GMT材料制備工藝及在發(fā)動機(jī)下護(hù)板的應(yīng)用研究

頓棟梁，宋發(fā)寶，程康，張建亮，黃江玲（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，武漢，430058）

GMT材料制備工藝及在發(fā)動機(jī)下護(hù)板的應(yīng)用研究

頓棟梁，宋發(fā)寶，程康，張建亮，黃江玲
（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，武漢，430058）

隨著日益嚴(yán)峻的節(jié)能和環(huán)保形勢，汽車廠家不斷研究輕量化材料在汽車上的應(yīng)用。本文從GMT材料的特性出發(fā)，介紹了輕質(zhì)GMT材料的制備工藝，研究了2種玻纖含量的GMT材料性能，并以發(fā)動機(jī)下護(hù)板為例，論述了GMT替代金屬材料應(yīng)用于汽車部件具有輕量化、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)點(diǎn)。

GMT；輕量化；發(fā)動機(jī)下護(hù)板

頓棟梁

畢業(yè)于重慶理工大學(xué)，學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)任東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心高級工程師，主要研究方向：整車總體設(shè)計(jì)、汽車性能開發(fā)、汽車輕量化等。

當(dāng)今汽車市場的競爭日趨激烈，如何以更低成本提供較高性能的產(chǎn)品成為汽車主機(jī)廠、零部件供應(yīng)商的關(guān)注熱點(diǎn)，同時節(jié)能、輕量化和環(huán)保等大趨勢也對汽車用材提出了更高要求。為順應(yīng)輕量化和環(huán)保的發(fā)展趨勢，復(fù)合材料在汽車上得到越來越廣泛的應(yīng)用，本文介紹了東風(fēng)汽車公司對輕質(zhì)GMT材料替代金屬材料的發(fā)動機(jī)下護(hù)板所做的研究工作。

1　GMT材料的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀

輕質(zhì)玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（Lightweight Glass Mat Reinforced Thermoplastic） （簡稱輕質(zhì)GMT 材料） ，是由連續(xù)玻璃纖維氈和熱塑性樹脂復(fù)合而成的一種新型復(fù)合材料，具有輕質(zhì)環(huán)保、吸音隔熱、高強(qiáng)韌性、優(yōu)良的抗化學(xué)腐蝕性和環(huán)境適應(yīng)性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于交通、建筑、航空等領(lǐng)域。

輕質(zhì)GMT板材的制備工藝經(jīng)歷了濕法工藝、干法工藝、流化場工藝三個發(fā)展階段［1］。

1.1濕法工藝

濕法工藝又稱造紙工藝，濕法工藝的優(yōu)點(diǎn)是可以使玻纖完全絮化成單絲，樹脂對其浸漬效果較好，樹脂容易在纖維上分散；但該工藝僅適合50～80mm的玻纖，設(shè)備成本高，能耗較大。濕法工藝流程圖如下：

1.2干法工藝

干法工藝又稱梳理工藝，是在無紡布生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其主要工藝過程包括：玻纖和熱熔纖維的混合、開松、梳理，玻纖單纖網(wǎng)的鋪疊，胚氈針刺加固，胚氈表面處理，膠膜和無紡布的復(fù)合等。干法工藝的優(yōu)點(diǎn)在于可以梳理長達(dá)100～150 mm的纖維，不排放廢氣、廢水，生產(chǎn)過程對環(huán)境友好；但梳理過程對纖維造成損傷，梳理后的玻纖實(shí)際長度只有50～80mm，玻纖和熱熔纖維之間的連接是點(diǎn)方式連接，為改善板材力學(xué)性能，樹脂用量相對較高，成本增加，而且由于梳理工藝的特性使得玻纖取向明顯，板材物理機(jī)械性能具有明顯的各項(xiàng)異性特征，在縱橫方向差別顯著。

