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摘要：本文介紹了幾種特種環(huán)氧乙烯基酯樹脂在不同類型車輛部件制造上的應(yīng)用情況，并闡述了高性能樹脂基復(fù)合材料在車輛上應(yīng)用的情況和發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：環(huán)氧乙烯基酯樹脂 樹脂基復(fù)合材料 車輛部件 應(yīng)用
1、 前言
隨著國民經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的發(fā)展，城市人口和城市數(shù)量急劇增長，城市交通越來越受到人們關(guān)注，汽車，軌道交通成為人們?nèi)粘Ｉ睢⒐ぷ鳌⒙糜蔚闹饕煌üぞ摺，F(xiàn)代車輛車身除滿足強(qiáng)度和使用壽命的要求外，還應(yīng)滿足性能、外觀、安全、價(jià)格、環(huán)保、節(jié)能等方面的需要。在上世紀(jì)八十年代，車輛的整車質(zhì)量中，鋼鐵占80％，鋁占3％，樹脂為4％。自1978年爆發(fā)石油危機(jī)以來，作為輕量化材料的高強(qiáng)度鋼板，表面處理鋼板用量逐年上升，有色金屬材料總體有所增加，其中，鋁的增加明顯，非金屬材料也逐步增長，近年來開發(fā)的高性能工程塑料、復(fù)合材料，不僅替代了普通塑料，而且品種繁多，在車上的應(yīng)用范圍越來越廣泛。
車輛工業(yè)成為一個(gè)的支柱產(chǎn)業(yè)，一直把輕質(zhì)高強(qiáng)、加工方便的復(fù)合材料視為車輛表面覆蓋件和內(nèi)部結(jié)構(gòu)理想材料，以推動(dòng)車輛的輕量化、低油耗、高安全性，并減少環(huán)境污染和降低車輛的制造與使用綜合成本。國外很多知名車輛制造廠商都投入大量人力、物力開展復(fù)合材料技術(shù)在車輛上的應(yīng)用研究，復(fù)合材料在車輛上的應(yīng)用包括外裝飾以及承力結(jié)構(gòu)部件。作為高分子復(fù)合材料的基體樹脂有通用不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹酯、環(huán)氧乙烯基酯樹脂等，其中高性能環(huán)氧乙烯基酯樹脂以其優(yōu)良的物理性能和良好的工藝適應(yīng)性，合理的性價(jià)比成為高性能復(fù)合材料基體材料的重要選材，尤其在GFRP（玻璃纖維增強(qiáng)塑料）和CFRP（碳纖維增強(qiáng)塑料）這兩類復(fù)合材料中。本文著重介紹各類型高性能環(huán)氧乙烯基酯樹脂在車輛部件上方面的應(yīng)用情況。
2、 環(huán)氧乙烯基酯樹脂
乙烯基酯樹脂是采用環(huán)氧樹脂與不飽和酸反應(yīng)制成的，使其具有類似于環(huán)氧樹脂的力學(xué)特性的同時(shí)，更具有不飽和樹脂的工藝特性。其分子鏈的末端具有高交聯(lián)度、高反應(yīng)活性的雙鍵，化學(xué)性能穩(wěn)定，其中穩(wěn)定苯醚鍵使乙烯基酯樹脂具有良好的耐腐蝕特性。另外，酯基只位于分子鏈端部，固化反應(yīng)時(shí)交聯(lián)也是只在端部進(jìn)行，整個(gè)分子鏈都不參加反應(yīng)，因此，分子鏈可以拉伸，并表現(xiàn)出較好的韌性，延伸率可達(dá)到4％～8％。同時(shí)，乙烯基酯分子中的羥基，增加了樹脂對(duì)玻璃纖維的浸潤性。較低的粘度使樹脂適合于大多數(shù)的玻璃鋼工藝成型。
3 車輛部件制造使用高性能乙烯基樹脂的種類：
3.1通用標(biāo)準(zhǔn)型雙酚A環(huán)氧乙烯基酯樹脂
標(biāo)準(zhǔn)雙酚A環(huán)氧乙烯基酯樹脂是采用甲基丙烯酸與雙酚A環(huán)氧樹脂等通過催化劑反應(yīng)合成，已溶于苯乙烯溶液，該樹脂在具有以下的特點(diǎn)：
