連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料在汽車上的應用

陳 東，劉 偉，雷紹闊

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434)

0 前言

聚合物基復合材料根據(jù)基體的不同可以分為熱固性復合材料和熱塑性復合材料。目前市場上熱固性復合材料發(fā)展較成熟，但由于熱塑性復合材料具有成型快、韌性好、回收方便，正在成為各國研發(fā)的熱點。

在歐洲，位于荷蘭恩斯赫德的熱塑性復合材料研究中心，即熱塑性塑料聯(lián)盟在熱塑性復合材料開展的工作，得到了波音公司以及一個由行業(yè)供應商與荷蘭的特文特大學、薩克遜大學和代爾夫特理工大學組成的重要團體的支助[1]。

在日本，從2008年開始東麗、三菱麗陽、東洋紡、高木精工、豐田、本田、日產(chǎn)等企業(yè)與東京大學、東北大學、山形大學等院校合力進行研究，希望通過對新型碳纖維增強熱塑性復合材料的開發(fā)，實現(xiàn)減輕車重30%、提高燃油效率22.5%、提高加工速度、提高回收率等目的[2]。

目前熱塑性復合材料的種類繁多，如果按照制品中纖維保留尺寸(L)的大小可以劃分為3類：短纖維增強塑料(SFT，L<1.0 mm)、長纖維增強熱塑性復合材料(LFT，一般L>5.0 mm)和連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料(CFT，一般纖維連續(xù)不切斷)[3]。筆者主要介紹CFT在汽車上的應用。

1 成型工藝

CFT成型工藝根據(jù)原材料的狀態(tài)分為液體成型工藝、熱塑性預浸料成型工藝和纖維混雜工藝。液體成型工藝主要包括熱塑性高壓傳遞模塑(T-RTM)工藝、濕法模壓工藝和原位拉擠工藝；而熱塑性預浸料成型工藝則包括熱壓罐工藝、模壓工藝、纏繞工藝等；纖維混雜工藝是制備與增強纖維直徑相當?shù)臉渲w維，然后使兩種纖維混雜成一種復合紗，最終模壓制備成品。

由于汽車制件年產(chǎn)量的需求，并不是所有CFT成型工藝都適用于在汽車零部件的量產(chǎn)，目前有3種工藝適用于量產(chǎn)制造。

1.1 T-RTM工藝

傳遞模塑(RTM)工藝在連續(xù)纖維增強熱固性復合材料的制備中應用廣泛；熱固性樹脂在未固化前，黏度較低，可以很容易地進入纖維間隙并浸潤纖維。而熱塑性聚合物由于黏度大，很難實現(xiàn)RTM工藝?？藙谒宫敺崎_創(chuàng)性地使用聚合物單體注入模具，讓單體在模具內(nèi)聚合，實現(xiàn)了熱塑性的RTM工藝。

T-RTM工藝的原理是將熱塑性聚合物的單體(如己內(nèi)酰胺)和引發(fā)劑注入鋪放有干纖維織物的模具中，浸潤纖維，并在模具中完成聚合反應，制備成所需制品。活性己內(nèi)酰胺體系在聚合之前，黏度僅有5 mPa·s，明顯低于商用環(huán)氧樹脂系統(tǒng)的黏度。一旦纖維被徹底浸潤，在等溫控模具中，活性己內(nèi)酰胺系統(tǒng)將在2～3 min內(nèi)聚合成聚酰胺6(PA6)[4]。

在德國2016K展會中，克勞斯瑪菲公司首次展示了使用T-RTM工藝成型的Roding Roadster R1跑車的車頂外殼框架(見圖1)。值得注意的是：該部件同時使用了玻璃纖維(白色)和碳纖維作為增強材料，并在模具中一體裝配了金屬嵌件。

1.2 原位拉擠工藝

法國CQFD公司開發(fā)了原位拉擠工藝，即纖維紗或織物在外力牽引下，浸潤己內(nèi)酰胺單體和引發(fā)劑后，在定型模具內(nèi)成型和加熱聚合，最終制成產(chǎn)品。該工藝成型的制品的纖維體積分數(shù)可以達到70%，纖維方向上拉伸模量可以達到60 GPa(增強纖維為玻璃纖維)，具有優(yōu)良的比強度和比模量[5]。

圖1 Roding Roadster R1跑車的車頂外殼框架

法國CQFD公司與彼歐公司(Plastic Omnium)、現(xiàn)代汽車公司一同開發(fā)了熱塑性復合材料防撞梁(見圖2)，其主體為連續(xù)玻璃纖維增強PA6(商品名為C-SHOCK?)，主體成型采用原位拉擠工藝，隨后主體交由彼歐公司使用包覆注塑工藝，引入防撞梁的安裝點。整個方案相比金屬方案減重40%(3.5 kg)，隨著碳纖維成本的下探，將來可采用碳纖維取代玻璃纖維，這一突破性的方案將大大幫助汽車企業(yè)實現(xiàn)汽車減重目標。

