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长纤维增强热塑性复合材料的三大汽车应用

作者:千赢国际  来源:千赢国际  时间:2019-10-02 16:32  点击:


  长纤维增强热塑性复合材料(Long fiber reinforced thermoplastic composites, 简称 LFT),一般是指长度在 6.3mm 以上的纤维增强热塑性树脂复合材料。纤维包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等常见纤维,热塑性树脂主要包括聚丙烯(PP)、尼龙(PA)、聚酯(PBT)等塑料,市面上大部分长纤维为玻璃纤维,所以该材料也被称为长玻纤(LGF)。相对于短纤维,长纤维在制品中能保留更长的玻璃纤维,所以具有更高的冲击韧性和弯曲拉伸强度,抗蠕变性能大幅度提高,尺寸稳定性也有改善。

  2003年,Mazda 6安装了全球第一款长纤维聚丙烯的前端模块,整个前端模块重量在3.5公斤,从而开始了长玻纤在前端模块的正式应用。据统计数据推算,预计在未来5年(2019~2024),全球塑料前端模块增长率为6%,现阶段前端模块材料集中在金属(市场占有量 40%),尼龙6+30%GF与金属复合或尼龙6+60%GF(市场占有量 25%),聚丙烯复合材料LGF30、LGF40,含少量D-LFT、GMT(市场占有量 35%),其中长玻纤前端模块经过10多年的发展,已经得到越来越多的OEM 认可,包括中国的汽车制造商如吉利、长城、广汽、上汽等主机厂,都已经开始批量使用长玻纤产品,替代传统的金属和尼龙前端模块。

  作为发动机周边的零部件,一般选择具有耐热老化的 30%-40%的长纤维增强聚丙烯材料,以40%长纤维为例,材料要求:

  ◆长期耐热老化:150 ℃,1000h不粉化或者140℃,1000h性能保持率75%

  从材料角度,主要是保证材料的长期热老化性能与成型加工性能,所以在配方上必须加入优化的抗热老化助剂,包括主抗氧剂、副抗氧剂、长期耐热剂等,导致很多材料企业并不具备开发这类产品的能力。同时热老化周期一般在1000小时,评价时间较长,很多主机厂在选择材料的时候,并不能迅速判断材料的可靠性是否满足长时间的老化要求。而为了保证好的成型加工性能,需要选择更高流动性的聚丙烯基材,这在一定程度上也降低了材料的分子量。

  在模具方面,还需要优化喷嘴、主流道、浇口、拐角等地方的尺寸与角度,以保证最终制品中的玻璃纤维长度。因为玻璃纤维会随着流动而被剪切,过程中玻纤长度逐渐变短,如果剪切过高,最终制品中的纤维长度并不能满足设计要求,根据经验值,一般要求最终制品玻璃纤维长度在2mm以上,才能达到长纤维的基本性能,判断是否达到此长度,通常的做法是截取零部件的不同部位进行灼烧,并测试剩余玻璃纤维的平均长度。

  未来随着混合动力汽车的推广应用,发动机舱温度可能会更高,所以尼龙前端模块或者长纤维增强的尼龙前端模块可能会更多使用,同时纯电动车对轻量化的追求,长碳纤维增强聚丙烯或者尼龙、局部单向片材增强、微发泡技术等轻量化技术也有可能进入前端模块市场。

  仪表板骨架上需要安装各种仪表,要求高刚度和尺寸稳定性,同时需要安装副安全气囊,满足安全气囊在低温-35℃和高温80℃的爆破要求,所以也属于安全部件,要求较高的抗冲击韧性和耐高低温性能。随着生活水平的提高,对内饰要求的要求也更加高档,软质仪表板的使用也是越来越多,仪表板骨架材料也从最先的PP-EPDM-TD30、TD20、PC/ABS和SMA+GF材料到现在改用玻璃纤维增强聚丙烯材料。长玻纤材料的一个特点是低温冲击强度比常温冲击强度更高,所以该材料的使用,提高仪表表骨架的气囊安全保护性能,同时,将仪表板骨架从3mm减薄到2.2mm,从而实现了该零部件的轻量化。

  为了进一步提高材料性能,降低重量,改善尺寸稳定性和翘曲缺点,宝马公司引入了结构化学发泡(SGI)工艺。该工艺的特点是将长玻纤塑料和化学发泡剂混合后进入料斗,高速注塑进入模腔,然后再利用模芯后退工艺(Core-Back 工艺),给出发泡空间,进而获得较大发泡倍率,得到更高倍率的发泡结构件,根据模芯后退的程度来控制发泡倍率。在2017 Mini Countryman微型跨界多功能车 (CUV) 的仪表板骨架上,就使用了该工艺,其减重效果达到15%。

  除了宝马公司的SGI化学发泡工艺,业界也采用Mucell物理发泡与长玻纤结合的成型工艺,以获得减重与降低翘曲的仪表板骨架,但在早期的开发中,Mucell的发泡剂分散机构,很容易导致玻璃纤维的折断,不能保证最终制品中玻璃纤维长度,所以在使用Mucell工艺时,需要和注塑机企业讨论其工艺的实用性。

