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在汽車工業中，天然纖維增強熱塑性復合材料等生物材已經應用到汽車部件的制造中。如GolfVII車型的門內飾板就采用了天然纖維材料。但是，由于強度的限制，天然纖維復合材料僅用于內部裝飾件。
為進一步擴大天然纖維復合材料在汽車結構件中的使用，本文研究開發了玻纖與亞麻纖維混合增強PP復合材料。采用新材料優化設計了一款復合材料座椅骨架，并通過有限元仿真對復合材料座椅的機械性能、碰撞安全性等進行測試和表征。
1、天然纖維增強復合材料
在纖維增強復合材料的制造中，材料的選擇和復合工藝較為關鍵。本研究選擇了天然纖維與玻璃纖維雙向混合編織物作為增強體，通過施加壓力，浸漬樹脂，*切割成一定尺寸的半成品。然后將半成品置于成型模具中加熱，使樹脂熔融，隨后注入短纖增強PP樹脂，包覆成型。具體成型工藝流程見圖1。
2、熱性能分析
在制造過程中，為實現增強材料的均勻浸漬，工藝溫度的設定至關重要。一方面，溫度需要高于PP樹脂的熔融溫度;另一方面，受制于天然纖維的低熱穩定，溫度不能設置過高。亞麻纖維主要由纖維素和生物質(如半纖維素、木質素、果膠等)組成，通過TGA進行了熱性能的測試分析，結果如圖2。由圖可知，考慮到回收PP材料的熔點和亞麻纖維的熱分解溫度，工藝溫度選擇在180℃-190℃。
3、機械性能分析
本研究采用的增強材料為亞麻纖維和玻璃纖維的混合織物，聚合物基體為低粘度低熔點聚丙烯樹脂。其中，聚丙烯樹脂通過添加脫模劑、潤滑劑和偶聯劑等提高浸潤性。
單纖測試
復合材料的機械性能主要取決于纖維材料的特性，為提高復合材料中纖維的體積分數，纖維的細度和與樹脂的結合方式較為重要。玻璃纖維的吸濕性差，但亞麻纖維由于擁有較多的親水性基團而表現出較高的吸濕性。試驗選擇了相同細度的亞麻纖維和玻璃纖維各50個樣本，按照DINENISO5079標準進行拉伸試驗，結果如圖3。
由圖可知，亞麻纖維的拉伸模量低于玻璃纖維;普通亞麻纖維與干燥的亞麻纖維應變量相似;而玻璃纖維表現出較高的應變量，達到3%。
有機片材半成品性能測試
有機片材半成品由混合纖維織物和PP樹脂基體組成，纖維材料體積分數為52%。為評估這一生物復合材料的拉伸性能，對復合材料的經向(0°)和緯向(90°)進行拉伸測試，結果如圖4所示。結果顯示，盡管再生塑料易發生分子降解，導致機械性能下降，但是具有再生PP的有機片材顯示出較高的拉伸模量。
應變率特性分析
下圖5給出了有機片材的拉伸試驗結果。其中，圖a為玻璃纖維增強PP有機片材。玻纖增強復合材料的機械性能表現出各向同性，0°和90°方面的樣本應力-應變行為基本無差異。圖5b是亞麻天然纖維與玻纖混合增強有機片材。由圖可知，在拉伸初始階段發生彈性變形，載荷幾乎呈線性增加。與PP-GF47不同，NF增強有機片材在不同方向顯示出不同的機械性能。在90°方向測試的樣品比在0°方向測試的樣品具有更高的拉伸強度，這主要是由混合纖維的不同編織方向引起的。圖6給出了NF有機片的失效測試結果。
4、復合材料剪切特性的表征
由于有機片材的熱粘彈性材料特性，其成形行為與溫度和成形速度高度相關。因此根據圖7所示，進行了熱循環機械測試。先使用紅外加熱器將有機片加熱到工藝溫度，然后將其轉移到模具中。轉移過程中材料將損失一部分熱量。隨后關閉模具，由于材料與模具鋼間的熱傳導，材料經歷了非等溫冷卻。在此過程中，材料的冷卻速率非常重要，因為基體的重結晶高度依賴于冷卻速率。
