IDI Composites International與A&P Technology合作開發的預浸料共模塑復合材料，為汽車、移動出行應用提供了新的形狀以及強度和彈性水平。

結果表明，與較厚的 SMC 面板相比，采用QISO增強材料的共模塑面板減薄了20%，展現出更好的抗穿刺性和最小的撓度（圖片來源：IDI Composites International）

 

隨著汽車電氣化程度的提高，汽車OEMs 正在尋找具有最佳結構性能的輕質而又耐用的材料，以減輕重量、延長續航里程并提高燃油經濟性。最近，由片狀模塑料（SMC）制成的下一代皮卡車廂滿足了這些核心要求。

 

SMC 復合材料并非是用于貨車車廂的新的解決方案。由于具有耐用性、彈性和耐候性，實際上該材料已被使用了多年。然而，作為一種堅固耐用、用途廣泛的工具，貨車車廂則為IDI Composites International（簡稱IDI，美國印第安納州諾布爾斯維爾）探索一種新的SMC增強材料共模塑方法從而獲得形狀復雜且無需額外加固的耐用部件提供了用武之地。

 

作為一家全球化的熱固性模塑復合材料和混合物的配混商和制造商，IDI主要為 OEMs、一級供應商和模塑商提供服務。該公司擁有12萬平方英尺的先進的生產工廠和研究中心，采用經ISO 認證的生產流程和嚴格的質量控制程序，與客戶密切合作，針對特定應用，開發量身訂制的熱固性成型配方。IDI生產全系列的基于聚酯/乙烯基酯的SMC和團狀模塑料 （BMC），產品以其在挑戰性條件下的耐用性、彈性和性能而聞名，被用于各行各業，包括汽車、電動汽車和新能源汽車（EV、NEV）、公共交通、國防、建筑、石油和天然氣、醫療和船舶。

 

為了探索能進一步增強SMC/BMC性能的方法，該公司與編織材料制造商 A&P Technology（美國俄亥俄州辛辛那提）合作，開發了一種名為Fortium QISO 的預浸料共模塑配混料，該材料是 IDI 的 Fortium SMC與A&P Technology 開發的三軸編織產品QISO 的組合。

 

據 IDI 復合材料技術及應用工程總監 Kevin Cahill介紹，他們開發Fortium QISO 的目的是實現SMC/BMC的進步。使用編織材料進行額外增強，允許使用更少的材料。“主要優點是減輕了重量。否則，你得用不連續纖維來制造更厚的部件，或者，制造帶有金屬嵌件的更復雜的部件。”Cahill說道。IDI 產品經理 Rob Holcombe 補充道：“我們的目標很明確，就是在確保貨車車廂應用性能的情況下實現減重降本，至少要保持成本中性。”

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新一類的增強材料

Fortium QISO采用了40%-65% 的不連續玻纖增強材料，這種高填充性帶來了具有高強度和高抗沖性能的材料，而不連續性則使材料能夠通過模壓成型工藝被制成復雜的形狀。Fortium QISO還可以使用各種熱固性樹脂，包括聚酯、乙烯基酯、環氧樹脂和乙烯基酯/氨基甲酸乙酯混合物，因而可以提供耐熱性、韌性和耐用性，包括耐候性、抗紫外輻射性、耐化學性和常規的耐磨損性。

加入A&P Technology 的 QISO三軸編織物，進一步增強了Fortium QISO的準各向同性性能

 

Holcombe表示，通過對樹脂和增強材料添加量進行選擇，IDI能夠靈活優化Fortium QISO的成本和密度，使該材料的性能/重量比能夠媲美鋁和鋼。目前，Fortium QISO已被用于許多小型皮卡車型的車廂。

 

在開發貨車車廂用的共成型材料時，IDI使用了Fortium SMC，該材料采用了50%的含1英寸不連續玻璃纖維的增強材料，以及聚酯/乙烯基酯混合樹脂系統。Cahill表示，通過加入添加劑，可以提供顏色、耐候性和抗紫外性，而采用阻燃材料則為電池殼帶來類似的效果。

 

加入A&P Technology 的 QISO 進一步增強了 Fortium 的準各向同性性能。與傳統的編織產品不同，QISO 的纖維按60°偏置提高了強度和懸垂性，這對于模壓成型部件的復合曲率至關重要。

 

QISO是一種 0°/±60°平衡對稱的準各向同性織物。A&P表示，與使用傳統的 0°/90° 織物或無卷曲織物（NCF）增強材料設計的部件相比，使用 QISO 制造的部件更堅固，具有更好的抗沖擊性和更加一致的熱膨脹系數（CTE）。3個非正交編織偏置有助于 QISO 的準各向同性結構——這意味著它在每個方向上都具有相同的性能，因此，織物的取向不是一個問題。這使得鋪層更簡單，層數更少，廢物更少。

 

