LFT材料性能及應(yīng)用概述

姚其海

摘 要：LFT（Long-Fiber Reinforce Thermoplastic長纖增強熱塑性材料，簡稱LFT）材料是一種長纖維增強熱塑性材料，相對于傳統(tǒng)的金屬材料，具有更高的設(shè)計自由度，更高的比強度和比模量及耐腐蝕性等特點，在汽車制造領(lǐng)域已廣泛地替代鋼制材料、鋁合金等傳統(tǒng)材料，應(yīng)用范圍越來越廣，用量也呈現(xiàn)逐年增加的態(tài)勢。文章著重介紹了LFT材料的分類、性能特點及應(yīng)用狀況。

關(guān)鍵詞：LFT;性能;應(yīng)用

中圖分類號：TB37 ?文獻標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）21-166-03

Abstract： LFT（Long-Fiber Reinforce Thermoplastic）material is a kind of long fiber reinforced thermoplastic material. Compared with the traditional metal materials， it has higher design freedom， higher specific strength and specific modulus and corrosion resistance. It has been widely used in the field of automobile manufacturing to replace the traditional materials such as steel materials and aluminum alloys. Its application scope is more and more extensive， and its consumption is also increasing year by year. This paper mainly introduces the classification， properties and application of LFT materials.

Keywords： LFT; Properties; Applications

CLC NO.： TB37 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-166-03

1 前言

20世界70年代以來，隨著能源危機的影響日益加深，汽車節(jié)能環(huán)保和及以節(jié)油為目的的輕量化呼聲越來越高，多種以汽車為載體的輕量化材料獲得了巨大的發(fā)展。LFT材料是纖維增強熱塑性材料中一種新型的輕量化材料，從20世紀(jì)80年代開始，歐美就對該類材料開展研究工作，并不斷推動產(chǎn)業(yè)化。21世紀(jì)以來，隨著我國汽車工業(yè)的高速發(fā)展，對該類材料的研究及應(yīng)用開發(fā)逐漸也成為熱點，已成為通用塑料工程化和高性能化的典型案例。

2 LFT分類

一般情況下，短纖維增強熱塑性塑料由于在擠出機中的加工及零部件注塑成型過程中，會造成纖維形態(tài)的破壞，零部件中纖維長度一般不超過1mm;在LFT材料中，能夠?qū)⒘悴考睦w維長度保持在5mm以上。因此LFT材料具有更高的比強度、比模量和抗沖擊性強等特點。LFT材料的出現(xiàn)對汽車行業(yè)中傳統(tǒng)的鋼鐵材料、鋁合金以及傳統(tǒng)的纖維增強熱固性材料帶來了新的挑戰(zhàn)。

進入21世紀(jì)，LFT材料所涉及的相關(guān)成型加工設(shè)備和工藝都獲得了很大的發(fā)展，對該類材料研究及其推廣應(yīng)用起到了巨大的推動作用。LFT是一個廣義的名稱，一般是指采用長度超過10mm的纖維（常用的如玻璃纖維）和熱塑性塑料（常用的如聚丙烯）用專用的設(shè)備進行混合制備而成的材料及其相關(guān)技術(shù)，如：GMT（Glass-Mat Reinforce Thermo -plastic玻璃纖維氈增強熱塑性材料）、LFT-G（Long-Fiber Reinforce Thermoplastic Granules長纖維增強熱塑性塑料顆粒）、LFT-D（Long-Fiber Reinforce Thermoplastic Direct Processing長纖維增強熱塑性直接成型）等皆屬于LFT范疇[1]。

2.1 GMT

GMT材料是以長玻璃纖維氈或連續(xù)玻璃纖維氈和熱塑性樹脂（常見的為PP）復(fù)合而成的一種復(fù)合材料。20世紀(jì)70年代，由美國的PPG公司和GE公司率先實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。[2]如今，GMT材料及其產(chǎn)品已經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛的復(fù)合材料之一。

目前，GMT材料的生產(chǎn)主要有兩大工藝途徑：即熔融浸漬法（干法）和抄紙法（濕法）。干法為最常用的一種工藝方法GMT材料通常為五層的夾心結(jié)構(gòu)，三層熱塑性樹脂和兩層玻璃纖維氈以“樹脂-氈-樹脂-氈-樹脂”的順序輥壓而成。因此，調(diào)整玻璃纖維氈的種類和取向結(jié)構(gòu)并選擇不同的熱塑性樹脂，可以得到各種性能和特點的GMT材料。[3]而抄紙法是將長度為6mm到25mm的短切纖維、PP粉和其他助劑分散在水中，均勻分散后，祛水烘干，將干燥后的材料在PP的熔點之上進行熱壓復(fù)合。

