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SMC汽車電池包上殼體上的材料性能分散性分析

時間:2020-08-28 10:52作者:周波,李波
本文導讀:這是一篇關于SMC汽車電池包上殼體上的材料性能分散性分析的文章,SMC是一種先進的玻璃纖維增強熱固性復合材料。其輕質高強、絕緣隔熱、耐腐蝕、設計自由度大,尺寸穩定性好,且其制造工藝簡單,可用于生產幾何形狀復雜、表面質量要求高的產品.

  摘    要:隨著節能減排及輕量化設計理念的普及,具備良好輕量化效果的SMC材料已廣泛應用于新能源汽車電池包上殼體.通過對SMC材料加工及成型工藝特點分析,研究了原材料生產、成型工藝、結構特征等不同因素對SMC材料性能分散性的影響,并闡述了材料性能分散性對SMC產品開發的要求.結果表明,SMC片料加工方向及垂直加工存在各項異性;由于成型工藝及結構特征的影響,產品不同區域機械性能存在極大的分散性.

  關鍵詞:電池包上殼體; 輕量化; SMC材料; 分散性; 各向異性;

  作者簡介:  周波(1985-),男,工程師,學士,研究方向為汽車非金屬材料應用及工藝開發.;

  1 前言

  SMC是一種先進的玻璃纖維增強熱固性復合材料.其輕質高強、絕緣隔熱、耐腐蝕、設計自由度大,尺寸穩定性好[1],且其制造工藝簡單,可用于生產幾何形狀復雜、表面質量要求高的產品,廣泛應用于汽車輕量化開發過程中,目前已成功應用于汽車外覆蓋件和新能源電池包上殼體等.

  SMC片料指玻璃纖維增強片狀模塑料,主要由玻璃纖維、不飽和聚酯樹脂、填料、低收縮添加劑及各種助劑組成.在通常情況下,SMC片狀模塑料可通過模壓成型制成復雜的復合材料產品[2].與傳統建筑行業SMC材料相比,汽車對材料性能有更嚴格的要求,原材料供應商通?赏ㄟ^調整各組分配比,制造出滿足主機廠要求的材料.研究表明,樹脂配方、玻纖含量、玻纖長度及方向分布、片料流動等對SMC力學性能及其分散性有較大影響[3].通過不同方向拉伸、彎曲性能對比確定片料生產對SMC材料性能分散性的影響,并通過電池包上殼體不同區域玻纖含量及拉伸、彎曲性能對比分析產品結構和片料流動引起的材料性能的分散性.

  2 制樣及試驗方法

  2.1 制樣

  為了方便對比,統一采用電池包上殼體用SMC材料進行制樣.由于電池包上殼體厚度為2.5 mm,所有拉伸、彎曲樣條均采用厚度為2.5 mm的非仲裁樣條.所涉及樣條包括平板樣條及產品上取樣樣條,所有樣條表面應平整、無氣泡、無分層、無明顯雜質和加工損傷.

  SMC片狀模塑生產過程中傳送帶運動方向為片料加工方向,如圖1所示[4].制作平板時,片料裁切和鋪疊以加工方向為平板模具橫向(X向),垂直加工方向為平板模具縱向(Y向).平板制作完成后,分別在其X和Y向切取拉伸彎曲樣條進行試驗.

  產品上取樣樣條直接從SMC電池包上殼體切取.取樣位置應為平面,且尺寸應滿足制樣要求.取樣方向可參考整車坐標系,分別切取橫向和縱向樣條進行試驗.取樣位置見圖2,由于電池包上殼體結構及成型時堆疊方式對稱,可在其左右兩側分別選取不同方向樣條進行試驗.

  2.2 試驗方法

  SMC復合材料玻璃纖維及樹脂含量試驗方法參考GB/T 2577-2005《玻璃纖維增強塑料樹脂含量試驗方法》方法B;拉伸性能試驗方法參考GB/T1447-2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》,樣條尺寸按Ⅰ型樣條,厚度為2.5 mm,拉伸模量及斷裂延伸率試驗加載速度為2 mm/min,拉伸強度試驗加載速度為10 mm/min;彎曲性能試驗方法參考GB/T 1449-2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》,樣條尺寸為50 mm×15 mm×2.5 mm,彎曲強度性能試驗加載速率為10 mm/min.

  3 試驗結果

  3.1 材料性能

  3.1.1 拉伸性能

  SMC片狀模塑料加工方向(X向)及垂直加工方向(Y向)拉伸性能見表1.

  拉伸性能試驗結果顯示,SMC片狀模塑料加工方向(X向)拉伸模量、拉伸強度及延伸率高于垂直加工方向(Y向),其差異分別為9.3%、18.2%和12.8%.

  3.1.2 彎曲性能

  SMC片狀模塑料加工方向(X向)及垂直加工方向(Y向)彎曲性能見表2.

