長玻纖增強型材料在汽車內(nèi)外飾中的應用

房彥明，尹恩洋，崔健華

摘要：闡述了玻纖維應用相關的概念，介紹了長玻纖維增強型材料的屬性。探討了長玻增強型材料在汽車內(nèi)外飾中的應用及技術要點。旨在為長玻纖增強型材料在汽車裝飾中的應用提供一些參考思路。

關鍵詞：長玻纖增強型材料；汽車裝飾；性能；應用；復合材料

眾所周知，汽車燃油效率與其整備質(zhì)量有著緊密的關系。汽車自重越輕，其油耗越低，因此，汽車輕量化設計及制造是現(xiàn)代企業(yè)加工領域研究的一個重點課題。所謂輕量化，即在確保汽車強度及安全的基礎上，盡可能降低汽車整備質(zhì)量，來達到改善汽車動力性能、降低油耗、減少排氣污染的過程。研究表明，汽車整備質(zhì)量每降低1%，其油耗可降低0.7%；汽車整備質(zhì)量每降低10%，其油耗效率可提升6%～8%?；诋斚氯蛏鷳B(tài)惡化、資源緊缺的現(xiàn)狀，以及生態(tài)環(huán)境保護的需求，汽車輕量化設計及制造已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車領域發(fā)展的必然趨勢。研究該課題對于實現(xiàn)汽車車身輕量化有著重要的意義。

概念界定

1.長玻纖材料

長玻纖材料是相對于短玻纖材料的一個概念，具體指高性能長玻纖維增強塑料（高性能長玻纖材料）。該材料的加工采用了線纜包覆擠出成型技術。該工藝技術的優(yōu)點在于材料不經(jīng)過螺桿剪切。其材料的抗沖擊強度、剛性、彎曲強度、拉伸強度、耐熱性能、尺寸穩(wěn)定性及耐疲勞性等更優(yōu)。長玻纖增強材料的應用場景非常廣，包括汽車內(nèi)飾和汽車外飾。其中采用熱塑工藝加工后的材料主要應用于汽車內(nèi)部承重部件。將長玻纖材料應用于汽車裝飾，有利于通過改善零部件綜合性能和降低汽車自重，來實現(xiàn)汽車制造的節(jié)能減排目標。

2.PP復合材料

PP復合材料即聚丙烯，具體是指材料成分中含有大量纖維PP的材料。其纖維通過機械或氣流加工成網(wǎng)，經(jīng)過水刺、針刺、熱軋、優(yōu)化組合等工藝加固制成表面改性的新型材料。它是一種無色、無毒、無臭、半透明的固體熱塑性合成材料。PP復合材料具有質(zhì)量輕、密度小、通用性好、加工性能優(yōu)、耐熱性好、耐應力開裂好及化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點。研究表明，對PP復合材料添加納米粒子和彈性體，就可以改變其三元復合體中的微觀結構，實現(xiàn)PP復合材料的改性。近年來，國內(nèi)外對于PP復合材料改性的課題研究關注度較高[1]。目前，國內(nèi)PP復合材料的改性主要側重于對韌性和剛性的提升，且現(xiàn)有增強PP復合材料韌性、剛性的研究多以犧牲其他性能為前提，對于優(yōu)化復合材料各種性能指標而言是不利的。

3.增強材料

增強材料指復合材料中有利于提高基體材料機械強度、彈性模量等力學性能的材料。增強材料的綜合優(yōu)勢較普通纖維材料而言要強。增強材料不僅具有提升熱變形溫度和降低收縮率的優(yōu)勢，還在電、磁、熱等方面都能賦予復合材料全新的性能。如玻纖維、碳纖維、硼纖維等，都是典型的增強材料。應用增強材料工藝技術對PP復合材料進行改性，可以解決傳統(tǒng)聚苯烯基礎理論及應用中犧牲其他性能改變韌性、剛性的問題，從而使其各項指標得到相對的優(yōu)化。

長玻纖增強型材料的屬性

1.長玻纖材料基本屬性

長玻纖增強型材料具有高強度、高剛性、高抗沖擊強度、高抗蠕變、高耐疲勞、高耐熱性、高尺寸穩(wěn)定性等基本屬性。其抗沖擊強度為普通纖維材料的2～3倍，彎曲強度、模量、拉伸強度是普通纖維材料的一倍，耐熱變形溫度較普通纖維材料高出30倍。它的縱橫向收縮率都要較普通纖維材料低很多[2]。

2.工藝屬性

長玻纖增強型材料的改性采用了PP注塑工藝。改工藝的制備溫度為200～220℃，模溫為80℃，改性加工時無需干燥處理。當加工過程中出現(xiàn)變色、粘膜等問題時，可通過適當降低料溫度來解決。長玻纖增強型材料的強度由加入增強材料的比例所決定。如圖1所示，當增強材料混合比例在總材料比例中的占比越高，所制成的長玻纖增強材料的強度越高。