GMT制品的生產(chǎn)主要模壓成型來生產(chǎn)，是通過對片材的裁割、預(yù)熱、模壓、脫模等一系列工序而完成的。GMT在汽車上的主要用途是后防撞梁，座椅骨架等。[4]

2.2 LFT-G

LFT-G是由短纖維增強熱塑性顆粒材料（FRTP）發(fā)展而來。由于技術(shù)和設(shè)備的限制，早期的FRTP材料經(jīng)過擠出、切粒、熔融塑化、注塑成型等工藝流程后，在最終的制品中，其纖維的長度通常不超過1mm，纖維的增強作用被大大削弱，對材料整體的拉伸性能、彎曲性能和抗沖擊性能的提高十分有限。

LFT-G材料的出現(xiàn)可以盡量減少材料在加工過程中對纖維結(jié)構(gòu)的破壞，最大限度保留纖維的長度，提高產(chǎn)品性能。LFT-G材料與GMT材料有著相似的生產(chǎn)工藝和技術(shù)，需要經(jīng)過顆粒材料的成型和制品型兩個階段。LFT-G粒料的尺寸根據(jù)其后續(xù)的成型工藝不同，通常有25mm和12mm，其中25mm長度的顆粒主要用于模壓成型，而12mm的粒料主要用途為注塑成型。用于注塑LFT-G材料的注塑機大多經(jīng)過改進，可以最大限度保留纖維長度，產(chǎn)品中纖維的保留長度通常在3--6mm，比FRTP材料大大提高，因此產(chǎn)品的拉伸、彎曲性能、抗沖擊性能都獲得了明顯提高。

2.3 LFT-D

雖然LFT-G材料的制品中纖維的長度大大提高，產(chǎn)品的性能也獲得了長足的進步，但在某些場合仍難以滿足汽車輕量化設(shè)計的要求。LFT-D是長纖維增強熱塑性復(fù)合材料直接成型技術(shù)，與GMT和LFT-G兩種材料相比，其最大特點是一步成型，省去了半成品步驟，生產(chǎn)制造效率更高。

在LFT-D技術(shù)中，由于是一步法成型，其復(fù)合材料的組成及性能要求，可以根據(jù)最終產(chǎn)品的特點及生產(chǎn)過程中的實際情況進行調(diào)整。增強所用的纖維也可以根據(jù)產(chǎn)品的需要改變其在復(fù)合材料中的配方含量和長度。對于零部件的某些特殊的要求 ，如熱穩(wěn)定性能、阻燃性能、耐老化性、可著色性、吸水性等，可通過直接在線添加其他改性助劑的方法來改善最終制品性能，從而滿足這些特殊的要求。

LFT-D相對GMT和LFT-G具有顯著的優(yōu)點：一是更低廉的成本。LFT-D采用的是一步法直接成型，生產(chǎn)效率更高，比采用兩步法生產(chǎn)的GMT或LFT-G單件成本下降20%～50%;二是更優(yōu)異的產(chǎn)品綜合性能。由于其產(chǎn)品中的纖維長度大大超過LFT-G成型后的制品，因此其產(chǎn)品的抗沖擊性能顯著優(yōu)于LFT-G。

3 LFT的性能特點

LFT由于在熱塑性聚合物中加入了長纖維作為增強相，因此其具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能。 LFT的機械性能與增強纖維的種類及含量密切相關(guān)。以汽車用LFT材料為例，汽車用LFT材料通常以玻璃纖維作為增強纖維;按占復(fù)合材料的重量比，其LFT材料中的纖維的占比通常在5%～60%。[1]此外，LFT材料的機械性能還與纖維的長度密切相關(guān)。與短纖維（纖維長度一般不超過1mm）增強熱塑性材料相比，LFT材料在拉伸、彎曲強度、抗沖擊性能等方面都有巨大的優(yōu)勢。相對于傳統(tǒng)的金屬材料及熱固性的纖維增強材料，具有突出的優(yōu)勢，因此在汽車內(nèi)外部的結(jié)構(gòu)件和半結(jié)構(gòu)件上獲得了廣泛的應(yīng)用。[1][4]

3.1 更低的密度和更高的比強度

常見的汽車用LFT材料中玻璃纖維的含量為5%-60%，其材料的密度為0.94～1.5g/cm3，僅為鋼材的1/5～1/8左右，可以以較低的單位質(zhì)量獲得較高的機械強度。

