关于复合材料碰撞吸能盒的概念分析

要在车辆和移动设备的主要结构中使用复合材料，则必须控制这类材料的碰撞性能。在现有的跑车解决方案中，每千克破碎复合材料的吸能水平一般可达到50-80 KJ。这些解决方案是基于碳/ 环氧材料的，具有复杂的预成型和制造工艺。因此，从经济角度而言，不适用于普通车辆。

汽车行业的主要要求是低成本和较高的零件生产速度。目前的设计采用金属碰撞吸能盒（crashbox） 和白车身（BIW）吸收所要求的能量，凭借局部屈曲产生的屈服性保护乘客的安全。这类设计的成本约为3 欧元/ 千克待生产的零件，并且由于冲压和焊接等工艺， 每天可能生产数千个零件。

目前，业内认为降低成本比减轻重量更为重要。欧盟委员会在2020 年后将实施的一项法规是，一旦二氧化碳排放量超出监管目标，将处以95 欧元/ 克的罚款， 但相比这一处罚标准，9.5 欧元/ 千克的轻量化成本则是可以接受的，因为车辆重量每减轻10 千克（22-lb），可使二氧化碳排放量减少约1 克/ 公里。

关于加工时间，需要达到1,000 个零件/天的生产速度，以解决大规模市场需求。

为确保车辆符合环保要求，还需要满足以下要求：

1，一个前端模块固定在碰撞吸能盒上，即使发生碰撞后，也必须与白车身保持连接在一起。
2，碰撞吸能盒必须在工厂总装环节易于安装和拆卸，并且在售后车间具有可修复性。
3，尺寸受到车辆紧凑性目标的限制。

最后，性能必须在广泛的测试参数方面保持一致，因为碰撞情形可能是各不相同的。特别是，必须检查离轴破碎方面的性能。

所提出的设计和工艺解决方案

由于材料成本较高，特别是碳纤维（CF），从设计到成本的分析表明，碰撞吸能盒仅可采用非常简单的形状。必须将材料浪费减少到最低限度；因此必须通过一个生产线工艺制造预成型体。此外， 还应该选择一步式工艺，包括触发机制。

将碰撞吸能盒连接到汽车的装配解决方案是创新的一个重要方面。由于正在申请专利的缘故，因此，在此将不详细描述所测试的解决方案，但可以指出的是，主要采用了以下原则：

1，采用简单的接口零件，在容易生产的形状上进行机械夹紧，并确保公差保持在制造分散范围内。
2，调整夹具长度，以满足离轴弯曲强度要求。
3，规则或对称形状，以避免产生可能会改变碰撞行为的局部效应。

我们已经对一些针对此设计进行调整后的工艺进行了评估，以检查可能达到的性能。由于测试参数众多，并且存在制造限制，因此，目前还没有制定完整的实验计划。

目前已生产一种锥形形状的碰撞吸能盒，长度为150 mm（5.9 in），厚度约为5 mm（0.2 in），较大端的外径为100 mm（3.9 in），角度读数为2°。锥形形状具有多种好处，包括：在发生离轴压碎的情况下，碰撞行为是渐进的、稳定的； 所提出的装配概念更高效；便于脱模， 从而进一步提高生产速度。

目前已经采用三轴编织预成型件，并且对下面的参数进行了测试：

1，碳丝束：24K（日本东丽-Toray T700S）或50K（德国西格里集团-SGL Group Sigrafil）。

2，偏置纤维取向：预成型件采用50% 的轴向纤维和50% 的偏置纤维（取向±25°、30°或45°）制造而成。

3，基体：来自迈图特种化学品公司的单组分环氧材料（树脂传递模塑[RTM] 增韧航天级） 或双组分环氧加工（ 高压RTM[HP-RTM] EPIKOTE 树脂05475/ EPIKURE 固化剂05443 和开发级）；或者单组分热塑性塑料（PA6）。

所有配置均在相同的RTM 模具中生产。环氧RTM 系统已经确立了良好的市场地位，而热塑性RTM 仍需要进一步的工艺开发。50K 碳丝束被选为低成本CF 产品选项。

RTM 航天系统是一种单组分（1K） 增韧系统，通常在180℃（356。F）下固化， 提供较低的加工粘度和较宽的加工窗口（多达10 h）。它提供设计复杂零件的能力。

