汽車前地板真空導入樹脂體系的研究

丁小馬　孫澤玉　朱　姝*　韓克清　余木火（．東華大學 纖維材料改性國家重點實驗室，上海 20620；2．民用航空復合材料協同創新中心，上海 20620）

汽車前地板真空導入樹脂體系的研究

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 纖維材料改性國家重點實驗室，上海 201620；2．民用航空復合材料協同創新中心，上海 201620）

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

關鍵詞：前地板；真空導入；樹脂體系；碳纖維

碳纖維作為一種高強、高模、密度低、比性能高的新型材料，有著與傳統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、汽車行業等各個領域取得了廣泛的應用。汽車前地板作為汽車的一個重要承力件，對其材料性能有著嚴格的要求，傳統金屬往往由于使用時間的延長，會發生腐蝕、疲勞性能下降、剛度減弱等現象，而碳纖維增強樹脂基復合材料具有良好的抗疲勞性，而且破壞前有明顯的征兆。

在碳纖維增強樹脂基復合材料成型工藝中，作為一種低成本成型工藝，真空導入工藝需要對樹脂體系有著一定的要求，而且在選用樹脂體系時，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以及進行大量實驗的基礎上，研究了一種適用于汽車前地板真空導入工藝的樹脂體系，該樹脂澆注體不僅與單向碳纖維結合良好，而且樹脂澆注體及與單向碳纖維成型后的復合材料板力學性能和耐熱性很好，在一定范圍內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間的變化

1　實驗部分

1.1主要實驗材料和設備：環氧樹脂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，浙江臺州華榮模具有限公司。

1.2主要實驗檢測設備：數字式旋轉粘度計SNB-1，上海精天電子儀器有限公司；耐馳差示掃描量熱儀204F1，德國耐馳有限公司；萬能材料試驗機WDW3020，長春科新試驗儀器有限公司；擺錘沖擊試驗機DAS4000，意大利西斯特有限公司；金相顯微鏡Axiovert 40 MAT，德國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　實驗過程及性能測試

2.1樹脂體系流變性能

使用數字式旋轉粘度計SNB-1測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時的對應溫度，記錄數據。

2.3樹脂澆注體及碳纖維復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、碳纖維增強樹脂基復合材料拉伸性能試驗方法，使用萬能材料試驗機測試澆鑄體及碳纖維復合材料板的拉伸性能，每組測試選用5個樣條，測試溫度為室溫，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、碳纖維增強樹脂基復合材料彎曲性能試驗方法，使用萬能材料試驗機測試澆鑄體及碳纖維復合材料板的彎曲性能，每組測試選用5個樣條，測試溫度為室溫，試驗速率為10mm/min。

2.5樹脂澆鑄體及碳纖維復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方法，使用簡支梁擺錘沖擊儀測試澆鑄體樣條的沖擊性能，每組測試選用5個樣條，測試溫度為室溫，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ZEISS公司生產的金相顯微鏡觀察斷面形貌。

3　結果與討論

根據汽車前地板所需要的力學和熱學性能指標，預先篩選了三種環氧樹脂體系進行研究，通過事先比較確定了X4302A/B這一樹脂體系，因為它不僅在力學和熱學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性能指標；接下來著重對這一樹脂體系進行一系列分析。

3.1粘度測試

整個汽車前地板面積約為2m2，雖然面積不大，但是形狀復雜，加上真空導入工藝中樹脂體系粘度最好保持在300MPa·s附近這一原則，這在一定程度上對樹脂體系的粘度大小范圍有了一定的要求。通過對X4302A/B樹脂體系在室溫下的粘度測試，值約為750MPa·s，發現X4302A/B樹脂體系在室溫下不適合真空導入工藝；于是分別測試了其在30℃、40℃和50℃下的粘度隨時間的變化。如圖1所示，綜合一下樹脂脫泡、真空導入等時間的疊加，發現40℃這一曲線很符合前地板的真空導入工藝所需要的粘度范圍，于是整個樹脂脫泡真空導入維持在恒溫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入樹脂體系在5k/min、10k/ min、15k/min和20k/min這四個不同升溫速率下的固化反應曲線，圖2為掃描結果。

通過對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樹脂體系固化反應的峰始溫度Ti、峰頂溫度Tp、峰終止溫度Tf； 用這種方法測試樹脂體系的固化溫度時，固化溫度會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　三種環氧樹脂澆注體力學和熱學性能

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Ti、Tp、Tf的值，對80℃、110℃和140℃分別進行等溫DSC測試，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樹脂體系復合材料板性能

預先將環氧樹脂X4302A與固化劑X4302B加熱到40℃，并以100：45的質量比進行混合，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后填補部分遺漏樹脂。然后以80℃/2h+110℃/2h+140℃/2h固化工藝進行固化。冷卻至室溫后取出樣條，停留24h后測試力學性能。表1為X4302A/ B樹脂體系和其他兩種環氧樹脂體系的力學性能和熱學性能的比較：

圖4　碳纖維復合材料的力學性能

從表1中可以看出，X4302A/B樹脂澆注體的力學性能和熱學性能均保持在一個較高的水平。接著再以單向碳纖維為增強體，X4302A/B樹脂體系為基體，采用真空導入方式制備復合材料板，測試了其力學性能，并對其在不同溫度下的拉伸強度進行了測試，數據如圖4和圖5所示：

從圖4和圖5中可以看到碳纖維復合材料板材的力學性能很高，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性能要求。

圖5　碳纖維復合材料在不同溫度下拉伸強度

3.4復合材料板剖面金相顯微照片

圖6為復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性良好。但是在整個金相顯微照片中可以看出，樹脂基體在整個碳纖維布中的分布是 不均勻的，有可能是在一個負壓下樹脂的流動使得碳纖維布發生了小位移移動，導致部分樹脂富集，部分樹脂缺陷。

3.5 汽車前地板樹脂充模過程模擬

在用真空導入工藝制備汽車前地板之前，先對整個樹脂充模過程進行了模擬，因為汽車前地板模具是個兩邊對稱的形狀，為了增加樹脂脫泡的程度和節約充模時間，決定在前地板的中間部位進行樹脂的進口，兩旁邊作為抽氣出口。模擬過程中X4302樹脂體系充模時間約為15min；之后通過實驗來驗證這種樹脂體系的實際充模時間與模擬的匹配性，實際充模時間為18min。圖7為模擬圖和實驗圖。

圖6　單向碳纖維增強X4302樹脂體系復合材料板材剖面金相顯微照片

結語

本文重點對一種適合于汽車前地板真空導入成型工藝的樹脂體系進行了研究，其樹脂體系澆注體和碳纖維復合材料力學性能優異，耐熱性良好，完全能滿足汽車前地板的性能要求；

通過對該樹脂體系充模過程的研究，發現模擬過程中的充模時間和實際演示時的充模時間大致相同。

圖7　汽車前地板樹脂充模過程模擬圖和實驗圖

參考文獻

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中圖分類號：TQ323

文獻標識碼：A

基金項目：863計劃項目。項目編號：2012AA03A206 上海市科學技術委員會科研計劃項目，12dz1100502