隨著(zhu)汽車(che)工業的快(kuai)速發(fa)展，長玻纖增(zeng)強熱塑性復(fu)合材料(liao)（LGF）的(de)應用(yong)日益廣泛。
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在汽(qi)(qi)(qi)車(che)輕(qing)量(liang)化發展趨勢下，“以塑代鋼”成(cheng)為汽(qi)(qi)(qi)車(che)輕(qing)量(liang)化的(de)主流途徑，充分利用LGF線性(xing)(xing)膨脹系(xi)數低、比(bi)強度(du)高、比(bi)模(mo)量(liang)高、穩定性(xing)(xing)好等優(you)勢特點，將其應(ying)用于汽(qi)(qi)(qi)車(che)輕(qing)量(liang)化結構之中，能夠(gou)較好地降低汽(qi)(qi)(qi)車(che)自重，提(ti)高汽(qi)(qi)(qi)車(che)的(de)動(dong)力性(xing)(xing)與可(ke)操(cao)控性(xing)(xing)，減少能耗，提(ti)高續航里程。
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1、長玻(bo)纖增強(qiang)復合材(cai)料(liao)的性能分析
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1.1阻燃(ran)PP-LGF材料
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長玻纖增強聚丙烯（PP-LGF）材(cai)料(liao)力學性能優良，尺寸穩定性好，廣泛應用于各個工(gong)業領域，并可(ke)賦予膨(peng)脹性阻燃(ran)和(he)協效阻燃(ran)性能。該類材(cai)料(liao)主(zhu)要有(you)氮(dan)磷系和(he)溴系兩種不同(tong)的阻燃(ran)類別。
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其中(zhong)，氮(dan)磷系(xi)(xi)利(li)用阻燃(ran)(ran)(ran)劑所產(chan)生的(de)多(duo)孔膨脹(zhang)炭(tan)層(ceng)覆蓋(gai)于(yu)基(ji)體樹(shu)脂(zhi)PP表面，通過(guo)該(gai)炭(tan)層(ceng)的(de)阻隔(ge)性起到隔(ge)熱隔(ge)氧的(de)作用，改善(shan)膨脹(zhang)炭(tan)層(ceng)的(de)強度和耐熱性，能(neng)夠較好地延緩基(ji)體樹(shu)脂(zhi)的(de)分(fen)解和氧化反應的(de)產(chan)生，提(ti)高阻燃(ran)(ran)(ran)復合體系(xi)(xi)的(de)阻燃(ran)(ran)(ran)性能(neng)，從而達到對(dui)基(ji)體樹(shu)脂(zhi)的(de)阻燃(ran)(ran)(ran)效(xiao)果。溴(xiu)系(xi)(xi)阻燃(ran)(ran)(ran)主(zhu)要是(shi)利(li)用溴(xiu)－銻協同效(xiao)應發揮阻燃(ran)(ran)(ran)作用，在受熱分(fen)解過(guo)程中(zhong)生成(cheng)燃(ran)(ran)(ran)燒惰(duo)性物質，使燃(ran)(ran)(ran)燒減緩或中(zhong)止。
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此外，其產生的HBr密度(du)較大(da)，能夠稀(xi)釋(shi)空氣(qi)中的氧，且難(nan)燃(ran)(ran)，能夠覆(fu)蓋材(cai)料表(biao)面起到(dao)阻(zu)隔空氣(qi)的作用，降低材(cai)料燃(ran)(ran)燒速度(du)或自熄。目前部分典(dian)型(xing)應用的阻(zu)燃(ran)(ran)PP-LGF材(cai)料性能，如表(biao)1所示。
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由表1得知，阻燃PP-LGF材料(liao)在保持較好協效阻燃效果的(de)同時，還能(neng)夠具有一定的(de)拉伸、彎曲、缺口沖擊強度(du)等力學性(xing)能(neng)。
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1.2?PA66-LGF材料
