，生产成本

相对较低SMC生产周期短, 平均单件产品成形周期1~ 8分钟, 其

它工艺所达不到的, 便于集约化生产。在美国, 汽车外板的成形周

期已降至1分钟, 用1副模具每月能压制20000件产品。

缺点：①成品收缩率较大；

②前期设备投入较大，包括SMC原料制备设备和模压设备；

③要求有较大产量来分摊成本；

三、国内外的研究开展现状

1.GFSMC(玻璃纤维片状模塑料)：玻璃纤维片状模塑料由于应用较早，该领域的的研究也较多。国内、外在该领域的研究主要集中在两方面：1）原材料的研究；2）工艺研究；3）性能研究。国内在该领域的研究主要集中在推广应用、原材料改性、工艺控制、SMC性能试验等。国外研究较为深入，不仅有推广应用、原材料、工艺控制等研究，对GFSMC成品的性能研究也较多，如纤维长度的影响、纤维走向、与手糊工艺性能对比、疲劳、拉伸、剪切、压缩、冲击等，研究得很深入和全面。

2.GFSMC(玻璃纤维片状模塑料)：国内对CFSMC研究较少，主要见于前瞻性推广研究等，其他方面研究很少，目前仅见‘碳纤维增强环氧模塑料研究’一文，主要研究耐磨性，未见其他研究。生产领域，吉林市华研碳纤维制品有限公司碳纤维片状模塑料生产线于2013年安装完毕。国外对CFSMC有所研究，目前看到的论文涉及以下几方面：E.V. Morozov SMC提出了损伤演化理论模型；Hang Li 采用短切碳纤维，研究了纤维走向对性能的影响；Jose´M. Castro 从降低SMC 在汽车上应用成本出发，采用短切碳纤分层取代部分玻纤，对比了碳纤加入后对性能的提高；Mark Bruderick 等在2003款道奇中批量使用了利用连续玻纤和碳纤制成的SMC零部件，取得了良好的力学性能和减重效果，在汽车风挡和车门

使用短切碳纤维编织布（将编织布切成方形块）作为SMC增强材料，研究了该