模壓型熱塑復(fù)合材料，在汽車輕量化發(fā)展中的應(yīng)用前景

前言

熱塑性復(fù)合材料（Fiber Reinforced Thermoplastics，簡稱FRTP）是一種新興的輕質(zhì)高強材料，其基體為熱塑性樹脂，通過纖維作為增強材料制成的復(fù)合材料。

通常采用綜合性能良好、性價比較高的聚丙烯樹脂作為熱塑性基體，多數(shù)情況下采用玻璃纖維進行增強（GFRTP）。

也可選擇尼龍、聚甲醛、聚酷、聚孤等熱塑性樹脂與碳纖維、植物纖維等特殊纖維進行復(fù)合，不過這種應(yīng)用在汽車領(lǐng)域較為罕見。

熱塑性復(fù)合材料根據(jù)制品成型工藝分為注塑型、模壓型和特種工藝型。特種工藝型包括拉擠和纏繞等。

注塑型熱塑性復(fù)合材料以長纖維增強顆粒（LFT）為主，這種顆粒的纖維長度在8-20毫米之間，可以通過注塑機直接成型，使纖維均勻地分布在樹脂中，從而制成各向同性的制品。

而模壓型熱塑性復(fù)合材料種類更為豐富，包括LFT、GMT、CMT等，大多采用長纖維增強，使纖維按照鋪層方向進行分布，可以形成均質(zhì)或非均質(zhì)材料。

與注塑型相比，模壓型熱塑性復(fù)合材料具有更高的拉伸強度、沖擊強度、彎曲強度和模量，同時在制品成型工藝中具備更強的設(shè)計靈活性。

這種工藝可以通過使用不同種類、不同玻璃纖維含量以及不同結(jié)構(gòu)的材料對同一零部件進行模壓，從而實現(xiàn)在一個零部件上的不同區(qū)域具備不同功能。

相較于熱固性復(fù)合材料的模壓成型（如SMC、DMC等），模壓型熱塑性復(fù)合材料具有密度較低、韌性優(yōu)越、耐沖擊性良好、耐水和溶劑性能強、成本低、可回收利用等特點。而且其原材料易于儲存，生產(chǎn)效率高且能耗低。

由于在輕量化和環(huán)保方面具有顯著優(yōu)勢，模壓型熱塑性復(fù)合材料近年來得到快速發(fā)展，并在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。

LFT 片材

LFT（長纖維增強熱塑性塑料）是一種廣義上指代所有以長玻璃纖維增強的熱塑性塑料，狹義上則指擠出的熱塑性復(fù)合材料顆?；虮∑?

這些顆?？梢酝ㄟ^注塑成型制成產(chǎn)品，而薄片則可以通過模壓成型制成產(chǎn)品。模壓型LFT片材因其生產(chǎn)設(shè)備簡單且投資較少，可以使用單螺桿或雙螺桿擠出機進行制造。

相對于其他模壓型熱塑性復(fù)合片材，它具有一定的價格優(yōu)勢。然而模壓型LFT片材的沖擊強度相對較低。一般來說，玻璃纖維含量約為30%，沖擊強度不超過30 kJ/m2。

這一沖擊強度低于GMT和CMT片材的強度。由于受到成型工藝的限制，模壓型LFT片材的玻璃纖維含量通常不能超過40%。所以無法通過增加玻璃纖維含量來提高片材的強度。

在需要更高沖擊強度的產(chǎn)品中，可以使用特種增強型LFT（LFTex）片材與普通LFT片材進行復(fù)合模壓成型。

LFTex片材是由聚丙烯纖維與玻璃纖維編織而成的片狀復(fù)合材料，其沖擊強度比普通LFT片材高出3到5倍。

LFTex片材還能夠提高玻璃纖維含量，從而實現(xiàn)更高的強度。在產(chǎn)品模壓成型之前，可以將LFTex片材層鋪在普通LFT片材之間，以整體或局部地提升制品的強度。