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PA66-LGF材(cai)料是(shi)一種高(gao)(gao)耐溫(wen)、高(gao)(gao)強度(du)(du)、高(gao)(gao)模量、韌性優良的增強材(cai)料。其(qi)中，PA66-LGF30中含(han)有30%的長(chang)玻璃(li)纖維填(tian)(tian)充(chong)物(wu)，PA66-LGF25含(han)有25%的長(chang)玻璃(li)纖維填(tian)(tian)充(chong)物(wu)，外觀形態為顆粒料，較好(hao)地增強該(gai)材(cai)料的力學強度(du)(du)和(he)尺寸穩定(ding)性，體現出(chu)較高(gao)(gao)的抗(kang)撞擊性。目前典型(xing)應用的PA66-LGF材(cai)料性能，如(ru)表2所示(shi)。
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2、長玻纖增強復(fu)合材料在汽車輕量化的應用
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LGF在汽車、航天、體育(yu)、家電、包(bao)裝等(deng)領(ling)域(yu)廣泛(fan)應用(yong)，其中汽車行業是LGF應用(yong)的主要領(ling)域(yu)，約占80%。
2.1 汽車(che)(che)車(che)(che)輪
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尼龍長玻纖(xian)是一種(zhong)耐高溫自潤滑增強材料(liao)，能夠較(jiao)好地承受中高載荷(he)。作為一種(zhong)長纖(xian)維增強和潤滑的完美結合材料(liao)，它能夠在130℃的溫度條件(jian)下使用(yong)。該材料的通(tong)用(yong)性良好(hao)，適用(yong)于(yu)干運行，主要用(yong)于(yu)旋轉(zhuan)、滑動運動，具有極強(qiang)的抗塵能力，且(qie)免于(yu)維(wei)護保養。
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在汽車輕量化設(she)計開發中，長玻纖(xian)增(zeng)強(qiang)尼龍(long)66材料能夠較好地(di)應用于汽車(che)車(che)輪構(gou)件中，通過注(zhu)塑工(gong)藝制備(bei)出復合材料平板和乘用車(che)車(che)輪。其中，復合材料平板的具體制備(bei)方法為：將(jiang)粒料置于100℃進(jin)行烘干，4小時(shi)后進(jin)行注(zhu)塑處理，設定注(zhu)塑成(cheng)型工(gong)藝參數，包括螺(luo)桿溫度、螺(luo)桿壓力、注(zhu)塑壓力、注(zhu)塑時(shi)間、背壓、冷卻時(shi)間、模溫等(deng)，在注(zhu)塑完成(cheng)后，將(jiang)平板置于空氣中冷卻至(zhi)室溫。
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復合材(cai)料車輪的(de)制備(bei)方法為：將粒料置(zhi)于100℃進行烘干，4h后進行注(zhu)(zhu)塑(su)(su)處理，設定注(zhu)(zhu)塑(su)(su)參數，包(bao)括熱流道溫度(du)(du)、注(zhu)(zhu)塑(su)(su)壓(ya)力(li)、注(zhu)(zhu)塑(su)(su)時間(jian)、保(bao)壓(ya)壓(ya)力(li)、保(bao)壓(ya)時間(jian)、冷卻時間(jian)、模(mo)溫等，最(zui)終注(zhu)(zhu)塑(su)(su)生(sheng)成(cheng)15寸(cun)復合材(cai)料(liao)車(che)(che)輪(lun)。采用(yong)相關方法測試(shi)分析得(de)知(zhi)平板和車(che)(che)輪(lun)的玻(bo)(bo)纖(xian)(xian)含量、玻(bo)(bo)纖(xian)(xian)長度(du)(du)、玻(bo)(bo)纖(xian)(xian)取向(xiang)及其分布(bu)，并(bing)通過車(che)(che)輪(lun)徑向(xiang)疲勞(lao)試(shi)驗獲悉復合材(cai)料(liao)車(che)(che)輪(lun)的耐疲勞(lao)性能。
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2.2 發動機(ji)罩蓋
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考慮到長(chang)玻纖增強聚丙烯PP-LGF具(ju)有(you)較高(gao)的比(bi)強度(du)、比(bi)模(mo)量和抗沖擊性(xing)，可以將其應(ying)用(yong)于汽車發動(dong)機(ji)罩蓋構(gou)件中(zhong)，通過模(mo)具(ju)結構(gou)優(you)化(hua)和工藝調整，制造出滿足外觀要求(qiu)和性(xing)能要求(qiu)的零件，達到汽車輕量化(hua)應(ying)用(yong)需求(qiu)，最(zui)大(da)程度(du)降低成本。