1》 高強(qiáng)度；
2》 較好的韌性和延伸率、耐疲勞性好；
3》 耐熱性好；
4》 樹脂的分子結(jié)構(gòu)表明：與普通乙烯基酯樹脂（如富馬酸改性型乙烯基酯樹脂）相比，該樹脂具有改善玻纖浸潤性和提高粘接力，也可承受更高的外力沖擊的化學(xué)基團(tuán)，具有優(yōu)良的工藝性；
由于環(huán)氧乙烯基酯樹脂以其具有的足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度、耐熱循環(huán)、耐腐蝕的獨(dú)特性能，更好地滿足了高品質(zhì)FRP產(chǎn)品的要求。但這類樹脂的固化收縮率還是相對(duì)比較大的，不能滿足一些產(chǎn)品尺寸精度較高的產(chǎn)品，這一點(diǎn)在汽車工業(yè)中尤其重要。但一直以來困擾FRP工程師的如何控制樹脂固化收縮的技術(shù)問題，并沒有得到實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，更多的FRP工程師在進(jìn)行FRP制品和模具設(shè)計(jì)、制造時(shí)通過經(jīng)驗(yàn)來制定收縮余量，控制收縮；或通過添加填料、低收縮添加劑來控制收縮，保證制品的尺寸精度，但實(shí)際效果并不明顯，或影響其他性能等。而國內(nèi)上海富晨化工創(chuàng)的超低收縮型乙烯基酯樹脂的成功開發(fā)和應(yīng)用給FRP工程師帶來更好的選擇，則很好地解決了上述技術(shù)難題，使廠家很輕易地制作出高品質(zhì)的FRP制品和模具，給FRP工業(yè)帶來深遠(yuǎn)的影響， 該產(chǎn)品的推出在國內(nèi)外FRP業(yè)界引起了很大的反響。在汽車、火車、模型、模具等行業(yè)的FRP產(chǎn)品開發(fā)中得到廣泛的應(yīng)用，下面就其中一些典型的應(yīng)用作一簡(jiǎn)單的介紹。
3.1.1 FRP汽車部件的制作
主要采用手糊、噴射、RTM、真空滲透樹脂等成型工藝制作尺寸精度要求比較高的結(jié)構(gòu)和次結(jié)構(gòu)部件，車門、儀表盤、車身殼體、硬殼車頂、引擎蓋等；環(huán)氧乙烯基酯樹脂用于RTM、真空滲透樹脂工藝制作FRP汽車部件越來越多。
美國福特四輪驅(qū)動(dòng) Aerostar橫梁是采用用FRP部件設(shè)計(jì)制造的。多功能車的前橫梁/橫向彈簧，這一體化構(gòu)件雖小但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且可承受高載荷，只需用螺栓將其固定在車上。由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、耐久性和懸掛等性能要求，所以采用的材料主要是玻璃纖維增強(qiáng)材料和乙烯基酯樹脂，制造工藝為RTM。在六個(gè)裝附件處和緩沖塊安裝處，由鋼嵌入件增強(qiáng)以承受很高的壓縮載荷。結(jié)構(gòu)本身由聚氨酯泡沫芯材和變厚度的復(fù)合材料蒙皮組成。其他裝附件處如低位懸臂梁處則采用玻璃纖維織物增強(qiáng)。除了轉(zhuǎn)向架，減震器、低位控制臂和緩沖塊外，橫梁還在兩個(gè)裝附件處支撐橫向片簧，此設(shè)計(jì)是基于路面坑洼沖擊（3g）、急轉(zhuǎn)彎（1g）、大前輪加速和制動(dòng)1g的組合作用。剛度和耐久性要求的依據(jù)是原有鋼結(jié)構(gòu)件。該構(gòu)件重27 kg，而同樣的鋼構(gòu)件重33kg。
3.1.2高品質(zhì)模具制作
近年來，F(xiàn)RP制品的外在材質(zhì)性能競(jìng)爭(zhēng)激烈，生產(chǎn)效率和質(zhì)量管理要求也特別嚴(yán)格，對(duì)模具的高性能化和高功能化要求不斷增加，同時(shí)對(duì)于型芯和模腔配套的模具逐漸向低壓（2-8kg/cm2），同時(shí)加熱（40-80℃）的形態(tài)擴(kuò)展，但對(duì)于一副高品質(zhì)的FRP模具而言，必須具有以下要求：
