CGFRPP工藝、性能及門內(nèi)板制備可行性研究

鞏西琛 黃駿霖 高祥達(dá) 宋劉洋 郭文博

（東風(fēng)汽車集團有限公司技術(shù)中心，武漢430100）

1 前言

汽車數(shù)量的迅猛增長使得能源消耗和污染排放日益嚴(yán)重，汽車輕量化是解決該問題的有效途徑之一，其技術(shù)的發(fā)展對節(jié)能減排、降耗環(huán)保、推動可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1-2]。連續(xù)纖維增強熱塑性塑料（CFRTP）是一類以熱塑性塑料為基體、以連續(xù)纖維為增強材料的復(fù)合材料，結(jié)合“以塑代鋼”技術(shù)，其高強度、高剛性、低密度性能廣泛適用于汽車半結(jié)構(gòu)件、結(jié)構(gòu)件[3]。

連續(xù)玻纖增強聚丙烯（CGFRPP）是CFRTP中的1種，具有原料簡便易得、易加工、低成本、高性能、可回收利用等優(yōu)勢，近年來受到行業(yè)研究者的普遍關(guān)注，迎來快速的發(fā)展[4-5]。

針對CGFRPP的發(fā)展現(xiàn)狀，對其材料生產(chǎn)成型工藝技術(shù)、零部件生產(chǎn)成型工藝技術(shù)進(jìn)行了調(diào)研，對材料性能進(jìn)行測試表征，系統(tǒng)地分析了CGFRPP材料性能與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，同時結(jié)合已量產(chǎn)的某車門內(nèi)板模塊進(jìn)行厚度、質(zhì)量、成本等方面的對比分析，預(yù)測該類材料用于乘用車車門內(nèi)板模塊的前景。

2 CGFRPP材料及零部件成型工藝

目前，CGFRPP材料主要以單向預(yù)浸帶與復(fù)合有機板2種形式進(jìn)行供貨，其中單向預(yù)浸帶是構(gòu)成復(fù)合有機板的基礎(chǔ)材料。在車用零部件制作過程中，主要是將預(yù)浸帶、復(fù)合有機板進(jìn)行模壓成型作為零部件內(nèi)嵌骨架，再經(jīng)注塑成型制備成汽車零部件。

2.1 CGFRPP材料生產(chǎn)工藝

CFRTP材料領(lǐng)域已發(fā)展多年，業(yè)內(nèi)已形成諸多生產(chǎn)工藝技術(shù)。熔體浸漬法是近年來發(fā)展較快的工藝方法，已成為1種常用的制備工藝[3]，該方法不僅能夠精準(zhǔn)控制玻纖含量，而且成型周期短，可實現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)[6]。

如圖1所示，熔體浸漬法制備單向預(yù)浸帶時，通常將展絲后的玻璃纖維經(jīng)過牽引，通過含有熔融樹脂的膠槽浸漬，后烘干成卷成型[7]。

圖1 單向預(yù)浸帶-熔體浸漬法

通過采用熔體浸漬法生產(chǎn)技術(shù)，預(yù)浸帶片材可獲得以下幾個特點。

a.片材厚度可控，單片穩(wěn)定控制精度高，范圍為0.15～0.40 mm；

b.纖維/樹脂含量精準(zhǔn)可控，最高可達(dá)到70%；

c.表觀質(zhì)量優(yōu)異無毛刺，纖維分布均勻。

圖2所示為熔體浸漬法制備的單向預(yù)浸帶的微觀及表觀圖像，電鏡下橫截面積圖像表明玻纖的分散結(jié)構(gòu)，玻纖與玻纖之間被樹脂填充，SEM（掃描電鏡）圖表明浸漬效果理想，樹脂充分填充纖維空隙，表觀質(zhì)量圖像表明產(chǎn)品表面光滑無毛刺。

圖2 單向預(yù)浸帶-玻纖分布及表觀質(zhì)量

2.2 零部件成型工藝

在制作零部件前，單層預(yù)浸帶應(yīng)按需求采用在線熱壓合工藝制備成多層復(fù)合有機板。鋪層時根據(jù)連續(xù)玻纖的取向?qū)?fù)合有機板分為不同的多取向板材，經(jīng)典取向包括0°取向復(fù)合板（簡稱0°取向，下同）、90°取向復(fù)合板、[0°，90°，0°，90°……]取向復(fù)合板、[0°，45°，90°，135°，0°……]取向復(fù)合板等，如圖3所示。

