摘要：從成型工藝、原材料、應用優(yōu)勢、應用實例等方面闡述了連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料在汽車上應用的情況和發(fā)展趨勢。
關鍵詞：連續(xù)纖維；熱塑性;；復合材料；汽車
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。
筆者主要介紹CFT在汽車上的應用。CFT根據(jù)增強纖維的類型可以分為玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和聚對苯撐苯并二唑(PBO)纖維等;目前市場上應用較多主要是玻璃纖維和碳纖維。相對于碳纖維CFT，玻璃纖維CFT雖然力學性能有所降低，但是成本降低較大，在汽車工業(yè)中使用得更多。
1、成型工藝
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
1.2 原位拉擠工藝
1.3 模壓工藝和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(gòu)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?？藙谒宫敺坪虴NGEL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(shù)命名為Fiber-Form，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(shù)。
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。
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)、Ten-Cate(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。
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(gòu)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:
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(gòu)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(gòu)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(gòu)。除了結(jié)構(gòu)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(gòu)件上，2014年雷諾公司和DuPont公司做出了有意義的嘗試。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。
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(gòu)件，還有底盤結(jié)構(gòu)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。
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。
5.2 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(gòu)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。
來源：上海塑料
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