長玻璃纖維增強聚丙烯材料在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用及前景展望

王 敏， 胡仁其， 吳 謙

(1. 上海汽車集團股份有限公司乘用車公司， 上海 201804；2. 上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司, 上海 201714;3. 上海工程塑料功能化工程技術(shù)研究中心， 上海 201714)

0 前言

伴隨著汽車行業(yè)的全面發(fā)展，人們對于汽車性能的要求越來越高，國家對于汽車節(jié)能降耗和降低排放污染的要求也越來越嚴格。尤其是2016年底中國環(huán)境保護部頒布的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》中明確了國六標準正式實施的時間，該標準被認為是迄今為止全球最嚴格的排放標準。面對如此大環(huán)境，汽車輕量化勢在必行。輕量化必須首先從改進汽車的材料出發(fā)，研制出性能更好、質(zhì)量更輕的材料。新材料的應(yīng)用并非簡單的質(zhì)量減輕，而是在保證車身強度和安全性能的前提下，達到最大限度的減重，同時要保證汽車的制造成本控制在合理范圍內(nèi)。

長玻璃纖維(LGF)材料具有力學(xué)性能高、抗沖性能好、低翹曲、耐蠕變和耐疲勞性能優(yōu)良等諸多優(yōu)點[1]。長玻璃纖維增強聚丙烯(PP-LGF)材料更是由于其密度輕、不吸水、尺寸穩(wěn)定性好、成本低等諸多優(yōu)勢成為了LGF材料中應(yīng)用前景最好的一類[2]。近年來國內(nèi)PP-LGF材料取得了迅猛的發(fā)展，無論是在理論方面系統(tǒng)的研究，開發(fā)與生產(chǎn)，還是具體到汽車工業(yè)中的工程應(yīng)用，都積累了大量寶貴的經(jīng)驗。

1 PP-LGF在汽車輕量化中的發(fā)展歷程

1993年，隨著德國Hoechst Celanese公司對其商品Celstran的規(guī)模化生產(chǎn)及市場開發(fā)，長纖維增強熱塑性塑料(LFT)材料逐步從理論設(shè)計及小批量生產(chǎn)預(yù)研階段跨入規(guī)?；瘧?yīng)用階段。在汽車輕量化的必然發(fā)展趨勢下，世界主流的汽車制造廠商都紛紛與各大原材料供應(yīng)商展開合作，研究LGF材料以塑代鋼技術(shù)，挖掘汽車零部件應(yīng)用的方向。汽車輕量化成為了助推LFT材料迅速發(fā)展的核心力量。據(jù)不完全統(tǒng)計，LFT材料80%以上的需求來自于汽車零部件，選材基本為PP-LGF材料[3-4]。應(yīng)用部件主要集中在力學(xué)性能要求較高、外觀要求不高的部件，如前端模塊、儀表板骨架、門模塊、汽車車身底護板等。

在國內(nèi)，部分科研高校及企事業(yè)單位如上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司(簡稱金發(fā)科技公司)、華東理工大學(xué)等均開展并完成了LFT材料的研發(fā)及工業(yè)化生產(chǎn)。其中，金發(fā)科技公司等率先完成了第三代熔體全浸漬法LFT材料生產(chǎn)工藝及專用設(shè)備的開發(fā)，達到國際先進水平。中國自主品牌汽車制造廠商也逐步完成了PP-LGF材料零件的應(yīng)用開發(fā)。目前，中國自主品牌通過與國內(nèi)外先進LFT材料供應(yīng)商合作，形成了成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，在產(chǎn)業(yè)化進程及應(yīng)用開發(fā)層面取得長足進步。

