LGF復(fù)合材料在商用車中的應(yīng)用研究

陳榮，江雅珍，畢曉妹，麻俊方

LGF復(fù)合材料在商用車中的應(yīng)用研究

陳榮，江雅珍，畢曉妹，麻俊方

（中國(guó)重汽集團(tuán)工藝研究院，山東 濟(jì)南 250101）

LGF即為長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，具有密度低、比強(qiáng)度高、回收利用率高等特點(diǎn)，對(duì)汽車輕量化的發(fā)展具有重要意義。文章介紹了長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r、成型工藝、性能特點(diǎn)、現(xiàn)有問(wèn)題及解決辦法，最后針對(duì)商用車輕量化的要求，提出采用長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)PP材料代替原鋁合金走臺(tái)板方案。

長(zhǎng)玻纖；PP；走臺(tái)板；輕量化

引言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，能源短缺、環(huán)境污染等問(wèn)題隨之而生。近年來(lái)，在油耗、排放和環(huán)保法規(guī)的驅(qū)動(dòng)下，輕量化成為汽車領(lǐng)域發(fā)展的主流方向。汽車輕量化是指在汽車原有性能不降低的情況下，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)、采用新工藝或新技術(shù)、采用輕量化材料來(lái)降低汽車自重[1]。研究表明，商用車整備質(zhì)量每減少1000kg，百公里油耗可降低6%~7%，此外，汽車整備質(zhì)量降低，還可提高汽車動(dòng)力性與操控性，節(jié)省材料，降低生產(chǎn)成本。

在工程塑料改性技術(shù)的研發(fā)過(guò)程中，“以塑代鋼”已成為流行趨勢(shì)，對(duì)于重卡車型，采用“以塑代鋼”是實(shí)現(xiàn)輕量化最有效的途徑之一，其中長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（以下簡(jiǎn)稱LGF）具有密度低、比強(qiáng)度高、比模量高、尺寸穩(wěn)定性好、易回收等優(yōu)點(diǎn)，可以彌補(bǔ)短玻纖材料的不足，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)重量、成本的降低，近年來(lái)發(fā)展迅速，在汽車零部件上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

LGF在汽車復(fù)合材料工業(yè)中是指以熱塑性樹(shù)脂為基體，以長(zhǎng)度超過(guò)10mm的增強(qiáng)玻璃纖維為骨架而混合生產(chǎn)成的制品。

1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展及應(yīng)用情況

LGF在汽車、航天、體育、家電、包裝等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其中汽車行業(yè)是LGF應(yīng)用的主要領(lǐng)域，約占80%[2]。LGF最早在歐美投入使用，代替部分金屬材料，應(yīng)用在汽車前端模塊、保險(xiǎn)杠、儀表板、腳踏板、散熱風(fēng)扇、空調(diào)風(fēng)扇等零部件，如圖1。目前，在汽車行業(yè)，歐美 LGF 的消耗量仍占主要比例，LGF在歐洲品牌汽車的應(yīng)用情況如表1[3-4]。

圖1 LGF零部件

表1 LGF在歐洲品牌汽車中的應(yīng)用

表2 LGF在商用車上的應(yīng)用

LGF在我國(guó)起步較晚，目前，國(guó)內(nèi)較多廠家已對(duì)LGF進(jìn)行開(kāi)發(fā)，如上海耀華大中新材料有限公司、廣州金發(fā)科技股份有限公司、上海普利特復(fù)合材料股份有限公司、合肥杰事杰新材料股份有限公司等。LGF在商用車的應(yīng)用情況如表2。

除此之外，LGF在重卡后視鏡支架、雨刷、電池托架等其他零部件上都有應(yīng)用。

2 成型工藝

目前，LGF復(fù)合材料有以下兩種成型工藝[5-6]：

LGF-G成型工藝：先將長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)熱塑性材料制成半成品（粒料或片材），再將該半成品經(jīng)過(guò)注塑或模壓成型為制品；

LGF-D成型工藝：在生產(chǎn)線上配好玻璃纖維、塑料及添加劑后，在線擠出糊狀料連接注塑設(shè)備或模壓設(shè)備直接生產(chǎn)制品。

其中LGF-D注塑成型工藝應(yīng)用較為廣泛，其原因如下：

（1）LGF-D成型為一步法生產(chǎn)工藝，制品中的纖維長(zhǎng)度比LGF-G成型的纖維長(zhǎng)，具有成本低、強(qiáng)度高、抗沖擊性能高、注塑生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于生產(chǎn)前端框架、座椅框架和保險(xiǎn)杠內(nèi)襯等高強(qiáng)度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的功能類零件；