Holcombe 表示，IDI 選擇 QISO 是因為它的靈活性和適應性。“在成型時，即使是預浸料的成型，要使連續纖維片材成型并發揮友好性，可能是一個真正的挑戰。從制造的角度來看，QISO 在復合方面非常友好，在成型方面也非常友好。由于纖維的形式，它能夠很好地適應復雜的形狀。

 

“我們得到的東西在外觀、感覺和行為上都像一張非常薄的 SMC。”他繼續說道，“它不流動，因為它是編織氈，但依然讓人非常熟悉。它可以成型和固化，因為這兩種材料之間的化學性質相同。

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共成型、測試和 FEM 驗證

共成型是一種生產工藝，用此工藝，兩種或多種材料可以模塑在一起，形成一個部件。此工藝允許將不同的材料或顏色組合到一個部件中。通常，該工藝是從將主料放入模具型腔中開始的，這種材料構成了最終部件的基層或結構。接著，引入具有不同特性的次級材料，它們通常在初級材料的上方或周圍，兩種材料通過模壓成型集成到一個部件中。

使用訂制的沖擊試驗機來模擬各種沖擊場景以及材料在沖擊載荷下的不同鋪層和構造（圖片來源：IDI Composites International）

 

使用 Fortium QISO的共成型過程涉及將 QISO 織物集成到 Fortium SMC 中，以創造出一種據稱是具有無與倫比的設計靈活性和堅固性的復合材料。QISO 織物浸漬有相同的樹脂系統，這確保了無縫共成型，保持了與傳統 SMC 相同的纖維重量百分比和密度。同樣，QISO 的準各向同性特性確保了對鋪放和取向的敏感性降低，從而減少了材料廢料并提高了生產效率。所獲得的材料，其另一個優勢是具有可回收性。“這是一種材料，沒有包覆成型的鋼嵌件或需要在回收前去除的東西——整個部件是50%的玻纖和50%的熱固性樹脂。”Cahill 說道。

 

為了評估 Fortium QISO 共成型復合材料的性能，開發了一個綜合測試基體。測試包括拉伸測試和彎曲測試，以及使用訂制的沖擊試驗機進行大規模的沖擊試驗。沖擊測試涉及模擬不同的沖擊場景、不同類型的飛鏢和能量，以及沖擊載荷下的不同鋪層和構造。

 

Holcombe 解釋說：“我們的目標是為 SMC 本身以及為 QISO 層本身構建一個有限元模型，然后利用兩者的組合以及影響結果的數據來驗證該模型并在實驗室規模上進行驗證。”

 

結果表明，與較厚的 SMC 面板相比，采用QISO 增強材料的共成型面板減薄了20%，展現出更好的抗穿刺性和最小的撓度。此外，QISO 的懸垂性和可塑性在復雜形狀中得到了驗證，表明了其在實際應用中的可行性。

 

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超越貨車車廂的應用

在完成對復合材料面板的測試之后，IDI利用其 Fortium QISO FEM 模型優化了多個貨車車廂的設計，這包括識別高應力區域并在此鋪放局部編織的 QISO 增強材料。同時，為了獲得更加優化的成型性能，在形狀復雜區域使用不連續纖維增強的SMC。然后，IDI 制造了幾個貨車車廂原型。對這些原型的測試表明，在確保強度和性能的同時，成功地減輕了重量，降低了成本并減少了碳足跡。通過選擇性地將連續纖維增強材料與SMC主結構相結合，這些新型貨車車廂顯示出重量的明顯降低和抗沖擊性能的增強。該方法還減少了SMC的用量，從而抵消了使用編織預浸料的較高成本，將成本影響降至最低。此外，共成型結構的增強性能還有助于延長部件的使用壽命。

 

雖然IDI最初在開展該項目時考慮的應用是貨車車廂，但可以看出，Fortium QISO 材料在其他應用中也同樣具有優勢。比如，該材料具有非常好的抗動態載荷性能，這使其非常適用于承受突然沖擊載荷的部件，如電池殼、車底防護板、擋泥板和保險杠。它還能夠在其他的車輛系統中提供局部加固。

 

這種材料的另一個好處是抗蠕變性。值得一提的是，熱塑性材料在承受重載以及暴露在高溫下時易發生蠕變，Frunks（電動汽車的前端行李箱）就是一個例子。通常，位于這些行李箱后面的電子設備會產生熱量，時間長了，就會導致承重材料發生變形。“這種材料確實有助于無限期地限制和控制這種變形。”Cahill 說道。

 

2021年，IDI展示了使用 Fortium QISO 的阻燃面板，該面板通過了嚴格的熱失控測試，凸顯了其在保護電池組和其他關鍵組件方面的潛力。這可以擴展到其他移動應用中，如先進的空中交通，其目標是減重降本，同時實現更高的產量。

 

“我們在此所討論的這種共成型部件，其模壓成型周期可以是3分鐘或更短。”Cahill說道，“這確保了極高的產量，而采用其他一些復合材料技術，部件的成型和固化可能需要數小時甚至數天。”