圖3 連續(xù)玻纖樣條取向方向示意

復(fù)合有機板制備成零部件的成型工藝根據(jù)材料的種類大致分為直接模壓工藝、在線模壓混合成型工藝、重疊注塑成型工藝3種。

2.2.1 直接模壓工藝

該方法針對單一熱塑性預(yù)浸料，采用預(yù)熱加壓進(jìn)行成型。將制品所需尺寸的復(fù)合有機板用固定夾具固定，置于烘箱或紅外加熱箱內(nèi)加熱，后將軟化復(fù)合有機板移至模壓模具內(nèi)并施加壓力，進(jìn)行胚料制品成型，最后采用機加工修邊、鉆孔[8]，如圖4所示。

圖4 直接模壓成型工藝[8]

2.2.2 在線模壓混合成型工藝

該方法與直接模壓成型法類似，同樣是將所需尺寸復(fù)合有機板加熱軟化，然后移至模壓模具內(nèi)，但在模壓前使用單向帶或有機板作為局部補強材料，配合GMT（聚丙烯基玻纖增強塑料）、DLFT（長玻纖增強塑料）、LWRT（輕質(zhì)熱塑性片材）材料進(jìn)行一體模壓成型[9]，冷卻后取出進(jìn)行修邊鉆孔，如圖5所示。

圖5 在線模壓混合成型工藝[9]

2.2.3 重疊注塑成型工藝

重疊注塑成型工藝，即Over Molding工藝，是1種將連續(xù)纖維增強熱塑性片材與傳統(tǒng)注塑工藝進(jìn)行工藝復(fù)合開發(fā)出的1種新型工藝。該工藝已實現(xiàn)機械自動化，采用機械臂將復(fù)合有機板抓至預(yù)加熱裝置中，軟化后放入模具進(jìn)行合模，直接將有機片材壓制成所需形狀，然后采用注塑工藝成型復(fù)雜加強結(jié)構(gòu)，最終冷卻成型[10]，如圖6所示。

圖6 重疊注塑成型工藝[10]

3 CGFRPP材料性能及解析

CGFRPP材料中玻纖含量對材料的力學(xué)性能影響較大。連續(xù)玻纖含量增加時，材料的拉伸模量、彎曲模量、沖擊強度都有所上升，但隨著玻纖含量的增加，性能提升效果會放緩，并且加工成型難度會驟增，玻纖含量的增加也會導(dǎo)致浸漬效果難以保障。因工藝手段限制與產(chǎn)品定型所需，市面上CGFRPP材料的玻纖含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)多控制在60%～70%。

選用市面上國內(nèi)某2家材料商提供的CGFRPP板材A和板材B（共5種取向），測試材料的玻纖含量、物理性能、熱性能、力學(xué)性能等，結(jié)合國外供應(yīng)商提供的某牌號C，針對材料表現(xiàn)出來的性能，給出微觀結(jié)構(gòu)層次的分析討論。

3.1 材質(zhì)分析

對材料A及材料B進(jìn)行紅外及灰分的測試，驗證2種材料均為PP基材，且材料A中玻纖填充量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，材料B中玻纖填充量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，在此不同玻纖填充量下，其密度分別為1.48 g/cm3與1.61 g/cm3，與樣品C、鋼材和鋁合金的密度對比見表1。

表1 CGFRPP材質(zhì)密度對比

3.2 力學(xué)性能表征及分析

CGFRPP高強度、高模量的性能特點是其在乘用車結(jié)構(gòu)件上實現(xiàn)“以塑代鋼”的前提，并且雙取向材料能彌補單取向材料在某些方向上性能的不足。測試了材料A、材料B、雙取向材料B的拉伸、彎曲、沖擊的相關(guān)性能，與樣品C、鋼材結(jié)果對比如表2所示，并在微觀結(jié)構(gòu)層面加以分析。

