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天然纤维增强热塑性复合材料等生物材已经应用到汽车部件的制造中

在汽车工业中,天然纤维增强热塑性复合材料等生物材已经应用到汽车部件的制造中。如Golf VII车型的门内饰板就采用了天然纤维材料。但是,由于强度的限制,天然纤维复合材料仅用于内部装饰件。

为进一步扩大天然纤维复合材料在汽车结构件中的使用,本文研究开发了玻纤与亚麻纤维混合增强PP复合材料。采用新材料优化设计了一款复合材料座椅骨架,并通过有限元仿真对复合材料座椅的机械性能、碰撞安全性等进行测试和表征。

1、天然纤维增强复合材料

在纤维增强复合材料的制造中,材料的选择和复合工艺较为关键。本研究选择了天然纤维与玻璃纤维双向混合编织物作为增强体,通过施加压力,浸渍树脂,最后切割成一定尺寸的半成品。然后将半成品置于成型模具中加热,使树脂熔融,随后注入短纤增强PP树脂,包覆成型。具体成型工艺流程见图1。

汽车工业,天然纤维,装饰件,热成型

2、热性能分析

在制造过程中,为实现增强材料的均匀浸渍,工艺温度的设定至关重要。一方面,温度需要高于PP树脂的熔融温度;另一方面,受制于天然纤维的低热稳定,温度不能设置过高。亚麻纤维主要由纤维素和生物质(如半纤维素、木质素、果胶等)组成,通过TGA进行了热性能的测试分析,结果如图2。由图可知,考虑到回收PP材料的熔点和亚麻纤维的热分解温度,工艺温度选择在180℃-190℃。

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3、机械性能分析

本研究采用的增强材料为亚麻纤维和玻璃纤维的混合织物,聚合物基体为低粘度低熔点聚丙烯树脂。其中,聚丙烯树脂通过添加脱模剂、润滑剂和偶联剂等提高浸润性。

单纤测试

复合材料的机械性能主要取决于纤维材料的特性,为提高复合材料中纤维的体积分数,纤维的细度和与树脂的结合方式较为重要。玻璃纤维的吸湿性差,但亚麻纤维由于拥有较多的亲水性基团而表现出较高的吸湿性。试验选择了相同细度的亚麻纤维和玻璃纤维各50个样本,按照DIN EN ISO 5079标准进行拉伸试验,结果如图3。

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由图可知,亚麻纤维的拉伸模量低于玻璃纤维;普通亚麻纤维与干燥的亚麻纤维应变量相似;而玻璃纤维表现出较高的应变量,达到3%。

有机片材半成品性能测试

有机片材半成品由混合纤维织物和PP树脂基体组成,纤维材料体积分数为52%。为评估这一生物复合材料的拉伸性能,对复合材料的经向(0°)和纬向(90°)进行拉伸测试,结果如图4所示。结果显示,尽管再生塑料易发生分子降解,导致机械性能下降,但是具有再生PP的有机片材显示出较高的拉伸模量。

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