2 PP-LGF材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

PP-LGF材料由于其優(yōu)異的力學(xué)性能、耐蠕變及耐疲勞特性，可用于力學(xué)強度要求較高零部件。同時，通過耐熱改性，PP-LGF材料的耐熱穩(wěn)定性可以得到大幅提升，從而滿足發(fā)動機周邊零件的使用需求。近年來，隨著長纖維生產(chǎn)設(shè)備及工藝的不斷優(yōu)化，PP-LGF材料玻璃纖維的浸漬水平提高明顯，制件外觀優(yōu)良，可以滿足部分內(nèi)外飾零件的要求。目前，汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢是模塊化平臺制造，通過將使用相似部件的公共架構(gòu)模塊化地進行整合，提高了零部件通用率，簡化了生產(chǎn)制造與工藝裝配的流程，從而大幅降低了開發(fā)、驗證到生產(chǎn)的成本。PP-LGF材料由于其優(yōu)異的性能在模塊平臺化制造的趨勢中成為首選聚合物復(fù)合材料[5]，在眾多模塊的骨架件、結(jié)構(gòu)件等均有大量應(yīng)用。筆者總結(jié)了不同模塊中PP-LGF材料的典型應(yīng)用。

2.1 前端模塊

前端模塊是汽車制造商集成優(yōu)化，模塊化生產(chǎn)思路的產(chǎn)物，而前端框架屬于前端模塊的核心部件，從設(shè)計方案上，前端框架經(jīng)歷了金屬、混合(金屬+塑料)和全塑料(簡稱全塑)的發(fā)展歷程。與金屬前端框架相比，全塑前端框架集成度平均增加80%，其選材主要包括短玻璃纖維增強聚酰胺6(PA6)及PP-LGF。與前者相比，PP-LGF材料在零件中的玻璃纖維保留長度可以達到3 mm左右，較短纖維材料而言有數(shù)量級的提升。玻璃纖維與樹脂表面結(jié)合比表面積增加，同時在零件中形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了制品的力學(xué)性能及長期蠕變疲勞特性。此外，PP-LGF材料還具有尺寸穩(wěn)定性好，在潮濕環(huán)境中不吸水，密度輕等優(yōu)勢，成為前端框架材料的首選。表1給出了前端框架用PP-LGF材料的典型性能,其中:密度的測試條件為23 ℃;拉伸強度的測試條件為10 mm/min;拉伸模量的測試條件為1 mm/min;彎曲強度的測試條件為2 mm/min;彎曲模量的測試條件為2 mm/min;缺口沖擊強度的測試條件為23 ℃和-40 ℃。

PP-LGF全塑前端框架較金屬前端框架減重明顯，2002款寶馬Mini采用全塑PP-LGF前端框架方案，使得前端模塊完成了多達13個部件的集成[6]，包括：發(fā)動機罩鎖、制冷系統(tǒng)、風(fēng)扇電機、風(fēng)扇葉輪及其護罩、碰撞保護系統(tǒng)、霧燈、前照燈及其清潔系統(tǒng)、水箱、氣流沖壓閥板、喇叭、前格柵和前圍等，綜合減重質(zhì)量分數(shù)達30%以上。全塑PP-LGF方案的采用，與鈑金組件系統(tǒng)相比，減少了部件，噪聲、振動與聲振粗糙度(NVH)性能得到改善；同時，前端框架位于前軸的前方，減重還對駕駛動力學(xué)及能耗產(chǎn)生顯著影響。