a) 足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度；
b) 足夠的尺寸穩(wěn)定性；
c) 足夠的耐熱性和耐熱循環(huán)性；
d) 優(yōu)良的耐化學(xué)藥品、耐磨耗和平整度，具有光澤。
故對(duì)模具制作所用材質(zhì)提出更高的要求，樹脂材質(zhì)是構(gòu)成模具的主體材料之一，是模具材料綜合性能提高的重要基礎(chǔ)，對(duì)模具適用樹脂而言應(yīng)具有以下特點(diǎn)：
a) 低收縮特性，甚至達(dá)到零收縮。
b) 良好的工藝性。
c) 固化后能提供足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度。
d) 良好的耐熱性。
e) 優(yōu)良的耐腐蝕性
而對(duì)于市面上的現(xiàn)有材料，鄰苯和間苯樹脂均不能很好滿足上述綜合性能。其缺點(diǎn)如下：
1、 因其耐熱性較差，其聚酯玻璃鋼在干態(tài)的耐熱性小于80℃，當(dāng)利用模具在循環(huán)加熱進(jìn)行制品的后固化處理時(shí)，由于耐熱不夠，造成模具變形，表面玻璃纖維外露，影響制品表面質(zhì)量；
2、 收縮大，由于樹脂的固化收縮會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，制品因此會(huì)產(chǎn)生微裂紋，形成表面缺陷，并影響制品的強(qiáng)度和剛度，尤其在溫度交變情況或升溫條件下，內(nèi)應(yīng)力得到釋放就會(huì)影響模具強(qiáng)度；其次，由于收縮而影響模具的尺寸精度；另外，樹脂的收縮會(huì)在模具表面形成玻璃鋼纖維的痕跡，影響表面品質(zhì)；
3、 耐腐蝕性差。由于模具表面需上脫模液和脫模蠟，這些物質(zhì)基本都是有機(jī)物并含有溶劑一類的物質(zhì)，并且，制品在模具中成型的過程中樹脂中產(chǎn)生苯乙烯，這些物質(zhì)對(duì)模具都有腐蝕作用。
現(xiàn)在乙烯基酯聚酯樹脂已形成模具材料的主流，替代了傳統(tǒng)上的間苯樹脂一統(tǒng)天下的局面。上海富晨化工有限公司推出的超低收縮環(huán)氧乙烯基酯聚酯樹脂在模具上的應(yīng)用更好地滿足了模具要求的足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度、足夠的尺寸穩(wěn)定性、耐熱循環(huán)和低的模具折舊費(fèi)。
3.1.2.1手糊成型制作的FRP模具
目前，國內(nèi)幾家主要的汽車FRP部件生產(chǎn)商將我們的模具乙烯基酯樹脂應(yīng)用到FRP汽車部件的模具制作和制品上，有手糊模具、RTM模具、真空吸塑模具、聚氨酯發(fā)泡模具，他們的產(chǎn)品主要應(yīng)用于亞奔、大眾、依維柯、大宇、剴斯鮑爾等車型上及火車部件。
3.1.2.2澆注成型制作的聚合物模具
聚合物模具通常是用加入填料的環(huán)氧、聚酯、乙烯基酯、聚氨酯等熱固性樹脂，采用澆注方法制成的模具。使用于制作成型溫度、注射壓力、合模速度、制品形狀等要求程度中等偏下的產(chǎn)品模具。聚合物模具壁厚一般為15mm左右，大型模具需要有支撐系統(tǒng)。乙烯基酯模具的模塑次數(shù)已超過18000次，與環(huán)氧模具相比，它的使用壽命、耐化學(xué)腐蝕、耐溫性能更好，價(jià)格便宜，可用來替代高成本的金屬模具。
