國內外連續玻纖增強熱塑性復合材料現狀

王昌斌 方程 李曄

（1.中國第一汽車股份有限公司 材料與輕量化研究院，長春130011; 2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春130013）

主題詞：連續纖維 熱塑性 復合材料 玻纖

縮略語

FRTP Fiber Reinforced Thermoplastics

SFT Short Fiber reinforced Thermoplastics

LFT Long Fiber reinforced Thermoplastics

GMT Glass Mat Reinforced Thermoplastics

CFRTP Continuous Fiber Reinforced Thermoplastics

GFRTP Glass Fiber Reinforced Thermoplastics

CGFRTP Continuous Glass Fiber Reinforced Thermoplastics

SMC Sheet Molding Compound

RTM Resin Transfer Molding

1 前言

近年，隨著汽車工業、交通運輸業迅速發展，節能環保愈發受到各國重視。復合材料替代金屬能夠顯著降低汽車重量，因此對復合材料的需求越來越多，隨之產生的回收問題也日益嚴重。熱塑性復合材料是以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維及其它材料增強各種熱塑性樹脂的總稱, 國外稱其為FRTP(Fiber Reinforced Thermoplastics)[1]。與熱固性樹脂基復合材料相比，熱塑性復合材料有高韌性、高抗沖擊和損傷容限、無限預浸料存儲期、成型周期短、生產效率高、易修復、廢品可回收再利用等眾多優點[2]，成為各國研究及應用的熱點。

孫銀寶等[2]按有效纖維長度對熱塑性復合材料進行分類，熱塑性復合材料分為短纖維粒料(SFT)、長纖維粒料(LFT)、玻璃纖維氈增強熱塑性片材(GMT)、織物預浸料和單向連續纖維增強熱塑性預浸料(Continuous Fiber Reinforced Thermoplastics, CFRTP)。田振生等[3]歸納了連續纖維增強熱塑性復合材料的主要成型形態包括單向纖維預浸料(Unidirectional Prepreg)、織物纖維預浸料(Fabric Prepreg)、混合纖維(Commingled yarn)以及其他方式，其中預浸料(Prepreg)相關產品的應用是目前市場上的主流技術，如圖1所示。MATTHIAS 等[4]認為增強相纖維的長度、復合材料的性能、可成型的結構復雜程度及成本需要綜合考量，如圖2所示。為了擴大連續纖維熱塑性復合材料的應用范圍、減少最終零部件的生產工藝周期，國際上著名的機械裝備公司推出“Over molding”或“Hybrid molding”這種“混合”工藝[5]。

圖1 連續纖維增強熱塑性復合材料的主要形態[3]

圖2 零件結構與纖維長度關系[4]

國際上玻纖增強熱塑性復合材料(Glass Fiber Reinforced Thermoplastics,GFRTP)仍為熱塑性復合材料的主打產品，已占復合材料總量的1/4以上,而且近期穩步增長[1]。連續纖維增強熱塑性塑料（CFRTP）是20世紀70年代初開發的一種聚合物基復合材料。連續纖維可采用玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等,其中又以玻璃纖維較為常用。近年來,連續玻璃纖維增強熱塑性塑料 (Continuous Glass Fiber Reinforced Thermoplastics, CGFRTP)越來越受到各國重視, 研究應用十分活躍[6]。

2 國內外熱塑性復合材料的發展

車用聚合物復合材料當前仍以熱固性為主，特別是片狀模塑料(SMC)，樹脂轉移模塑(RTM)技術，相當廣泛地用于汽車零部件的制造，但熱塑性復合材料以其優越性能以及便于回收再生而日益受到重視[7]，在復合材料總量中的比例呈逐年增長趨勢。我國復合材料行業于20 世紀50 年代末期開始起步，80 年代以來產業鏈不斷完善，行業迅速壯大。據中國復合材料工業協會統計，2017年國內熱塑性復合材料制品產量約為209.1×104t，在復合材料總產量中的比例已從2013年33.4%上升至2017年47.1%，詳見圖3。

圖3 2013-2017年中國復合材料制品產量結構[8]

汽車輕量化是實現汽車節能減排的有效手段，歐美國家玻纖增強復合材料的應用比例較高，其中歐洲走在前列，國內在此方面的應用還有很大的空間，詳見表1。

表1 塑料復合材料（以玻纖增強塑料為主）在汽車上的用量[9]

目前國外供應商如BASF（巴斯夫）、Bond-Laminates(朗盛)、DuPont(杜邦)、TenCate(曇卡)等大型化工企業，已經在CFRTP 產業有所布局，國外幾家大公司的預浸料商業化產品所采用的樹脂基體和增強纖維，詳見表2[10]。