（2）模壓型LGF片材的沖擊強(qiáng)度較低，玻纖含量為30%左右的制品，其沖擊強(qiáng)度一般不超過(guò)30KJ/m2，且受成型工藝限制，模壓成型的LGF片材玻纖含量一般不能超過(guò)40%，其片材強(qiáng)度無(wú)法通過(guò)增加玻纖含量來(lái)進(jìn)一步提高，因此注塑工藝的采用較為廣泛[7]。

3 材料性能及優(yōu)缺點(diǎn)

LGF材料具有強(qiáng)度高、抗沖擊性能好、比模量高、耐腐蝕性優(yōu)良、耐高溫性能、絕緣性能和隔熱保溫性能良好、抗蠕變性和耐疲勞持久性好、磨損低的特點(diǎn)，在大氣環(huán)境中可長(zhǎng)期使用。LGF與其他材料相比具有以下優(yōu)點(diǎn)[8]：

3.1 與短玻纖（SGF）材料相比

表3 PP+SGF30與PP+LGF30物性對(duì)比

LGF玻纖長(zhǎng)度更長(zhǎng)，排列更有規(guī)律，具有更強(qiáng)的剛度、比強(qiáng)度、耐蠕變性、耐疲勞性和穩(wěn)定性。以PP+SGF30與PP+LGF30為例，其性能參數(shù)見(jiàn)表3，由表3可知，相同含量的玻纖增強(qiáng)聚丙烯，LGF的力學(xué)強(qiáng)度與SGF相比可提高30%左右，沖擊強(qiáng)度可提高2倍左右，可作為SGF-PP 的代替材料，在同等強(qiáng)度下降低產(chǎn)品厚度，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)輕量化。且LGF收縮率小，制品尺寸穩(wěn)定性好，不會(huì)因吸水而影響其使用性能，可代替短玻纖增強(qiáng)尼龍類產(chǎn)品，在多種環(huán)境下長(zhǎng)期使用。

3.2 與金屬材料相比的差異

（1）LGF材料密度低，多數(shù)在2g/cm3以下，而鋼的密度為7.8g/cm3，鋁的密度為2.6g/cm3；

（2）LGF材料有非常高的比強(qiáng)度，較好的鋼性、沖擊性能、變形小等優(yōu)點(diǎn)，合理選擇樹(shù)脂及玻纖含量可使其比強(qiáng)度比鋼高2倍左右?？勺鳛殇摪寤蜾X板的代替材料用于車身覆蓋件或結(jié)構(gòu)件；

（3）綜合成本低。在原材料成本、材料回收率及加工設(shè)備等方面，LGF制件的成本與金屬制件相比，均具有一定的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

3.3 與SMC材料相比差異[9]

（1）操作工藝環(huán)境良好，是一種綠色環(huán)保材料；

（2）可回收利用，原材料回收率較高，減少浪費(fèi)，降低成本；

（3）強(qiáng)度及抗沖擊性能較SMC材料高；

（4）材料成型性好，處理工序少，生產(chǎn)效率高。

3.4 材料的缺點(diǎn)及改進(jìn)方向

3.4.1制品表面玻纖外露

LGF由于其玻纖含量較高、纖維較長(zhǎng)，制品表面易出現(xiàn)浮纖現(xiàn)象，較難達(dá)到車身外部裝飾件要求，因此一般用于骨架件、結(jié)構(gòu)件或外觀要求比較低的零部件。

3.4.2涂覆較困難

聚丙烯材料的綜合性能良好，目前大部分熱塑性復(fù)合材料均選擇聚丙烯樹(shù)脂為基體，但聚丙烯材料的非極性較高，表面能低，與油漆或涂料之間的層間附著力較小，涂覆較困難，容易脫落。

針對(duì)上述兩點(diǎn)缺陷，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：

（1）選擇熔融指數(shù)較大的樹(shù)脂，或者改進(jìn)樹(shù)脂配方，降低粘度，增加樹(shù)脂對(duì)玻璃纖維的浸潤(rùn)性，減少玻纖外露現(xiàn)象，滿足外觀要求；

