長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料在汽車部件上的研究與應(yīng)用，是近年來的熱點(diǎn)之一。本文簡(jiǎn)述長(zhǎng)短玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料的特點(diǎn)，對(duì)長(zhǎng)玻纖塑料在前端模塊、儀表板骨架、車門模塊等典型部件應(yīng)用進(jìn)行分析。
 
    長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯塑料指含有玻璃纖維長(zhǎng)度在10到25mm的改性聚丙烯復(fù)合材料，經(jīng)過注塑等工藝形成三維結(jié)構(gòu)，英文為L(zhǎng)ongGlassFiberpolypropylene，簡(jiǎn)寫為L(zhǎng)GFPP。國(guó)內(nèi)外亦有很多資料將長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)FT，即Long-fiberreinforcethermoplastic的縮寫。從材料定義看，LGFPP屬于LFT的一種。
 
    材料特點(diǎn)

    微觀結(jié)構(gòu)決定宏觀性能，因此10~25mm長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)塑料(簡(jiǎn)寫LGFPP)相比普通4~7mm短玻纖增強(qiáng)塑料(簡(jiǎn)寫GFPP)具有更高的強(qiáng)度、剛度、韌性，以及尺寸穩(wěn)定性、翹曲度低等優(yōu)勢(shì)。此外，長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料即使經(jīng)受100℃的高溫也不會(huì)產(chǎn)生明顯的蠕變，且比短玻纖增強(qiáng)聚丙烯有著更好的抗蠕變性能。
 
    在注塑成品上，長(zhǎng)玻纖交錯(cuò)成立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即使聚丙烯基材灼燒后，長(zhǎng)玻纖網(wǎng)絡(luò)仍形成一定強(qiáng)度的玻纖骨架，而短玻纖灼燒后一般則成無強(qiáng)度的纖維骨架。造成這種情況，主要因?yàn)樵鰪?qiáng)纖維的長(zhǎng)徑比值決定增強(qiáng)效果，臨界長(zhǎng)徑=L/D，臨界長(zhǎng)徑比小于100的填料和短玻璃纖維沒有增強(qiáng)作用，而臨界長(zhǎng)徑比小于100的長(zhǎng)玻璃纖維則起到增強(qiáng)作用。
 
    與金屬材料和熱固性復(fù)合材料相比，長(zhǎng)玻纖塑料密度低，相同部件重量可減輕20~50%;長(zhǎng)玻纖塑料能為設(shè)計(jì)人員提供更大的設(shè)計(jì)靈活性，比如可成型形狀復(fù)雜的部件，集成零部件使用數(shù)量，節(jié)約模具成本(一般長(zhǎng)玻纖塑料注塑模具的成本約為金屬?zèng)_壓模具成本的20%)，減少能耗(長(zhǎng)玻纖塑料的生產(chǎn)能耗僅為鋼制品的60~80%、鋁制品的35~50%)，簡(jiǎn)化裝配工序。
 
    汽車典型應(yīng)用部件有哪些

    基于長(zhǎng)玻纖材料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，其在汽車應(yīng)用已越來越廣泛，在主流車型新車型上，我們已越來越多看到以下部件采用長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料，長(zhǎng)纖維增強(qiáng)聚丙烯被用于轎車的儀表板本體骨架、電池托架、前端模塊、控電盒、座椅支撐架、備胎盤、擋泥板、底盤蓋板、噪音隔板、后車門框架等。
 
    下面，就幾個(gè)長(zhǎng)玻纖塑料典型應(yīng)用部件介紹。

    前端模塊：對(duì)于汽車前端模塊，采用PP-LGF30材料，可將散熱器、喇叭、冷凝器、托架等超過10個(gè)傳統(tǒng)金屬件集成于一個(gè)整體;相比金屬件更耐腐蝕，密度小、重量減輕約30%，具有更高的設(shè)計(jì)自由度，可直接回收無需分類處理;降低了制造成本，有明顯的降本優(yōu)勢(shì)。
 