聚合物模具具有簡(jiǎn)易、快速經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，在汽車的金屬制品的沖壓模具得到日益廣泛的應(yīng)用，以適應(yīng)現(xiàn)在車輛行業(yè)多品種、少批量生產(chǎn)的時(shí)代。現(xiàn)在，這種生產(chǎn)方式占工業(yè)生產(chǎn)的比例將達(dá)75%以上。一方面是制品使用周期短，品種更新快，另一方面制品的花樣變化頻繁，均要求模具的生產(chǎn)周期越快越好。因此，開發(fā)快速經(jīng)濟(jì)模具越來越引起人們的重視。
樹脂沖壓模具在國產(chǎn)轎車的試制中得到成功應(yīng)用。一汽模具制造中心設(shè)計(jì)制造了12套樹脂模具分別是行李箱、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、前后左右翼子板等大型復(fù)雜內(nèi)外覆蓋件的拉伸模具。其主要特點(diǎn)是模具型面以CAD/CAM加工的主模型為基準(zhǔn)，采用高強(qiáng)度樹脂、低收縮環(huán)氧乙烯基酯樹脂澆注成形，凸凹模間隙采用進(jìn)口專用蠟片準(zhǔn)確控制，模具尺寸精度高，制造周期可縮短1/2-2/3，12套模具制造費(fèi)用可節(jié)省1000萬元左右。樹脂沖開模具技術(shù)為我國轎車試制和小批量生產(chǎn)開辟了一條途徑，屬國內(nèi)創(chuàng)。
另外，隨著SMC復(fù)合材料制品在車輛上的應(yīng)用日益廣泛。復(fù)合材料制品越來越呈現(xiàn)集成化、大型化的趨勢(shì)，若采用傳統(tǒng)的SMC模壓工藝，其鋼模的開發(fā)費(fèi)用就會(huì)很高。現(xiàn)在開發(fā)的低壓SMC工藝，由于成型溫度（120℃左右）、壓力的降低使采用非金屬的聚合物模具成為可能。該工藝的成功開發(fā)為復(fù)合材料替代金屬材料在車輛上的批量使用降低了制造成本。
3.2 SMC／BMC用可增稠環(huán)氧乙烯基酯樹脂
乙烯基酯樹脂可以設(shè)計(jì)得符合片狀模塑料工藝要求，即增稠型乙烯基酯樹脂（如FUCHEM 893）。這是一種可使固化過程分段進(jìn)行的樹脂，用于預(yù)浸漬料或片狀模塑料中，使固化反應(yīng)先進(jìn)行到B階段，然后再進(jìn)行熱壓成型。為使樹脂能用于SMC工藝，必須有化學(xué)增稠性能，又能保留分子中的不飽和性，使之在成型時(shí)可進(jìn)行交聯(lián)固化。為此在乙烯基酯分子上引入了酸性官能團(tuán)，供稠化反應(yīng)用。這種樹脂比聚酯樹脂對(duì)玻璃纖維的滲透性好，有更好的流動(dòng)性，使熱壓時(shí)壓力可以減低，在B階段又有很快的反應(yīng)速度。這種環(huán)氧乙烯基酯樹脂片狀模塑料可用于模壓FRP結(jié)構(gòu)件，特別是汽車上的結(jié)構(gòu)件，以減輕重量。加入熱塑性材料的低收縮添加劑可以改善表面性能及低收縮性。
乙烯基酯樹脂SMC／BMC主要在汽車中獲得應(yīng)用，尤其用于制造高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件，在這種零件中物理機(jī)械性能如強(qiáng)度、韌性更為重要，而外觀要求相對(duì)來說不高。另外它也應(yīng)用于要求耐腐蝕或耐的熱場(chǎng)所。表列舉了汽車級(jí)SMC和乙烯基酯樹脂高強(qiáng)度SMC（HSMC）的強(qiáng)度性能比較。
表（3-1）汽車級(jí)SMC和乙烯基酯樹脂高強(qiáng)度SMC（HSMC）的強(qiáng)度性能比較。
組成／％ SMC HSMC HSMC（VER）
玻璃纖維
樹脂
填料 403030 502525 65350
拉伸強(qiáng)度/MPa
彎曲強(qiáng)度/MPa 131296 179345 221428
