為了應(yīng)對(duì)全球氣候變暖和能源危機(jī)，節(jié)能減排已經(jīng)成為全球汽車行業(yè)立求尋找和突破的課題。汽車輕量化是最容易突破和最為有效的途徑。復(fù)合材料在汽車行業(yè)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了汽車輕量化。
復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗沖擊性能好、易于成型以及具有功能和性能可設(shè)計(jì)性等一系列特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化起到了積極作用。汽車行業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了從鋼材到SMC復(fù)合材料，從SMC復(fù)合材料到熱塑性LFT-D技術(shù)。
LFT-D技術(shù)于1989年由美國復(fù)合材料制品公司（CPI）提出，并于1991年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。基于其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，LFT-D的應(yīng)用不斷增長，其技術(shù)水平也在逐年提升，尤其在2003年以后，LFT-D技術(shù)應(yīng)用呈現(xiàn)了快速增長的態(tài)勢(shì)。
目前，LFT-D技術(shù)采用的增強(qiáng)材料主要是玻璃纖維，少量采用天然纖維；基體樹脂以PP為主，目前80%的LFT-D制品為汽車零部件，主要產(chǎn)品有汽車前端模塊、腳踏板、儀表板架、座椅骨架、門模塊和底部護(hù)板等。采用LFT-D技術(shù)制造的復(fù)合材料汽車零部件具有如下優(yōu)勢(shì)：
1. 輕量化效果好。采用LFT-D技術(shù)成型的熱塑性復(fù)合材料比重只有1.1左右， 而且在設(shè)計(jì)零部件時(shí)可以進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。根據(jù)零部件的受力情況，可將材料設(shè)計(jì)成各向異性，將受力大的方向設(shè)計(jì)成高強(qiáng)度，受力小的方向可以降低其強(qiáng)度，達(dá)到充分利用材料的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)減重。例如與傳統(tǒng)的金屬材料相比，LFT-D前端模塊可以減重30%～50%。
2. 與金屬?zèng)_壓成形不同，LFT-D技術(shù)可以成型各種造型較為復(fù)雜的產(chǎn)品，因此在設(shè)計(jì)復(fù)合材料汽車零部件時(shí)可以將多個(gè)傳統(tǒng)部件集成在一起，形成模塊化。如圖4中的SUV車腳踏板，如果采用金屬和塑料制造，則包括螺釘和螺母在內(nèi)該產(chǎn)品共有43個(gè)件；而采用LFT-D技術(shù)，可以設(shè)計(jì)成一個(gè)部件，進(jìn)行一次成型，從而達(dá)到減少生產(chǎn)工序、降低生產(chǎn)成本并減輕重量的目的。
3. 生產(chǎn)效率高。LFT-D技術(shù)采用了纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，其成型為物理加工過程，材料在模具中通過壓力擠壓而充滿模具型腔，再冷卻成型，沒有化學(xué)反應(yīng)過程，因此成型周期短，最快可以達(dá)到30s。
4. 與傳統(tǒng)的熱塑性復(fù)合材料相比，LFT-D技術(shù)省去了半成品的生產(chǎn)過程，從而節(jié)約了半成品的生產(chǎn)成本和物流成本，零部件的成本得以降低。
5. 環(huán)?？苫厥?。LFT-D技術(shù)采用的原材料是熱塑性材料，零部件達(dá)到使用壽命后可以回收重新使用，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。
6. 安全性好。與傳統(tǒng)材料不同，LFT-D零部件的破壞不會(huì)突然發(fā)生，它將逐漸經(jīng)歷部分纖維斷裂、應(yīng)力在其他纖維間重新分布，纖維與基體材料之間出現(xiàn)界面損傷、基體材料開裂和纖維完全斷裂等一系列過程。在此過程中，產(chǎn)品不斷吸收能量，延滯了災(zāi)難性破壞的突然發(fā)生。
LFT-D技術(shù)的發(fā)展速度將會(huì)不斷加快。由于該技術(shù)對(duì)汽車輕量化起到的積極作用，目前汽車工業(yè)的快速發(fā)展以及能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng)，LFT-D技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用量將會(huì)逐步增大。另一方面，由于國內(nèi)企業(yè)開始進(jìn)行LFT-D生產(chǎn)線的開發(fā)與生產(chǎn)，因此必將使生產(chǎn)線成本及售價(jià)大幅下降，從而加快該技術(shù)的發(fā)展速度。
LFT-D與單向織物板材復(fù)合成型技術(shù)也將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，從而充分發(fā)揮復(fù)合材料各向異性的特點(diǎn)。單純的LFT-D制品基本接近各向同性，但很多產(chǎn)品的受力在各個(gè)方向上是有區(qū)別的，為了減少材料浪費(fèi)，充分發(fā)揮復(fù)合材料的特點(diǎn)，可以 在LFT-D成型過程中鋪設(shè)單向連續(xù)纖維或織物，以提高該方向的承載能力。
同時(shí)，可視外觀件的應(yīng)用將會(huì)越來越多。目前LFT-D技術(shù)主要應(yīng)用于汽車的的一些功能件和結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)，只有少數(shù)歐美企業(yè)掌握了在外觀件上使用該技術(shù)。如何提高產(chǎn)品的外觀質(zhì)量、達(dá)到可視效果將是今后的研究和發(fā)展方向。
此外，該技術(shù)所需的原材料將會(huì)朝多樣化發(fā)展。LFT-D技術(shù)是采用長纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基體而形成的復(fù)合材料，如今市場化的產(chǎn)品主要是玻璃纖維增強(qiáng)PP。而有些研究機(jī)構(gòu)也在研究天然纖維和碳纖維增強(qiáng)PA、ABS和PET等，相信隨著研究成果的應(yīng)用，LFT-D技術(shù)中采用的原材料將出現(xiàn)多樣化，根據(jù)產(chǎn)品的不同要求，設(shè)計(jì)空間會(huì)更大，更充分地體現(xiàn)復(fù)合材料的特點(diǎn)和優(yōu)越性。
對(duì)2015年至2020年市場預(yù)測，全球長纖維熱塑性市場預(yù)計(jì)將以5.4%的年復(fù)合增長率實(shí)現(xiàn)增長。玻璃和碳纖維常結(jié)合PA和PP樹脂材料應(yīng)用于生產(chǎn)長纖維熱塑性塑料，隨著汽車、消費(fèi)品和工業(yè)產(chǎn)品需求進(jìn)一步擴(kuò)張，LFT應(yīng)用前景廣闊。
盡管全球經(jīng)濟(jì)增長放緩，但汽車工業(yè)、航天領(lǐng)域保持穩(wěn)定增長態(tài)勢(shì)，熱塑性塑料憑借輕量化、環(huán)?？苫厥绽?，性能優(yōu)越等優(yōu)勢(shì)將迎來新一輪發(fā)展機(jī)遇。
文章來源：上海耀華大中新材料有限公司
豫公網(wǎng)安備 41088202000232號(hào)
豫ICP備11006538號(hào)-2
