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

當今，汽車已經成為人們無可替代的交通工具之一，傳統汽車一般采用鋼材料制備，重量大，燃油效率低，不利于節能和環保[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性能和尺寸穩定性等優點[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纖維料以不同的物理形態重新組合[3]，或者向其中添加一種或幾種化學纖維材料以微觀或宏觀的形式組合而成的非常重要的環保材料[4]，在國內外近年蓬勃興起的一類新型合成材料[5]，對于同一產品而言，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性能，為后期產品設計提供科學依據。

1 合成自然纖維飾板成型設備和工藝

1.1 根據板材尺寸

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

根據試驗目的我們選擇了密度為 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，必須再放入烘箱內烘干，含水量測試達標后，通過熱壓設備和模具壓成 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 測試項目及結果：（見表1）

表1

3 低溫落球沖擊試驗分析（結果見表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 碰撞數據

5 CAE驗證結果

通過CAE仿真和低溫落球試驗后的產品的比對，發現都沒出現碎裂和尖銳的棱角及碎屑飛出的問題，結果是安全可靠的，試驗結果和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，通過對其外形和結構進行分析研究，我們用合成自然纖維板材復制了一件類似的產品，通過這兩個產品的剛性試驗，來判斷其性能是否低于傳統材料PP熱塑性材料。

6.2 剛性試驗設備和條件及方法

6.2.1 剛性測試設備：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、樣件大小：A4紙大小、測試的標本數：各1件。

6.2.3 測試方法

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

6.2.4 測試結果：（見表3）

表3

7 結論

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于傳統熱塑性材料，可以滿足汽車內飾件的要求，并可以廣泛應用于汽車內飾領域。

圖9 PP材質的產品

圖10 合成纖維材質的產品

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

[2] 任強.無機纖維/木纖維MDF復合材料制備及性能研究.北京林業大學學報.2008.

[3] 任強,李建章,鹿振友.木纖維/巖棉纖維纖維復合材料研究.北京林業大學學報.2007,29（2）:161-164.

[4] 楊學通.木纖維/麻纖維/聚丙烯纖維復合材料阻燃性能研究.中國林業科學研究院.2015年.

[5] 倪靜.廢舊塑料/木纖維復合材料研究.同濟大學.2007:1-67.

[6] 羅衛華,王正良,陶偉康等.原位增容 HDPE/木纖維復合材料研究.全國生物質材料科學與技術學術研討會.2011.