  彎曲性能試驗結果顯示,SMC片狀模塑料加工方向(X向)彎曲模量和彎曲強度高于垂直加工方向(Y向),其差異分別為10%和11.3%.

  3.2 產品切取樣條

  3.2.1 主要組份含量

  各位置玻璃纖維、樹脂及填料含量見表3.


 

  各組分含量結果顯示,由于原材料、結構形式、成型工藝參數等影響,不同區域玻璃纖維、填料及樹脂含量存在明顯差異.

  3.2.2 拉伸性能

  SMC電池包上殼體不同區域及方向拉伸強度及拉伸模量見圖3.A1-A10分別表示拉伸性能測試樣條取樣位置,X、Y、Z代表樣條取樣方向,并且與整車坐標系一一對應.

  拉伸性能試驗結果顯示,SMC電池包上殼體不同區域拉伸強度及模量變化極大,且同一位置不同方向拉伸強度及拉伸模量也會存在較大差異,存在明顯的性能分散性.

  3.2.3 彎曲性能

  SMC電池包上殼體不同區域及方向彎曲強度及彎曲模量見圖4.A1-A11分別表示彎曲性能測試樣條取樣位置,X、Y、Z代表樣條取樣方向,并且與整車坐標系一一對應.

  彎曲性能試驗結果顯示,SMC電池包上殼體不同區域彎曲強度及模量變化極大,且同一位置不同方向彎曲強度及拉伸模量也會存在較大差異,存在明顯的性能分散性.

  4 試驗結果分析

  引起電池包上殼體SMC材料性能變化的因素有很多,本項目主要分析片料生產過程、產品結構形態及模壓過程對其機械性能的影響.

  研究過程中SMC片狀模塑料加工方向機械性能高于垂直于加工方向機械性能,存在明顯的各項異性.分析發現,導致材料性能分散性的主要因素是生產過程中傳送帶運動使得玻纖分布不均勻,使更多纖維按片料加工方向分布.但半成品片料上材料性能分散性遠低于產品上的材料性能分散性.

  通過SMC材料電池包上殼體不同區域組份對比發現,不同區域各組分含量存在明顯區別.由于填料和樹脂流動性更佳,導致成型過程中流動峰末端的邊緣區域玻纖含量較低,填料及樹脂含量較高,如A4、A5、A6;在結構突變處易產生纖維團聚,使得相關位置纖維含量較高,如A7、A11.拉伸性能及彎曲性能試驗結果表明,電池包上殼體不同區域和方向材料性能差異極大,分析原因如下.

  a.SMC片料本身具有性能分散性;

  b.不同區域片料堆疊方式不一致;

  c.結構特征造成片料個組份不均勻分布;

  d.模壓過程中,流體流動使得纖維沿流體方向分布;

  e.模具溫度存在差異,使得不同區域材料固化程度存在差異;

  f.局部區域存在熔接痕,且相關區域機械性能極低.

  傳統SMC產品開發過程中,通常被當作各項同性材料進行設計,但產品上確呈現極大的材料性能分散性,不同位置或方向材料機械性能差異很大.與傳統行業相比,汽車行業具有更高的可靠性和質量一致性要求.因此,在汽車產品開發過程中,工程師應充分考慮材料特性及工藝特點的影響,以提高產品設計可靠性及質量穩定性.首先,結構設計階段應充分考慮材料性能分散性及結構形式對材料工藝性的影響,仿真分析過程中應合理預留"安全系數";其次,工藝開發過程中,工程師應充分分析片料堆疊方式對片料流動過程的影響,避免在薄弱區域出現留痕等缺陷;另外,工程師需充分定義片料裁切方法及堆疊方式,必要時可在模具及工裝上增加參考特征進行輔助鋪料.

  5 結束語

  通過實驗結果證明SMC電池包上殼體上存在較大的材料性能分散性,并通過測試結果獲得材料性能"安全系數",協助設計工程師進行仿真分析,從而提高設計可靠度.并在工藝開發過程中,進行嚴格的片料裁切方法及堆疊方式定義,以提高產品質量穩定性.上述方法已成功應用于某項目電池包上殼體開發過程中,并成功解決前序項目中存在的一些問題,同時達到提高產品性能可靠性及質量穩定性的目的.
  參考文獻
  [1]鄭學森,朱姝,翟國芳.SMC制件精度的影響因素[J].纖維復合材料,2006,23(3):23-25.
  [2]Laurent Orgéas,Dumont P J J.Sheet Molding Compounds[M]//Wiley Encyclopedia of Composites.John Wiley&Sons,Inc.2012.
  [3]Trauth A,Pinter P,Weidenmann K.Investigation of Quasi-Static and Dynamic Material Properties of a Structural Sheet Molding Compound Combined with Acoustic Emission Damage Analysis[J].Journal of Composites Science,2017(12).
  [4]李建.低壓片狀模塑料片材的制備研究[D].武漢:武漢理工大學,2006.

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