    大眾、福特等外資品牌汽車前端模塊塑料化成功應(yīng)用多年。近年來，自主品牌車企逐步開始進(jìn)行自主化設(shè)計(jì)與新材料應(yīng)用研究。比如，上汽主導(dǎo)的FCV-863項(xiàng)目，對(duì)前端模塊實(shí)施塑料化，減重達(dá)3.03kg。長(zhǎng)安汽車，在2011年車展并展示了款配有全塑料前端模塊的CX30緊湊型轎車，將22個(gè)金屬零部件組成一個(gè)注塑成型部件，極大地簡(jiǎn)化了CX30車型的前端結(jié)構(gòu)，使該部件減重高達(dá)40%，并且減輕了汽車總重量約4kg。長(zhǎng)安逸動(dòng)2015款塑料前端模塊原鋼件10.13kg，塑料件6kg，預(yù)計(jì)減重4.13kg，減重率41%;并將推廣應(yīng)用到C201、C206、C2X等量產(chǎn)車型上。長(zhǎng)城汽車2014年6月量產(chǎn)的最新款汽車已采用塑料前端模塊，重量減輕30%至4.7kg。江淮汽車目前也在量產(chǎn)車上推廣塑料前端模塊等產(chǎn)品。2011年，奇瑞汽車承擔(dān)的“纖維增強(qiáng)塑料前端模塊開發(fā)及其在目標(biāo)車型上集成應(yīng)用”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目，對(duì)塑料前端模塊進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，并成功應(yīng)用到量產(chǎn)車型(比如艾瑞澤7)上。
 
    在卡車前端模塊塑料化方面，SABIC與SCANIA合作成功開發(fā)了卡車前端框架，并形成模塊化供貨，將部件由5.15kg減重至3.29kg，減重效果達(dá)33%。
 
    儀表板本體骨架：對(duì)于軟質(zhì)儀表板骨架材料，采用LGFPP比填充PP材料強(qiáng)度更高、彎曲模量更改，流動(dòng)性更好些，在相同強(qiáng)度下，儀表板設(shè)計(jì)厚度可減薄從而減重，一般減重效果約20%。同時(shí)，可將傳統(tǒng)的多個(gè)部件儀表盤托架發(fā)展為單個(gè)模塊。此外，儀表板前除霜風(fēng)道本體、儀表板中間骨架選材，一般與儀表板本體骨架采用同一種材料，可進(jìn)一步提升減重效果。
 
    2011，福特翼虎及福特Kuga儀表板(采用TrexelMuCell微孔泡沫注塑成型技術(shù)和SABIC的PP-LGF20制造)，和普通注塑制造的填充聚丙烯儀表板相比，此應(yīng)用產(chǎn)品將每輛車減輕了0.45kg，生產(chǎn)時(shí)間縮短15%，成本降低3美元。目前，寶馬、奧迪等中高端軟質(zhì)儀表板骨架，大多采用長(zhǎng)玻纖塑料制造作為儀表板骨架材料。比如，2010年BMW公司7系轎車儀表板骨架通過采用長(zhǎng)玻纖塑料，儀表板成品能夠比傳統(tǒng)材料重量降低20%。同時(shí)，長(zhǎng)玻纖聚丙烯材料可與BMW公司自動(dòng)化整體發(fā)泡注塑技術(shù)相兼容;采用較少的原材料就能實(shí)現(xiàn)更高的強(qiáng)度和剛度，并且能夠使儀表板具有更優(yōu)良的性能。目前，寶馬3/5/7系、奔馳E等高端汽車儀表板骨架皆采用LGFPP材料。
 
    合資品牌車企中，一汽大眾、上海大眾、長(zhǎng)安福特等多款量產(chǎn)車的儀表板骨架均已采用LGFPP。在自主品牌中，長(zhǎng)城高端SUV儀表板骨架PP-LGF20代替改性PP由3mm減為2.2mm，并成功批量化生產(chǎn)。比亞迪騰勢(shì)、上汽榮威550等中級(jí)以上乘用車的儀表板骨架也逐步采用LGFPP材料。
 
    車門模塊（車門中間板骨架）

    曾經(jīng)采用SABICSTAMAX長(zhǎng)玻纖聚丙烯的現(xiàn)代索納塔塑料車門模塊，獲得了在美國(guó)塑料工程師協(xié)會(huì)(SPE)創(chuàng)新大獎(jiǎng)。新福特Fiesta車型前門模塊集成了多種功能元件，諸如門鎖、車門玻璃升降器、揚(yáng)聲器、防盜裝置等。馬自達(dá)6車門內(nèi)板，一汽奔騰B70等皆采用LGFPP制造。
 
    換擋機(jī)構(gòu)：換擋機(jī)構(gòu)主要采用金屬材料和短纖維尼龍材料，目前，國(guó)外少數(shù)車型換擋機(jī)構(gòu)骨架已嘗試采用長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料替代短玻纖尼龍材料。尼龍材料容易吸水，成品件吸水率一般在0.7%以上。在高溫高濕環(huán)境下，存在發(fā)生失效的風(fēng)險(xiǎn);若改為不易吸水的長(zhǎng)玻纖聚丙烯材料，則可避免此類問題的發(fā)生。同時(shí)，采用長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)PP材料，可起到減重降本的作用。
 