表1 主流前端框架PP-LGF材料的典型性能

目前，大眾、福特、寶馬、奔馳、日產(chǎn)、上汽、廣汽、吉利、江淮等主機廠均采用全塑前端框架，其中PP-LGF為主要選材。

2.2 車門模塊

車門模塊集成了門把手、玻璃升降機構(gòu)、門鎖系統(tǒng)、音響等眾多部件。與前端模塊類似，門模塊經(jīng)歷了玻璃升降器鋼導(dǎo)軌密封型的鋼結(jié)構(gòu)，到塑料基板加玻璃升降器鋼導(dǎo)軌的混合結(jié)構(gòu)，到最新一代的全塑門基板技術(shù)。全塑門基板將玻璃升降器導(dǎo)軌集成于之上，一體注塑成型，避免了二次裝配，工藝和成本都有了大幅縮減，同時零件質(zhì)量實現(xiàn)20%～30%的下降。在上汽Marvel X車型門模塊中，通過采用玻璃纖維質(zhì)量分數(shù)為30%的PP-LGF(簡稱PP-LGF30)全塑方案，集成了玻璃升降導(dǎo)軌、搖窗電機、揚聲器等多個部件，簡化了裝配流程，降低了整車裝配成本。VOLVO 的XC60、S60及S90車型，通過選用PP-LGF材料注塑車門模塊的門基板，將門基板與車門蒙皮完全密封，從而起到了很好的防潮及隔音降噪作用。吉利CMA平臺的CS11車型等也采用了類似設(shè)計。此外，PP-LGF材料還被廣泛應(yīng)用于車門模塊的搖窗電機殼體：博澤公司為大眾MQB平臺提供的搖窗電機殼體即采用玻璃纖維質(zhì)量分數(shù)為40%的PP-LGF(簡稱PP-LGF40)，尺寸穩(wěn)定性及力學(xué)性能優(yōu)良。

2.3 儀表板模塊

汽車儀表板總成是集成儀表、空調(diào)、安全氣囊及操控件等零部件的綜合平臺，是汽車內(nèi)飾件中重要的功能件與裝飾件。儀表板骨架位于表皮下方，傳統(tǒng)儀表板骨架材料采用常規(guī)填充聚丙烯(PP)材料或者聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(PC/ABS)合金材料。PP-LGF材料方案與前兩個方案相比，材料強度更高，可以實現(xiàn)在相同強度要求下，壁厚設(shè)計更薄，同時還可實現(xiàn)部分集成功能，從而較好地減重。大眾選用PP-LGF材料注塑儀表板骨架，與傳統(tǒng)方案相比實現(xiàn)20%減重，同時模擬碰撞試驗表明，PP-LGF材料方案由于骨架本體強度及剛度更高，能量吸收要比傳統(tǒng)材料高50%。表2列出了儀表板骨架幾種典型材料的基本力學(xué)性能。

表2 儀表板骨架幾種典型材料的基本力學(xué)性能

目前，自主品牌上汽、吉利等均采用PP-LGF材料注塑成型儀表板骨架。長安及眾泰等主機廠還開展了微發(fā)泡PP-LGF材料儀表板骨架的研究，微發(fā)泡后的零件在保證力學(xué)性能高于原有常規(guī)填充PP方案的同時，較不發(fā)泡普通PP-LGF材料制件還可以實現(xiàn)進一步的減重達8%左右。上汽中心實驗室材料部門與金發(fā)科技公司也聯(lián)合進行了PP-LGF30物理發(fā)泡方案及PP-LGF20化學(xué)發(fā)泡方案的評估，對物理微發(fā)泡和化學(xué)微發(fā)泡適用零件進行了細分。試驗表明：PP-LGF微發(fā)泡方案尤其適用于一些力學(xué)性能及外觀要求均適中的零件。例如儀表板骨架在實現(xiàn)10%左右減重的同時，力學(xué)性能較PC/ABS及PP+EPDM-T20方案零件力學(xué)強度還會有明顯上升，具有較好的應(yīng)用前景。

