國內(nèi)外連續(xù)玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料現(xiàn)狀

王昌斌 方程 李曄

（1.中國第一汽車股份有限公司 材料與輕量化研究院，長(zhǎng)春130011; 2.汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130013）

主題詞：連續(xù)纖維 熱塑性 復(fù)合材料 玻纖

縮略語

FRTP Fiber Reinforced Thermoplastics

SFT Short Fiber reinforced Thermoplastics

LFT Long Fiber reinforced Thermoplastics

GMT Glass Mat Reinforced Thermoplastics

CFRTP Continuous Fiber Reinforced Thermoplastics

GFRTP Glass Fiber Reinforced Thermoplastics

CGFRTP Continuous Glass Fiber Reinforced Thermoplastics

SMC Sheet Molding Compound

RTM Resin Transfer Molding

1 前言

近年，隨著汽車工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)迅速發(fā)展，節(jié)能環(huán)保愈發(fā)受到各國重視。復(fù)合材料替代金屬能夠顯著降低汽車重量，因此對(duì)復(fù)合材料的需求越來越多，隨之產(chǎn)生的回收問題也日益嚴(yán)重。熱塑性復(fù)合材料是以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維及其它材料增強(qiáng)各種熱塑性樹脂的總稱, 國外稱其為FRTP(Fiber Reinforced Thermoplastics)[1]。與熱固性樹脂基復(fù)合材料相比，熱塑性復(fù)合材料有高韌性、高抗沖擊和損傷容限、無限預(yù)浸料存儲(chǔ)期、成型周期短、生產(chǎn)效率高、易修復(fù)、廢品可回收再利用等眾多優(yōu)點(diǎn)[2]，成為各國研究及應(yīng)用的熱點(diǎn)。

孫銀寶等[2]按有效纖維長(zhǎng)度對(duì)熱塑性復(fù)合材料進(jìn)行分類，熱塑性復(fù)合材料分為短纖維粒料(SFT)、長(zhǎng)纖維粒料(LFT)、玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性片材(GMT)、織物預(yù)浸料和單向連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性預(yù)浸料(Continuous Fiber Reinforced Thermoplastics, CFRTP)。田振生等[3]歸納了連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的主要成型形態(tài)包括單向纖維預(yù)浸料(Unidirectional Prepreg)、織物纖維預(yù)浸料(Fabric Prepreg)、混合纖維(Commingled yarn)以及其他方式，其中預(yù)浸料(Prepreg)相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用是目前市場(chǎng)上的主流技術(shù)，如圖1所示。MATTHIAS 等[4]認(rèn)為增強(qiáng)相纖維的長(zhǎng)度、復(fù)合材料的性能、可成型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度及成本需要綜合考量，如圖2所示。為了擴(kuò)大連續(xù)纖維熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用范圍、減少最終零部件的生產(chǎn)工藝周期，國際上著名的機(jī)械裝備公司推出“Over molding”或“Hybrid molding”這種“混合”工藝[5]。

圖1 連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的主要形態(tài)[3]

圖2 零件結(jié)構(gòu)與纖維長(zhǎng)度關(guān)系[4]

國際上玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(Glass Fiber Reinforced Thermoplastics,GFRTP)仍為熱塑性復(fù)合材料的主打產(chǎn)品，已占復(fù)合材料總量的1/4以上,而且近期穩(wěn)步增長(zhǎng)[1]。連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（CFRTP）是20世紀(jì)70年代初開發(fā)的一種聚合物基復(fù)合材料。連續(xù)纖維可采用玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等,其中又以玻璃纖維較為常用。近年來,連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料 (Continuous Glass Fiber Reinforced Thermoplastics, CGFRTP)越來越受到各國重視, 研究應(yīng)用十分活躍[6]。

