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。

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。