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发表于 2021-12-6 12:39:47 | 显示全部楼层 |阅读模式
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LGF复合材料在商用车中的应用研究
陈荣,江雅珍,毕晓妹,麻俊方
(中国重汽集团工艺研究院,山东 济南 250101)
摘 要:LGF即为长玻纤增强热塑性复合材料,具有密度低、比强度高、回收利用率高等特点,对汽车轻量化的发展具有重要意义。文章介绍了长玻纤增强热塑性复合材料在国内外的发展状况、成型工艺、性能特点、现有问题及解决办法,最后针对商用车轻量化的要求,提出采用长玻纤增强PP材料代替原铝合金走台板方案。
关键词:长玻纤;PP;走台板;轻量化
引言

随着汽车工业的快速发展,能源短缺、环境污染等问题随之而生。近年来,在油耗、排放和环保法规的驱动下,轻量化成为汽车领域发展的主流方向。汽车轻量化是指在汽车原有性能不降低的情况下,通过优化结构、采用新工艺或新技术、采用轻量化材料来降低汽车自重[1]。研究表明,商用车整备质量每减少1000kg,百公里油耗可降低6%~7%,此外,汽车整备质量降低,还可提高汽车动力性与操控性,节省材料,降低生产成本。

在工程塑料改性技术的研发过程中,“以塑代钢”已成为流行趋势,对于重卡车型,采用“以塑代钢”是实现轻量化最有效的途径之一,其中长玻纤增强热塑性复合材料(以下简称LGF)具有密度低、比强度高、比模量高、尺寸稳定性好、易回收等优点,可以弥补短玻纤材料的不足,进一步实现重量、成本的降低,近年来发展迅速,在汽车零部件上的应用越来越广泛。

LGF在汽车复合材料工业中是指以热塑性树脂为基体,以长度超过10mm的增强玻璃纤维为骨架而混合生产成的制品。

1 国内外发展及应用情况

LGF在汽车、航天、体育、家电、包装等领域广泛应用,其中汽车行业是LGF应用的主要领域,约占80%[2]。LGF最早在欧美投入使用,代替部分金属材料,应用在汽车前端模块、保险杠、仪表板、脚踏板、散热风扇、空调风扇等零部件,如图1。目前,在汽车行业,欧美 LGF 的消耗量仍占主要比例,LGF在欧洲品牌汽车的应用情况如表1[3-4]。

图1 LGF零部件

表1 LGF在欧洲品牌汽车中的应用

表2 LGF在商用车上的应用

LGF在我国起步较晚,目前,国内较多厂家已对LGF进行开发,如上海耀华大中新材料有限公司、广州金发科技股份有限公司、上海普利特复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在商用车的应用情况如表2。

除此之外,LGF在重卡后视镜支架、雨刷、电池托架等其他零部件上都有应用。

2 成型工艺

目前,LGF复合材料有以下两种成型工艺[5-6]:

LGF-G成型工艺:先将长玻纤增强热塑性材料制成半成品(粒料或片材),再将该半成品经过注塑或模压成型为制品;

LGF-D成型工艺:在生产线上配好玻璃纤维、塑料及添加剂后,在线挤出糊状料连接注塑设备或模压设备直接生产制品。

其中LGF-D注塑成型工艺应用较为广泛,其原因如下:

(1)LGF-D成型为一步法生产工艺,制品中的纤维长度比LGF-G成型的纤维长,具有成本低、强度高、抗冲击性能高、注塑生产效率高等优点,广泛用于生产前端框架、座椅框架和保险杠内衬等高强度、复杂结构的功能类零件;

(2)模压型LGF片材的冲击强度较低,玻纤含量为30%左右的制品,其冲击强度一般不超过30KJ/m2,且受成型工艺限制,模压成型的LGF片材玻纤含量一般不能超过40%,其片材强度无法通过增加玻纤含量来进一步提高,因此注塑工艺的采用较为广泛[7]。

3 材料性能及优缺点

LGF材料具有强度高、抗冲击性能好、比模量高、耐腐蚀性优良、耐高温性能、绝缘性能和隔热保温性能良好、抗蠕变性和耐疲劳持久性好、磨损低的特点,在大气环境中可长期使用。LGF与其他材料相比具有以下优点[8]:

3.1 与短玻纤(SGF)材料相比
表3 PP+SGF30与PP+LGF30物性对比

LGF玻纤长度更长,排列更有规律,具有更强的刚度、比强度、耐蠕变性、耐疲劳性和稳定性。以PP+SGF30与PP+LGF30为例,其性能参数见表3,由表3可知,相同含量的玻纤增强聚丙烯,LGF的力学强度与SGF相比可提高30%左右,冲击强度可提高2倍左右,可作为SGF-PP 的代替材料,在同等强度下降低产品厚度,降低生产成本,实现轻量化。且LGF收缩率小,制品尺寸稳定性好,不会因吸水而影响其使用性能,可代替短玻纤增强尼龙类产品,在多种环境下长期使用。

