【技术干货】一文了解轻质结构用碳纤维片状模塑料（SMC）技术
摘 要
《碳纤维与汽车轻量化》
《碳纤维在轻量化汽车领域的应用》
《德国SGL汽车领域用碳纤维产业现状》
《CFRP在奥迪汽车中的应用：关键技术》
《CFRP在奥迪汽车中的应用：成型加工》
《用于汽车轻量化的碳纤维结构件成型》
《碳纤维复合材料在宝马汽车结构中应用1》
碳纤维片状模塑料（Sheet Molding Compound，简写SMC）是由碳纤维、基体树脂、助剂等材料按照一定的配比，采用专业成型加工设备按照一定的工艺浸润而形成的片状模塑料。
碳纤维SMC（CF-SMC）材料具有优异的强度、刚性、阻燃、耐腐蚀、尺寸稳定、低比重等性能，因此被广泛应用于汽车、轨道交通、建材卫浴等领域，尤其是在轻量化汽车领域应用广泛。
在碳纤维复合材料成型工艺中，基于成本和生产能力分析，不同成型工艺对比如下图所示。
片状模塑料工艺概述
SMC工艺最早增强材料为玻璃纤维，上世纪60年代玻璃纤维SMC工艺逐渐成熟，到了上世纪90年代，随着碳纤维应用领域拓展，逐渐取代玻璃纤维，在SMC工艺中获得广泛应用。
玻璃纤维SMC工艺存在一定缺点，包括：
玻璃纤维性能较低；
SMC材料中纤维含量低：体积含量18％+ / 质量含量25％+；
低模具覆盖率/高流动；
通常为聚酯树脂；
比重高。
相比之下，CF-SMC工艺的性能优势体现在：
以高强度的碳纤维作为增强材料；
基体通常是乙烯基酯或环氧树脂，但也包括双马来酰亚胺和酚醛树脂；
准各向同性；
非常适合紧固件密集型和刚度占主导地位的零件；
高纤维含量：体积含量40％+ / 质量含量50％+；
比重低。
采用CF-SMC工艺可以很容易加工制备肋骨和角撑板等结构，下图显示了CF-SMC工艺结构件与传统金属结构件对比，从结构重量上看出CF-SMC结构件重量仅为3.6kg，较金属钢结构9.5 kg大幅下降。
不同成型工艺对比
低流动成型工艺则类似于传统的手工铺网成型，其中增强纤维方向受控，大多为定向；在结构件加工前，材料被精确切割并放入模具中（如下图所示）。
成型工艺中材料流动性会影响结构件性能，两种工艺产品的性能对比如下图所示，高流动成型结构件虽然强度上无优势，但是在模量却能高出不少。
而从样品发生断裂形貌观察发现，低流动成型样品发生断裂时，纤维基本均匀发生断裂，因此样品具有更高的强度（如下所示）。
纤维丝束规格也会CF-SMC工艺结构件的性能，如下图所示，3K规格纤维结构件性能最高，随着纤维丝束增加结构件性能也有一定下降，但是随着丝束增加，碳纤维成本会显著提升。如日本东丽公司某型号碳纤维3k产品成本为50-70美元/kg，但当产品为12k时，其成本不足30美元/kg。
不同工艺对比研究
主要结合CF-SMC工艺在汽车结构件的应用，并用实例对该工艺优势进行了展示。
面临的挑战：降低成本、零件整合。
解决方案：
与预浸料相比，SMC零件成本更低；
具有耐腐蚀性能；
高刚度；
良好的冲击强度；
尺寸稳定性；
能够成型肋骨、凸台、厚度变化。
面临的挑战：成本更低、周期更短。
解决方案：
与预浸料相比，SMC零件成本更低；
轻巧；
高刚度、高强度；
成型时间明显短于RTM工艺；
更高体积的压缩成型；
具有混合结构（如连续+不连续纤维）。
CF-SMC工艺可以用于其他工艺结构件加工，如汽车罩内部结构等。