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【汽车材料进展】混合多材料轻量化座椅开发

2019-05-30 14:31:11   来源:网络   打印

  1.前言

  随着汽车工业对轻量化的需求不断增加,推动了车辆结构中金属部件的更换。除了满足新的排放要求之外,轻量化还可以通过新技术应用来提升性能。然而轻量化不仅只针对车身,内饰的轻量化也备受关注。前排座椅一般单个重量可达20公斤,占据了内饰重量的很大部分,因此,座椅的减重对于汽车内饰的轻量化具有较大的意义。

  澳大利亚迪肯大学的碳纤维研究所(Carbon Nexus)成功开发了两件式碳纤维复合材料前座椅靠背(FSB),通过轻质材料的应用和零件的集成设计,复合材料座椅比现有钢制座椅减重69%。此外,复合材料座椅还具有较高的设计自由度,可增强美感和舒适度,但是其成本还相对较高。因此,通过采用低成本材料作为内部结构,开发了由碳纤维无纺布和低成本纤维增强热塑性塑料组成的多材料混合轻量化座椅系统。

  同时,对材料的粘合剂进行了研究,对热固性(环氧树脂)和热塑性(聚酰胺,PA)塑料间的界面结合机理进行了研究。在粘接时,通过不同表面处理来增加塑料件表面粗糙度,是增加粘合强度的有效手段。热塑性基材一般通过物理处理(如喷砂)来进行粗糙化,以通过机械互锁增加粘合性。还有酸蚀刻、氧化火焰处理、电晕放电和接枝聚合等化学改性方法。此外,火焰处理、电晕放电和等离子体处理已被证明是通过增加表面能和官能团来功能性激活热塑性表面的最有效和广泛使用的方法。

  本文将PA66和PP热塑性塑料加入到环氧树脂热固性塑料中,探索表面处理技术及其对复合材料粘合强度的影响,研究了合适的粘合解决方案。在试验结果基础上制造了全尺寸的两件式前座椅靠背。通过表面处理、结构设计和制造技术的优化,满足行业标准的可实际用于商业应用的低成本复合材料座椅靠背的性能水平。

  2.表面处理

  为了实现不同材料之间的最大粘合强度,探索了两种表面处理技术,即丙烷火焰和离子吹制等离子体。

  2.1 丙烷火焰处理

  PA66样品在粘合区域用丙烷火炬(PRI2000D,Primus)进行火焰处理。先调节火焰以使主反应区(发光区)最大化,即火焰的最热和强氧化区域。虽然整体火焰长度保持恒定在50mm,发光区域为15mm,但发光区域和样品之间的距离以10mm步长从5mm变为45mm,以便最大化处理效率。结果表明,发光区域的尖端到基板距离为25mm可最有效地修饰PA66表面,平均接触角为22.4°。火焰距离较近会导致基板的热降解,将距离增加到45 mm时,富氧区域与PA66表面脱离接触,导致接触角(54.2°)突然增加。表1列出了在火焰处理期间使用的工艺参数。

  2.2 等离子处理

  使用ENERCON(USA)等离子体技术激活纤维增强PA66的表面。该技术是通过高速放电离子对表面进行轰击,以达到清洁、蚀刻和功能化表面的目的。在不改变基材形态的情况下,等离子体处理成功地改变了表面的机械和化学性质并引发了交联效应。图1显示了该项目中使用的等离子体处理器和等离子体射流,它以恒定的距离(喷射尖端到基板约10mm)施加。样品快速移过等离子火焰,保留时间约为2秒。表2显示了等离子体处理过程中使用的工艺参数。

  3.材料表征

  3.1 材料

  选用三种不同的长纤维增强热塑性材料作为PA66模塑材料板,用40%和60%玻璃纤维(PA66 / GF40,PA66 / GF60)和40%碳纤维(PA66 / CF40)增强,聚丙烯样品填充40%玻璃纤维(PP / GF40)。表3中显示了各种纤维增强基材的材料特性的简要概述。碳纤维增强环氧树脂样品由碳纤维非卷曲织物和环氧树脂(HexionTM RIM 935 / RIMH 936)制成,带有剥离层表面用于改善粘接性能。

  处理时用环氧基高强度粘合剂Loctite Teroson EP 5055(Henkel)将纤维增强热塑性基材粘合到CF/环氧复合材料上。在搭接剪切测试之前,将粘合剂在室温下固化三天。

  3.2 接触角测量

  为了衡量材料表面极性,使用Theta光学张力计(CAM101,KSV Instruments,Ltd。)和连接到计算机的数字摄像机(软件Attention Theta)等电光学器件测量水接触角。在样品表面上沉积3μl蒸馏水来记录接触角。通过高分辨率相机捕获基板和水滴之间的接触轮廓,并在系统软件中测量接触角。测量三至五个样品的均值。

  3.3 搭接剪切试验和前座椅靠背(FSB)的粘接

  根据ASTM D5868-01标准对纤维增强塑料(FRP)粘合的搭接剪切粘合力进行搭接剪切测试。使用水射流切割机将样品切成宽25.4mm,长100mm的样品。使用环氧基粘合剂Henkel Teroson EP5055,由纤维增强的PA66和PP以及碳纤维/环氧复合材料制备搭接剪切样品。根据ASTM标准,粘合长度为25.4mm。在测试之前,将粘合的样品在21℃,55%相对湿度下调节至少24小时。