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結合汽車發動機罩蓋使用要求，選取PP-LGF30材(cai)料(liao)，通過(guo)試制(zhi)及性能驗證得(de)知，該(gai)材(cai)料(liao)的拉伸應力、彎曲模量、缺口沖擊(ji)強度、熱變形溫(wen)度較為符合發(fa)動機罩蓋(gai)的性能要(yao)(yao)求。為優化PP-LGF30的產(chan)品外觀，要(yao)(yao)對模具和工藝(yi)進行適當調整(zheng)，如在熔膠的流(liu)動末端開設排(pai)氣孔，解決零件困(kun)難(nan)的問題(ti)。同時，增加模溫(wen)機，將模具溫(wen)度控制(zhi)在80℃。
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2.3 前端模(mo)塊
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在汽(qi)車輕量化設計開發(fa)過程中，基于長玻纖增強聚丙烯(xi)材料(liao)的優異(yi)力學性能，可以將(jiang)其應用于汽(qi)車前端框架之(zhi)中，合理引入結(jie)構拓撲優化、尺寸(cun)優化等技(ji)術，基于改性PP-LGF材(cai)料(liao)開發的前提，優化選(xuan)擇(ze)配方(fang)原料(liao)，進行實驗料(liao)研制檢測(ce)和配方(fang)工藝設(she)計。
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具體(ti)包括：
①原材(cai)(cai)料檢驗。主(zhu)要檢測材(cai)(cai)料的外觀標準(zhun)、含水(shui)率、黑粒數、熔體流動(dong)速率等；
②過程(cheng)控制(zhi)。主要進行在線(xian)灰分(fen)檢測，每2h檢驗1次；
③產成品(pin)檢(jian)驗。主(zhu)要對(dui)產品(pin)的外(wai)觀、顏色、灼燒(shao)灰分、密度(du)、熔融溫度(du)、彎曲(qu)強度(du)、彎曲(qu)模(mo)量、缺口沖(chong)擊、沖(chong)擊強度(du)進行檢(jian)測(ce)檢(jian)驗。
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2.4 前艙蓋
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在汽車輕量化設(she)計(ji)之中，“以(yi)塑代鋼(gang)”理念逐(zhu)步(bu)被認同，汽(qi)車前艙蓋(gai)也采用質(zhi)量更(geng)輕(qing)、性能(neng)更(geng)優(you)的(de)長玻纖增強塑性復(fu)合材料(liao)，較好地減輕(qing)汽(qi)車重量，達到節能(neng)減排的(de)要求。
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在對汽車前(qian)(qian)(qian)(qian)艙(cang)蓋(gai)(gai)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)改進與(yu)優化的(de)(de)過程中(zhong)，采用(yong)長玻(bo)纖增強復合(he)材料替代原前(qian)(qian)(qian)(qian)艙(cang)蓋(gai)(gai)的(de)(de)金屬材料，結(jie)(jie)(jie)合(he)該材料的(de)(de)力學性能，采用(yong)等(deng)代設計(ji)法對前(qian)(qian)(qian)(qian)艙(cang)蓋(gai)(gai)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)進行替換，充分考慮材料的(de)(de)彈性模量(liang)、泊松比、薄(bo)壁厚度等(deng)影響因素，得知前(qian)(qian)(qian)(qian)艙(cang)蓋(gai)(gai)的(de)(de)初步(bu)厚度，并對前(qian)(qian)(qian)(qian)艙(cang)蓋(gai)(gai)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)進行適(shi)當改進，如在內板處設計(ji)沉(chen)臺、十字(zi)筋等(deng)加強結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)；內板下(xia)邊(bian)緣處開小孔；采用(yong)高(gao)粘連連接(jie)方式進行前(qian)(qian)(qian)(qian)艙(cang)蓋(gai)(gai)總成的(de)(de)裝配；利用(yong)粘接(jie)側密封條結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)簡化前(qian)(qian)(qian)(qian)艙(cang)側面(mian)的(de)(de)分縫斷面(mian)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)等(deng)。