2 國內(nèi)外熱塑性復(fù)合材料的發(fā)展

車用聚合物復(fù)合材料當(dāng)前仍以熱固性為主，特別是片狀模塑料(SMC)，樹脂轉(zhuǎn)移模塑(RTM)技術(shù)，相當(dāng)廣泛地用于汽車零部件的制造，但熱塑性復(fù)合材料以其優(yōu)越性能以及便于回收再生而日益受到重視[7]，在復(fù)合材料總量中的比例呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。我國復(fù)合材料行業(yè)于20 世紀(jì)50 年代末期開始起步，80 年代以來產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善，行業(yè)迅速壯大。據(jù)中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2017年國內(nèi)熱塑性復(fù)合材料制品產(chǎn)量約為209.1×104t，在復(fù)合材料總產(chǎn)量中的比例已從2013年33.4%上升至2017年47.1%，詳見圖3。

圖3 2013-2017年中國復(fù)合材料制品產(chǎn)量結(jié)構(gòu)[8]

汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能減排的有效手段，歐美國家玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用比例較高，其中歐洲走在前列，國內(nèi)在此方面的應(yīng)用還有很大的空間，詳見表1。

表1 塑料復(fù)合材料（以玻纖增強(qiáng)塑料為主）在汽車上的用量[9]

目前國外供應(yīng)商如BASF（巴斯夫）、Bond-Laminates(朗盛)、DuPont(杜邦)、TenCate(曇卡)等大型化工企業(yè)，已經(jīng)在CFRTP 產(chǎn)業(yè)有所布局，國外幾家大公司的預(yù)浸料商業(yè)化產(chǎn)品所采用的樹脂基體和增強(qiáng)纖維，詳見表2[10]。

目前國內(nèi)熱塑性預(yù)浸料生產(chǎn)廠商有福瑞科、金發(fā)、奇一、杰事杰、長(zhǎng)海、恒石華美等，主流產(chǎn)品是玻纖增強(qiáng)單向帶預(yù)浸料和玻纖增強(qiáng)織物預(yù)浸料，基體以熱塑性樹脂PP、PA為主。

3 國內(nèi)工藝裝備情況

為匹配連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料混合工藝的工業(yè)化以及批量化實(shí)現(xiàn)，在生產(chǎn)制造端，一些著名的機(jī)械裝備公司也相繼推出各自的成型設(shè)備，同時(shí)冠以商品化的工藝名稱，如克勞斯瑪菲的Fiberform、恩格爾的Organomelt、PEI的QSP，另外東芝、阿博格等企業(yè)也提供相應(yīng)的設(shè)備[5]。圖4形象地表達(dá)了這種工藝基本流程。

表2 國外商業(yè)化熱塑性預(yù)浸料[10]

圖4 Fiberform工藝過程[11]

國內(nèi)已經(jīng)具備連續(xù)玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料原材料生產(chǎn)能力，相應(yīng)地零部件供應(yīng)商正在逐漸建立這種工藝生產(chǎn)能力。如愛爾鈴克鈴爾汽車部件（重慶）有限公司，運(yùn)用克勞斯瑪菲的Fiber form 為長(zhǎng)安福特?？怂贡镜鼗?yīng)門模塊系統(tǒng)；北京市碳纖維工程技術(shù)研究中心、常熟市汽車飾件股份有限公司已經(jīng)裝備克勞斯瑪菲的Fiber form，并完成調(diào)試，同時(shí)在該領(lǐng)域進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)用研究工作。另外，國內(nèi)供應(yīng)商有意向購買恩格爾的Organomelt、PEI 的QSP 工藝裝備，并進(jìn)行材料性能、工藝應(yīng)用研究及相關(guān)零部件開發(fā)工作。

4 國內(nèi)外汽車行業(yè)連續(xù)玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用情況

連續(xù)玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在國外的跑車、SUV以及轎車上已經(jīng)有批量應(yīng)用。