3.2 更高的設(shè)計自由度

LFT材料主要由基體樹脂、玻纖、添加劑組成，選擇不同的基體樹脂，不同的玻纖及含量，不同特性的添加劑，進行復(fù)合材料的生產(chǎn)，就可以得到機械性能、化學(xué)性能和物理性能各不相同的LFT材料。因此，LFT材料具有極高的性能設(shè)計自由度。

3.3 更高的耐熱性及尺寸穩(wěn)定性

常見塑料的使用一般不超過100℃。通過添加玻璃纖維進行增強，可以大幅度提高熱塑性材料的使用溫度，大多可以提高到100℃以上，一些特殊樹脂的LFT材料長期使用溫度可提高到200℃甚至更高;其產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性也顯著提高，線膨脹系數(shù)比未增強的塑料低1/4～1/2。

3.4 更好的耐化學(xué)腐蝕性

相對于傳統(tǒng)的金屬材料，LFT復(fù)合材料及其制品具有優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性能。由于LFT材料主要由基體樹脂和纖維材料組成，常見條件下均是具有較高耐化學(xué)腐蝕性的材料。因此，LFT產(chǎn)品特別適合替代金屬材料應(yīng)用在某些具有較高化學(xué)腐蝕性的場合。

3.5 廢料能循環(huán)利用

LFT可重復(fù)加工成型，加工過程中產(chǎn)生的不合格品以及邊角料可以重復(fù)循環(huán)利用，不會造成廢棄物和嚴(yán)重的環(huán)境污染。

4 LFT在市場上的應(yīng)用

如今的汽車制造業(yè)更加注重產(chǎn)品節(jié)能降耗，各種輕量化的技術(shù)也不斷應(yīng)用于汽車及零部件的制造中。因此具有高比強度的LFT材料就逐步成為汽車零部件制造的重要材料，如前端框架、后防撞梁、座椅骨架、車門模塊等。[5]據(jù)統(tǒng)計，汽車行業(yè)LFT材料的消耗量約占總消耗量的80%，成為用量最大的領(lǐng)域。

國內(nèi)對LFT材料的研究始于20世紀(jì)80年代，但材料的應(yīng)用開發(fā)相和產(chǎn)業(yè)化進程相對滯后。隨著國內(nèi)汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展 ，也拉動了上游配套企業(yè)的發(fā)展。目前，國內(nèi)在GMT、LFT-G和LFT-D等領(lǐng)域都開發(fā)成功了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，并具備了一定的生產(chǎn)能力。

2014年全球LFT材料及制品的市場需求量約為21萬噸，銷售額為8.2億美元，其中GMT約占總銷售額的50%，LFT-G約占35%，而LFT-D僅占15%。汽車行業(yè)仍然是LFT主要的應(yīng)用領(lǐng)域，也是增長最快的領(lǐng)域。隨著隨著全球新能源汽車行業(yè)的帶動和新材料、新工藝、新技術(shù)的普及和推廣，2014～2020年LFT的市場的年均增長率預(yù)計可達12%，除GMT以外，其他類別LFT產(chǎn)品的銷售量每年將增長15%，其中LFT-D的增長速度會更快。預(yù)計到2022年，全球汽車用LFT材料市場的年銷售額預(yù)計將超過18億美元左右。

5 結(jié)束語

隨著化石能源的日益枯竭，汽車輕量化和節(jié)能減排已作為汽車行業(yè)發(fā)展的方向和重要標(biāo)志。LFT在很多領(lǐng)域可以替代鋼材、鋁合金以及熱固性復(fù)合材料，是一種新型的材料。在汽車輕量化不斷發(fā)展的大環(huán)境下，LFT材料必將引領(lǐng)汽車復(fù)合材料的發(fā)展方向。

參考文獻

[1] 蔣鼎豐.纖維增強聚合物助汽車輕量化[J].汽車與配件，2007（19）：25.

[2] 魏麗霞，馬鳴圖，楊潔.長纖維增強熱塑性復(fù)合材料在汽車輕量化上的應(yīng)[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2013（9）：45.

[3] 陳二龍，周玉.GMT材料制造與應(yīng)用研究精湛[J].宇航材料工藝，2002年第3期.

[4] 施輝忠.GMT材料及其應(yīng)用[J].國外塑料，2014（3）：42-43.

[5] 高國強.LFT工藝在汽車工業(yè)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代塑料.2011（8）：38- 40.