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2.5 儀表板骨架
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作為一種輕質高(gao)強的(de)(de)復合塑(su)性材(cai)料(liao)，長玻纖增強聚丙烯材(cai)料(liao)能夠應(ying)(ying)用(yong)于(yu)汽車儀(yi)表板(ban)骨架中，利用(yong)其優(you)良(liang)(liang)的(de)(de)力學性能、良(liang)(liang)好的(de)(de)環境(jing)適應(ying)(ying)性等(deng)優(you)點，通過熔融浸漬法制備生(sheng)成(cheng)長玻纖增強聚丙烯材(cai)料(liao)，適用(yong)于(yu)對汽車結構(gou)性能要求較(jiao)高(gao)的(de)(de)零部(bu)件如儀(yi)表板(ban)。儀(yi)表板(ban)是汽車內飾中的(de)(de)重要部(bu)件，要求具有較(jiao)高(gao)的(de)(de)強度和剛性。
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為了降(jiang)低(di)汽(qi)車儀(yi)表板的骨架重量(liang)，促進汽(qi)車內飾輕量(liang)化。應選用強度更高、彎曲模量(liang)更優、流動性更好的PP-LGF材料，在相(xiang)同(tong)強度(du)下適(shi)當減薄儀(yi)(yi)表板設計厚度(du)，使汽車儀(yi)(yi)表板減重約20%，并將傳統的多個部件儀(yi)(yi)表盤托架發展為單個模(mo)塊，除霜風(feng)道本體(ti)、中間(jian)骨架外(wai)通常采用同(tong)一種材料，較好地達(da)到輕量化要(yao)求。
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2.6 蓄電池(chi)托(tuo)盤
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長玻纖增強復(fu)合材料可以采(cai)用注塑(su)成(cheng)型工(gong)藝(yi)制備出形狀(zhuang)復(fu)雜的(de)(de)零部件(jian)，在汽車蓄(xu)電池托盤輕量(liang)化的(de)(de)要求下，為了(le)降低(di)汽車振動噪聲、減(jian)少蓄(xu)電池托盤腐(fu)蝕，選擇具有更(geng)優(you)使用性能的(de)(de)PP-LGF40材(cai)料，將其注塑(su)成結(jie)(jie)構(gou)復雜和壁(bi)厚較薄的(de)零件，并(bing)采用加強筋進(jin)行零件結(jie)(jie)構(gou)設計(ji)，作(zuo)業(ye)過程中(zhong)應對(dui)拐角(jiao)結(jie)(jie)合處進(jin)行倒角(jiao)優化，減少應力集(ji)中(zhong)，達到(dao)蓄電池(chi)托盤所需的(de)剛度要(yao)求。
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同時，考慮到塑料(liao)蓄電池托盤(pan)的安(an)(an)裝(zhuang)孔(kong)和(he)側向壓(ya)邊處的應力高(gao)于其他部(bu)位，對此要適當加厚(hou)安(an)(an)裝(zhuang)孔(kong)的壁厚(hou)，并在安(an)(an)裝(zhuang)孔(kong)周邊設置貫穿(chuan)到托盤(pan)平面的加強筋(jin)，提高(gao)安(an)(an)裝(zhuang)孔(kong)部(bu)位的強度和(he)剛度。
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此外，為了有效增強蓄電池托盤側立面的剛性，要設置側向及周邊2mm翻邊，并在(zai)托盤背面設置“井”字型加(jia)強(qiang)筋(jin)，同(tong)時要關注加(jia)強(qiang)筋(jin)對制件(jian)整體的變(bian)形影(ying)響(xiang)，提前做好(hao)預(yu)變(bian)形，在(zai)滿足裝配要求的前提下有效提高(gao)蓄電池托盤的整體平面剛性，滿足汽車(che)輕量化(hua)使用要求。
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2.7 尾門