在汽車內(nèi)外飾中的應用

1.前端模塊

前端模塊的集成化程度非常高，包括前緩沖梁、小腿保護桿、正碰傳感器、緩沖塊及前大燈等。這些零部件集中在一起，對于前端模塊本身而言荷載較重。如果前端模塊再采用重量較重的金屬材料，則會增加前端模塊的自重。采用長玻纖增強型材料替換金屬材料作為前端模塊，就可以充分利用長玻纖增強型材料自重輕的特點為前端模塊減重。以馬自達、大眾等車輛為例，替換長玻纖增強型材料加工前端模塊，采用PP+30%LGF注塑成型前端支架，并由它整合托架、冷凝器、喇叭、散熱器等作為汽車的前端模塊，前端模塊的自重減重量可達30%～50%。目前，在國內(nèi)長纖維增強PP材料已經(jīng)應用至奇瑞艾瑞澤7、長安逸動、福特、大眾等汽車的前端模塊[3]。

2.發(fā)動機裝飾罩

發(fā)動機裝飾罩位于發(fā)動機正上方，其工作環(huán)境面臨的溫度為120～－40℃。它在機艙內(nèi)所處的位置使其難免發(fā)生來自于汽油、剎車油、發(fā)動機冷卻液等方面的侵蝕。同樣，受行車途中振動影響，金屬材質(zhì)的罩蓋一方面更容易發(fā)生沖擊性磨損及加劇腐蝕作用，另一方面裝飾罩質(zhì)量較大會增加油耗和生產(chǎn)成本。將長玻纖增強型材料應用于發(fā)動機裝飾罩的生產(chǎn)，既可實現(xiàn)裝飾罩的輕量化，又能滿足裝飾罩工作環(huán)境所需要的溫度、強度等要求。此外，長玻纖增強性材料加工而成的發(fā)動機裝飾罩表面潔凈不易刮花，其材料本身不易變形、破裂、掉色，外觀整體較好。例如上汽通用五菱部分車中就應用了PP-LGF30款長玻纖增強材料。以PP-LGF30為例，研究長玻纖增強型材料在汽車發(fā)動機裝飾罩中應用的優(yōu)勢，通過對上海通用五菱發(fā)動機裝飾罩的性能測試，結果表明采用PP-LGF30加工而成的發(fā)動機裝飾罩外觀、老化試驗、耐燃油試驗、模態(tài)試驗、振動試驗等多項指標不僅合格，還較普通金屬材料加工而成的裝飾罩綜合性能優(yōu)，加工成本低，汽車油耗低。PP-LGF30加工而成的發(fā)動機裝飾罩，在上汽通用五菱汽車中的應用表現(xiàn)為其自重降低22%時，加工能耗大幅降低，汽車油耗降低，裝飾罩材料加工綜合成本可降低23%～36%，可見長玻纖增強型材料在發(fā)動機裝飾罩中的綜合應用價值較高。

3.車門內(nèi)襯板模塊

傳統(tǒng)汽車制造車門內(nèi)襯模塊多用金屬材料加工而成，一方面存在易銹蝕的問題，另一方面行車當中易產(chǎn)生噪聲。以馬自達J48C為例，將長玻纖增強性材料應用于車門內(nèi)襯板模塊，采用PP+LGF30替代傳統(tǒng)的金屬材料作為車門內(nèi)襯板模塊，車門內(nèi)襯板模塊自重可減輕30%。該部位自重減輕后就可以集成更多的元件，豐富車門的功能。如防盜裝置、揚聲器、車門玻璃升降器、智能門鎖等。同時，這種設計還可以解決車門內(nèi)襯銹蝕和行車噪聲嚴重的問題[4]。

4.蓄電池托架

蓄電池托架位于機艙內(nèi)部，由支架固定在前縱梁上。一般汽車蓄電池的質(zhì)量在16kg左右，行車途中因顛簸振動，側面易發(fā)生機械性磨損。此外，蓄電池托架工作環(huán)境相對惡劣。最高溫度可達120℃，最低溫度－40℃。磨損部位裸露在空氣中，易發(fā)生銹蝕、氧化等問題。又因蓄電池托架所處位置易接觸機油、水，加劇了托架的銹蝕、腐蝕風險。如果采用鋼板一次沖壓成形的托架，托架自重較重，行車時受轉(zhuǎn)速、加速、減速過程中振動力影響較大，托架更易發(fā)生損壞。將長玻纖增強型材料應用在蓄電池托架上，使托架自重減輕，更易固定，且固定后穩(wěn)固性更好，受行車影響更小。相對于普通的金屬材料，綜合性能更優(yōu)的長玻纖增強材料可達到＞150℃的熱變形溫度要求，且耐疲勞程度高，熱塑性好，便于回收再利用。