3.2 与金属材料相比的差异

(1)LGF材料密度低,多数在2g/cm3以下,而钢的密度为7.8g/cm3,铝的密度为2.6g/cm3;

(2)LGF材料有非常高的比强度,较好的钢性、冲击性能、变形小等优点,合理选择树脂及玻纤含量可使其比强度比钢高2倍左右。可作为钢板或铝板的代替材料用于车身覆盖件或结构件;

(3)综合成本低。在原材料成本、材料回收率及加工设备等方面,LGF制件的成本与金属制件相比,均具有一定的价格优势。

3.3 与SMC材料相比差异[9]

(1)操作工艺环境良好,是一种绿色环保材料;

(2)可回收利用,原材料回收率较高,减少浪费,降低成本;

(3)强度及抗冲击性能较SMC材料高;

(4)材料成型性好,处理工序少,生产效率高。

3.4 材料的缺点及改进方向

3.4.1制品表面玻纤外露

LGF由于其玻纤含量较高、纤维较长,制品表面易出现浮纤现象,较难达到车身外部装饰件要求,因此一般用于骨架件、结构件或外观要求比较低的零部件。

3.4.2涂覆较困难

聚丙烯材料的综合性能良好,目前大部分热塑性复合材料均选择聚丙烯树脂为基体,但聚丙烯材料的非极性较高,表面能低,与油漆或涂料之间的层间附着力较小,涂覆较困难,容易脱落。

针对上述两点缺陷,可从以下几个方面进行改进:

(1)选择熔融指数较大的树脂,或者改进树脂配方,降低粘度,增加树脂对玻璃纤维的浸润性,减少玻纤外露现象,满足外观要求;

(2)采用腐蚀花纹的处理方式,掩饰表面问题,提高外观性能,如采用磨砂纹、皮纹、颗粒纹等[10];

(3)采用胶黏剂使贴膜与外饰件贴合的方法,改善外观质量,在美化外观的同时降低表面处理成本。

4 应用

综上所述,LGF材料性能优异,因而我们计划将其应用在商用车走台板上。走台板是用于维修人员对车辆进行维修而提供支撑作用的平板,一般采用钢板或铝合金冲压成型。钢板质量较重,且容易生锈,目前走台板材料为铝合金,但铝板价格昂贵,根据产品要求及材料性能,我们推荐使用的材料有PA6+LFG40、PP+LGF40或PP+LGF50,其性能参数分别如表4:

表4 三种LGF物理性能参数

综合考虑各材料性能、成本等因素,最终选择PP+LGF40材料代替铝合金应用在商用车走台板上。通过粗略分析,LGF材料达到金属件的相同强度,相对于铝合金走台板在降成本的同时可以降重约10%,相对于钢板,可降重约40%,成本持平。目前产品正在试制中。

5 结语

LGF由于综合性能优异,成型周期短、生产效率高等优点,近十年来发展迅速,在某些方面可以取代重量较大的钢铁材料或价格较贵的铝合金材料。目前在我国整车配件上,复合材料的应用比例仅为8%~12%,远低于国外20~30%的比例。随着新工艺、新技术的不断推广,在汽车轻量化的推动下,LGF在汽车领域的应用将有巨大的前景。

参考文献

[1] 郑宁来.长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料在汽车中的应用[J].纤维复合材料,2004,21(4),59.

[2] 蒋顶军,李茂彦,吴汾.长玻纤增强热塑性塑料的市场应用前景[J].玻璃纤维,2012,(5),40-44.

[3] 李彬,谢静雅,付丹.长玻纤增强PP材料在汽车上的应用[J].时代汽车,2017,(12),78-79.

[4] 方鲲,张国荣,吴丝竹,张立群等.长纤维增强热塑性复合材料在汽车零配件上的应用进展[J].中国塑料,2009,23(3),13-19.

[5] 戚亚光.车用纤维增强热塑性塑料技术进展[J].2011,23(2).60-63.

[6] 王泽庆,朱熠,腾腾.热塑性复合材料在商用车上的开发应用[J].汽车工艺与材料,2017,(5),12-17.

[7] 朱熠,腾腾,王泽庆.模压型热塑性复合材料在汽车上的应用研究[J].汽车工艺与材料,2015,(12),40-43,47.

[8] 贺光玉,向宇.先进复合材料在汽车工业中的应用[J].汽车零部件,2013,(5),86-92.

[9] 张彦庆.长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的制备与研究[D].上海:华东理工大学,2013.

[10] 尚洋,王晓婧.热塑性复合材料在汽车外饰件上的具体应用分析[J].时代汽车,2017,(9),95-96.


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