（2）采用腐蝕花紋的處理方式，掩飾表面問(wèn)題，提高外觀性能，如采用磨砂紋、皮紋、顆粒紋等[10]；

（3）采用膠黏劑使貼膜與外飾件貼合的方法，改善外觀質(zhì)量，在美化外觀的同時(shí)降低表面處理成本。

4 應(yīng)用

綜上所述，LGF材料性能優(yōu)異，因而我們計(jì)劃將其應(yīng)用在商用車走臺(tái)板上。走臺(tái)板是用于維修人員對(duì)車輛進(jìn)行維修而提供支撐作用的平板，一般采用鋼板或鋁合金沖壓成型。鋼板質(zhì)量較重，且容易生銹，目前走臺(tái)板材料為鋁合金，但鋁板價(jià)格昂貴，根據(jù)產(chǎn)品要求及材料性能，我們推薦使用的材料有PA6+LFG40、PP+LGF40或PP+LGF50，其性能參數(shù)分別如表4：

表4 三種LGF物理性能參數(shù)

綜合考慮各材料性能、成本等因素，最終選擇PP+LGF40材料代替鋁合金應(yīng)用在商用車走臺(tái)板上。通過(guò)粗略分析，LGF材料達(dá)到金屬件的相同強(qiáng)度，相對(duì)于鋁合金走臺(tái)板在降成本的同時(shí)可以降重約10%，相對(duì)于鋼板，可降重約40%，成本持平。目前產(chǎn)品正在試制中。

5 結(jié)語(yǔ)

LGF由于綜合性能優(yōu)異，成型周期短、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，近十年來(lái)發(fā)展迅速，在某些方面可以取代重量較大的鋼鐵材料或價(jià)格較貴的鋁合金材料。目前在我國(guó)整車配件上，復(fù)合材料的應(yīng)用比例僅為8%~12%，遠(yuǎn)低于國(guó)外20~30%的比例。隨著新工藝、新技術(shù)的不斷推廣，在汽車輕量化的推動(dòng)下，LGF在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用將有巨大的前景。

[1] 鄭寧來(lái).長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用[J].纖維復(fù)合材料,2004,21(4),59.

[2] 蔣頂軍,李茂彥,吳汾.長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)熱塑性塑料的市場(chǎng)應(yīng)用前景[J].玻璃纖維,2012,(5),40-44.

[3] 李彬,謝靜雅,付丹.長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)PP材料在汽車上的應(yīng)用[J].時(shí)代汽車,2017,(12),78-79.

[4] 方鯤,張國(guó)榮,吳絲竹,張立群等.長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在汽車零配件上的應(yīng)用進(jìn)展[J].中國(guó)塑料,2009,23(3),13-19.

[5] 戚亞光.車用纖維增強(qiáng)熱塑性塑料技術(shù)進(jìn)展[J].2011,23(2).60-63.

[6] 王澤慶,朱熠,騰騰.熱塑性復(fù)合材料在商用車上的開(kāi)發(fā)應(yīng)用[J].汽車工藝與材料,2017,(5),12-17.

[7] 朱熠,騰騰,王澤慶.模壓型熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用研究[J].汽車工藝與材料,2015,(12),40-43,47.

[8] 賀光玉,向宇.先進(jìn)復(fù)合材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用[J].汽車零部件,2013,(5),86-92.

[9] 張彥慶.長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的制備與研究[D].上海:華東理工大學(xué),2013.

[10] 尚洋,王曉婧.熱塑性復(fù)合材料在汽車外飾件上的具體應(yīng)用分析[J].時(shí)代汽車,2017,(9),95-96.

Application Research of LGF Composite Materials in Commercial Vehicles

Chen Rong, Jiang Yazhen, Bi Xiaomei, Ma Junfang

( Sinotruk Technology Research Institute, Shandong Jinan 250101 )

Long glass fiber reinforced thermoplastic composite（LGF）have the characteristics of low density, high specific strength and high recycling rate, which are of great significance to the development of lightweight vehicles. This paper introduces the development status, molding process, performance characteristics, existing problems and solutions of long glass fiber reinforced thermoplastic composites at home and abroad. Finally, in light of the requirements of commercial vehicle lightweighting, it is proposed to use long glass fiber reinforced PP materials to replace the existing platform which made of aluminum alloy.

Long glass fiber; PP; Platform; Lightweight

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.042

U465

A

1671-7988(2021)03-138-03

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陳榮，就職于中國(guó)重汽集團(tuán)工藝研究院。