圖2 現(xiàn)代汽車熱塑性復合材料防撞梁

1.3 模壓工藝和CFT包覆注塑

模壓工藝目前是CFT的主要量產(chǎn)工藝，其基本工藝過程是先將熱塑性預浸料裁剪鋪疊后，放入模具中升溫加熱，待升溫至成型溫度后，通過壓機對預浸料鋪層進行加壓，賦形得到最終滿足要求的制品。

但是對于一些復雜的特征、安裝位及加強筋，使用CFT鋪層較為困難，且影響生產(chǎn)節(jié)拍和成本，而在這方面?zhèn)鹘y(tǒng)的注塑工藝能很好地解決。因此市場上出現(xiàn)模壓結(jié)合注塑的成型工藝，目前已經(jīng)成為汽車CFT零件主要的解決方案，被稱為CFT包覆注塑。

CFT包覆注塑的基本過程是：將熱塑性預浸料裁切成所需形狀，加熱后放入注塑模具中固定；隨后注塑模具合模的同時將預浸料壓成所需的形狀，合模后立即進行注塑成型。通過包覆注塑，連續(xù)纖維提供了剛度和強度，注塑則提供眾多結(jié)構功能元素如加強筋、安裝點和螺釘連接點以及嵌入件等，不但輔助提升部件的剛度，還能在成型階段實現(xiàn)一體成型。

CFT包覆注塑工藝的發(fā)展引起了裝備制造商的興趣。克勞斯瑪菲和ENGEL等4家制造商一直積極地開發(fā)相關制造系統(tǒng)，以適應該工藝的發(fā)展。尤其是克勞斯瑪菲公司開發(fā)出了專門針對CFT包覆注塑的注塑機，將該工藝技術命名為FiberForm[6]，并使用該設備連續(xù)開發(fā)了安全氣囊模塊、車門防撞梁、電池支架等部件。2018年克勞斯瑪菲在美國奧蘭多塑料展上，首次公開展示了該設備和技術。

2 熱塑性預浸料

模壓成型(包括CFT包覆注塑的模壓部分)工藝生產(chǎn)的原材料是一種纖維增強熱塑性復合材料的中間材料——熱塑性預浸料。熱塑性預浸料是熱塑性聚合物(如聚丙烯PP、聚碳酸酯PC、聚酰胺PA、聚醚醚酮PEEK、聚醚酰亞胺PEI等)在嚴格控制的條件下浸漬連續(xù)纖維或織物(玻璃纖維或碳纖維)，制成聚合物基體與增強體的組合物(見圖3)。熱塑性預浸料根據(jù)纖維排列形式，又可分為熱塑性單向帶(Uni-Directional)和熱塑性片材(Thermoplastic Organic Sheets)。嚴格來說連續(xù)纖維的GMT(玻纖氈增強熱塑性復合片)材料也是一種熱塑性預浸料。

(a)玻璃纖維(b)碳纖維

圖3熱塑性預浸料

目前國內(nèi)熱塑性預浸料已有廠商提供，如金發(fā)、杰事杰、奇一、長海等。國外供應商如BASF(巴斯夫)、Bond-Laminates(朗盛)、DuPont(杜邦)、TenCate(曇卡)等大型化工企業(yè)，在CFT已有布局。國外幾家大公司的預浸料商業(yè)化產(chǎn)品、所采用的樹脂基體和增強纖維見表1。

表1 國外商業(yè)化熱塑性預浸料

3 應用優(yōu)勢

SFT很早就已經(jīng)應用在乘用車內(nèi)飾件上，近些年來LFT逐漸在乘用車半結(jié)構件上使用，如前端模塊、蓄電池托架、離合踏板、儀表板骨架、座椅骨架、底護板等。但是隨著新能源汽車的發(fā)展和各國政府對燃油車節(jié)能減排要求的提高，乘用車輕量化需求愈發(fā)迫切，汽車界開始使用輕量化效果更好的CFT。CFT的主要優(yōu)點體現(xiàn)在以下6個方面：

(1)工藝性。原材料可長期保存；成形工藝簡單、周期短，材料利用率高；制品可重復加工和再生利用。

(2)比強度和比模量。CFT力學性能優(yōu)良，相對鋼材有更高的比強度和比模量，使用CFT通?？梢怨?jié)省20%到50%的質(zhì)量。

(3)抗沖擊性。不同于熱固性復合材料碰撞后多以破碎的方式吸收能量，CFT制成的結(jié)構梁由于具有極好的韌性，其抗變形能力與鋼梁相當，碰撞后為塑性變形不易斷裂。而且CFT與鋼相比，具有較好的回收率和較低的沖擊變形。

