CFSMC
CFSMC , eller Carbon Fiber Sheet Molding Compound (även känd som CSMC eller CF-SMC ), är ett färdigt att forma kolfiberförstärkt polymerkompositmaterial som används vid formpressning . Medan traditionella SMC använder hackade glasfibrer i ett polymerharts, använder CFSMC hackade kolfibrer . Längden och fördelningen av kolfibrerna är mer regelbundna, homogena och konstanta än standardglas SMC. CFSMC erbjuder mycket högre styvhet och vanligtvis högre hållfasthet än standard SMC, men till en högre kostnad.
Tillverkning
CF-SMC är gjorda av dragbitar av kol, fördelade mellan två lager ohärdat härdplast . Kolfibertowsna skärs av prepreg UD-tejp. Den ursprungliga tejpen kan bestå av ett visst antal fibrer (filament), vilket påverkar egenskaperna hos den slutliga kompositen: värden kan variera från 3 till 50 tusen filament, medan typiska draglängder ligger inom 10 till 50 mm. När det gäller hartset används härdplaster: möjliga val är polyester , vinylester eller epoxi , där den förra är den billigaste och den senare är den mest presterande. Trots att den inte är lika stark eller styv som epoxi, används vinylester ofta för sina egenskaper som korrosion och högre temperaturbeständighet. Beståndsdelarna kombineras i ark av prepreg-material. Blånor faller vanligtvis från skäraren på ett av de två lagren av harts och täcks sedan av det andra lagret. Prepreg-arken av SMC tillverkas efter att den viskösa enheten har komprimerats via rullar. I denna fas är all kontroll över fibrernas orientering i allmänhet omöjlig, och fibrerna kan anses ha en lika sannolik orientering i alla riktningar.
När prepreg-arken väl är gjorda kan materialet formpressas till den slutliga önskade formen. Formpressning är en tillverkningsteknik som kräver en tvådelad form: den första är värd för formmaterialet (laddning), medan den andra är monterad på en press för att stänga hålrummet samtidigt som det appliceras högt tryck. På grund av komplex geometri kan det vara nödvändigt att skära av arken för att lättare kunna placera dem i den nedre formen. Sedan, medan den övre formkaviteten stängs, skjuts materialet genom formen tills det stängs. Trycket upprätthålls, tillsammans med förhöjd temperatur, för att tillåta härdning av hartset och låg porositet. Detta steg har ett stort inflytande på den slutliga produktens mekaniska prestanda, eftersom det viskösa flödet in i formhåligheten tenderar att orientera fibrerna längs flödesriktningen. Genom att styra mängden och riktningen av flödet är det således möjligt att påverka fiberorienteringen, med ett kvasi-isotropiskt material (lågflödesgjutning) eller högre prestanda i en önskad riktning (högflödesgjutning).
Under tillverkningsfasen är det också viktigt att, när så är möjligt, undvika defekter som svetslinor. Svetslinjer uppstår när två flödesfronter av material möts under fyllningen av en formkavitet. Detta kan ibland resultera i luftinneslutning, hämmad tvärbindning i polymermatrisen eller klumpning eller frånvaro av fibrer. Av dessa skäl kan svetslinjer vara lika svaga eller svagare än den rena polymerhartsen.
Materialegenskaper
På grund av deras heterogena och anisotropa mikrostruktur, kan mekaniska egenskaper hos CF-SMC variera avsevärt inom breda intervall. Parametrar som har stor inverkan på dessa materialprestanda är huvudsakligen relaterade till fibrernas och matrisens rena mekaniska och geometriska egenskaper (särskilt de hos fibrerna) och armeringens orientering och innehåll. Modulen kan variera från mindre än 20 GPa till 60 GPa, medan hållfasthetsvärdena ligger inom 60-500 MPa.
CF-SMC kan också konstrueras, till viss del, för att ha bättre prestanda i en specifik riktning, på ett liknande sätt som kompositer med kontinuerliga fibrer. Detta kan uppnås genom att noggrant kontrollera formpressningssteget för att påverka fiberorienteringen. När fibrerna huvudsakligen är i linje med belastningsriktningen, domineras materialbeteendet huvudsakligen av fibrerna, vilket resulterar i starkare och styvare men också sprödare respons. I det motsatta fallet, om fibrer tenderar att placeras vinkelrätt mot belastningsriktningen, bidrar hartset mer till belastningsupptagningen, och den totala kompositen blir mindre styv, mindre stark och mer seg. Eftersom det är baserat på hydrodynamiska transportfenomen är kontrollen över fiberorienteringen i CF-SMC mycket mer begränsad än i fallet med kontinuerliga kompositer, där orienteringen ofta direkt bestäms exakt av tillverkaren. Dessutom, medan sammansatta fibrer har en specifik orientering, kan kortfiberarmerad plast ha en föredragen orientering, vilket innebär att, med tanke på ett generiskt axelsystem, majoriteten av fibrerna kan ha en högre komponent längs en riktning och en lägre komponent längs med andra två axlar.
Den diskontinuerliga trådbaserade mikrostrukturen hos dessa material är ännu mer heterogen än standardkompositer: fiberändar själva fungerar som spänningskoncentrationsområden för både hartset och de angränsande trådarna; dessutom, speciellt för komplexa formade delar, är det omöjligt att förhindra vissa lokala fläckar med dåligt inriktade strängar (t.ex. vinkelrätt mot riktningen av axiell spänning) eller med låg fibervolymhalt, som hartsfickor. Även om det gör materialet svagare och den strukturella designen mer komplex, gör denna funktion dessa material ganska okänsliga.
När de gjuts har CFSMC ett helt annat utseende än traditionella kolfibertygkompositer, som traditionellt framstår med ett vävt rutmönster. CFSMC ser ut som svart och grå marmor eller burl .
Industriell användning
CF SMC kombinerar de lätta egenskaperna hos kolkompositer med en tillverkningsprocess, som formpressning, som möjliggör snabb tillverkning och därför är lämplig för industriella tillämpningar med stora volymer. Av dessa skäl bilindustrin en av de bästa kandidaterna för denna teknik.
Biltillverkare har använt standardglas SMC i över 30 år som material för karosspaneler i utvalda sportbilar som Chevrolet Corvette . Att ersätta glasfibrer med kol är en ny utveckling, efter att ha använts för betydande strukturella komponenter i 2003 Dodge Viper, den multifunktionella reservhjulspannan i Mercedes-AMG E-Class, Mercedes-Benz SLR McLaren , 2009 Lexus LFA , 2015 Lamborghini Huracán , 2017 BMW 7-serien och 2017 McLaren -chassi. Lamborghini (tillsammans med Callaway Golf Company ) patenterade en avancerad version av CF-SMC som heter Forged Composite . De introducerade den först i konceptbilen Sesto Elemento , och sedan dess har Forged Composite varit ett utmärkande märke för Lamborghini-bilar, som används både i strukturella och estetiska syften. CF-SMC-användning har nyligen spridit sig även till den mycket bredare icke-högpresterande fordonssektorn som för 2017 Toyota Prius PHV .
CF-SMC har också använts inom flygindustrin av Boeing för 787 Dreamliner- fönsterbågarna, medan tillverkarna föreslår att användningen av dessa material kommer att växa även inom denna sektor.