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汽車塑料(liao)尾(wei)門可以(yi)采(cai)用(yong)兼具低密度和高強(qiang)度特(te)性(xing)的長玻纖增強(qiang)聚丙烯熱塑性(xing)復合材料(liao)，明顯(xian)降低整車油耗和CO2排放，體現(xian)出(chu)較高的集成度和復原性。在(zai)PP-LGF塑(su)(su)料尾門的設計(ji)中(zhong)，塑(su)(su)料尾門的內(nei)外板采用注塑(su)(su)工藝(yi)，內(nei)外板之(zhi)間采用膠粘合工藝(yi)，并進行仿真分析，以(yi)獲得最(zui)佳控制效果(guo)。
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在(zai)塑料尾(wei)門(men)(men)(men)的結構設計中，尾(wei)門(men)(men)(men)內(nei)板主要承受(shou)荷(he)載并提(ti)供強度(du)支持，應在(zai)尾(wei)門(men)(men)(men)內(nei)板上部和尾(wei)門(men)(men)(men)內(nei)板的D柱(zhu)區(qu)域布設適宜數量的加強筋，達(da)到優化結(jie)構的目的。
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在(zai)實(shi)際選材時，需根據實(shi)際使用(yong)場景(jing)，尤其在(zai)冷熱交變的情況下，充分考慮(lv)內外板(ban)材料的線性(xing)膨(peng)脹(zhang)系(xi)數的匹(pi)配性(xing)，否則極易(yi)因熱脹(zhang)冷縮導致(zhi)膠粘部位脫膠或變形。
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2.8 翼子板
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利用相關試驗線及(ji)成型裝(zhuang)備，制備生成具有一定比例玻璃纖(xian)維質量分(fen)數的PP-LGF粒料(liao)，并將(jiang)其應用(yong)于汽車翼子(zi)板結(jie)構之中。在(zai)將(jiang)該(gai)材料(liao)應用(yong)于汽車翼子(zi)板的過程中，要充分考慮玻(bo)纖含量(liang)對力學性(xing)能(neng)拉伸、彎曲(qu)、沖(chong)擊的影響，對其進行(xing)性(xing)能(neng)檢(jian)測。
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同(tong)時(shi)，可測試其非(fei)力(li)學性(xing)(xing)(xing)能，包括檢測翼子板的(de)耐(nai)高溫性(xing)(xing)(xing)、耐(nai)冷(leng)熱交(jiao)變(bian)性(xing)(xing)(xing)、耐(nai)沖擊性(xing)(xing)(xing)、耐(nai)濕熱性(xing)(xing)(xing)、耐(nai)水性(xing)(xing)(xing)、耐(nai)溶劑性(xing)(xing)(xing)等，觀察有無(wu)變(bian)形、開裂(lie)、粉化、氣(qi)泡(pao)、發粘、溶解(jie)等情形。測試之后，對翼子板制件(jian)進行裝配，使之能夠更(geng)好地適(shi)應不同(tong)應用場景的(de)使用要求(qiu)。
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3、結束(shu)語
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綜上所述，長玻纖增強復合材(cai)料是一(yi)種高強度、輕質(zhi)的復合材(cai)料，在“以塑代鋼”的(de)背景下，長玻纖(xian)增強復合材(cai)料體現出自身的(de)性能優勢(shi)，較(jiao)好地應用于汽車輕量化結構設計(ji)之中。
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可以采用適(shi)宜方(fang)法制(zhi)備生成各種汽車零(ling)件，包(bao)括車輪(lun)、發(fa)動(dong)機罩蓋(gai)、前端模塊、前艙(cang)蓋(gai)、儀表板(ban)骨架、蓄電池托(tuo)盤(pan)、尾(wei)門、翼(yi)子板(ban)等，利用先進制(zhi)備技術(shu)、零(ling)件設計和(he)成型(xing)技術(shu)，較(jiao)好(hao)地推動(dong)汽車輕量(liang)化(hua)的快速發(fa)展。
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資料來源(yuan)：方瑞《長玻纖增強復(fu)合材料在汽(qi)車輕(qing)量化上的應用》，《模具制造(zao)》,2025年.01期、網絡等