1前言
如果有特殊需要，也可以采用尼龙、聚甲醛、聚酯、聚砜等热塑性树脂与碳纤维、植物纤维等特殊纤维复合形成热塑性复合材料，但在汽车上的应用比较少见。本文仅探讨长玻璃纤维增强聚丙烯材料（LGFRTP-PP），不包括短纤维增强热塑性复合材料（SFT）。热塑性复合材料按制品成型工艺可分为注塑型、模压型和特种工艺型。特种工艺包括拉挤和缠绕等，应用非常少；注塑型热塑性复合材料以LFT为主，是一种短切纤维增强的粒料，粒料长度为8～20mm，可以采用注塑机直接注塑成为制品，纤维均匀、无定向分布在树脂中，制品各向同性；模压型热塑性复合材料种类比较多，包括LFT、GMT、CMT等，多数以长纤维增强，纤维按铺层方向分布，是均质或非均质材料。相对注塑型热塑性复合材料来说，模压型热塑性复合材料具有更高的拉伸强度、冲击强度、弯曲强度和模量，而且在产品成型工艺过程中可设计性强，可以用不同种类、不同玻纤含量、不同结构的材料对同一个零件上模压成型，以实现同一个零件不同部位具有不同功能的目标。相对模压成型的热固性复合材料（如SMC、DMC等），模压型热塑性复合材料具有密度低、韧性好、耐冲击性好、耐水和溶剂性能好、成本低、可以直接回收利用等特点，而且原材料容易保存，生产效率高，生产过程能耗少。以热塑性复合材料代替热固性复合材料不但能降重、降成本、提高生产效率、节约能源，而且符合环保趋势。由于在轻量化和环保方面具有显著优势，因此，模压型热塑性复合材料近几年发展很快，在汽车上应用也越来越广泛。
2模压型热塑性复合材料的种类及特点
2.1LFT片材
为了弥补这一缺陷，如果制品要求较高的冲击强度，可以采用特种增强型LFT（LFTex）片材与普通LFT片材复合模压成型。LFTex片材是聚丙烯纤维与玻璃纤维编织片状复合材料，冲击强度比普通LFT片材的冲击强度高3～5倍，而且可以提高玻璃纤维含量，以达到更高的强度，可以在产品模压成型之前，将LFTex片材铺层在普通LFT片材之间，起到整体或局部提高制品强度的作用。典型LFT片材材料性能见表1。
2.2GMT片材
GMT（GlassMatreinforcedThermoplastics）是指以连续玻璃纤维毡或短切玻纤毡与热塑性树脂（主要是聚丙烯树脂）复合而成的一种片状针刺毡模塑料，具有较高的刚性，而且耐冲击性能好，比强度和比模量都比较高。通过连续纤维增强制成特种纤维毡，可以制成特种高强度GMT片材（GMTex），能够填充到普通GMT片材之间共同模压成型制品，从而获得更高的制品强度。GMTex可以是单向增强，也可以是双向增强，可根据制品使用条件进行选择。通过对制品结构进行优化设计，GMT材料可以取代部分金属材料而获得显著的减重效果，而且节省模具费用，降低能源消耗，并有利于组合零件形成模块化设计，降低生产成本。典型GMT片材材料性能见表2。汽车内装饰件（如车门板、顶棚板、侧后围板、行李箱板、窗台板等）板材可以选择轻质GMT板材。轻质GMT板材是一种新型热塑性复合材料，密度仅为0.15～0.85g/cm3，其比强度高，吸声、降噪性能优异，导热系数低，尺寸稳定，适合作为汽车内饰板材，近几年发展迅速，有代替传统“三明治”结构板材（聚氨酯泡沫复合玻璃纤维板材）和麻纤维板材的趋势。
2.3CMT片材
CMT（ChoppedMatreinforcedThermoplastics）是采用短切纤维（主要是玻璃纤维）连续毡与树脂（聚丙烯树脂、尼龙树脂等）胶膜通过热压制而复合形成的一种热塑性复合材料片材。其主要生产工艺流程为：切断玻璃纤维粗纱→铺毡→与聚丙烯胶膜复合→热压→裁切→形成片材。CMT片材纤维长度比LFT片材纤维长度长，一般为25～100mm；而LFT片材通过螺杆挤出成型，其中的纤维长度一般不超过15mm，所以CMT片材比LFT片材具有更高的冲击强度。CMT片材在成型过程中纤维不会受到外力（如GMT成型过程中的针刺工艺等）发生折断、损坏现象，极大地保证了玻纤长度，所以CMT片材的强度和刚度也高于GMT片材。而且在成型过程中，CMT材料中的纤维被树脂浸润更为充分，保证了CMT片材具有优异的综合性能。CMT片材是一种新兴起的、快速发展的新型材料，品种很多，多数处于研发和试应用阶段，尚未推广使用。但是由于CMT片材具有LFT片材和GMT片材不可比拟的强度优势，所以将很快成为受汽车行业日益关注的新材料之一。目前应用最多的还是CMT片材模压成型制品。CMT片材模压制品性能优异、强度高，可以直接作为汽车结构件使用，为汽车轻量化提供了一条新的途径；CMT材料还可以作为模压制品的骨架使用，代替GMTex和LFTex，起到增强作用；一种特殊的工艺可以采用CMT材料制成骨架并放入注塑模具中，通过注塑制成汽车零件，大幅度提高制件的强度，这种工艺已经在德国推广使用；CMT材料还可以制成高强度蜂窝板，是一种良好的轻质、高强材料，用于厢式车的货厢、客车内饰板、载货车或客车的卧铺板、行李箱板和工具箱板等，都取得了良好效果。CMT是一种发展中的材料，已经开发出的片材性能差异较大。典型的模压型CMT片材性能见表3。
