长玻纤增强型材料在汽车前端模块中的应用盛治华安康（上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海２０１８０４）【摘要】介绍长玻纤增强型材料的定义、种类，从力学角度研究玻纤长度对材料机械性能的影响。最后阐述长玻纤增强型材料完全可以取代钣金用在汽车前端模块上，实现轻量化。【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅｃｈａｎｉｃｓ．Ｔｈｅｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎａｎｄｃａｔｅｇｏｒｙｏｆｌｏｎｇｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｍａｔｅｒｉａｌｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ｔｏＴｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｌｅｎｇｔｈｏｆｆｉｂｅｒｇｌａｓｓｍｅｃｈａｎｉｓｍｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓｓｔｕｄｉｅｄｆｒｏｍｔｈｅａｓｐｅｃｔｏｆｍｅ—ｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｌｏｎｇｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｍａｔｅｒｉａｌｃｏｕｌｄｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｔｈｅａｍｅｔａｌｍａｔｅｒｉａｌｕｓｅｄｉｎＦｒｏｎｔＥｎｄＭｏｄｕｌｅ，ａｎｄｂｒｉｎｇｗｅｉｇｈｔｄｅｃｌｉｎｅ．【关键词】长玻纤前端模块汽车ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－４５５４．２０１３．０９．１５尤其是纤维增强型的复合材料。常用的是以热塑１轻量化材料的研究现状寻求轻量化材料是汽车材料技术发展的一个性树脂（ＰＰ、ＰＡ等）为基体，以玻纤为增强填料的复合材料。除了使用玻璃纤维做增强外，还有更高级的碳纤维以及合成纤维，但碳纤维由于成本过高、生产节拍低、不能满足汽车量产的生产需求等因素，目前还未大规模使用。玻纤增强的复合材料已成为汽车工业的主要原材料之一，其优势在于拥有优良的材料特性、良好的经济性、大量供应的可能性、较好的可回收性。玻璃纤维增强型热塑性复合材料具有低密度、设计自由度高、耐腐蚀、抗冲击以及吸收震动等优点。重要方向，尤其是面临全球气候变暖及能源危机的大形势。汽车轻量化是降低汽车排放、提高燃油效率的最有效措施之一。研究显示，汽车的自身重量每减少１０％，燃油的消耗可降低６％～８％。预计未来１０年内，轿车自身重量还将继续减轻２０％以上，轻量化将成为汽车厂家持续研究的课题。目前汽车轻量化在材料方面主要考虑２个途径：（１）采用高强板以及低密度的合金材料，比如铝合金、镁合金、钛合金等。然而，这些材料不仅成本高昂，而且需要解决因材料替代而引发的相关问题。（２）“以塑代钢”，采用塑料、复合材料。长玻纤增强型聚丙烯作为汽车前端模块中较多选用的材料，不仅能有效地提高制品的刚性、抗冲击强度、抗蠕变性能和尺寸稳定性，而且允许前端模块形状复杂化，从而可以最大程度地集成模出版社，１９９７．［２］洛津斯基．感应加热的机械应用［Ｍ］．上海：科学技术因分析［Ｊ］．失效分析与预防，２００６，ｌ（２）：７・１２．［４］张栋，钟培道，陶春虎等．失效分析［Ｍ］．北京：国防工出版社，１９６２．［３］冯继军，郭文芳．汽车发动机曲轴常见的失效形式及原业出版社．２００５：８７—１７３．［５］王笑天．金属材料学［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８７：６１．收稿日期：２０１３—０４—１０上海汽车２０１３．０９・５５・万方数据块化。Ｌ丌与短纤维增强热塑性复合材料相比的优点是纤维长度较长，可明显提高制品的力学性能；２常用的长纤维增强热塑性材料比刚度和比强度高，抗冲击性能好，特别适合汽车结构件；耐蠕变性能提高，尺寸稳定性好，部件成型精度高；耐疲劳性能优良；在高温和潮湿环境中的稳定性更好；成型过程中纤维可以在成型模具中相对移动，纤维损伤小。但随着玻纤长度的增长，不可避免的会出现玻纤外漏现象，影响制件表面美观度，可通过调整模具表面工艺或在制件可视区域喷漆或者增加皮纹等措施来消除。３．２玻纤长度对纤维增强型复合材料的影响（Ｌ丌）种类长纤维增强热塑性复合材料（ＬＦＴｒ）是一个广义的塑料专用词汇。目前市面上常见的ＬＦＴ材料可分为３类：ＧＭＴ、ＬＦＴ－Ｄ、ＬＦＴｒ－Ｇ。