2.4 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)通過將車頭的冷空氣直接吹向散熱器，使得散熱器內(nèi)的高溫防凍液得到冷卻，從而帶走熱量，起到發(fā)動機冷卻作用。護風(fēng)圈是汽車發(fā)動機冷卻及空調(diào)熱交換系統(tǒng)上的一個重要支架零件，與前端框架類似，其上裝配有電機、風(fēng)扇離合器及換熱風(fēng)扇等零部件，因而也是一個承力性部件。傳統(tǒng)的汽車護風(fēng)圈采用鈑金件，零件質(zhì)量大，需要進行表面防腐處理等工序。目前，熱塑性材料已成為護風(fēng)圈選材的主流，而PP-LGF材料由于其優(yōu)秀的力學(xué)性能、長期耐蠕變和耐疲勞性能成為了理想選材。由于護風(fēng)圈的使用溫度較高，因而對于材料的長期耐熱氧老化能力要求較高。長纖維材料經(jīng)過熱穩(wěn)定改性后完全滿足零件相關(guān)需求。表3列出了典型主機廠對于PP-LGF材料的熱氧老化要求。目前，馬自達、捷豹路虎、福特等汽車主機廠均采用了PP-LGF材料的護風(fēng)圈方案，與短纖維增強聚酰胺材料的方案相比，可以減重15%～20%。

表3 典型主機廠PP-LGF材料熱氧老化要求

2.5 全塑尾門模塊

全塑尾門按照其使用材料經(jīng)歷了三代發(fā)展：全熱固性塑料尾門方案，熱固性塑料內(nèi)板加熱塑性塑料外板方案，以及最新的全熱塑性塑料尾門。由于在追尾碰撞中，汽車中后部起到主要吸能緩沖、抵抗變形功能的是后保險杠與C柱(兩開門)或者D柱(四開門)以及地板縱梁組成的尾部潰縮吸能區(qū)，因而尾門并不承擔(dān)主要吸能緩沖功能或防止駕駛艙變形功能。吳海京等[7]針對某型SUV做了高速追尾碰撞結(jié)構(gòu)安全性研究表明，尾門所吸收的能量僅占2.8%，而在低速碰撞過程，主要通過尾部防撞梁及吸能盒的潰縮來吸收能量。JEYANTHI S等[8]通過實驗及有限元聯(lián)合仿真分析表明，PP-LGF材料在侵入量及能量吸收方面也能起到較好表現(xiàn)。綜合來看，PP-LGF材料的全塑尾門方案完全可行。全塑尾門方案內(nèi)板采用PP-LGF材料，外板采用低線性膨脹系數(shù)的PP材料或者熱塑性聚烯烴彈性體(TPO)方案。內(nèi)外板使用涂膠工藝進行裝配。與玻璃鋼片狀模塑料(SMC)材料相比，PP-LGF材料剛度及強度相當(dāng)，密度輕很多。同時PP-LGF方案相較玻璃鋼SMC材料的揮發(fā)性有機物(VOC)揮發(fā)物含量要低很多，符合當(dāng)前汽車低VOC的發(fā)展趨勢。雷諾首先在其Clio車型上使用了全塑尾門方案，其中內(nèi)板采用PP-LGF材料，整個尾門綜合減重較上一代達10%以上，同時材料可回收再利用。日產(chǎn)在其某車型中采用PP-LGF內(nèi)板及TPO外板方案，與傳統(tǒng)金屬方案相比，減重約30%，同時燃油經(jīng)濟性提高了10%[9]。目前上汽Marvel X采用PP-LGF內(nèi)板方案的全塑尾門，與傳統(tǒng)金屬尾門相比，減重約30%。

金發(fā)科技公司等PP-LGF原材料供應(yīng)商對PP-LGF全塑尾門內(nèi)板方案，內(nèi)外板黏膠、內(nèi)板黏玻璃膠、金屬膠在常溫及高低溫循環(huán)過程中的性能表現(xiàn)都做了深入的研究。隨著減重需求的增加，未來PP-LGF在國內(nèi)汽車市場的全塑尾門趨勢中應(yīng)用潛力十分巨大。

2.6 其他部件

PP-LGF材料由于其優(yōu)秀的力學(xué)性能、長期耐蠕變和耐疲勞特性，在其他結(jié)構(gòu)件中也應(yīng)用廣泛。

偉巴斯特、英納法及恩坦華等天窗系統(tǒng)零部件制造廠商選用PP-LGF40或玻璃纖維質(zhì)量分數(shù)為50%的PP-LGF (簡稱PP-LGF50)作為天窗前后橫梁選材，一方面，制件強度剛度得到保證，另一方面，長纖維材料優(yōu)異的抗翹曲性使得橫梁不易變形，尺寸穩(wěn)定。相對于金屬件方案，PP-LGF方案可以減重20%～30%。