博澤采用朗盛Tepex? dynalite 材料及短玻纖增強(qiáng)PA6 制造的全塑料制動(dòng)踏板（見圖5），采用Over molding 工藝一次注塑成型，應(yīng)用于保時(shí)捷Panamera NF（見圖6）和賓利Continental GT車型上，使用單向纖維預(yù)浸料、織物纖維預(yù)浸料作為主受力結(jié)構(gòu)（見圖7），使得制動(dòng)踏板在滿足對(duì)安全部件要求極高的機(jī)械性能的同時(shí)，充分挖掘輕量化結(jié)構(gòu)的潛能，與鋼質(zhì)踏板相比重量減少了50%[12]。

圖5 全塑制動(dòng)踏板[13]

圖6 保時(shí)捷Panamera制動(dòng)踏板

圖7 制動(dòng)踏板擺臂鋪層[14]

法雷奧采用朗盛的Tepex? dynalite 連續(xù)玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，為奔馳GLE SUV制造的前端支架（見圖8），質(zhì)量比采用鋼板制成的同類設(shè)計(jì)降低30%，同時(shí)提供了出色的碰撞性能和扭轉(zhuǎn)剛度；由于不需要在發(fā)罩鎖扣周圍進(jìn)行加強(qiáng)，并且將進(jìn)氣口集成在前端框架內(nèi)，因此該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用成本增加相對(duì)較少[15]。

圖8 奔馳GLE SUV前端支架[15]

長(zhǎng)安福特?？怂沟拈T模塊系統(tǒng)供應(yīng)商德國博澤公司，采用金發(fā)碳纖維公司連續(xù)玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料結(jié)合LFT的混合材料方案，替代傳統(tǒng)鋼材或單一長(zhǎng)纖維PP的方案，配套新型混合工藝成型生產(chǎn)線（模壓+注塑）實(shí)現(xiàn)了熱塑性復(fù)合材料門基板的制造生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)集成玻璃升降導(dǎo)軌，與鋼材及長(zhǎng)纖維PP 門系統(tǒng)相比，熱塑性復(fù)合材料門模塊可以有效降低質(zhì)量5 kg/車或2 kg/車，這也是國產(chǎn)連續(xù)玻纖纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料首次應(yīng)用于量產(chǎn)車型[16]，詳見圖9、圖10。

圖9 福特?？怂归T模塊[17]

圖10 門模塊的發(fā)展歷程[11]

近幾年，國內(nèi)一些主機(jī)廠和供應(yīng)商也在探索熱塑性連續(xù)玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用研究，如北京市碳纖維工程技術(shù)研究中心利用Fiberform 工藝試制電池箱上蓋（見圖11），再如國內(nèi)某供應(yīng)商應(yīng)用PP基材織物纖維預(yù)浸料和PP 短纖注塑制造的備胎艙（見圖12）。

圖11 某款Fiberform工藝電池箱上蓋[18]

5 纖維復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料對(duì)比優(yōu)勢(shì)

纖維復(fù)合材料在汽車零部件上的應(yīng)用具有密度小、比強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)，表3是鋼、鋁及復(fù)合材料的性能對(duì)比，可以替代鋼、鋁用于結(jié)構(gòu)件，輕量化效果明顯[9]。

圖12 連續(xù)玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)材備胎艙

表3 鋼、鋁及復(fù)合材料的性能對(duì)比[9]

6 結(jié)束語

總結(jié)多年來連續(xù)玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料替代金屬結(jié)構(gòu)件的技術(shù)開發(fā)工作，應(yīng)從如下2點(diǎn)重新考慮熱塑性復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用問題。

（1）熱塑性復(fù)合材料具備生產(chǎn)周期短、100%可回收的特點(diǎn)，特別是以連續(xù)玻纖增強(qiáng)PP或PA的復(fù)合材料相對(duì)成本較低，正在進(jìn)入快速成長(zhǎng)時(shí)期。

（2）連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料混合工藝的諸多優(yōu)點(diǎn)拓展了其可應(yīng)用范圍，為了獲得較好的性價(jià)比，需要主機(jī)廠內(nèi)部統(tǒng)一協(xié)調(diào)進(jìn)行系統(tǒng)性開發(fā)，從而獲得較低的應(yīng)用成本。