以上三者皆属于Ｌ丌范畴，具有低密度、高比强度、高比模量和抗冲击性强等特性，具体组成形式见图１所示：聚丙烯颗粒玻璃纤维在玻纤增强型复合材料中，玻纤起主要承载作用，作为基体的树脂主要承担应力传递作用。根据非连续性玻纤增强型复合材料应力传递理论，假设玻纤是线弹性的，且玻纤与基体树脂在界面上完全结合。取玻纤及其周围基体树脂的一个呈圆柱状的体积单元为研究对象（如图２所示），盯为体积单元的应力；ｒ。为界面上的剪切应力；ｏｒ，为玻纤的应力；ｒ为玻纤半径，ｓ为玻纤的长度。根据力的平衡理论，忽略纤维端部应力，则可得出纤维应力与界面剪应力的关系式为图１ＬＦｒ类别昨丌２ｒ：ｆｒ。２订ｒｄｘ三者的生产工艺及加工设备区别见表１。表１类别ＧＭＴ旷＊ｒ。ｄｘ（１）ＧＭＴ、ＬＦＴ－Ｄ、ＬＦＴ－Ｇ生产工艺比较生产原料半成品材料板材无工艺及设备板材＋加热＋压机双螺杆挤出机＋压机注塑成型ＰＰ＋纤维＋添加剂ＰＰ＋纤维＋添加剂ＰＰ＋纤维＋添加剂Ｕ叮．ＤＬＦＴ．Ｇ粒料ＧＭＴ与ＬＦＩ’．Ｄ均采用模压工艺，由于具有较长的玻纤，其机械性能会好于ＬＦＴｒ—Ｇ，早期的塑料前端框架多数采用这两种材料，随着ＬＦＴｒ．Ｇ材料性能的逐渐提高，注塑工艺对零件的结构设计自图２体积单元受力图在理想刚塑性状态下，丁，为恒定值，由此得出ｏｒｆ：２—％—ｘ由度要高于模压工艺，ＬＦＴ—Ｇ越来越多地被应用。３３．１２＿（２）ＬｚＪ由式（２）可知，玻纤的应力为玻纤长度并的一ＬＩ叮材料性能长玻纤与短玻纤增强型材料比较次函数，当ｘ＝ｓ／２时，为最大值。玻纤的应力沿纤维方向的变化情况如图３所示。ｓ，为纤维中点的最大拉应力恰好等于纤维的断裂强度时的纤维长・５６・上海汽车２０１３．０９万方数据度（临界长度），盯ｍ为纤维的拉伸强度。方案重量／ｋｇ价格／元表２重量、成本对比金属方案约７．５约１８０塑料方案约３．５约１２５种工艺路线可供选择，包塑：ＰＡ６＋ＧＦ与金属件复合；纯塑料注塑：ＬＦＴｒ．Ｇ；纯塑料模压：ＧＭＴ，Ｌ兀’。ｓ＜ｓ；ＳＩｓｃｓ＞ｓｃ其对比状态见表３。表３方案图３理想刚塑性状态玻纤应力沿纤维方向的变化情况塑料前端模块工艺路线对比纯塑料注塑较轻较低一般较好，可适用较复杂的结构途观、朗逸…纯塑料模压较轻较低好一般，对结构复杂性要求较高高尔夫…金属骨架包塑较重较高较好较好，可适用较复杂的结构智跑、福克斯…对图３分析可知：当Ｓ＜ｓ，时，纤维沿长度方向的平均应力＜盯ｍ／２；当ｓ＝ｓ。时，纤维沿长度方向的平均应力为盯ｍ／２；当ｓ＞ｓ。时，纤维沿长度方向的平均应力为（１—８ｃ／２ｓ）盯ｍ，ｓ／ｓ。越大，纤维沿长度方向的平均应力越接近盯ｍ，也就是增强效果越好，当ｓ／ｓ，＞ｌ时，即变为连续纤维。当ｓ＝ｓ．重量成本强度工艺性应用时，非连续纤维增强的效果仅有连续纤维的５０％，当ｓ＝１０ｓ，时，非连续纤维增强的效果可达到连续纤维的９５％。可见，纤维长度的增加会提高复合材料的强度，所以采用长玻纤作为增强填料，得到的制品强度比短玻纤要高。长玻纤作为增强填料能够很好地改善材料的力学性能，可以用在车身结构件上替代钣金件，达到轻量化的效果。从表３可知，随着集成化程度不断提高，前端模块的结构会越来越复杂，综合考虑低成本、轻量化等多方面因素，纯塑料注塑工艺将逐渐成为前端模块的主流路线。国内外各大主机厂也都在积极开发纯塑料注塑前端模块，有一些最初使用了包塑或模压工艺的厂家也在朝着纯塑料注塑工艺转变，较普遍的材料为ＰＰ＋ＬＧＦ３０或者ＰＰ＋ＬＧＦ３５。４Ｌｎ’在前端模块的应用汽车前端模块主要起承载冷却模块及发盖锁５结语ＬＦｒ前端模块作为汽车轻量化设计的一个方的作用，随着集成化程度越来越高，越来越多的零件都要固定在前端模块上，比如前大灯、缓冲块、正碰传感器、小腿保护杆、前缓冲梁等。如果继续面，已经在国内外很多汽车厂批量使用，其重量轻、成本低，可提升集成化程度，提高整车装配效率。长玻纤能够大幅提高制件的结构性能，满足使用传统的金属材料，难免会大大增加重量和成本。长玻纤增强型材料可以完全取代金属材料用于前端模块上，达到轻量化目的，减重达３０％一５０％。目前。大众和马自达等合资企业已有较普遍的应用，各大自主品牌车企也在积极研发，由表２中可以看出，改用长玻纤增强型材料后，无论是功能需求。本文分别介绍了ＬＦＩ＇材料种类，从力学角度研究了长玻纤能够提高材料的力学性能，最后介绍了ＬＦｌ’在前端模块上的应用。参考文献［１］曹堑，王开立，姚臻．聚磷酸铵的改性及其对聚丙烯阻重量还是成本都有明显下降，可谓“质轻价廉”。前端模块的结构和材料选择，对功能最佳化燃特性的研究［Ｊ］．高分子材料科学与工程，２００７，２３（４）：１３６－１３９，７３－７６．以及成本和重量的最低化有着重要的意义。以ＬＦＴｒ为原料的前端模块，目前国内外较普遍的有３上海汽车２０１３．０９［２］蒋鼎丰．ＧＭＴ汽车前端模块框架制造技术［Ｊ］．汽车与配件，２００６（４９）：３０－３１．・５７・万方数据