以往車輛部件用SMC／BMC樹脂絕大多選用玻璃纖維作為增強(qiáng)材料, 隨著人們對(duì)車輛的輕量化、低油耗、高安全性，并減少環(huán)境污染的要求的提高，高強(qiáng)度纖維復(fù)合材料，特別是碳纖維復(fù)合材料（CFRP），因其質(zhì)量小，而且具有高強(qiáng)度、高剛性，有良好的耐蠕變與耐腐蝕性，因而是很有前途的汽車用輕量化材料。碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用，美國開展的好。
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有重量輕、高力學(xué)性能的優(yōu)點(diǎn)，特別是彎曲模量（剛度）出色。為了大程度降低重量，碳纖維增強(qiáng)材料傳統(tǒng)上使用不含填料的環(huán)氧樹脂來制成。由于使用手糊成型或樹脂傳遞模塑成型工藝，該材料通常用來制造小批量的航空部件、賽車等特殊產(chǎn)品。并且環(huán)氧樹脂的高成本，碳纖維價(jià)格的昂貴和勞動(dòng)密集的成型工藝限制了碳纖維復(fù)合材料在規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用中的使用。為此國內(nèi)外業(yè)界致力于規(guī)模化、低成本碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研發(fā)，事實(shí)上過去20年中創(chuàng)造了2個(gè)6年間產(chǎn)量翻番的紀(jì)錄，碳纖維的價(jià)格已得到下降，應(yīng)用也得到促進(jìn)。如果進(jìn)一步抓住機(jī)遇加快發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料不久實(shí)現(xiàn)大規(guī)模汽車應(yīng)用，就有非常客觀的可能性。汽車部件應(yīng)用CF～SMC可使重量明顯降低，隨之連接件、承載構(gòu)件、緊固件附件的重量也可減輕。事實(shí)上汽車部件通常要承受多種載荷，如果我們發(fā)揮材料50%的拉伸和50%的彎曲強(qiáng)度作用，那就意味著CF-SMC部件的壁厚可以比傳統(tǒng)的SMC減少40%、因此基于剛性，如用CF－SMC替代標(biāo)準(zhǔn)SMC應(yīng)該可以降低重量55%左右。
近，歐洲熱固性樹脂的復(fù)合材料樹脂公司推出了用于非A級(jí)表面的半結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)汽車部件的乙烯基酯碳纖維SMC(CF-SMC)。該乙烯基酯碳纖維新品的原材料和成型設(shè)備是由德國Ludwigshafen公司提供。所產(chǎn)CF-SMC可提供極好的可模塑性，很輕的重量和高的機(jī)械性能。組份為Atlac XP810乙烯基酯樹脂和分散型大絲束(48K)碳纖維增強(qiáng)材。CF-SMC顯示出良好的流動(dòng)性和均勻的纖維分布性，閉模速度和固化時(shí)間可參照標(biāo)準(zhǔn)的SMC，用50Wt％纖維含量CF-SMC模壓其比重為1.5％。模壓件的力學(xué)性能（見表3-2）和比重明顯優(yōu)于同等的玻璃纖維增強(qiáng)的SMC。
表（3-2） CF－SMC（纖維含量 50％）力學(xué)性能項(xiàng)目 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn) 數(shù)值 備注
拉伸強(qiáng)度MPa ISO 527 175
拉伸模量GPa ISO 527 27
斷裂延伸率％ ISO 527 1
彎曲強(qiáng)度 MPa ISO 178 315
彎曲模量GPa ISO 178 23
斷裂延伸率％ ISO 178 1.6
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