(4)尺寸穩(wěn)定性。相對SFT，CFT剛度大、熱膨脹系數(shù)低，具有較好的尺寸穩(wěn)定性；在-40～90 ℃的使用溫度下，大多數(shù)CFT的剛度和尺寸變化都非常小。

(5)阻尼系數(shù)。CFT具有高阻尼系數(shù)，由于其本身的多相結(jié)構，相對于金屬，更容易將振動能吸收并轉(zhuǎn)變成其他形式的能量(如熱能)而耗散，可改進車身的NVH(噪聲、振動與聲振粗糙度)性能。

(6)集成性。CFT的集成性好，相對于鈑金件，CFT在結(jié)合注塑工藝的條件下，可以高度集成零件，零部件數(shù)量可減少一半以上。

4 應用實例

汽車上應用的材料需要平衡效用和成本，將合適的材料用在正確的位置上。由于CFT材料優(yōu)異的比強度和比模量，所以CFT材料首先被用來取代車身和底盤上的鈑金結(jié)構件，如前地板、后地板、頂蓋橫梁、座椅靠背、模塊支架、電池控制臺、剎車踏板等。同時CFT材料具有優(yōu)異的抗沖擊性能，可以用在碰撞結(jié)構上，如前保險杠橫梁、后保險杠橫梁、車門側(cè)防撞梁等結(jié)構。除了結(jié)構件和碰撞件，根據(jù)CFT材料的性能，還可以開發(fā)其用于各種功能件上。

在車身結(jié)構件上，2014年雷諾公司和DuPont公司做出了有意義的嘗試[7]。為響應法國政府的節(jié)能減排計劃，2家公司就超低排放車EOLAB項目展開了合作。EOLAB車身除了采用高強鋼、鋁、鎂，還使用了DuPont公司的Vizilon?TPC；Vizilon?TPC使用位置和相對鋼的減重情況見圖4。

圖4 EOLAB中CFT的使用位置及減重效果

除了實現(xiàn)減重，Vizilon?TPC還可以和其他車身金屬共線過電泳，最大限度地減少了汽車產(chǎn)線的更改。此外，在獨立的測試中，Vizilon?TPC具有優(yōu)越的長期熱老化性能，使其適應機艙使用環(huán)境。

除此之外，其他大型主機廠和供應商為加速CFT在汽車零部件的應用上也做了很多貢獻，有些項目已進入了量產(chǎn)階段；這些部件不止包括車身結(jié)構件，還有底盤結(jié)構件、碰撞件和一些功能件，具體情況見表2。

5 CFT推廣應用中的問題

5.1 生產(chǎn)成本較高

CFT與金屬材料相比，價格較高；盡管CFT有更好的比強度和比模量，減重效果更好，但是對于成本壓力較大的自主品牌而言，還是難以接受。降低材料成本是拓展CFT應用中必須解決的問題。

表2 CFT在汽車零部件上的應用實例

5.2 技術成熟度差

CFT雖然已經(jīng)存在和發(fā)展了很長一段時間，但是對于汽車界，它仍然是一種新型材料。各主機廠對這種材料較為陌生，沒有相關數(shù)據(jù)積累，并且成功應用案例較少。在汽車產(chǎn)品設計過程中，設計工程師難于進行造型設計及剛度和強度校核。

5.3 供應商尚需培養(yǎng)

國內(nèi)雖然已有材料供應商可以提供CFT材料，但是材料的耐久性和批次穩(wěn)定性還需要驗證；同時國內(nèi)沒有成熟的零部件供應商提供CFT零件制備成型服務。

6 結(jié)語

由于CFT應用中存在的問題，一些人懷疑CFT能否與鋼鐵和鋁等傳統(tǒng)材料競爭，尤其是在汽車結(jié)構件領域。然而，隨著工藝和材料的發(fā)展，各種新的CFT輕量化組合方案涌現(xiàn)。這些方案不僅降低了生產(chǎn)成本，還極大地提高了熱塑性復合材料的綜合性能。因此CFT應用優(yōu)勢越來越明顯，汽車行業(yè)對CFT的信心和需求也越來越強。

隨著各國政府節(jié)能減排的要求逐漸提高，輕量化仍然是汽車制造商面臨的挑戰(zhàn)之一，汽車制造商越來越多地求助于CFT以減輕質(zhì)量和提高功能性，CFT的應用前景十分廣闊。