目前國內熱塑性預浸料生產廠商有福瑞科、金發、奇一、杰事杰、長海、恒石華美等，主流產品是玻纖增強單向帶預浸料和玻纖增強織物預浸料，基體以熱塑性樹脂PP、PA為主。

3 國內工藝裝備情況

為匹配連續纖維增強熱塑性復合材料混合工藝的工業化以及批量化實現，在生產制造端，一些著名的機械裝備公司也相繼推出各自的成型設備，同時冠以商品化的工藝名稱，如克勞斯瑪菲的Fiberform、恩格爾的Organomelt、PEI的QSP，另外東芝、阿博格等企業也提供相應的設備[5]。圖4形象地表達了這種工藝基本流程。

表2 國外商業化熱塑性預浸料[10]

圖4 Fiberform工藝過程[11]

國內已經具備連續玻纖增強熱塑性復合材料原材料生產能力，相應地零部件供應商正在逐漸建立這種工藝生產能力。如愛爾鈴克鈴爾汽車部件（重慶）有限公司，運用克勞斯瑪菲的Fiber form 為長安福特福克斯本地化供應門模塊系統；北京市碳纖維工程技術研究中心、常熟市汽車飾件股份有限公司已經裝備克勞斯瑪菲的Fiber form，并完成調試，同時在該領域進行相應的應用研究工作。另外，國內供應商有意向購買恩格爾的Organomelt、PEI 的QSP 工藝裝備，并進行材料性能、工藝應用研究及相關零部件開發工作。

4 國內外汽車行業連續玻纖增強熱塑性復合材料應用情況

連續玻纖增強熱塑性復合材料在國外的跑車、SUV以及轎車上已經有批量應用。

博澤采用朗盛Tepex? dynalite 材料及短玻纖增強PA6 制造的全塑料制動踏板（見圖5），采用Over molding 工藝一次注塑成型，應用于保時捷Panamera NF（見圖6）和賓利Continental GT車型上，使用單向纖維預浸料、織物纖維預浸料作為主受力結構（見圖7），使得制動踏板在滿足對安全部件要求極高的機械性能的同時，充分挖掘輕量化結構的潛能，與鋼質踏板相比重量減少了50%[12]。

圖5 全塑制動踏板[13]

圖6 保時捷Panamera制動踏板

圖7 制動踏板擺臂鋪層[14]

法雷奧采用朗盛的Tepex? dynalite 連續玻纖增強熱塑性復合材料，為奔馳GLE SUV制造的前端支架（見圖8），質量比采用鋼板制成的同類設計降低30%，同時提供了出色的碰撞性能和扭轉剛度；由于不需要在發罩鎖扣周圍進行加強，并且將進氣口集成在前端框架內，因此該項技術應用成本增加相對較少[15]。

圖8 奔馳GLE SUV前端支架[15]

長安福特福克斯的門模塊系統供應商德國博澤公司，采用金發碳纖維公司連續玻纖增強熱塑性復合材料結合LFT的混合材料方案，替代傳統鋼材或單一長纖維PP的方案，配套新型混合工藝成型生產線（模壓+注塑）實現了熱塑性復合材料門基板的制造生產，實現集成玻璃升降導軌，與鋼材及長纖維PP 門系統相比，熱塑性復合材料門模塊可以有效降低質量5 kg/車或2 kg/車，這也是國產連續玻纖纖維增強熱塑性復合材料首次應用于量產車型[16]，詳見圖9、圖10。

圖9 福特福克斯門模塊[17]

圖10 門模塊的發展歷程[11]

近幾年，國內一些主機廠和供應商也在探索熱塑性連續玻纖增強熱塑性復合材料應用研究，如北京市碳纖維工程技術研究中心利用Fiberform 工藝試制電池箱上蓋（見圖11），再如國內某供應商應用PP基材織物纖維預浸料和PP 短纖注塑制造的備胎艙（見圖12）。

圖11 某款Fiberform工藝電池箱上蓋[18]

5 纖維復合材料與傳統材料對比優勢

纖維復合材料在汽車零部件上的應用具有密度小、比強度高的優勢，表3是鋼、鋁及復合材料的性能對比，可以替代鋼、鋁用于結構件，輕量化效果明顯[9]。

圖12 連續玻纖增強熱塑性復材備胎艙

表3 鋼、鋁及復合材料的性能對比[9]

6 結束語

總結多年來連續玻纖增強熱塑性復合材料替代金屬結構件的技術開發工作，應從如下2點重新考慮熱塑性復合材料在汽車上的應用問題。

（1）熱塑性復合材料具備生產周期短、100%可回收的特點，特別是以連續玻纖增強PP或PA的復合材料相對成本較低，正在進入快速成長時期。

（2）連續纖維增強熱塑性復合材料混合工藝的諸多優點拓展了其可應用范圍，為了獲得較好的性價比，需要主機廠內部統一協調進行系統性開發，從而獲得較低的應用成本。