3模压型热塑性复合材料在汽车上的应用
3.1目前的应用情况
模压型热塑性复合材料在汽车上主要用于结构件骨架、功能件和内饰板材。用于汽车结构件和功能件（如保险杠、前端框架、蓄电池框架、脚踏板、座椅骨架、导流板等）时，可以代替金属材料和热固性复合材料，达到降重和降成本的目的。目前对载货车而言，已经开发出热塑性复合材料的上、下车脚踏板，代替钢材和铝合金材料，能够降重20%以上；牵引车的维修工作平台盖板采用热塑性复合材料代替铝合金材料，不但能够降重10%以上，而且能够降低成本30%以上；开发出的热塑性复合材料座椅骨架，可以降重30%以上，安全性能也通过评价，正在进行道路试验。轻质GMT材料在轿车的应用范围正在广泛扩展，作为汽车顶棚、侧后围和行李箱盖板等内饰件的技术已经成熟，表现出良好的NVH性能以及较高的强度、耐冲击性能、尺寸稳定性和刚性，而且轻量化效果良好；作为轿车骨架材料，模压型热塑性复合材料也表现出良好的潜力，目前已广泛用于前端框架、仪表板骨架、保险杠骨架和隔热罩等；正在开发的热塑性复合材料在转向盘骨架、座椅骨架的应用项目目前也取得了可喜的进展，在欧美都有成功应用的案例。在客车上，模压型热塑性复合材料有更广泛的应用空间，可以代替热固性复合材料作为客车骨架，不但能够降重30%以上，而且有利于回收利用，更加环保；轻质和蜂窝型热塑性复合材料板材可以用于客车内板，比传统铝蜂窝板更轻，成本低20%以上。
3.2应用注意事项
3.2.1产品表面质量问题模压型热塑性复合材料由于玻纤含量高、纤维长，所以制品表面不可避免地容易出现浮纤现象，产品表面质量难以达到装饰件的要求。目前大量应用的热塑性复合材料多数由聚丙烯树脂与玻璃纤维复合而成，而聚丙烯是一种难以粘接的材料，表面喷涂效果比较差，需要进行特殊表面活性处理并喷涂底漆，从而提高了制件的成本。因此，热塑性复合材料一般情况下用于骨架和内板，不外露在表面；但制件表面要求不高的部位（如脚踏板等），可以通过调整树脂配方，减少玻纤外露，达到使用要求。3.2.2产品形状复杂的情况模压型热塑性复合材料受模压工艺限制，无法成型一些特殊形状的零件，如两面以上都有很高的双向加强筋，薄壁壳体件，形状复杂、难以脱模的零件。如果产品形状特殊，无法模压成型，建议选择其它热塑性复合材料（如LFT粒料）注塑成型。虽然注塑成型零件的玻纤长度仅为3mm以下，强度远远不如模压型材料制成的零件，但能够成型形状更加复杂的零件，扩展应用范围；如果注塑LFT粒料无法满足制件的强度要求，可以选用强度更高的树脂（如尼龙、聚酯等），提高制品的强度。目前，LFT（PA66LGF）、LFT（PBTLGF）注塑粒料都已经在欧洲开始应用，制造整体式制动总成、离合总成、油门踏板总成、蓄电池框架、保险杠与车灯整体框架等形状复杂的零件，代替金属材料，大幅度降重，但是成本比较高，国内尚未应用。3.2.3使用温度问题模压型热塑性复合材料目前开发出来的产品多数采用聚丙烯为基础树脂，聚丙烯材料具有良好的综合性能，耐溶剂性能良好，最高使用温度一般不超过150℃。在配方中添加热老化剂和光老化剂，可以保证长期在130℃以下使用。如果使用温度超过这个温度范围，则容易引起聚丙烯材料的降解老化，造成制件表面质量下降和强度降低，最终丧失功能。因此，如果在热源（如发动机、变速器内部、排气系统周边等）附近应用，需要采取足够的防护措施。目前，尼龙树脂的CMT也开发出来并得到应用，能长期在150℃左右使用，而且强度高于聚丙烯树脂CMT材料，但价格比较高。
4结束语
模压型热塑性复合材料具有密度低、强度高、成型性好和能够直接回收利用等特点，并且具有的一种[6]。图6的失效件来自整车大气曝晒试验，黑色的后盖内饰（PP/PE-TD20）材料表面在曝晒4个月后出现白色的不连续析出，手感不粘。将白色析出物用玻纤擦拭后进行了GC-MS的热裂解分析，结果如图7所示，主要析出物为受阻胺类光稳定剂UV770。由于UV770熔点较低（81~85℃），且本身具有易挥发、喷霜、迁移的缺点，使得制件在光/热及密闭环境作用下，极易造成光稳定剂的迁移、析出，造成制品表面发白（黑色制件尤其明显）。为此，建议材料供应商用熔点更高（135~159℃），相容性及耐挥发、耐喷霜性能极佳的氰特3808PP5/3853替代UV770，添加量控制在0.2%~0.4%，经模拟自然太阳人力资源管理光照射及PV1306（发粘试验）和PV2005（湿热存放）验证，产品表面不发粘且无析出。
作者：朱熠 滕腾 王泽庆 单位：中国第一汽车股份有限公司技术中心