  搭接剪切试验在30kN Instron 5567/5967机器上进行。用75mm夹具,十字头速度为13mm / min,测试最少五个搭接剪切样品。记录各个峰值负荷值和平均值以及故障类型。

  4.结果与讨论

  4.1 表面处理时间对表面功能的影响

  在粘合之前,研究了表面处理和粘合剂施加之间的时间对表面极性的影响。每种材料的样品以两种不同的方式处理,在处理后立即记录接触角,并在1、2和7天后再次记录。低接触角是指更高的表面极性,其更可能具有与粘合剂或树脂可以良好的相互作用的极性官能团。

  处理后的时间和相关水滴图像的接触角如下图3。在图3a)中,PA66 / CF40%情景的火焰和等离子体处理结果随时间变化。结果表明,表面处理后接触角从约70°到约20°显著下降。接下来随着时间的推移,接触角逐步增加,这表明表面功能性降低。但是PP / CF40%是一个例外,其接触角在处理后仅从90°减少至72-84°(图3b)。这种现象可能是由聚合物熔化导致物理粗糙和纤维暴露在基板表面上而引起的。一天后,接触角再次小幅下降,但表面极性几乎保持不变。对于所有材料,与使用丙烷火炬相比,等离子体处理通常会得到更小的接触角。

  同时,为了在粘合剂和基材表面之间实现最有效的粘合,需要在表面处理后立即施加粘合剂。

  4.2 纤维增强PA66和PP基材的机械性能

  将一系列经过等离子和火焰处理的表面改性的纤维增强PA66和PP基材粘合到CF/环氧基材上。图4描绘了与未处理的样品相比,经历丙烷火焰和等离子体表面改性的样品的搭接剪切强度。虽然两种处理方法导致粘合强度增加300-400%,但对于PA66基质样品,等离子体表面改性效果更为显著(+12-21%)。通过纤维增强PP的表面改性,剪切强度显著改善。但是PP基质复合材料与火焰处理的基材相比,等离子体处理导致剪切强度降低25%。

  等离子体表面改性后的碳纤维填充PA66/CF40%材料在搭接剪切试验中表现最佳,剪切强度为25N/mm2的。当比较玻璃纤维填充的基材PA66/GF40%和PA66/GF60%与CF/环氧树脂的粘合强度时,具有60%纤维负载的样品表现更佳。这表明当应用于具有较高纤维含量的PA66基质中时,表面处理具有更大的效果。在处理过程中,60%玻璃纤维负载的基材暴露了更多的纤维,因此更多的纤维充当粘合剂的机械互锁。

  例如,丙烷火焰和等离子体处理的PA66/CF40%搭接剪切样品的破坏和破裂表面在图5中进行比较。未经处理的搭接剪切样品在热塑性表面上没有任何粘合剂失效。丙烷火焰处理的样品在21N/mm2强度下从CF/环氧基材上剥离。等离子体处理的样品在约25N/mm2强度下在粘合剂内失效。这主要是等离子体处理比丙烷火焰处理可以更有效地沉积官能团,胶粘剂与树脂具有良好相互作用的极性官能团,则将具有更高的表面极性,因此等离子体处理的基材具有低接触角。

  在座椅内部材料的性能测试时,填充40%碳纤维和60%玻璃纤维的经等离子体处理的PA66满足>20MPa剪切强度的座椅设计标准。考虑到丙烷火炬是成本较低的表面处理方案,是混合材料阀座粘接和设计的首选处理方法。随后,将热塑性长纤维增强内层粘合到外座椅外壳上,进行性能测试,达到了座椅设计标准。

  第一代CFRP(2件式)和第二代2件式混合CFRP/纤维增强PA66复合材料座椅靠背的结构重量和成本与原钢制座椅的对比如图6所示。多材料混合座椅靠背与树脂传递模塑CFRP座椅靠背相比,可降低成本约30%。碳纤维的使用保证了结构强度,玻璃纤维的混合应用也降低了结构成本,同时,还具有轻量化的优势。未来,若实现复合材料同步固化成型的接合方式则可以消除粘合剂的使用,进一步减少重量,降低材料成本。

  5.结论

  本文研究了复合座椅靠背结构的低成本方案,并开发了由碳纤维无纺布和低成本纤维增强热塑性塑料组成的混合轻质材料系统。同时研究了表面处理技术(如丙烷火焰和等离子体)对材料粘合的影响,通过搭接剪切测试,得出表面改性处理对材料粘合具有积极影响。

  虽然两种表面处理方法导致座椅内外部材料之间的粘合强度增加300-400%,但是等离子体表面改性效果更佳。测试过程中发现,填充有40%CF和60%GF的经等离子体处理的PA66满足> 20MPa剪切强度的座椅设计标准。较高的玻璃纤维含量(60%与40%相比)可提供更好的与粘合剂的机械互锁,从而改善粘合性。


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