此外，長玻纖增強材料采用注塑成型工藝加工而成，其材料本身強度高，注塑工藝又可以滿足其加工成形為各類結構復雜的零部件，非常適合蓄電池托盤這種結構復雜的零部件加工用材。目前，蓄電池托架加工常用的長玻纖增強型的材料有PP-LGF40。它的彈性模量可以達到7800MPa，而它的剛度、彎曲強度、屈服強度、強度及耐熱性、耐疲勞等屬性完全符合其在蓄電池托架中的應用。它的應用將極大地減輕蓄電池托架的重量，減少行車中應蓄電池振動而產(chǎn)生的噪聲及托盤自身的磨損，有效延長了托架使用的壽命，降低了蓄電池托架的生產(chǎn)成本，綜合應用價值極高。

5.尾門

汽車尾門的立體結構非常復雜，加工工藝難度高，壓模生產(chǎn)周期長，且傳統(tǒng)壓模工藝加工而成的尾門循環(huán)利用率偏低。針對這一問題，采用長玻纖增強材料加工工藝生產(chǎn)尾門，可充分發(fā)揮長玻纖增強材料的基本屬性和工藝屬性，利用注塑工藝加工尾門復雜的立體曲面結構并進行尾門減重設計。相對于傳統(tǒng)的金屬材料尾門，使用長玻纖增強型材料的尾門不僅力學利用率高，且在保證尾門結構強度、工作環(huán)境溫度等安全性要求的基礎上，其材料的重復利用率高達95%，尾門減重可達30%，生態(tài)環(huán)保性能好，生產(chǎn)能耗低，綜合應用價值極高[5]。目前，已有奇瑞、吉利等國產(chǎn)品牌汽車及雷諾Clio、福特KUKA、日產(chǎn)奇駿、東風標致308s等合資車型實現(xiàn)了長玻纖增強型材料在尾門中的應用。

6.儀表板骨架

儀表板骨架一般集成汽車的信息系統(tǒng)、舒適性系統(tǒng)、駕駛控制系統(tǒng)等，是非常重要的內(nèi)飾模塊。該模塊首先需要為其他系統(tǒng)提供一個好的內(nèi)部環(huán)境；其次需要有較好的防碰撞保護設計；再者，其結構本身需要較好的承載能力和多功能的存儲空間；最后，還需要一個感官良好的外觀。長玻纖增強型材料的工藝屬性有效地保證了注塑加工過程中具有較好的流動性和較高的彎曲模量，而其材料本身的輕質(zhì)、高強度等基本屬性可以滿足結構的承載功能。采用注塑工藝加工、薄壁儀表板骨架，在確保儀表板骨架結構安全和各系統(tǒng)使用安全的基礎上，可實現(xiàn)該結構自重減重20%的效果[6]。目前，東風標致、奔馳、寶馬、福特KUGA、長城的部分車型，已經(jīng)實現(xiàn)了長玻纖增強材料在儀表板骨架中的應用。

結語

綜上所述，長玻纖增強材料在汽車內(nèi)外飾中的應用非常廣泛，包括在前端模塊、發(fā)動機裝飾罩、車門內(nèi)襯板模塊、蓄電池托架、尾門及儀表板骨架等方面的應用。上述部位應用長玻纖增強材料裝飾的優(yōu)點在于改善零部件綜合指標性能，在保證汽車安全性的前提下降低汽車各部構件的質(zhì)量，實現(xiàn)汽車整車的輕量化。

參考文獻：

[1] 方瑞，李蘭軍.長玻纖增強阻燃材料在蓄電池隔板中的應用[J].江蘇科技信息，2023（24）：51-55.

[2] 周琴平，張云青，楊良玻，等.長玻纖增強聚丙烯材料特性及其在汽車前端框架應用的設計方法[J].汽車實用技術，2021（14）：78-83.

[3] 李彬，謝靜雅，付丹.長玻纖增強PP材料在汽車上的應用[J].時代汽車，2017（24）：78-79.

[4] 蔣艷云，藍先，李堅，等.長玻纖增強PP材料在發(fā)動機裝飾罩蓋上的應用研究[J].汽車零部件，2017（1）：30-33.

[5] 邵萌，王燕文.長玻纖增強材料在汽車塑料尾門中的應用[J].汽車零部件，2016（5）：86-89.

[6] 盛治華，安康.長玻纖增強型材料在汽車前端模塊中的應用[J].上海汽車，2013（9）：55-57.