新型热- 潜快速固化EPIKOTE/ EPIKURE 环氧树脂系统允许采用大批量制造方法，快速、可靠地加工结构性复合材料组分。这些系统在120℃（248。F） 下的固化周期时间约为5 分钟和2 分钟， 可通过所有常见的RTM 方法进行加工， 如多组分低压力和高压力RTM 机器。

新系统提供的好处包括非常低的粘度，在注射温度下低于50 mPa•s，以及热- 潜性能，在反应之前，允许相对长（多达90s）的注射窗口。树脂系统具有优良的润湿性和碳纤维附着力、卓越的热性能和机械性能以及含量非常低的挥发性有机化合物（VOC），从而使它们在未来成为各种应用的可行性解决方案。 [page]

EPIKOTE/EPIKURE 树脂系统及内部脱模剂HELOXY 添加剂112 一直用于在较高的生产速度下制造第一个系列的碰撞锥体。在120℃下，该系统能够在5 分钟内完全固化，并且能够达到1,000 个零件/ 天的生产速度目标，因此实现了一种在成本上可行的解决方案。

目前正在开发一种新的热潜快速固化增强型环氧树脂系统，以改进冲击性能。

来自索尔维集团（Solvay） 的PA6 Evolite 是一种聚酰胺基基体，适用于连续玻璃或CF 复合材料。它增强了浸渍能力， 这是由高分子化合物的高流动性产生的。

碰撞测试结果

在该研究框架下，已经进行了大量碰撞试验。

结果显示，随着偏角减少，轴向碰撞性能略微提高。与此相反，对于15°偏轴， 在45°偏角下可实现更好的性能。这可能与环箍刚度增强具有关联性，其在发生离轴碰撞的情况下稳定了破碎模式。在所有这些测试中，碰撞模式以破碎为主。

当使用低成本的重质纤维束时，轴向和离轴碰撞性能会下降。性能差距为25% 左右，这大约是不同纤维之间的价格差距。在所有这些测试中，碰撞模式以破碎为主。

快速固化型环氧树脂提供的性能水平与180℃航空级环氧树脂的相同。当使用经过增韧的非商业快速固化环氧树脂级别时，则获取了更高的性能。同时，该级别的环氧树脂还提供富有吸引力的破碎模式，是纤维与基体破碎之间的良好折衷。

相比所测试的环氧系统，流体TP PA 提供的性能略低。很显然，由于PA 零件呈现干纤维结构域，因此需要调整工艺条件，这可能是效果降低的原因。所观察到的破碎模式是不同的，因为热塑性材料折叠和限制了碳纤维的断裂。目前仍在评估其他类型的热塑性材料对于这种碰撞吸能盒的适用性。

对于流程优化问题，目前已经评估了纤维扭曲对复合材料碰撞性能的影响。纤维扭曲在促进纺织流程方面可能是有用的，但需要评估其对材料性能的影响。关于耐撞性，研究已经发现，扭曲并不影响测试结果。有关圆柱形编织管的测试也推断出同样的结论。

未来的可能性

法国机械工业技术中心（Cetim） 及其合作伙伴迈腾特种化学品公司（Momentive）向汽车设计师提出了一种基于锥形设计的复合材料碰撞吸能盒。他们进行了一项制造研究，其结果表明，仅采用一台编织机、一台标准双组分RTM 压力机、一件允许同时注射9 个碰撞吸能盒零件的注射工具以及一套快速固化环氧系统，每天生产1000 个零件的方案是可行的。每个零件的成本应该是10 欧元左右。

锥形碰撞吸能盒概念容易适应当前的汽车设计，有助于车辆白车身的轻量化——相比目前的钢材零件，可减轻66% 的重量。此外，所获取的特定碰撞性能也是传统钢材零件的三倍。

复合材料的研究策略专注于新工艺的开发，以确保汽车行业能够更轻松的使用热固性材料和热塑性材料。这项研究取得了快速固化型环氧材料与高性能航天环氧材料及碳纤维复合材料之间的比较结果。由RTM 首次加工的PA 提供的性能比所测试的环氧系统略低。

未来还可以展开进一步的研究，以改进两个塑料系列的研究结果（改性环氧树脂、预成型体的质量、增强的纤维部分、纤维/ 基体的粘附性、较少的孔隙度等）， 从而开启未来许多开发的可能性，以提升定制化复合材料的性能。另外，还需要与纺织品制造商开展研发合作，以找到更好的方法，确保以更低的成本生产出具有更高性能的预成型体。(end)