长纤维增强热塑性复合材料的三大汽车应用

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：

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。

全塑后尾门的技术难点主要有几个方面：

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。

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-作者：孙洲渝

-排版：Erica

-来源：荣格塑料工业

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