排擋機構(gòu)目前主要采用金屬材料及短纖維增強聚酰胺材料的方案，PP-LGF材料由于其不吸水的特性，可以減少高溫、高濕環(huán)境中零件失效的風(fēng)險。同時，PP-LGF材料優(yōu)異的耐蠕變及耐疲勞特性也滿足排擋機構(gòu)長期頻繁換擋工作，需要經(jīng)受振動的要求。目前，吉利等自主品牌已經(jīng)采用PP-LGF50作為排擋盒殼體的選材。

PP-LGF材料還被廣泛應(yīng)用于汽車蓄電池托架中。通用、奔馳、上汽及吉利等主機廠采用PP-LGF40或PP-LGF50注塑成型蓄電池托架零件，材料強度及韌性高，制件壁厚較薄，易于固定安裝。與傳統(tǒng)金屬材料相比，PP-LGF材料可減重15%左右，且材料成本大幅降低。

在汽車外飾零件系統(tǒng)中，PP-LGF材料也作為結(jié)構(gòu)件有所應(yīng)用，例如：奔馳旗下的Smart品牌，通過PP-LGF40注塑成型行李架及緩沖器等零件，在保證了力學(xué)強度的同時，質(zhì)量減輕明顯，綜合油耗下降1%左右。部分主機廠選用玻璃纖維質(zhì)量分數(shù)為45%的PP-LGF(簡稱PP-LGF45)的方案代替短纖維增強聚酰胺方案注塑成型后視鏡支架，零件成本降低，減重達20%左右。

經(jīng)過耐熱改性后的PP-LGF材料在發(fā)動機周邊也有著一定用武之地，例如：長安、東風(fēng)、五菱等主機廠采用PP-LGF材料作為發(fā)動機罩蓋的選材，零件外觀良好，相較傳統(tǒng)短纖維增強及填充增強聚酰胺的方案，可以減重15%左右。奔馳采用PP-LGF材料作為發(fā)動機底護板，長纖維材料良好的韌性保護了發(fā)動機免受底盤刮擦的風(fēng)險。同時，奔馳還引入微發(fā)泡注塑PP-LGF技術(shù)，可以實現(xiàn)進一步減重7%左右。

3 應(yīng)用前景

伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，尤其是新能源汽車的發(fā)力，新能源汽車受限于其本身部件電池包的加入，因而質(zhì)量會有大幅增加，輕量化技術(shù)的應(yīng)用就顯得更為關(guān)鍵[10]，筆者展望了PP-LGF材料在未來汽車領(lǐng)域的前景。

3.1 儀表板橫梁

儀表板橫梁(CCB)是儀表板總成及其附件的關(guān)鍵承力部件，其傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般為一根橫置的金屬梁及焊接支架以承受各種電子、空調(diào)及轉(zhuǎn)向模塊[11]。目前，塑料與金屬的混合CCB方案也已經(jīng)日益成熟。戴姆勒通過將帶有聚酰胺黏合劑模的鋁合金管放入模具中，注塑聚酰胺進行嵌件成型，得到了混合CCB。該工藝省去了多個樹脂零部件的單獨開模注塑問題，同時也省去了螺絲連接環(huán)節(jié)，簡化了工藝并降低了成本。奔馳A級率先采用了此技術(shù)。全塑CCB方案可以進一步做到大幅減重及工藝簡化。近年來，國內(nèi)多個主機廠(如通用、吉利等)均開展了此方面的預(yù)研。PP-LGF50由于其較高的力學(xué)強度及尺寸穩(wěn)定性成為理想選材。