1.3流化場工藝

流化場工藝其基本原理是：采用空氣作為流化介質(zhì)，利用空氣動力學(xué)基本原理，將熱空氣、樹脂粉末、玻纖噴入帶有攪拌裝置的流化場內(nèi)，通過攪拌裝置將玻纖分散為單絲，并與樹脂粉末充分混合，經(jīng)氣流輸送到運(yùn)送帶，得到基材；再將基材送入滾壓機(jī)，最后冷壓成板材。該工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：利用空氣動力學(xué)技術(shù)和流化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了樹脂粉末和玻纖單絲的預(yù)先充分混合；以空氣為流化介質(zhì)，不產(chǎn)生任何有毒有害的廢棄物，符合環(huán)保要求。近年來，一些廠家完善新的干法工藝，實(shí)現(xiàn)通過氣流加壓成網(wǎng)，完全改變纖維成網(wǎng)方式，將所有纖維原料制成均勻的立體結(jié)構(gòu)纖維網(wǎng)，從而明顯提高其材料性能；另一種發(fā)展方向是通過靜電的方式將樹脂粉末浸入纖維基氈，使樹脂粉末對玻纖的浸潤更加均勻，不但減少了樹脂的用量，降低了成本，而且板材性能得到提高［2］。

2　GMT材料在汽車上的應(yīng)用

用于汽車的輕質(zhì)GMT材料，通常是以2層玻璃纖維針刺氈與3層熱塑性樹脂（如PP、PA等）復(fù)合而成的一種復(fù)合材料片材，密度約為1.1～1.2 g/cm3，具有高抗沖擊韌性、比強(qiáng)度高、易于采用模壓成型工藝以及可回收再利用等優(yōu)點(diǎn)［3］，因而近年來在乘用車上得到越來越多的應(yīng)用，如車底護(hù)板、備胎倉、尾門模塊、保險杠大梁、電池盒、儀表板骨架及前端模塊等汽車部件［4］，本文以汽車發(fā)動機(jī)下護(hù)板應(yīng)用為例，來研究兩種采用流化場工藝的玻璃纖維含量分別為23%的F23和30% 的RD30的GMT材料發(fā)動機(jī)下護(hù)板與牌號為DC03的金屬下護(hù)板性能對比。在GMT材料應(yīng)用于發(fā)動機(jī)下護(hù)板時，需滿足下護(hù)板零件關(guān)鍵性能指標(biāo)剛度和耐沖擊強(qiáng)度的要求。

2.1GMT材料性能對比

2.1.1材料的基本物理性能對比

表1　GMT材料與鋼的基本物理性能對比

2.1.2材料性能對比

3種材料性能試驗(yàn)結(jié)果對比如下表2：

表2　材料性能對比

2.1.3材料性能試驗(yàn)結(jié)果分析

對上述GMT片材的測試結(jié)果進(jìn)一步分析如下，

圖4（a）～（d）和圖5分別為它們的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量及懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度的常態(tài)與老化和常態(tài)比較圖。經(jīng)過比較和分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）常態(tài)力學(xué)性能

玻纖含量較高RD30力學(xué)性能均優(yōu)于玻纖含量低的F23，拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度分別提高了107%、60.3%、33.1%和21.2%。

（2）老化前后的力學(xué)性能

濕熱老化對GMT材料的力學(xué)性能影響不大，且體現(xiàn)了GMT材料較好的抗低溫沖擊性能。

（3） 熱變形溫度和吸水率

RD30的GMT材料的熱變形溫度比F23高；且均表現(xiàn)出了較低的吸水率，這也是GMT材料的力學(xué)性能受濕熱老化影響較小的原因。

2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

以東風(fēng)某車型的發(fā)動機(jī)下護(hù)板為例，圖4a為材料為DC03的鋼制下護(hù)板，圖4b為優(yōu)化前GMT下護(hù)板，圖4c為優(yōu)化后GMT下護(hù)板。如下為零件模型的示意圖，由于安裝邊界不變，故零件安裝尺寸不變，在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時為了減輕重量，鋼制下護(hù)板一般開有較多的減重孔，由于GMT彈性模量低于鋼，為了保證零件性能，GMT下護(hù)板設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)優(yōu)化方向主要從尺寸、形狀、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面改進(jìn)優(yōu)化，減少了減重孔，增加加強(qiáng)筋和折彎邊等結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

2.2.1CAE模態(tài)分析

表3　CAE仿真模態(tài)對比

為了彌補(bǔ)GMT材料彈性模量低于鋼的不足，設(shè)計(jì)零件厚度采用2.5mm，增加加強(qiáng)筋和折彎邊結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)改進(jìn)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的GMT下護(hù)板，模態(tài)有明顯提高，但略低于金屬下護(hù)板，對于不同GMT材料，玻纖含量高的 RD30的模態(tài)優(yōu)于F23。