GMT片材

GMT（玻璃纖維布增強熱塑性塑料）是指由連續(xù)玻璃纖維布或短切玻璃纖維與熱塑性樹脂（主要為聚丙烯樹脂）復(fù)合而成的一種片狀針刺非編織塑料。

這種材料具有高剛性和出色的耐沖擊性能，其比強度和比模量均較高。通過使用連續(xù)纖維增強來制造特種纖維布，可以生產(chǎn)出特種高強度的GMT片材（GMTex），這些片材可以與普通GMT片材一起模壓成型，以獲得更高的制品強度。

GMTex片材可以是單向或雙向增強的，具體可以根據(jù)制品的使用條件進行選擇。

通過優(yōu)化設(shè)計制品結(jié)構(gòu)，GMT材料可以部分替代金屬材料，實現(xiàn)明顯的減重效果。這不僅可以節(jié)省模具費用，降低能源消耗，還有助于形成模塊化設(shè)計，從而降低生產(chǎn)成本。

在汽車內(nèi)飾件方面（如車門板、頂棚板、側(cè)后圍板、行李箱板、窗臺板等），可以選擇輕質(zhì)GMT板材。

輕質(zhì)GMT板材是一種新型熱塑性復(fù)合材料，其密度僅為0.15 ~ 0.85 g/cm3，具有高比強度、優(yōu)異的吸聲降噪性能、低導(dǎo)熱系數(shù)和尺寸穩(wěn)定性。

它非常適合作為汽車內(nèi)飾板材。近年輕質(zhì)GMT板材的發(fā)展迅速，有望取代傳統(tǒng)的“三明治”結(jié)構(gòu)板材（聚氨酯泡沫復(fù)合玻璃纖維板材）和麻纖維板材的應(yīng)用趨勢。

CMT片材

CMT（短切玻璃纖維增強熱塑性塑料）是通過將短切纖維（主要為玻璃纖維）與樹脂（如聚丙烯樹脂、尼龍樹脂等）膠膜連續(xù)層疊，經(jīng)過熱壓制而形成的一種熱塑性復(fù)合材料片材。

其制造過程主要包括切斷玻璃纖維成短段，然后與聚丙烯膠膜層疊，進行熱壓，隨后進行裁切，最終形成片材。CMT片材中的纖維長度較LFT片材長，通常為25~100毫米。

LFT片材通過螺桿擠出成型，其中的纖維長度一般不超過15毫米。因此CMT片材具有較高的沖擊強度，更高于LFT片材。

CMT片材在成型過程中，纖維不受外力（例如GMT成型中的針刺工藝）的影響，不會發(fā)生折斷或損壞，從而保持了纖維的長度。CMT片材的強度和剛度也高于GMT片材。

而在成型過程中，CMT材料中的纖維被樹脂充分浸潤，從而保證了CMT片材具有優(yōu)異的綜合性能。CMT片材是一種新興、快速發(fā)展的材料類型，盡管多數(shù)品種還處于研發(fā)和試用階段，尚未廣泛應(yīng)用。

由于CMT片材在強度方面具有LFT片材和GMT片材所無法比擬的優(yōu)勢，因此它很快將成為汽車行業(yè)關(guān)注的新材料之一。

如今CMT片材主要應(yīng)用于模壓成型制品。這些制品具有出色的性能和高強度，可以直接用作汽車結(jié)構(gòu)部件，為汽車輕量化提供新的途徑。

CMT材料還可用作模壓制品的骨架，取代GMTex和LFTex，起到增強作用。一種特殊工藝將CMT材料制成骨架并置于注塑模具中，通過注塑制成汽車零件，大大提高了零件的強度。

CMT材料在構(gòu)件骨架、功能部件和內(nèi)飾板材方面有廣泛應(yīng)用。在汽車結(jié)構(gòu)件和功能部件（如保險杠、前端框架、電池支架、踏板、座椅骨架、導(dǎo)流板等）方面，可以替代金屬材料和熱固性復(fù)合材料，實現(xiàn)減重和降低成本。

CMT材料在客車領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用潛力，可以作為客車骨架材料，降低重量超過30%，有利于回收再利用，更加環(huán)保。