    電子油門踏板：電子油門踏板臂需要承受較大的力，因此，其選用材料需要有極好的力學(xué)性能，較好的韌性，在高低溫下材料性能不能有大的變化。目前電子油門踏板臂以玻纖增強(qiáng)PA材料為主。泰科納材料商曾成功用長(zhǎng)玻纖塑料(牌號(hào)CelstranPP-LGF40/50)用于電子油門踏板上，如圖9所示，具有低氣味性且高強(qiáng)度的良好性能，比增強(qiáng)PA材料的成本低。
 
    長(zhǎng)玻纖塑料可用在座椅靠背，替代傳統(tǒng)鋼材骨架可實(shí)現(xiàn)減重20%、且優(yōu)異的設(shè)計(jì)自由度和機(jī)械性能、擴(kuò)大的乘坐空間等特點(diǎn)。

    另外，長(zhǎng)玻纖塑料可以制成電池托盤、天窗框架、備胎倉(cāng)及備胎倉(cāng)蓋。福特KUGA(2010)采用PP-LGF40制成的后背門內(nèi)板。

    材料開發(fā)的難度和重點(diǎn)

    減重降本一直是整車比較關(guān)注的話題，相比外資車企將PP-LGF作為輕量化新材料的成功應(yīng)用，自主品牌在實(shí)施過程中還有許多困難需要克服。比如：

    (1)樹立理EVI(EarlyVendorInvolvement的縮寫)概念：即材料供應(yīng)商系統(tǒng)零件供應(yīng)商，在概念開發(fā)階段介入新車型項(xiàng)目，充分了解主機(jī)廠用戶對(duì)材料的需求，從而提高更改性能的產(chǎn)品和服務(wù);如果僅以標(biāo)桿車企用材作為選材依據(jù)，則在車型上市與標(biāo)桿車已有約5年的選材差距。
 
    (2)成本分析：若單純從原材料成本考慮，每公斤塑料價(jià)格高于金屬材料;但前期模具費(fèi)用投入較少，塑料件注塑模具僅同部件鋼質(zhì)模具的50%，模壓模具僅為同部件鋼質(zhì)模具30~40%;集成周邊部件，模塊化供貨，可進(jìn)一步節(jié)省主機(jī)廠裝配等費(fèi)用、減少裝配工具、節(jié)約場(chǎng)地。
 
    (3)其他方面：部件用材料種類的改變，材料收縮率變化需要開發(fā)新模具;同時(shí)針對(duì)長(zhǎng)玻纖特殊材料，需要采用不同于常規(guī)注塑機(jī)等加工設(shè)備。雖然，作為外購(gòu)件大部分技術(shù)攻關(guān)由一級(jí)供應(yīng)商來承擔(dān)進(jìn)行，但在主機(jī)廠需要做好長(zhǎng)玻纖材料產(chǎn)業(yè)化過程中的各種技術(shù)問題的應(yīng)對(duì)措施。
 
    在長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)塑料的應(yīng)用開發(fā)方面，外資車企在應(yīng)用開發(fā)方面更為深入和超前，國(guó)內(nèi)自主品牌則更多地借鑒吸收應(yīng)用外資車企的成熟應(yīng)用案例和先進(jìn)技術(shù)。

    自主品牌中，長(zhǎng)城汽車和上汽乘用車走在最前面，吉利、奇瑞、長(zhǎng)安乘用車亦進(jìn)行了大量的應(yīng)用開發(fā)工作。長(zhǎng)城汽車全面開展了塑料零部件產(chǎn)品的研究工作，部分已量產(chǎn)應(yīng)用;在國(guó)家項(xiàng)目的支持下，上汽在純電動(dòng)車E50等車型上研究使用許多LGFPP零部件。在行業(yè)內(nèi)，以汽車輕量化聯(lián)盟為依托，進(jìn)行輕量化技術(shù)(含輕量化材料技術(shù))的交流與溝通;在公司內(nèi)，搭建整車輕量化技術(shù)應(yīng)用平臺(tái)，及時(shí)將新材料新技術(shù)新工藝引入到整車開發(fā)中。
 
    在材料替代方面，長(zhǎng)玻纖塑料類制品可同時(shí)起到減重、降本的作用。之前是短玻纖尼龍材料代替金屬材料，近幾年隨著輕量化材料應(yīng)用開發(fā)，長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料在越來越多的汽車部件上逐步代替了短玻纖尼龍塑料，這樣進(jìn)一步推廣了LGFPP材料在汽車上的研究與應(yīng)用。