2.2.2CAE沖擊強(qiáng)度仿真分析

考慮下護(hù)板在不同工況下，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以3.5g加速度模擬極限工況分析其強(qiáng)度，經(jīng)過CAE分析，GMT材料下護(hù)板的零件本身應(yīng)力較低，同時GMT下護(hù)板應(yīng)力集中區(qū)域面積更小，三種材料的下護(hù)板均能夠滿足3.5g的加速度沖擊強(qiáng)度要求。

2.3發(fā)動機(jī)下護(hù)板的關(guān)鍵性能指標(biāo)驗(yàn)證

表4　發(fā)動機(jī)下護(hù)板關(guān)鍵性能指標(biāo)驗(yàn)證

2耐沖擊強(qiáng)度常溫沖擊：直徑85mm落錘，底端球頭半徑為80mm，鋼質(zhì)圓柱體質(zhì)量為2000g，溫度23℃，高度50cm低溫沖擊：直徑29mm落錘，底端球頭半徑為20mm，鋼質(zhì)圓柱體質(zhì)量為800g，溫度-30℃，高度50cm樣件無異常現(xiàn)象無異常無異常無異常

通過零件臺架試驗(yàn)，GMT下護(hù)板滿足產(chǎn)品的關(guān)鍵性能指標(biāo)剛度、抗沖擊強(qiáng)度性能要求，通過整車耐久實(shí)車試驗(yàn)，測試符合設(shè)計(jì)要求。

3　結(jié)論

優(yōu)化后的GMT發(fā)動機(jī)下護(hù)板的質(zhì)量僅有1.14kg，相比原鋼制下護(hù)板，實(shí)現(xiàn)單個零件減重65.5%，零件成本減低約22%，且產(chǎn)品剛度、耐沖擊強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)關(guān)鍵性能指標(biāo)要求，有利于汽車輕量化。此外，與鋼制下護(hù)板相比，GMT材料本身性能穩(wěn)定，耐化學(xué)腐蝕性及耐候性優(yōu)異，不需要涂裝防腐，可簡化生產(chǎn)工序，從而減少了環(huán)境污染，隨著GMT材料的生產(chǎn)工藝不斷完善，相信GMT材料將會廣泛應(yīng)用于汽車產(chǎn)品上，尤其是對整車輕量化更高要求的純電動汽車。

［1］ 戴干策， 孫斌. 輕質(zhì)熱塑性復(fù)合片材的制備技術(shù)與應(yīng)用［J］. 纖維復(fù)合材料， 2007.（2）：3-6.

［2］ 張偉， 董升順， 蔣建云等. 輕質(zhì)GMT板材制備技術(shù)與發(fā)展現(xiàn)狀［J］. 塑料工業(yè)， 2011（S1）：50-56.

［3］ 崔益華，陶杰. GMT片材及其在汽車工業(yè)中的應(yīng)用［J］. 汽車工藝與材料， 2003.（4）：16-19.

［4］ 戴干策， 朱永全， 王清國. 車用GMT材料應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展預(yù)測［J］. 汽車技術(shù)， 1999.（7）：25-27.

專家推薦

周惦武：

該文試驗(yàn)數(shù)據(jù)充分，對工程實(shí)際有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用，值得發(fā)表。

Study on Fabrication Process of GMT and its Application on Engine Protection Plate

DUN Dong-liang， SONG Fa-bao， CHENG Kang， ZHANG Jian-liang， HUANG Jiang-ling
（ Research and Development Center of Dongfeng Motor， Wuhan 430058， China ）

With the fierce trend of energy conservation and environmental protection， automobile manufacturers continue to study the application of lightweight materials in vehicles. Based on the material characteristics of GMT， this article introduced the fabrication process of GMT and studied the GMT material properties of two kinds of glass fiber content. Taking engine protection plate as an example， using of GMT as a substitute for metal in vehicle components， having the advantages of lightweight，environment-friendly and more economy was demonstrated.

GMT； weight reduction； engine protection plate

U465.6

A

1005-2550（2015）05-0071-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.05.015

2015-05-05