表2 CGFRPP力學(xué)性能表征

3.2.1 拉伸結(jié)果分析

對材料A、B而言，0°取向與90°取向樣條在拉伸性能上表現(xiàn)差距極大。無論拉伸強度還是拉伸模量，0°取向的材料性能都顯著優(yōu)于90°取向材料。這是因為0°取向樣條在受拉伸力作用時，其受力方向與連續(xù)玻纖取向方向一致，CGFRPP中大量連續(xù)玻纖承擔(dān)了主要負(fù)荷，因此材料能承受更大的作用力，這是玻纖起到增強效果的機理，同時可以看出，國產(chǎn)材料B在拉伸模量上已大體接近國外材料C，拉伸強度還存在一定差距；90°取向材料受力方向與玻纖取向垂直，力的承接與傳遞更多的依靠PP本體，玻纖橫穿在樣條中使本體作用力薄弱，樣條能承受的力較小。

為避免材料90°取向的力學(xué)弊端，實際使用時應(yīng)采用雙取向或多取向材料。樣品B存在雙取向樣條（由[0°，90°，0°，90°……]鋪疊而成，總厚度為2 mm）。測試表明，樣品B雙取向材料拉伸模量接近20 GPa，拉伸強度達(dá)到446 MPa。車門內(nèi)板鈑金強度約300 MPa，模量約210 GPa。CGFRPP所達(dá)到的拉伸強度已能滿足金屬制件要求，剛性相差近10倍，可通過增加一定厚度滿足需求。

3.2.2 彎曲結(jié)果分析

在強度和剛性方面，無論樣品A還是樣品B，0°取向的材料性能都遠(yuǎn)優(yōu)于90°取向的材料，且差距較大（相差近8倍）。同時，0°取向的樣品A與樣品B彎曲模量均達(dá)到了30 GPa。

另可發(fā)現(xiàn)，無論是0°取向還是90°取向，樣品B（玻纖含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%）材料的彎曲模量均略高于樣品A（玻纖含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%），該結(jié)果表明對含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的玻纖增強塑料而言，質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到70%仍會提高模量，但提升效果有限（低于8%）。與拉伸結(jié)果相同，采用雙取向或多取向材料可有效避免90°取向材料的力學(xué)性能弊端。

3.2.3 沖擊結(jié)果分析

在簡支梁沖擊試驗中，0°取向材料A與材料B均展現(xiàn)出了極高的強度。在該取向下，無論缺口存不存在，樣條均無法被擺錘沖斷，原因是PP基材中加入的連續(xù)玻纖的取向與沖擊力方向垂直，玻纖束能有效分散、承受擺錘的沖擊力，使樣條無法被沖斷。與之相反的，90°取向的2種材料則顯示出極低的強度，試驗過程中采用最輕重量的擺錘也能輕易的沖斷樣條，其測試結(jié)果僅為2～5 kJ/m2，顯示出較差的抗沖擊性，其原因是玻纖的貫穿狀態(tài)降低了PP材料的連接性，使其不耐沖擊。

懸臂梁沖擊試驗結(jié)果與簡支梁沖擊試驗結(jié)果相似，再次表明90°取向的材料抗沖擊能力差，結(jié)合拉伸和彎曲的討論結(jié)果，采用雙取向材料以避免90°取向材料力學(xué)性能缺陷是非常必要的。

3.2.4 熱變形結(jié)果分析

常規(guī)PP熱變形溫度為110℃左右，經(jīng)過連續(xù)玻纖加強后，0°取向的3種樣品熱變形溫度均超過160℃，近乎于PP熔點，這是由于0°向玻纖束對垂直方向的力起到了強力的支撐作用，導(dǎo)致PP基材難以彎曲變形。與之相比，90°取向的2種樣品熱變形溫度低于常規(guī)PP，這是因為90°取向的玻纖在水平方向上無受力點，無法支撐垂直方向上的壓力，并且玻纖含量的增加降低了PP含量，導(dǎo)致與樣品A相比玻纖含量更高的樣品B更容易軟化變形。