  长玻纤在仪表板骨架的开发目前在国内的OEM使用还不多,除了结构较为复杂,厚度较薄、翘曲仿真难度较大之外,还因为前面提到副气囊的安全技术、整体产品的翘曲变形等问题,目前国外普遍采用有机纤维作为气囊保护装置,可以采用类似嵌件注塑的工艺一次成型。而国内还是以采用TPO弹性体为主的安全气囊支架技术,该技术需要先成型TPO安全气囊支架,然后利用焊接或者卡扣安装到仪表板骨架上面,再通过表面火焰处理后进行聚氨酯PU发泡等。

  长玻纤仪表板的另外一个挑战来自于零部件气味的控制,因为玻璃纤维表面浸润剂有气味,而玻璃纤维与聚丙烯的相容剂马来酸酐接枝聚丙烯也带入一 定的酸味,根据VDA270要求,很多主机厂将气味等级定义为3.0级,同时按照VDA277,总碳挥发也要求控制30ppm以下,这要求从长玻纤的配方、加工、后处理、注塑成型等工艺都需要特殊的处理,才能满足主机厂的严苛标准。

  后尾门目前普遍使用还是以金属结构为主,国外的日产、宝马等主机厂,已经逐步采用长玻纤的全塑后尾门技术,全塑后尾门一般包括外板和内板两部分,外板主要采用可喷涂的滑石粉填充聚丙烯材料,保证零部件的外观,而内板主要起增强作用,多采用玻璃钢 SMC 或者 30%~40% 长玻纤增强聚丙烯材料,两个板之间,采用胶粘等技术,保证后尾门的结构性与外观性要求。

  零部件企业方面,日立化成在这块开发比较全面,其产品包括日产Infiniti EX、Infiniti FX、Murano等车型,在国产的日产英菲尼迪Infiniti QX50和奇骏Rogue都已经使用了全塑后尾门产品。同时彼欧、麦格纳、佛吉亚等企业,在全塑后尾门都拥有自己的专利技术,上图是全塑后尾门爆炸示意图,通过长碳纤维、局部单向带材增强等技术,可以获得更大规模的减重效果。

  ◆ 整体结构比较复杂,集成了扰流板、后尾门玻璃、车灯、后尾门外板、 后尾门内板,在设计和配合方面要求很高,整体开发费用昂贵,内板和外板都是需要大型注塑机,并且零部件容易产生翘曲变形,导致两个零部件最后很难配合在一起。

  ◆ 内板与外板、两块板与玻璃之间, 因为材料的线膨胀系数不一致,所以只能采用胶粘的工艺,因为聚丙烯是非极性材料,其表面还需要进行火焰等极化处理,工艺复杂,专用胶的成本也高, 很多一级供应商如果没有涉及这块,开发成本增加较多。

  ◆ 内板的大部分是可视部位,所以对长玻纤注塑件的外观要求比较高,通用的做法是在制件表面做皮纹,以掩饰浮纤的缺陷,但也带来别的问题,如皮纹的耐磨问题,玻璃纤维莫氏硬度在6.5~7.5之间,皮纹容易磨损,相关的实验数据积累并不多。

  ◆ 后尾门涉及碰撞要求,所以在安全碰撞仿真、结构仿真和成型仿真等方面要求非常高,目前长玻纤产品的相关积累,如剪切模量、线膨胀系数、泊松比、疲劳强度等数据,都相对比较薄弱, 就算是做出仿真数据,和真实成型后的零部件差异对比,也都是在摸索阶段。

  长玻纤经过几十年的发展,特别是国内长玻纤企业也越来越多,目前在低端市场无序竞争激烈,而随着短玻纤的技术突破,对长玻纤的市场也带来新的挑战,长玻纤要获得新的技术突破,在以下几个方面还需要加强。

  ◆ 仿真数据的健全,如前文提到,目前的汽车开发,都是要求快速和低成本,对各种仿真的准确性要求就会更高,宝马在其成本控制目标里面,明确提到仿真技术的大规模使用,而长玻纤因为其玻纤取向等问题,属于各向异性材料,所以基础数据的准确性,联合仿真的应 用来提高准确性,是下一步的重点开发方向。

  ◆ 长玻纤因为含有玻纤,只能在非可视的发动机周边,仪表板骨架开始成熟应用,而对于可视零部件的开发较少,如长玻纤直接成型硬质仪表板技术,目前都还是处于前期开发阶段,提高玻璃纤维的浸透性、减少注塑浮纤也会成为一个新的方向。

  ◆ 低气味、低 VOC 的环保材料开发, 前文提到,在汽车内饰件的气味方面,长玻纤还有一定的差距,而国家法规、民众的感官要求,迫使主机厂提高其标准,所以低气味的长玻纤复合材料,会更加受到主机厂工程师的欢迎。

  ◆ 工业 CT 在测试长玻纤的玻璃纤维长度、长度分布和取向的应用,目前玻璃纤维在树脂中的形态、长度等方面,还是处于黑匣子状态,没有明确的数据与统计,将来通过工业CT的应用,进一步确定零部件中玻璃纤维形态与取向,为设计工程师提供更全面的数据,作为增值服务,也将提升自身竞争力。

  ◆ 化学和物理发泡技术在长玻纤进一步应用,发泡技术需要材料、设备、工艺、设计等各方面的应用与仿真,特别是在宝马系列仪表板上的成功开发,将拓宽其汽车特别是新能源汽车的规模应用。

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