輕質(zhì)和蜂窩狀的CMT復(fù)合板材也可用于客車內(nèi)板，相較傳統(tǒng)的鋁蜂窩板更輕，成本降低超過20%。

在轎車領(lǐng)域，輕質(zhì)GMT材料的應(yīng)用正不斷擴展，已成熟地用于汽車頂棚、側(cè)圍、行李箱蓋板等內(nèi)飾件，表現(xiàn)出優(yōu)秀的NVH性能、高強度、耐沖擊性、尺寸穩(wěn)定性和剛性，同時取得了良好的輕量化效果。熱塑性復(fù)合材料作為轎車的骨架材料也顯示出潛在的優(yōu)勢。

CMT作為一種快速發(fā)展的材料，其在汽車制造領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景，可以為汽車輕量化、性能提升以及環(huán)保發(fā)展提供有力支持。

產(chǎn)品表面質(zhì)量問題

由于模壓型熱塑性復(fù)合材料具有高玻纖含量和長纖維特性，因此制品表面不可避免地容易出現(xiàn)纖維浮現(xiàn)現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)品外觀無法滿足裝飾要求。

如今廣泛使用的熱塑性復(fù)合材料主要是聚丙烯樹脂與玻璃纖維的復(fù)合材料。但聚丙烯屬于難以粘接的材料，其表面的涂覆效果較差，需要經(jīng)過特殊表面活性處理并施以底漆，以提高制件的質(zhì)量。

通常情況下，熱塑性復(fù)合材料主要用于骨架和內(nèi)板等不暴露在外表面的部位然而在對制件表面要求不太嚴格的部件（如腳踏板等）方面，可以通過調(diào)整樹脂配方來減少玻纖外露現(xiàn)象，以滿足使用要求。

產(chǎn)品形狀復(fù)雜的情況

由于模壓型熱塑性復(fù)合材料受制造工藝的限制，某些特殊形狀的零件很難通過此工藝進行成型，比如那些具有多個雙向加強筋、壁殼體構(gòu)造、復(fù)雜形狀且難以脫模的零件。

在面對具有特殊形狀的產(chǎn)品時，難以通過模壓成型的方法實現(xiàn)。

因此選擇其他熱塑性復(fù)合材料（例如LFT粒料），并采用注塑成型工藝。

盡管通過注塑成型可以制造出玻纖長度低于3毫米的零件，其強度遠不及模壓型材料制成的零件，但它能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜形狀的零件，從而擴展了應(yīng)用范圍。

如果注塑LFT粒料無法滿足零件的強度要求，可以選擇強度更高的樹脂（如尼龍、聚酰胺等），以提升制品的強度。

使用溫度問題

如今開發(fā)出的模壓型熱塑性復(fù)合材料產(chǎn)品多數(shù)采用聚丙烯作為基礎(chǔ)樹脂。聚丙烯材料具備優(yōu)越的綜合性能，且在耐溶劑性方面表現(xiàn)良好。它的最高使用溫度通常不超過150攝氏度。

通過添加熱老化劑和光老化劑到配方中，可保證在130攝氏度以下長時間使用時的性能。但若使用溫度超出這一范圍，可能引發(fā)聚丙烯材料的降解老化，從而影響制件表面質(zhì)量和強度，最終導(dǎo)致功能喪失。

若在靠近熱源的地方（例如發(fā)動機、變速器內(nèi)部、排氣系統(tǒng)周圍等）應(yīng)用，應(yīng)采取充分的防護措施。

尼龍樹脂的CMT材料也已經(jīng)研發(fā)并應(yīng)用。此類材料在150攝氏度左右可以長期使用，且其強度高于聚丙烯樹脂CMT材料。但是尼龍樹脂的價格相對較高。

總結(jié)

模壓型熱塑性復(fù)合材料擁有低密度、高強度、良好的成型性以及可直接回收利用等特質(zhì)，同時還具備一定的價格優(yōu)勢，因此被視為汽車輕量化的前沿材料。

隨著汽車輕量化和環(huán)保化的不斷深入推進，這類材料的應(yīng)用前景將會愈加廣泛。