4 CGFRPP用于車門內(nèi)板模塊的可行性

4.1 輕量化收益分析

圖7為某量產(chǎn)車門內(nèi)板模塊的圖片，該門內(nèi)板模塊本體采用1種CGFRPP有機片材，先壓制出內(nèi)襯骨架，再用PP-LGF30注塑成型包括玻璃升降導(dǎo)軌在內(nèi)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，背面沿周一圈在線發(fā)泡PU用于密封；將本體作為載體，后續(xù)安裝電機、拉繩、導(dǎo)向輪、玻璃托架、電機固定支架、塑料固定卡扣等部件。前、后車門內(nèi)板模塊的主要區(qū)別在于前門的玻璃升降導(dǎo)軌為雙導(dǎo)軌，后門的為單導(dǎo)軌。

圖7 某量產(chǎn)車塑料門內(nèi)板模塊

將其與現(xiàn)生產(chǎn)同級別乘用車傳統(tǒng)車門內(nèi)板進(jìn)行厚度對比，根據(jù)材料領(lǐng)域剛性替換公式（1）進(jìn)行厚度變化分析。

對鋼質(zhì)門內(nèi)板進(jìn)行有機材料的同剛性替換，替換后的結(jié)果如表3，門內(nèi)板厚度將從鋼鐵材質(zhì)的0.7 mm增加至約1.55 mm，但材料的面密度可降低約53.7%，可見采用復(fù)合有機板有很好的輕量化效果。

表3 CGFRPP材質(zhì)密度對比

實際應(yīng)用的減重效果方面，為方便比較，替換前后大致相當(dāng)?shù)碾姍C、拉繩、玻璃托架、電機固定支架等當(dāng)做質(zhì)量無差異處理。綜合可得，前門減重1.2 kg（減重達(dá)16%），?后門減重1.4 kg（減重達(dá)21%），整車合計可減重約5.2 kg（整車車門減重達(dá)18%）。

4.2 成本投資分析

將CGRFPP前、后車門內(nèi)板模塊替換傳統(tǒng)方案，進(jìn)行成本投資分析。同樣為方便比較，替換前后大致相當(dāng)?shù)碾姍C、拉繩、玻璃托架、電機固定支架等當(dāng)做成本無差異處理。可以得出，整車合計增加材料成本約550～700元。此外，涉及新增投資600～1 000萬元，假定按10萬輛攤銷，每車投資成本增加近60～100元。

4.3 零部件成型分析

零部件成型技術(shù)與供應(yīng)商資源方面，由于雙向乃至多向連續(xù)纖維的限制，材料成型的延展性不好，不能直接成型較復(fù)雜的零部件，通常有機片材經(jīng)壓制作為內(nèi)襯的骨架，背后或周邊的復(fù)雜機構(gòu)則采用塑料模壓、塑料注塑的方式。為保證加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量，塑料注塑這種專門的機組只有國外少數(shù)供應(yīng)商可以生產(chǎn)，投資昂貴，大大限制了該類零部件的工業(yè)化推廣應(yīng)用。

5 結(jié)論

a.CGFRPP材料目前在國內(nèi)市場存在市售資源，熔體浸漬法工藝技術(shù)具有樹脂含量控制精準(zhǔn)、生產(chǎn)效率高、浸漬效果好等優(yōu)點，是成熟的工藝技術(shù)。

b.CGFRPP材料在力學(xué)性能方面表現(xiàn)優(yōu)異，其拉伸強度已經(jīng)堪比一般高強鋼，彎曲模量高表明其抗形變能力突出，材料的耐溫性好，在性能上足以滿足車門內(nèi)板的性能需求。

c.零部件成型技術(shù)尚不普及，供應(yīng)商資源非常少，限制了該類零部件的工業(yè)化推廣應(yīng)用。CGFRPP用于車門內(nèi)板模塊替代傳統(tǒng)方案，整車合計可減重約5.2 kg，材料成本增加550～700元、投資成本增加600～1 000萬元。盡管有較明顯的輕量化收益，車門內(nèi)板的隔音性大為改善，高昂的成本和投資費用是其全面應(yīng)用的最大障礙。

CGFRPP是一類綜合性能優(yōu)異的復(fù)合材料，具備作為結(jié)構(gòu)材料以塑代鋼的可行性，但零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)較薄弱、成型裝備選擇面小、投資昂貴等方面限制了該材料的推廣應(yīng)用。隨著對材料的更充分研究、CAE分析技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的進(jìn)步、國內(nèi)成型裝備的產(chǎn)業(yè)化，預(yù)該材料在未來汽車上的應(yīng)用會有長足的發(fā)展。