由于熱成型過程中纖維取向的變化主要受平面內剪切行為的影響，因此，本研究的重點放在剪切行為的表征上。目前，廣泛使用的研究方法有兩種：鏡框實驗(pictureframetest)和偏拉實驗(biasextensiontest)，本研究選擇偏拉實驗。測試時，纖維方向與拉伸方向呈±45°，具體如圖8所示。
由于剪切速率對熱塑性基體的流動行為具有重要影響，其對皺紋的發生也有重要影響。因此選擇兩個恒定的剪切速率進行實驗：3°/s和6.43°/s，速度分布如圖9。區域C中的剪切角可以根據方程1計算。
由于熱塑性PP基體的剪切剛度隨剪切速率的增加而增加，為了評估僅由于剪切角變化對剪切剛度的影響，對式1進行優化。假定剪切速率是恒定的，所以剪切角γ(t)隨時間線性變化，如式2。進一步的推導如式3和式4。
在成型過程中，在140℃-190℃范圍內選擇了3個溫度進行剪切特性測試，并研究材料的溫度依賴性。可以預見的是，熱塑性聚合物的結晶化對成形行為以及成形零件的機械性能有著不可忽視的影響。測試時將樣品固定在拉伸試驗機中并加熱到190℃，然后與模具接觸冷卻，圖10顯示了樣品的溫度變化。測試結果如圖11所示。
5、復合材料座椅的設計與仿真
實驗采用NF-PP有機片材設計開發了一款座椅外殼，并采用FE懸垂模擬仿真(drapingsimulation)軟件PAm-Form2017進行有限元模擬仿真。采用Pam-Form對包含模具、復合材料鋪層等整個成形過程的參數進行建模。座椅殼體的結構設計如圖12。
設計模擬過程中，先采用矩形有機片材，通過成形模擬，將*終部件形狀的3D修整曲線正交投影到有機片材上，然后對片材進行裁剪。考慮到重力狀態變形、模擬偏差等，進行重復模擬修剪，直到*終獲得所需要的部件形狀。優化過程如圖13。
6、復合材料座椅的碰撞模擬
使用Pam-Crash軟件進行碰撞模擬，獲得的仿真數據與實驗數據比較如下：
采用歐洲座椅碰撞ECER17標準，以64km/h的速度進行動態碰撞模擬，圖15給出了碰撞模擬的有效等效塑性應變。結果顯示，座椅殼體的底部顯示出明顯的變形，這是假人向前移動的結果。而在制造過程中形成的裂口形成了應力集中，造成*終的失效。如圖16所示，座椅外殼中存在一個可能發生失效的臨界區域。
碰撞試驗的常規各向同性模擬僅不足以預測成品零件中的塑性應變和破壞行為。為了改善結果，考慮各向異性行為是一個非常有前途的選擇。結果，在許多區域中獲得了更*的預測，而在其他區域中，結果卻沒有改善。原因之一是實驗數據的處理范圍很廣，部分是基于非標準化的測試方法。
此外，有機片材的描述還沒有被完全研究，因此使得對已編譯的材料卡的驗證變得困難。在處理實驗數據以及實際確定輸入值方面仍有很大的潛力。
7、結論
本研究的目的主要是推動天然纖維復合材料在汽車結構件中的應用。為評估材料的機械性能，從成型溫度、應變速率等方面對復合材料進行了一系列表征和有限元仿真。同時，采用制備的天然纖維增強復合材料制造了汽車座椅骨架，并進行了懸垂模擬仿真和有限元模擬。結果表明，天然纖維復合材料的機械性能還不能滿足結構件的要求，而天然纖維與玻璃纖維混合增強的復合材料具有較好的機械性能，可用于汽車結構件中。
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