3.2 電池包上蓋

目前，新能源汽車在國內(nèi)發(fā)展火熱，眾多新能源汽車制造廠商如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。各大傳統(tǒng)汽車主機廠也都制定了自己的新能源發(fā)展戰(zhàn)略。電池包作為新能源汽車的核心能量源，為整車提供驅(qū)動電能，它通過殼體包絡(luò)形成電池包主體。電池包殼體作為電池模塊的承載體，對整個模塊的安全工作和防護都起到至關(guān)重要的作用。采用PP-LGF阻燃材料成型電池包上蓋，可以滿足UL94 1.6 mm V-0等級要求[12]，同時制件表面良好無浮纖，蓋板翹曲變形也很小。相比于傳統(tǒng)金屬電池包，PP-LGF阻燃材料方案在集成性、電磁屏蔽、絕緣及防水性方面均有優(yōu)勢。與SMC玻璃鋼方案相比，PP-LGF阻燃材料方案制件壁厚相當(dāng)，為3.0～3.2 mm，并可進一步減重10%～20%，成型效率高，同時還具有易回收等優(yōu)勢。吳德順[13]分別設(shè)計了金屬材料及PP-LGF材料電池包方案，并完成了靜強度分析，結(jié)果表明，PP-LGF方案可以實現(xiàn)減重80%，同時不同工況下的最大應(yīng)力還可降低55%～60%。

4 結(jié)語

伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，政府對于汽車的排放也有著越來越嚴苛的要求，汽車輕量化迫在眉睫?！冻擞密嚻髽I(yè)平均燃料消耗量核算辦法》中已經(jīng)明確提出：到2020年，當(dāng)年生產(chǎn)的乘用車平均燃料消耗量降至5.0 L/(102km)。未來，汽車零件將會更多地采用模塊化、高度集成化的思路進行開發(fā)設(shè)計[14-15]。因而，對于各大汽車制造廠商來說，要想完成如前所述的發(fā)展目標，PP-LGF材料在前端模塊、門模塊及全塑尾門模塊等部件中積累的大量寶貴經(jīng)驗可以完全應(yīng)用到其他部件中去，從而有效地實現(xiàn)減重，并減少裝配工藝，從而達到降本降耗。同時，PP-LGF材料生產(chǎn)工藝的靈活性也使得很多鈑金所不能實現(xiàn)的形狀及結(jié)構(gòu)得以實現(xiàn)，給結(jié)構(gòu)設(shè)計及造型設(shè)計帶來了很大的自由度。在輕量化的同時，汽車的可靠性、安全性、舒適性也是必須要滿足的；因而各大汽車主機廠還需要與原材料供應(yīng)商更加緊密地合作，進一步挖掘PP-LGF材料的潛能。未來PP-LGF材料開發(fā)與應(yīng)用的發(fā)展方向為：

(1) 專門針對PP-LGF材料聯(lián)合仿真分析手段的開發(fā)。PP-LGF材料由于其玻璃纖維取向的各向異性，難以做到仿真分析的準確性[16]，需要建立更為準確及完善的分析模型以滿足PP-LGF新零件的開發(fā)。

(2) 優(yōu)良外觀PP-LGF材料的開發(fā)。未來隨著更多零件的一體化設(shè)計，對于PP-LGF零件的外觀要求也會越來越高，需要開發(fā)外觀更好的PP-LGF材料。

(3) 阻燃PP-LGF材料的開發(fā)。隨著新能源汽車的大力發(fā)展，會有更多零件尤其是電池包周邊零件會提出更高等級阻燃的要求，需要持續(xù)開發(fā)阻燃級別更高的PP-LGF材料，尤其是無鹵阻燃材料。

(4) 低散發(fā)特性PP-LGF材料的開發(fā)。隨著汽車乘客艙零件越來越多地采用PP-LGF材料方案，針對PP-LGF材料的低散發(fā)特性要求也會越來越高。

伴隨著國內(nèi)汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，PP-LGF將在未來的汽車領(lǐng)域大展身手，應(yīng)用前景廣闊。